一種接觸線振動在線監測方法

程宏波,張 偉,倫 利,徐學平,王 勛

(1.華東交通大學電氣與自動化工程學院,南昌 330013； 2.中國鐵路武漢局集團襄陽供電段,湖北襄陽 441000)

受電弓的高速滑行會對接觸線產生沖擊，使接觸線振動，影響受電弓的正常取流，進而影響電力機車的正常運行[1]。對接觸線的振動情況進行監測可有效判斷受電弓的運行狀態，可為接觸網運行維護的調整提供依據[2]。

接觸線的振動測量有接觸式與非接觸式兩種。目前接觸式測量主要有模擬測量法和傳感器檢測法[3]。模擬測量法是通過受電弓的高度與電阻器電壓之間的變化關系，達到測量接觸線振動的目的[4]。傳感器檢測法一般將傳感器安裝在受電弓上，與接觸線直接接觸來記錄其振動位移，目前在檢測車上的應用較為廣泛。接觸式測量對受電弓的結構產生影響，且只能記錄弓網接觸點處的振動情況。非接觸式測量一般在車頂安裝高速相機進行測量[5]，檢測設備與接觸線之間不接觸，但由于車體的振動，其誤差的補償關系較難確定，因此測量誤差較大。為減小車體振動的影響，文獻[6]將高速相機固定于支柱上，其測量精度相對較高，但只適用于特定位置的振動監測，無法滿足對接觸線大規模監測的需要。

從上面的研究可以看出，目前的監測無法實現接觸線振動的全范圍實時監測。檢測車只能記錄該車所在點處接觸線的抬升情況，無法測量此時其他位置處接觸線的振動，且不能反映實際列車運行時接觸線振動的真實情況。支柱上安裝相機只能記錄有限位置處的接觸線振動，對全線其他位置處的接觸線振動無法反映。

因此，開發簡單有效的接觸線振動監測系統，實現對接觸線振動的實時在線監測十分有必要[7]。從接觸線的特點出發，提出一種新的接觸線振動監測方法，以加速度計為核心設計一套接觸線振動監測裝置，并設計了監測裝置的安裝結構，給出了接觸線振動信號分析處理的流程及實現方法，通過試驗驗證了該方法的可行性和有效性，實現了對接觸線振動的在線監測。

1 接觸線振動監測系統設計

1.1 振動監測系統功能分析

接觸線的振動監測主要是獲取架空接觸線的振動數據，由于接觸線工作條件的特殊性，該振動監測裝置不能對接觸線下運行的機車受電弓產生影響，因此，考慮采用傳感器終端加無線發送的方式來獲取接觸線的振動數據。

接觸線振動監測系統的總體結構如圖1所示，主要由無線振動監測器、無線數據接收端以及PC端數據處理軟件組成。振動監測器利用加速度計獲取接觸線的振動加速度值，為節省電量，延長其工作壽命，只有當列車運行，振動數值超過某一設定閾值時才觸發無線發送模塊，將振動監測數據、時間以及對應的標記信息(監測器位置標號，電池當前電量值)通過無線射頻通訊方式發送到數據接收端。當數據接收端處于忙碌狀態時，傳感器終端會將數據暫時保存到本地存儲，處于匹配接收端狀態，待匹配成功后發送，發送完畢后清除本地存儲信息，釋放存儲空間。數據接收端利用無線射頻通訊接收監測器發送的數據并通過串口通訊將數據導入PC端數據處理軟件。PC端數據處理軟件將接收的振動加速度信號進行兩次積分后得到接觸線的振動位移信息。

圖1 接觸線振動監測系統結構

1.2 接觸線振動監測器硬件設計

接觸線振動監測器主要由MEMS傳感模塊、主控MCU模塊、電源管理模塊、無線通信模塊組成。MEMS傳感模塊實時輸出加速度與歐拉角數據用于監測接觸線當前的振動狀態與運動姿態。主控MCU模塊為中央處理器，負責整個系統的邏輯控制，完成無線數據的發送與接收、讀取電源狀態等功能。鋰電池電源管理模塊負責提供穩定的電源，同時監測輸出端電壓，預防電源故障。無線通訊模塊負責振動信息的發送與接收，監測器硬件結構如圖2所示。

圖2 接觸線振動監測器硬件結構

MEMS傳感模塊選用JY901模塊，該模塊集成高精度的陀螺儀、加速度計、地磁場傳感器，同時內部集成姿態解算器，配合卡爾曼濾波算法能快速求解出當前接觸導線的運動狀態，同時可設置其片上系統時間使各模塊同步時程輸出。MCU選用LQFP工業級STC89C52RC主控芯片，其特點是體積小、質量輕、功耗低，特別適合用在接觸線監測這類對體積和功耗要求嚴格的場合。無線傳輸模塊選用Nordic nRF24L01+無線射頻芯片，發送器加裝微型彎頭棒狀天線，接收器加裝2.4G高增益天線以增強傳輸距離[8]。當前配置下，采樣頻率為200 Hz，通信穩定傳輸距離達500 m。接觸線在受電弓沖后，接觸線振動頻率集中1 Hz左右的低頻振動狀態，一般不超過20 Hz[9-10]，根據香農采樣定理，本裝置采樣頻率滿足對接觸線振動數據采樣的要求。

為保證監測裝置安裝的方便和工作的可靠，采用與接觸線外形相適應的結構設計，接觸線振動無線監測裝置的安裝結構如圖3所示，其下半部分設計成與接觸線截面類似，以便于采用現有接觸線線夾進行安裝，其上部分設計成半圓環結構，以便于與接觸線吊弦結合。這樣的設計在保證安裝方便的同時，還能確保在列車的高速沖擊下不脫落，以確保不會對列車的運行產生危害。

圖3 接觸線振動監測器安裝結構

1.3 接觸線振動監測系統軟件設計

振動監測系統要將傳感器終端中的振動信息無線發送至無線數據接收端，然后控制無線數據接收端接收并傳輸至PC數據處理軟件。

圖4 無線數據發送流程

傳感器終端無線數據發送流程如圖4所示。首先系統初始化時鐘，定位器，SPI口等。采用閾值中斷方法喚醒MCU，在nRF24L01+的PowerDown模式下初始化配置，MCU通過SPI口把數據寫入TX_FIFO緩存，配置PWR_UP=1且MCU控制引腳CE置高大于10 μs后，經過130 μs的晶振穩定時間，nRF24L01+進入TX模式發送數據幀；控制位TX_DS=置位，引腳IRQ產生中斷信號，完成一次數據發送，此時應立即使nRF24L01+進入PowerDown模式以節省能量。無線數據接收流程如圖5所示。配置方式與發送類似，由于接收端不需要考慮節省能量的因素，因此接收器一直處于接收狀態，在接收到振動數據后直接通過串口將振動數據導入PC端數據處理軟件中進行處理。

圖5 無線數據接收流程

2 接觸線振動監測數據的處理方法

2.1 數據預處理

MEMS傳感器在實際測量時，一般存在零點漂移與高頻噪聲兩種誤差，本文選用零點標定與低頻濾波的方法對這兩種誤差進行預處理，同時，振動監測器在監測振動時，由于加速度計測量的是“比力”，是重力加速度和運動加速度矢量和，而接觸線在受電弓的抬升作用下處于姿態的動態變化中，使振動監測器的加速度計產生旋轉偏移，導致重力加速度會在各軸產生分量誤差，這個分量誤差與接觸線的運動加速度疊加，使獲取的運動加速度產生細微的偏差[11-12]。而最終是獲取接觸線振動位移信號，這個細微的偏差在經過兩次積分運算累計后，會導致較大的位移誤差。因此，求得并去除重力加速度在各軸的分量誤差就顯得極為重要。

圖6 三軸組合旋轉動態變化

(1)

得知四元數q后，利用四元數坐標旋轉實現振動監測裝置載體坐標與地理坐標之間的轉換[14-16]

p′=q*pq

(2)

得出重力分量誤差

(3)

(4)

2.2 加速度信號的頻域積分運算

由上節可得接觸線各軸方向上的實際運動加速度信號，但在弓網運行狀態分析過程中一般關注接觸線抬升方向上的振動位移情況，因此需對加速度信號進行積分得到位移信號。

加速度時域信號中夾雜著一定的趨勢項及高頻噪聲等干擾誤差，即使對信號進行預處理，誤差也不可能完全消除，加上時域積分本身所產生的常數項，會使位移曲線產生較大漂移。因此采用頻域積分方法，以去除低頻趨勢項和高頻干擾項的影響。

頻域積分是將時域信號Fourier變換轉到頻域，在頻域中實現積分，再通過Fourier逆變換返回時域的過程，在進行頻域積分過程中可將低于最小截止頻率與高于最大截止頻率成分置為零，可有效去除低頻趨勢項和高頻等干擾誤差[17，18]。

(5)

(6)

其中

(7)

式中，a(k)為實際運動加速度信號采樣序列的Fourier變換；v(r)為該序列的速度信號；x(r)為該序列的位移信號；Δf為頻率分辨率；fu和fd分別為上、下限截止頻率，可根據實際情況設定截止頻率，以濾除信號中趨勢項及高頻干擾的影響。

3 試驗驗證與分析

為對設計的接觸線振動在線監測裝置及其數據處理方法進行驗證，在我校軌道技術創新試驗基地對不同懸掛形式的接觸線進行了測試和分析。

3.1 試驗設計

軌道交通技術創新實驗基地有高鐵、普速各類型線路下的多種典型接觸網形式，為驗證方法的適用性，對簡單鏈型懸掛與彈性鏈型懸掛兩種典型的接觸網結構的接觸線進行了振動測試，懸掛基本結構參數如表1所示。

表1 接觸網結構參數

為驗證測量裝置對不同接觸網結構的適應性，分別對簡單鏈型懸掛與彈性鏈型懸掛設計3組測量方案，每組測量方案設置3個監測點，測量方案如圖7所示。為確保準確性，消除隨機性，試驗對每組方案測量3次，取3次測量結果均值為本次測量方案最終結果。

設計的3種方案中，既有測量定位裝置處的振動信息，又有測量跨距中心處的振動信息，使獲得接觸線的振動信息具有一定的代表性。

圖7 試驗方案設計

3.2 試驗結果分析

通過試驗分別測得簡單鏈型與彈性鏈型懸掛下不同方案的測量結果。以方案1的測量結果為例，圖8是簡單鏈型懸掛與彈性鏈型懸掛監測點處的接觸線抬升方向上最大振動位移變化曲線。

從圖8可以看出，在人工施加外力作用后，監測點1處的接觸線振動幅值最大達50 mm，由于彈性鏈型懸掛接觸網張力補償作用較好，彈性鏈型懸掛測點2與測點3處的最大振幅明顯比簡單鏈型懸掛小。

圖8 接觸線監測點處振動位移

圖9是監測點處接觸線振動的起振曲線段。根據圖9，采用坐標最大值標定方法，可獲得不同監測點處的起振時間差，由監測點之間的距離及起振時間差，可算出該段接觸線上的波動傳播速度，結果如表2所示。

圖9 起振曲線

懸掛類型簡單鏈型彈性鏈型方案編號計算均值/(km/h)1496.22494.33495.91492.12494.63491.4理論值/(km/h)562差異率/%11.7112.0511.7612.4411.9912.56

由表2可以看出，根據裝置所獲取的振動信號計算出的波動傳播速度與理論計算值基本一致，且呈現一定的差異穩定性，可反映出監測裝置的有效性與可靠性。差異的原因是由于實驗中監測點之間的距離較近，監測裝置的采樣頻率相對較低，而且理論計算公式中沒有考慮實際外部環境的干擾以及外部阻尼的影響，也沒有考慮實際工況下接觸線結構的復雜性[19-20]，造成了實際測量值與理論計算值存在一定的偏差。

4 結語

接觸網的工作具有一定的特殊性，利用加速度傳感器可以方便獲得接觸線在不同方向的振動情況，通過四元數旋轉可消除重力分量的影響提高振動加速度信號監測的準確性，通過小型化及與吊弦相結合的設計，可提高振動監測裝置工作的可靠性。實際接觸網上的振動監測試驗驗證了該系統的可行性與有效性，可為接觸線振動監測提供一種新的方法。