車載弓網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理及應(yīng)用

周金萍 孫健 宋磊 劉爭(zhēng)

中車唐山機(jī)車有限公司 河北唐山 063000

列車在運(yùn)行過程中，受電弓與接觸網(wǎng)長時(shí)間摩擦，容易發(fā)生磨損，加之受氣流、雨雪等外界因素干擾，容易造成弓網(wǎng)故障，從而影響列車正常運(yùn)行。針對(duì)弓網(wǎng)故障頻繁發(fā)生，大多數(shù)地鐵車輛會(huì)考慮安裝弓網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)弓網(wǎng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)快速的定位弓網(wǎng)故障隱患并報(bào)警，減少列車弓網(wǎng)故障處理時(shí)間，提高列車運(yùn)營安全及運(yùn)營效率。目前城軌車輛的弓網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用非接觸性檢測(cè)方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)弓網(wǎng)工作的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)記錄弓網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。

1 功能描述

弓網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝在運(yùn)營的地鐵列車上，實(shí)現(xiàn)對(duì)弓網(wǎng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)具有以下功能：

（1）視頻監(jiān)控功能。在車頂每個(gè)受電弓處加裝受電弓的狀態(tài)視頻監(jiān)控裝置，采用高速高清攝像頭，該裝置能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)視每個(gè)受電弓狀態(tài)，并能將視頻信息通過PTU進(jìn)行回看和下載，且OCC可以調(diào)用查看相關(guān)視頻信息。

（2）受電弓結(jié)構(gòu)異常監(jiān)測(cè)功能。檢測(cè)受電弓及羊角異常，受電弓及羊角缺損、變形等異常，并實(shí)時(shí)報(bào)警。

（3）弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)功能。檢測(cè)車輛運(yùn)行過程中弓網(wǎng)拉弧現(xiàn)象（燃弧強(qiáng)度、燃弧時(shí)長、燃弧率等），并能自動(dòng)報(bào)警。

（4）弓網(wǎng)溫度監(jiān)測(cè)。檢測(cè)弓網(wǎng)接觸點(diǎn)溫度，溫度過高自動(dòng)告警。

（5）接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)功能.檢測(cè)接觸網(wǎng)的拉出值，高度值，導(dǎo)高值超限時(shí)自動(dòng)告警。

2 系統(tǒng)組成

主要由車頂數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備、車內(nèi)分析服務(wù)器地面數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)組成。

3 系統(tǒng)原理介紹

3.1 弓網(wǎng)視頻監(jiān)控

采用工業(yè)監(jiān)控相機(jī)對(duì)弓網(wǎng)工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，在車輛運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)拍攝弓網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)視頻，使用PTU軟件進(jìn)行視頻的回看和下載。可實(shí)現(xiàn)變倍聚焦自動(dòng)巡航功能，系統(tǒng)采用智能高速云臺(tái)，對(duì)弓網(wǎng)重要部位進(jìn)行巡航檢查，并進(jìn)行局部細(xì)節(jié)查看[1]。

3.2 受電弓結(jié)構(gòu)異常監(jiān)測(cè)

采用工業(yè)監(jiān)測(cè)相機(jī)檢測(cè)受電弓及羊角異常，異物侵入，滑板傾斜等異常，并實(shí)時(shí)告警提示。受電弓結(jié)構(gòu)檢測(cè)采用跟蹤對(duì)比與結(jié)構(gòu)特性檢測(cè)相結(jié)合的方式，若出現(xiàn)對(duì)比差異，則基于提取的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行確認(rèn)。受電弓的結(jié)構(gòu)特性涵蓋直線、曲線和實(shí)際長度截取，作為判斷受電弓的相對(duì)特性參數(shù)[2]。

3.3 弓網(wǎng)的燃弧檢測(cè)

列車運(yùn)行過程中，受電弓和接觸網(wǎng)通過接觸點(diǎn)組成一個(gè)相互振蕩和耦合的振動(dòng)系統(tǒng)，弓網(wǎng)系統(tǒng)的振動(dòng)是隨機(jī)振動(dòng)，當(dāng)振動(dòng)劇烈時(shí)，可能造成受電弓滑板與接觸導(dǎo)線脫離接觸，在離線的瞬間，電流擊穿滑板和接觸線之間空氣間隙，產(chǎn)生放電現(xiàn)象，形成燃弧。在EN 50317-2002標(biāo)準(zhǔn)指出，銅及銅合金的接觸線產(chǎn)生的燃弧存在220nm-225nm或323nm-329nm的波段。該波段屬于紫外波段，因此可用紫外相機(jī)測(cè)量車輛運(yùn)行過程中拉弧現(xiàn)象（燃弧強(qiáng)度、燃弧時(shí)長、燃弧率），并能自動(dòng)報(bào)警；

紫外成像技術(shù)是攝取目標(biāo)在紫外波段的空間特征，將較大視場(chǎng)范圍內(nèi)的紫外場(chǎng)景成像在紫外增強(qiáng)器的光敏面上，紫外增強(qiáng)器將極其微弱的紫外輻射圖像轉(zhuǎn)換成可見光信號(hào)輸出，然后將可見光信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻圖像，并按照一定接口形式傳輸?shù)焦怆妶D像采集分析系統(tǒng)，最后經(jīng)過信號(hào)處理后輸出到觀察記錄設(shè)備，同時(shí)對(duì)采集到的圖像進(jìn)行存儲(chǔ)和處理。紫外相機(jī)的前面板玻璃選用石英玻璃，石英玻璃具有極低的熱膨脹系數(shù)、高的耐溫性、極好的化學(xué)穩(wěn)定性、優(yōu)良的電絕緣性，同時(shí)石英玻璃也是所有透紫外材料的最佳選擇。車輛運(yùn)行過程中的電流可通過電流傳感器進(jìn)行測(cè)量[3]。

3.4 弓網(wǎng)溫度監(jiān)測(cè)

車輛運(yùn)行過程中接觸網(wǎng)與受電弓產(chǎn)生摩擦，受電弓和接觸網(wǎng)溫度發(fā)生變化，溫度過高時(shí)容易損傷受電弓與接觸網(wǎng)。利用紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)，實(shí)時(shí)測(cè)量受電弓與接觸網(wǎng)溫度，當(dāng)檢測(cè)溫度超限正常值時(shí)，立即報(bào)警提示。

紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)原理是，紅外熱成像工業(yè)相機(jī)利用紅外探測(cè)器、光學(xué)成像物鏡接收被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射信號(hào)，經(jīng)過紅外光學(xué)系統(tǒng)紅外探測(cè)器的光敏源上利用電子掃描電路對(duì)被測(cè)物的紅外熱像進(jìn)行掃描轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過放大處理。任何有溫度的物體都會(huì)發(fā)出紅外線，車輛運(yùn)行時(shí)，受電弓與接觸線摩擦產(chǎn)生溫度，熱成像工業(yè)相機(jī)是通過接收發(fā)出的紅外線，通過有顏色的圖片來顯示被測(cè)量物表面的溫度分布。

3.5 接觸網(wǎng)幾何參數(shù)測(cè)量

采用激光三角測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)幾何參數(shù)測(cè)量。激光三角法測(cè)量整體精度高，較適用于非固定位數(shù)據(jù)的測(cè)量。

采用激光三角法檢測(cè)接觸網(wǎng)拉出值和導(dǎo)高，主要由1個(gè)工業(yè)相機(jī)與1個(gè)激光器組成。激光器發(fā)射出的光線到達(dá)接觸線后形成反射，工業(yè)相機(jī)采集反射回的光線，在相機(jī)的靶面上成像，當(dāng)接觸線位置變化時(shí)，相機(jī)靶面所成的像位也隨之變動(dòng)，接觸線的位置與相機(jī)靶面成像的位置一一對(duì)應(yīng)。在相機(jī)的靶面成像后，在靶面上對(duì)應(yīng)產(chǎn)出一個(gè)x，y坐標(biāo)值，定義x為拉出值，y為導(dǎo)高，經(jīng)過標(biāo)定后，x和y的值與接觸網(wǎng)的每一個(gè)位置狀態(tài)對(duì)應(yīng)，即x的坐標(biāo)值與接觸網(wǎng)拉出值一一對(duì)應(yīng)，y的坐標(biāo)值與接觸網(wǎng)導(dǎo)高值一一對(duì)應(yīng)。

圖1 垂直入射激光三角法

4 結(jié)語

目前弓網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于高鐵、城軌車輛上。弓網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的配置根據(jù)用戶需求略有不同，車載弓網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能仍有較大的拓展空間。