列車(chē)受電弓在線自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用研究

江 偉 張寶林

(1.廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院軌道車(chē)輛系，廣州,510650；2.中國(guó)鐵路廣州局集團(tuán)有限公司機(jī)務(wù)處，廣州,510088∥第一作者，副教授)

受電弓是軌道交通列車(chē)關(guān)鍵的受流設(shè)備，其狀態(tài)的好壞直接影響列車(chē)的運(yùn)營(yíng)安全和效率。在日常維護(hù)中，檢修人員需要對(duì)受電弓滑板磨耗程度以及滑板與接觸網(wǎng)導(dǎo)線的接觸壓力進(jìn)行檢測(cè)。傳統(tǒng)的檢查方式是在車(chē)輛段專(zhuān)用的臺(tái)位上對(duì)斷電后的列車(chē)采取人工登車(chē)頂進(jìn)行檢查。列車(chē)受電弓在線自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)具有檢測(cè)效率高、自動(dòng)化程度高、全天候檢測(cè)、技術(shù)先進(jìn)可靠等顯著優(yōu)點(diǎn)，使得其在列車(chē)受電弓檢修中得以推廣和應(yīng)用。文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)的列車(chē)受電弓動(dòng)態(tài)性能檢測(cè)系統(tǒng)可對(duì)受電弓與接觸網(wǎng)之間的接觸力、接觸網(wǎng)導(dǎo)線的高度等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。文獻(xiàn)[2]介紹了在南京地鐵1號(hào)線上使用的列車(chē)受電弓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)，反映受電弓主要運(yùn)行狀態(tài)和安全性能的各種特征信息，并及時(shí)預(yù)報(bào)受電弓故障信息。文獻(xiàn)[3]介紹了在成都地鐵2號(hào)線上使用的列車(chē)受電弓及車(chē)頂動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)受電弓滑板磨耗、中心線偏離、工作壓力等關(guān)鍵特性參數(shù)的動(dòng)態(tài)檢測(cè)，并可實(shí)施車(chē)頂異物監(jiān)視。文獻(xiàn)[4]介紹了在南京地鐵2號(hào)線上使用的列車(chē)受電弓實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)受電弓狀態(tài)的定點(diǎn)監(jiān)視，并幫助檢修人員準(zhǔn)確、快速判斷運(yùn)行中的地鐵車(chē)輛受電弓狀態(tài)及故障，從而提高了檢修效率。

本文介紹的列車(chē)受電弓在線自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)安裝在列車(chē)入庫(kù)線路上，其采用高分辨率圖像分析測(cè)量技術(shù)和現(xiàn)代傳感技術(shù)，在列車(chē)不需要停車(chē)的情況下即可實(shí)現(xiàn)對(duì)受電弓關(guān)鍵特性參數(shù)的在線動(dòng)態(tài)自動(dòng)檢測(cè)。該系統(tǒng)適用于各種類(lèi)型動(dòng)車(chē)組及軌道交通列車(chē)的受電弓檢測(cè)。

1 系統(tǒng)組成

列車(chē)受電弓在線自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)按物理布局可劃分為基本檢測(cè)單元、現(xiàn)場(chǎng)控制中心、遠(yuǎn)程控制中心等3個(gè)部分，如圖1所示。

1.1 基本檢測(cè)單元

基本檢測(cè)單元位于列車(chē)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，由滑板磨耗檢測(cè)模塊、中心線偏移檢測(cè)模塊、接觸壓力檢測(cè)模塊以及車(chē)號(hào)識(shí)別模塊等4個(gè)部分組成，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的檢測(cè)功能。為了檢測(cè)滑板磨耗和中心線偏移情況，需要獲取受電弓的輪廓圖像。因此,該系統(tǒng)在列車(chē)入庫(kù)線上設(shè)置了檢測(cè)棚。如圖2所示，在左右兩側(cè)分別安裝2臺(tái)CCD(電荷藕合器件)黑白攝像機(jī)用于受電弓圖像拍攝，在中間安裝2臺(tái)CCD彩色攝像機(jī)用于異常觀測(cè)。此外，在線路兩側(cè)各安裝1對(duì)對(duì)射式光電傳感器，用作第1觸發(fā)點(diǎn)和第2觸發(fā)點(diǎn)。為了避免光線過(guò)暗，在攝像機(jī)處合適位置還安裝了閃光燈。

圖1 列車(chē)受電弓在線自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 基本檢測(cè)單元平面布置圖

1.2 現(xiàn)場(chǎng)控制中心

現(xiàn)場(chǎng)控制中心位于檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，由數(shù)據(jù)采集工控機(jī)、數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)、通信工作站和UPS等組成，可完成各傳感器信號(hào)和圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、數(shù)據(jù)的分析及處理,并與遠(yuǎn)程控制中心實(shí)現(xiàn)通信，以保證多路測(cè)量信號(hào)和控制信號(hào)在2級(jí)控制中心之間的可靠傳輸。

1.3 遠(yuǎn)程控制中心

遠(yuǎn)程控制中心位于與檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)有一定距離的控制室內(nèi)，由數(shù)據(jù)庫(kù)、操作控制臺(tái)及其工作站(打印機(jī)、繪圖儀、監(jiān)視器等構(gòu)成。遠(yuǎn)程控制中心是系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)顯示中心，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的啟/停、檢測(cè)狀態(tài)控制及檢測(cè)進(jìn)程控制。此外，遠(yuǎn)程控制中心還存儲(chǔ)和顯示從現(xiàn)場(chǎng)獲取的檢測(cè)數(shù)據(jù)，起著數(shù)據(jù)顯示中心的作用。

2 檢測(cè)原理

2.1 受電弓滑板磨耗檢測(cè)

當(dāng)列車(chē)進(jìn)入檢測(cè)棚、到達(dá)第1觸發(fā)點(diǎn)時(shí)，受電弓邊緣觸發(fā)第1組光電傳感器，同時(shí)動(dòng)態(tài)觸發(fā)4臺(tái)CCD黑白攝像機(jī)進(jìn)行圖像拍攝。當(dāng)檢測(cè)圖像異常時(shí),會(huì)自動(dòng)觸發(fā)2臺(tái)CCD彩色攝像機(jī)。同理，列車(chē)到達(dá)第2觸發(fā)點(diǎn)時(shí)，受電弓邊緣觸發(fā)第2組光電傳感器，同時(shí)動(dòng)態(tài)觸發(fā)4臺(tái)CCD黑白攝像機(jī)再次進(jìn)行圖像拍攝。2次拍攝的圖像數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集工控機(jī)自動(dòng)保存，然后傳送至數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)進(jìn)行分析。圖3為列車(chē)經(jīng)過(guò)檢測(cè)區(qū)域時(shí)所拍攝到的圖像。

a) 第1觸發(fā)點(diǎn)拍攝圖片

b) 第2觸發(fā)點(diǎn)拍攝圖片

在獲取到受電弓的圖像后，數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)將對(duì)圖像進(jìn)行處理。在滑板磨耗檢測(cè)中，為了提取滑板的上下邊緣圖像，首先需要對(duì)原始圖像進(jìn)行裁剪,然后使用圖像灰度級(jí)拉升的方法來(lái)增強(qiáng)圖像，采用均值濾波技術(shù)去除噪聲，再結(jié)合Canny算子對(duì)滑板圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)，最后得出受電弓滑板磨耗剩余量[5]，如圖4所示。

圖4 受電弓滑板磨耗剩余量曲線

2.2 受電弓中心線偏移檢測(cè)

中心線偏移檢測(cè)是通過(guò)計(jì)算受電弓弓頭的傾斜角來(lái)實(shí)現(xiàn)的。[6]在實(shí)際檢測(cè)中，拍攝到的受電弓弓頭傾斜圖像如圖5所示。在獲取受電弓圖像后，需要對(duì)原始圖像進(jìn)行裁剪，以提取弓頭圖像。跟滑板磨耗檢測(cè)類(lèi)似，該檢測(cè)也需進(jìn)行圖像增強(qiáng)和濾波去噪聲，再結(jié)合Canny算子對(duì)弓頭圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)，最后通過(guò)Radon變換計(jì)算出對(duì)應(yīng)的弓頭傾斜角。

a) 左側(cè)弓頭

b) 右側(cè)弓頭

2.3 受電弓壓力檢測(cè)

受電弓壓力檢測(cè)需要在檢測(cè)棚內(nèi)選取適當(dāng)位置安裝壓力傳感器，如圖6所示。當(dāng)列車(chē)通過(guò)該傳感器時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)可采集到受電弓滑板與接觸網(wǎng)導(dǎo)線之間的接觸壓力值。經(jīng)數(shù)據(jù)處理后將該值和預(yù)壓力值進(jìn)行對(duì)比，從而分析判斷接觸壓力是否超限，如圖7所示。

圖6 受電弓接觸壓力檢測(cè)

圖7 受電弓接觸壓力值曲線

3 檢測(cè)流程

列車(chē)受電弓在線自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)由磨耗檢測(cè)子系統(tǒng)、中心線檢測(cè)子系統(tǒng)、壓力檢測(cè)子系統(tǒng)、車(chē)號(hào)識(shí)別系統(tǒng)等組成。各子系統(tǒng)協(xié)同工作，完成系統(tǒng)檢測(cè)功能。其檢測(cè)流程如圖8所示。

1) 系統(tǒng)開(kāi)機(jī)并初始化。初始化工作主要包括打開(kāi)設(shè)備連接、部分現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備上電、加載配置參數(shù)、各個(gè)子系統(tǒng)建立網(wǎng)絡(luò)連接等。

2) 系統(tǒng)在初始化過(guò)程中要對(duì)硬件和軟件設(shè)備進(jìn)行自檢。如發(fā)現(xiàn)軟硬件故障，則通過(guò)軟件界面進(jìn)行報(bào)警。

圖8 受電弓在線自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)工作流程

3) 自檢完成后，系統(tǒng)進(jìn)入待檢狀態(tài)。當(dāng)列車(chē)以限定速度駛?cè)霗z測(cè)區(qū)時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)，各子系統(tǒng)開(kāi)始工作。

4) 當(dāng)列車(chē)駛離設(shè)備檢測(cè)區(qū)后檢測(cè)結(jié)束。各子系統(tǒng)工作完成，生成檢測(cè)數(shù)據(jù)并匯總。

5) 系統(tǒng)保存檢測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)將車(chē)頂狀態(tài)監(jiān)控錄像從現(xiàn)場(chǎng)控制中心傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制中心。系統(tǒng)重新進(jìn)入待檢狀態(tài)。

6) 系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如發(fā)現(xiàn)有超限情況則進(jìn)行報(bào)警。

7) 操作人員可以通過(guò)遠(yuǎn)程控制中心的控制程序或安裝在別處的客戶端，對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行查看,并回放車(chē)頂狀態(tài)監(jiān)控視頻，進(jìn)而進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，生成報(bào)表。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，該列車(chē)受電弓在線自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)已應(yīng)用于動(dòng)車(chē)組廣州檢修基地。從實(shí)際運(yùn)用情況來(lái)看，該系統(tǒng)在列車(chē)不停車(chē)、不停電情況下采用在線動(dòng)態(tài)檢測(cè)方式，不額外占用列車(chē)的維保時(shí)間；檢測(cè)過(guò)程和監(jiān)控錄像過(guò)程均由計(jì)算機(jī)自動(dòng)執(zhí)行；無(wú)論雨、雪等惡劣天氣均可檢測(cè)，不受氣候條件影響；采用非接觸的圖像測(cè)量技術(shù)，極大地提高了檢測(cè)的可靠性；通過(guò)綜合分析歷史數(shù)據(jù),總結(jié)受電弓的磨耗規(guī)律,繪制磨耗趨勢(shì)圖，可以預(yù)測(cè)受電弓滑板的壽命期限。另外，還可以按時(shí)間段、運(yùn)行公里數(shù)等參數(shù)對(duì)同類(lèi)型受電弓的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，對(duì)受電弓的技術(shù)狀態(tài)做出綜合評(píng)價(jià)，從而給出優(yōu)化的維保方案，用以指導(dǎo)列車(chē)受電弓的檢修工作。