弓網在線監測裝置在地鐵上的應用

◎謝智飛 侯永環 夏龍良

弓網在線監測裝置是集接觸網幾何參數檢測、接觸線磨耗檢測、弓網燃弧檢測、接觸定位懸掛監測、弓網狀態監測、溫度檢測于一體的動態檢測裝置。該裝置能夠在地鐵正常運行時，自動實現架空接觸網幾何參數、接觸線磨耗、弓網燃弧、接觸定位懸掛、弓網狀態視頻、接觸網溫度的實時動態檢測，可快速有效的發現接觸網或受電弓異常狀態，自動記錄并提供缺陷位置、缺陷種類、故障等級等相關信息，從而有效地指導各維修部門快速對弓網系統進行維護。

一、設備的布置

弓網在線監測裝置分三個位置安裝，主要分為車頂設備、車內設備、車底設備。車頂設備主要由圖像數據采集模塊、補光燈組成；車內設備主要由主機單元、電源箱組成；車底設備主要由振動補償檢測模塊組成。

二、系統的功能

1.裝置簡介。

弓網在線監測裝置由車頂設備、車內設備及車底設備三部分構成。其中，車頂由接觸網幾何參數檢測模塊、接觸線磨耗檢測模塊、弓網燃弧檢測模塊、接觸網定位懸掛裝置高清成像模塊、受電弓狀態檢測模塊以及接觸網測溫模塊組成。車內設備由供電管理模塊、綜合定位模塊、數據處理模塊、數據存儲模塊、外部接口模塊及車地無線傳輸模塊等組成。車底設備由RFID 電子標簽模塊、車底補償設備組成。

2.工作原理。

車頂各檢測設備模塊將采集到的目標信息進行預處理，并將預處理結果通過千兆以太網方式傳輸至車內數據處理模塊；數據處理模塊對信號進行多重調制濾波、分析計算，并對各處理模塊與綜合定位信息數據進行實時融合，把得到的接觸網幾何參數、接觸線磨耗、弓網燃弧、受電弓狀態視頻及溫度等數據同步實時存儲致數據管理存儲模塊，同步的數據處理模塊將分析本次檢測的報警信息；最后，通過車地無線傳輸模塊將報警信息發送至運營維護部門管理中心。

3.硬件介紹。

（1）車頂設備硬件。接觸網幾何參數檢測模塊：利用結構光檢測技術（相機和激光器組合，簡稱2D 傳感器），能實現接觸網導高、拉出值、多支線間距等接觸網幾何參數的高精度檢測。

接觸線磨耗檢測模塊：由一組線陣相機和光源組成。采用圖像處理技術，能夠對接觸導線進行高精度動態線性掃描。通過掃描的圖片能準確測量、分析、記錄全線接觸線的磨損高度、殘存直徑等狀況，并記錄其位置輸出數據及影像。

弓網燃弧檢測模塊：采用紫外光電檢測技術實現弓網燃弧檢測，檢測頻率達5000Hz。測量燃弧波段為220nm～225nm或323～329nm。

受電弓狀態監測模塊：采用1 臺高清數字攝像機（不低于200 萬像素），在車輛運行過程中實時監視弓網運行狀態，能夠對弓網運行實時錄像及查看。

（2）車內設備硬件。供電管理模塊：本模塊用于將車輛提供的DC110V 轉成受電弓狀態視頻監控裝置中各模塊所需要的工作的電源，如DC12V，DC24V 等。

綜合定位模塊：采用MVB 總線技術從機車獲取速度信息，并結合RFID 無線射頻技術獲取的電子標簽數據實現綜合定位，當檢測到弓網燃弧或接觸網幾何參數超限時，精確定位出異常點位置。

數據處理模塊：用于對各模塊數據的采集、處理、存儲、數據融合等操作。

（3）車底設備。車底設備主要由振動補償設備和RFID 標簽模塊組成。振動補償設備采用2 組2D 傳感器實現振動補償。

4.技術特點。

（1）基于機器視覺的非接觸式接觸網幾何參數檢測技術。基于機器視覺的非接觸式接觸網幾何參數檢測技術，主要采用結構光檢測技術，實現接觸網幾何參數高精度、實時檢測。實現方法：激光器與面陣相機安裝于車頂中央同一水平面內，構成一個2D 傳感器。激光器垂直向上補光，相機以一定角度傾斜安裝并捕獲接觸線。激光平面與接觸線截面相交后，會在接觸線（匯流排）上形成一條高亮的接觸線激光輪廓曲線。面陣相機與激光平面呈一定角度，拍攝接觸線激光輪廓圖像，并將其傳輸給數據處理模塊（主機），完成接觸線輪廓圖像中激光光條中心提取，借助圖像識別、分析、處理等技術進一步提取接觸線在圖像位置坐標，并通過查表法（標定數據）將接觸線圖像位置坐標還原為目標所成像對應的位置坐標，進而計算接觸線導線高度及拉出值。①雙支接觸線垂直距離。通過雙線導高進行幾何計算，從而計算雙線（工作支與非支、柔性雙線）接觸線垂直距離。②雙支接觸線水平距離。通過雙線拉出值進行幾何計算，從而計算雙線（工作支與非支、柔性雙線）接觸線水平距離。

（2）基于機器視覺的接觸網磨耗檢測技術。全新未磨損導線與磨損導線的切面示圖區分明顯，新導線的下半部分呈完整圓弧狀，而磨損導線低端呈直線狀，本方案最終磨耗測量數據值以切面磨損直徑長度d 的數據形式呈現。

（3）基于紫外光電原理的弓網燃弧檢測技術。依靠弓網燃弧光物理特性，綜合應用光學和圖像技術，提出了一種非接觸式紫外相機檢測弓網燃弧的實時在線檢測方法，精確地獲取了表征弓網燃弧的特征指標（特征波段220nm～225nm 或323nm～329nm，），本方法克服了日照光源、太陽光等干擾因素，能在全天候實現在線檢測。

實現方法：基于受電弓的抬升高度以及拉出值的變化范圍選定拍攝范圍，用于捕捉弓網燃弧輻射出特定譜段的紫外光，進而達到準確檢測弓網燃弧的目的。

5.裝置功能。

（1）軟件功能。①檢測監測功能：實時、在線、高精度非接觸式檢測接觸網幾何參數（拉出值、導線高度、線間距等）、接觸線磨耗參數、弓網燃弧參數（檢測燃弧持續時間、燃弧次數及燃弧率）、實現接觸網定位懸掛裝置（觀察接觸網的懸掛支架是否偏位，絕緣子及匯流排的狀態是否正常，螺栓是否松動脫落）、受電弓狀態高清成像（在車輛運行過程中實時監視弓網運行狀態，能夠對弓網運行實時錄像及查看）以及接觸網溫度（溫度過高自動告警）功能。

②控制功能：可實現全程無人工干預，具備上電自啟動功能；預留人工干預功能。

③數據傳輸功能：具有數據無線傳輸功能，能夠通過車地通信設備將報警數據傳輸到車輛段或監測終端。

④數據管理功能：可對跟蹤過程中的報警數據進行查詢、統計、分析、管理；能獨立實時錄像，檢索回放，錄像查詢、下載等功能；

⑤數據輸出功能：可線下全程回放弓網運行狀態監測過程，并輸出數據及影像，最后生成統計報表及分析報告。

三、核心模塊日常維護

1.圖像數據采集模塊激光器修理與更換后測試。（1）設備通電、啟動設備；（2）啟動弓網在線檢測軟件；（3）打開相機主程序；（4）打開監視程序，查看相機圖像；（5）用單根模擬導線（鐵棒）在激光器正上方400mm 以上來回緩慢滑動；（6）軟件顯示的相機圖像，在外界無干擾的情況下，導高曲線平滑，拉出值曲線呈現“之”字形；（7）若圖像顯示如上圖，則判定為正常。

2.振動補償檢測模塊激光器修理與更換后測試。（1）設備通電、啟動設備；（2）啟動弓網在線檢測軟件；（3）打開MVGESDK，選擇BIN64 文件夾；打開其中相機演示程序；（4）分別先后選擇連個相機，打開設備-打開采集，即可分別查看2D 相機的圖像；（5）查看2D 相機圖像，若顯示類似下圖，則修理及更換后相機正常。