非接觸式地鐵車輛弓網動態監測系統設計與應用

趙春明

（廣州地鐵集團有限公司，廣東 廣州 510380）

地鐵對于城市化進程具有重要的推進作用。弓網系統作為城市軌道交通牽引供電系統的關鍵供電設備，承擔著地鐵車輛的動力供給職能，其運行狀態直接影響軌道交通的運營安全性和可靠性。當弓網系統出現故障時，嚴重時會造成接觸網損壞，造成線路長時間停運，因此，十分有必要研究和設計一種地鐵車輛弓網系統動態檢測系統，確保弓網系統處于良好的運行狀態，這對于地鐵的安全運營十分關鍵。地鐵車輛弓網系統主要由受電弓和接觸網及其各輔助零部件組成，弓網系統動態監測系統實現對弓網系統運行狀態的檢測。近年來，弓網系統檢測主要經歷了以下幾種方式：

（1）人工檢測。通過安排工作人員登頂測量，獲得弓網系統相應參數測量結果。人工檢測結果較為可靠，但整個檢測過程需要停車處理，耗時耗力，效率較低，無法滿足當前地鐵在線檢測的要求。

（2）接觸式檢測。通過在地鐵車輛弓網系統加裝壓力、速度和溫度等傳感器，根據弓網間數學關系，對傳感器參數轉換為測量值，但傳感器標定易受周圍環境溫度影響，抗干擾性不足，限制了它的應用。

（3）非接觸式檢測。非接觸式檢測方式基于車輛的基礎視覺采集單元，獲取目標對象的圖像數據，運用深度學習和圖像處理技術對圖像進行處理，可實時獲得相關參數檢測結果，具有實時性高、抗干擾性強等優點。目前，國內的弓網檢測系統多是圍繞非接觸式檢測方式展開的，其中，文獻[12]設計了一種智能弓網在線檢測系統，能夠實現幾何參數、弓網接觸點等檢測功能。

基于此，為進一步增強弓網檢測系統檢測能力，本文設計了一種地鐵車輛弓網系統動態監測系統，該系統通過將監測系統安裝于運營地鐵車輛中，能夠實現接觸網狀態參數和受電弓受流參數的全方位檢測和測量，具有弓網燃弧檢測、弓網溫度檢測、接觸網幾何檢測、接觸線磨耗檢測、弓網視頻監視、接觸網懸掛零部件、硬點檢測、定位和檢測項目報警等功能。同時，可將檢測結果實時分析并將異常情況發送給地面控制中心，以便人工檢查復核，為弓網系統的日常運維和檢修提供科學的指導。

1 地鐵車輛弓網系統

地鐵車輛弓網系統由接觸網和受電弓組成，其中接觸網一般在軌道沿線上空架設，其功能是將電能傳輸至移動的牽引子系統中，來供給地鐵車輛牽引動能。按照懸掛方式，可分為剛性懸掛和柔性懸掛兩種。剛性懸掛接觸網主要由旋轉底座、絕緣子、匯流排和接觸線等元件組成，柔性懸掛接觸網主要由承力索、支柱、接觸線和吊弦等元件組成。而受電弓作為主要的受流設備，是接觸網與地鐵車輛的銜接環節，根據臂桿的結構形式，可分為單臂受電弓和雙臂受電弓，受電弓通過與接觸線不間斷接觸來達到傳輸電能的目的。

2 動態監測系統設計與實現

2.1 架構組成

弓網動態監測系統的基本框架主要由車外檢測設備、車內處理中心、遠程輸送通道和地面數據中心等四大部分組成，如圖1所示。

圖1 地鐵車輛弓網檢測系統架構圖

車外檢測設備：主要由弓網視頻圖像檢測模塊、紫外燃弧檢測模塊、紅外成像采集模塊、硬點檢測模塊、接觸線磨耗檢測模塊、接觸網幾何參數檢測模塊、車輛振動補償裝置和輔助檢測系統組成。接觸線磨耗檢測模塊主要用于接觸線磨損情況檢測，紫外燃弧檢測模塊用于檢測弓網系統燃弧情況，紅外成像采集模塊用于采集碳滑板與接觸線接觸區域的溫度場，接觸網幾何參數檢測模塊主要用于檢測接觸線高度和接觸線拉出值，車輛振動補償裝置主要用于消除車輛振動對檢測結果的影響，提高檢測的準確性，輔助系統主要用于對車輛車號和安防系統的識別。車內處理單元主要作用為對各檢測模塊傳輸的數據進行分析處理，并實現與車輛控制與管理系統和地面數據中心的通信。

2.2 檢測原理

（1）接觸網幾何參數檢測。接觸網幾何參數主要有接觸線高度和接觸線拉出值，分別指接觸線摩擦面與軌道間的垂直距離和弓網接觸點與受電弓中心點間的距離。基于雙目視覺的接觸網幾何參數檢測原理如圖2所示，通過在車輛頂部安裝兩臺線陣相機，中間安裝線結構光投射器。整個檢測流程如圖2所示，首先完成相機的標定，然后通過對采集的接觸網圖像特征提取，根據兩線陣相機內外部相應參數信息，基于三角測量原理，構建接觸網幾何參數視覺測量模型，最終獲得接觸網的高度y和拉出值x。

圖2 接觸網幾何參數檢測原理

（2）接觸網磨耗檢測。接觸線磨耗檢測通過在車輛車頂安裝兩臺成像裝置，采集具有接觸線輪廓信息的圖像，根據三角測量關系，獲得對應的灰度值圖像，并根據接觸線磨耗測量模型，獲得目標圖像的坐標位置，通過數學運算，最終獲得接觸線磨損值。

（3）接觸網燃弧檢測。通過將兩個高清相機分別置于受電弓兩側，如圖3所示，其中，S為兩相機平面圖上的安裝距離，a為相機1與目標對象間的成像角度，b為相機2與目標對象間的成像距離，通過將相機采集的圖像，傳輸至現場控制中心PC機中，首先對采集圖像灰度化處理，運用圖像降噪技術對其進行預處理，然后通過對圖像邊緣提取，獲取表征弓網燃弧的特征指標（特征波段220～225nm或323～329nm），該燃弧檢測方法能夠較好地克服日照光源、太陽光等干擾因素，能在全天候實現在線檢測，并滿足EN50317標準要求。

圖3 接觸網燃弧檢測原理

（4）弓網溫度檢測。通過在地鐵車輛頂部安裝一臺全局高速紅外成像儀，基于紅外熱像儀，其像素不低于384×288，幀率不低于50Hz。運用圖像識別技術，根據斯忒藩-玻耳茲曼定律，可直接檢測框選區域中弓網接觸區的溫度值，并實現溫度分析和溫度過高預警。通過弓網溫度檢測，能夠及時發現接觸網和受電弓的溫度異常，提供地鐵運營的安全穩定性。

（5）接觸網硬點檢測。當存在硬點情況時，弓網間作用可視為發生一次彈性碰撞，此時，弓頭的沖擊加速度的最大值會高于正常加速度值?；谠撛恚ㄟ^在受電弓開口方向安裝高速工業相機，采集弓頭區域圖像，運用圖像識別技術提取弓頭位置信息，根據采集圖像各幀間像素偏差，可獲得弓頭完整的震動曲線。通過設置硬點檢測判定值，結合沖擊加速度，可實現硬點的檢測。結合燃弧檢測報警情況，可進一步提高硬點檢測的準確性。

（6）接觸網懸掛狀態檢測。接觸網懸掛裝置主要有匯流排、中間接頭、剛柔過渡原件、定位線夾等零部件組成，其所處狀態決定了接觸網的工作性能，十分有必要對其進行檢測。其檢測原理如下：首先是搭建接觸網懸掛裝置不良狀態識別模型，通過樣本庫圖像部件標注等預處理，運用卷積神經網絡對樣本庫訓練，獲得接觸網懸掛裝置不良狀態識別模型。最后通過接觸網懸掛狀態檢測模塊，對接觸網懸掛裝置進行抓拍。將采集圖像輸入狀態檢測模型中，實時獲得接觸網懸掛裝置零部件狀態。

（7）弓網視頻圖像監視。弓網運行狀態檢測模塊采用高清工業相機的檢測方式，結合高頻LED補光光源，對弓網接觸區域進行全程實時錄像，并與檢測裝置里程信息同步，能夠自動在圖像上疊加檢測數據，視頻圖像能實時存儲。具備指定里程范圍內的指定時間或空間間隔圖像導出功能。支持故障點前后5秒的影像記錄保存。

2.3 檢測系統實現

基于上述檢測原理，本文對該檢測系統進行實物搭建，圖4為檢測系統的基本組成圖。首先，將接觸網幾何參數檢測模塊、燃弧檢測模塊、接觸線磨損模塊進行集成化處理，實物如圖5所示。接觸網懸掛狀態模塊和硬件檢測模塊如圖6和圖7所示。設計了弓網在線地面分析系統，如圖8所示，能夠展示當前列出運行區段，實時發現缺陷等。

圖4 檢測系統基本組成圖

圖5 集成化檢測模塊

圖6 接觸網懸掛裝置檢測模塊

圖7 硬點檢測模塊

圖8 地面數據中心

3 系統應用情況

將該地鐵車輛動態監測系統安裝于廣州地鐵某線路，主要對接觸網幾何參數、燃弧檢測、接觸線磨損檢測、弓網溫度檢測、硬點檢測等檢測效果進行了測試，其中測試線路包含地下區段和地面及高架區段，地下區段采用剛性懸掛，接觸線高度為4040mm，最小高度為4000mm，地面及高架區段采用柔性懸掛方式，接觸線高度為5000mm，最小高度為4400mm，最大高度為5700mm，檢測效果如下所述。

3.1 接觸網幾何參數檢測

地鐵車輛行車平均速度為60m/s左右，通過在線路往返測試，測量接觸線高度和拉出值等檢測數據，檢測結果如表1所示。

表1 接觸網幾何參數檢測結果

從表1可知，接觸網幾何參數的實際檢測誤差都在允許誤差區間內，滿足實際應用要求。同時，在測試應用中，發現某上行區段K43+113處，當時行車速度為57m/s，檢測拉出值為469mm，超出規定標準值，通過對該處進行檢查，原因為定位管不符合長度。

3.2 接觸網燃弧檢測

運行測試條件同上，對燃弧情況進行了監測，檢測結果如表2所示。

表2 燃弧檢測結果

如表2所示，本弓網動態監測系統能夠實現燃弧現象和時長檢測，并具有燃弧報警功能，能夠檢測到時長為3ms燃弧時長，高于燃弧時長標準檢測要求，滿足實際應用。

3.3 接觸網溫度檢測

圖9為測試某時刻弓網溫度檢測系統采集的溫度場分布圖，發現檢測區域最高溫度高達107度，超過正常運行最大溫度值。通過人工檢測復核，發現此處存在硬點情況。

圖9 某時刻受電弓區域溫度場

3.4 接觸網硬點檢測

地鐵車輛根據正常運行時刻表在該線路往返運行一次及以上，測試在運行過程中受電弓受到的垂向加速度，檢測結果如表3所示。

表3 硬點檢測測試結果

3.5 接觸線磨損檢測

接觸線與受電弓長時間處于接觸狀態，由于摩擦作用，會使得接觸線出現磨耗現象。將地鐵車輛按照正常運行時刻表往返線路一次，獲得接觸線磨耗值，檢測結果如表4所示。

根據表4結果，本系統磨損檢測實際誤差為±0.3mm，低于標準誤差要求，達到應用要求。綜上所述，通過對接觸網幾何參數、燃弧、硬點、弓網溫度和接觸線磨損檢測測試，檢測結果表明，本系統檢測誤差滿足實際設計要求，同時能夠發現存在安全隱患，為線路運營維修管理提供科學指導，保障地鐵的運營安全。

表4 接觸線磨損檢測測試結果

4 結語

本文提出的一種非接觸式的地鐵車輛弓網動態檢測系統，通過多技術融合，能夠實現接觸幾何參數檢測、磨耗檢測、弓網溫度檢測和硬點檢測等功能，能夠實時檢測弓網系統運行狀態，具有安全可靠、抗干擾性強等特點，能夠及時對異常情況報警，極大地提高了城市軌道交通的運營穩定性。