高鐵弓網系統檢測技術與監測方法研究

陳勝藍，王嶸，劉海漁，譚立，黃亞南

1.株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南株洲，412001；2.湖南汽車工程職業學院，湖南株洲，412001

0 引言

高速公路弓網運行期間可能出現多種問題，從而增加其工作風險。使用適合的檢測新技術能夠防止各類問題與風險事故的發生，增強接觸網的整體性能。研究和運用我國高鐵弓網檢測與監測系統技術，要堅持采取自主化的路線。把供電6C系統的應用成果作為基礎，關注對智能化水平低、信息共享難度大以及深層次的數據分析困難等難題解決，使用邊緣技術和5G通信等各類新技術，依次從弓網的檢測和監測方面著手，實現了對對象的全面感知，保障信息傳輸的速度，實現數據共享和融合，為動車弓網內部各設備維修提供參考，實現精準維修與決策，為高鐵弓網系統檢測與監測工作的良好進行創設有利條件。

1 供電6C系統的六大主系統研究

1.1 高速弓網的綜合檢測裝置

高鐵弓網的綜合檢測裝置應用過程中，均是以固定的方式被安裝在高速綜合檢測的列車中，檢測期間可以獲取接觸網的運行情況信息，也能夠獲取弓網受流參數的信息，這些信息為接觸網的維修提供參考依據，方便了人們對接觸網的維修。

1.2 接觸網安全巡檢裝置

高鐵接觸網安全巡檢裝置被臨時安裝在高鐵動車與機車司機的副駕駛內，是一種便捷式的視頻采集設備。工作期間高鐵車載的電流在二百二十伏上下，檢測設備功率要低于一百瓦，在做到滿足上述要求之后，依次對高鐵的接觸網運行狀態及外部環境采用視頻的模式來采集，獲取的采集結果可以用來指導高鐵接觸網檢修及維護上。

1.3 車載接觸網運行狀態檢測裝置

車載接觸網運行狀態的檢測裝置能夠隨著高鐵動車組具體運行狀態（包括運行速度和運行穩定性與安全性等）實施動態化的監測，還可以對接觸網網絡狀態實施全天候與動態化以及對高鐵接觸網全面覆蓋的檢測，保障了檢測效果。

1.4 接觸網懸掛狀態檢測裝置

使用接觸網懸掛狀態的檢測裝置可以獲取接觸網中一些關鍵部件及其結構的運行參數與相關信息。接觸網懸掛狀態檢測裝置，所檢測數據可以利用人工的方式進行，也能夠自動和智能化去識別，獲取的數據可以為接觸網的檢修及維護提供理有效參考。

1.5 受電弓滑板狀態檢監測裝置

受電弓滑板狀態監測裝置應用期間需要被安裝在電氣化鐵路內的車站區域還有咽喉區域以及電力牽引列車的入庫區與局界口等多個位置，安裝該裝置能夠實時監測到電子弓滑板的應用情況，還可以第一時間監測到電子弓滑板的反常行為，為接觸網檢修和維修指引方向。

1.6 接觸網供電設備地面監測裝置

接觸網供電設備地面監測裝置，實現了對接觸網的張力和線索的溫度進行檢測，也可以對振動與接觸網張力實施檢測，對供電設備絕緣狀態還有補償位移以及電纜頭溫度進行監測。監測過程中能夠得到一個完整的檢測參數，把檢測參數當作是接觸網以及供電設備和其相關裝置的檢修與維護上[1]。

2 高鐵弓網系統檢測技術及其應用舉措

在電氣化鐵路停電與停運的大小事故中，要屬弓網事故所占的比例最大，約為百分之八十。所以，在確保電弓可以正常進行運行前提下，還要消滅弓網事故。高鐵弓網事故的處理和解決是軌道交通領域研究熱點，更是當下城市軌道建設和發展需要解決的主要問題之一。為了做好接觸網的運行管理和維護工作，延長零部件的應用壽命，不斷提高設備的管理水平，加大對高鐵弓網狀態的監管和診斷技術的研究是十分重要和有現實研究意義與價值的。接觸網是地鐵軌道工程一個主要構成內容，詳細來說主要包括用在和受電工摩擦接觸的接觸線以及接觸線的軌道上按照之字形進行架設。考慮到可能會出現受電弓的滑板偏磨以及羊角變形與接觸網中異物脫落與接觸網的破損等問題，由于此類問題一旦出現，會引發不同程度的弓網事故，所以，實時對接觸網運行狀態進行監測是極為必要的。

高鐵弓網接觸網被劃分成柔性接觸網與剛性接觸網，其中剛性接觸網因為其結構的特征和安裝工藝上的優勢，使其被廣泛應用到隧道結構軌道的軌道電氣列車等相關工程中。當下針對剛性接觸網下受電弓實施監測，被劃分成接觸式與非接觸式這兩種不同檢測內容。其中接觸式的檢測方法在運用過程中主要是利用在受電弓機構內安裝一些相匹配傳感器設備來進行檢測，包括增速傳感器設備與接近開關等；而接觸式的方法則是利用激光雷達以及線陣相機以及面陣相機等各類裝置，利用機器視覺技術進行檢測。具體來說，剛性接觸網的受電弓檢測可以依據如下順序和采用以下方式來進行：首先要對加裝傳感器設備實施檢測，之后對單目照相機設備實施檢測，最后對列車實施檢測。在檢測過程中，使用相機實施視頻監測的方法是非接觸式的監測，利于維護，有著較低的成本，因此十分常用。不過結合現在來說，現有的剛性接觸網時常被輻射在隧道內，考慮到隧道內部光線很弱，因此，會利用相機以視頻的方式進行監測，該監測方式無法很好地對接觸線進行識別[2]。

本文以剛性接觸網中弓網的狀態監測方法為例，力求通過使用弓網檢測技術解決掉以往接觸線檢測困難引起的無錯誤報警與漏報警等一系列問題。以下是基于接觸線檢測困難，解決接觸線的錯誤報警和漏報警所使用的技術以及技術應用舉措：①使用弓網檢測技術獲取到所述弓網接觸線和電弓之間的相交區域中原始圖像，所述的原始圖像應涵蓋視角相對和同步采集到的首個圖像與第二個圖像；②利用直線提取的算法，獲取到首個圖像內所描述的接觸線直線的特征，還有所述的第二個圖像內所述的接觸線所具備的直線特征；③結合所述首個圖像與所述的第二個圖像內所描述的接觸線具有的直線特征，利用動態權重的直線聚類方法，模擬合成體現所述首個圖像和第二個圖像所述的虛擬的接觸線的2維模型；④立體匹配所述首個圖像與第二個圖像所述的接觸線二者構成的虛擬化二維模型，可以獲取所述說接觸線視差的信息；⑤結合所述的接觸線的視差數據信息，可獲取所述的接觸線的三維信息，之后根據上述信息構建一個虛擬化所述接觸線的三維模型；⑥依據所述接觸線的虛擬三維模型，還有所述受電弓的虛擬化三維模型，可以得到所述弓網的具體狀態信息[3]。

3 高鐵弓網檢測監測技術及其應用建議

3.1 弓網在線監測系統技術及其應用

伴隨我國高鐵交通建設的不斷發展，對高鐵列車運行安全性與智能性以及可靠性要求更為嚴格。受到電弓與接觸網之間十分復雜關系的影響，增加地鐵安全評估的難度，出現嚴重的故障，對地鐵交通運營帶來很大影響。受到上述因素的影響，使弓網的關系備受關注，成為高鐵列車研究的重點。弓網在線監測系統技術可以對運行的地鐵列車弓網運行情況實施監測，把弓網檢測系統安裝在地鐵列車上，實現實時監測和記錄弓網運行狀態與情況的數據信息[4]。自動識別電弓的羊角變形、缺失和脫落等結構異常問題；可以良好地對電弓碳滑板的磨損程度進行檢測；對電弓異常燃弧進行實時檢測，同時對電弓異常燃弧率進行檢測；能夠檢測出接觸網的幾何參數，如拉出值和接觸線的高低偏差與坡度，還有導高等；能夠對首受電弓與接觸網的溫度實施檢測；可以及時發現弓網發生的故障，并且迅速對弓網故障進行定位，降低由于地鐵弓網故障引發一些了的重大事故，保障地鐵線路運營的安全性和穩定性。另外，弓網在線監測系統技術的應用，也可以對弓網運行的動態數據有效統計與分析，可以為弓網檢修故障人員的弓網檢修工作進行和開展提供有效數據作為檢修參考依據[5]。

3.2 應用信息化技術，實現了數據信息的共享

為了適應高鐵發展現狀，滿足高鐵安全生產與管理工作的實際需求，我國一直致力于智能化與信息技術的應用與推廣，在持續努力下積累了一定的經驗，如在高鐵公務安全生產與管理系統、高鐵綜合維修和生產管理系統、高鐵接口監測系統和綜合管網系統、高鐵6C數據中心系統研究上取得明顯成效。隨著這些系統的推廣和應用，積累了設備的應用經驗，也在高鐵安全運營和專業管理等各個方面積累了豐富和有效的數據資源，為高鐵弓網檢修和維護等工作的進行提供了技術支撐與理論參考依據。但是由于前期各個專業保持著相對獨立的狀態，無法全面實施，存在對數據平臺數量以及數據流向和數量規模等各個方面需求較不明確等問題，出現帶寬不足及傳輸通道的覆蓋面不夠完善和全面等現象[6]。此外，在數據共享方面，因為數據大部分是跨專業數據，數據的存儲位置分布在各個區域，導致數據無法良好共享與分享，出現了數據孤島問題。常使用的數據采集設備數量很多，所采集的數據其格式不同，缺少一致的數據接口標準和規范。對于現場數據的分析依舊簡單停留在初期統計環節，綜合數據的分析深度以及數據挖掘深度與應用出現不足，對弓電的養護和維修質量帶來很大影響，如影響到維護與檢修的可預見性和精準性。當下迫切需要一個統一的數據標準與管理規范，需要組織數據實施集中化的管理，進行多源大數據的分析和應用，保障檢測監測數據資源能夠發揮出最大的作用和應用價值[7]。

3.3 弓網動態監測技術

弓網動態監測技術的應用，實現了對弓網狀態的多參數及實時動態的檢測，具體檢測參數涵蓋如下內容。①接觸導線的拉出值和硬點，以及導線的高度與接觸力和離線電弧等。檢測設備被安裝于運行的機車上，能夠對弓網整個運行狀態進行動態化的檢測。②高低電壓隔離的高速數據的傳輸通道。從現場應用安全角度考慮，機車車頂的安裝和維護并不那么復雜，維護簡便，也考慮到信號傳輸的距離等各因素，可以采取空氣隔離紅外光信號這一傳輸方式，可以傳輸高低電壓的隔離信號。③該技術采用了浮充技術，使用該技術高電壓側電源可以使用7毫安可充的蓄電池來供電，系統運行期間，由高壓換能器設備與高壓浮充電控制器設備，經機車高壓的導電桿來為蓄電池進行供電，省去對高壓側蓄電池進行維護這一環節。與此同時，從檢測的方式分析，弓網裝置是真正意義上的動態檢測裝置，其被安裝于運行的電力動車中，運行期間電力機車可以直接對弓網的故障實施檢測，便于切實反映出相對真實的弓網的特征。作為一種動態化的檢測方式，其檢測的精準性有保障[8]。

4 結語

高速鐵路的建設與良好發展是拉動我國經濟發展主要途徑和手段之一，此外，高速鐵路的不斷發展逐漸成為我國鐵路建設的特有標志。本文從6C系統展開討論和研究，分析介紹了弓網檢測技術與弓網監測技術，提高弓網檢測與監測技術的整體發展水平，形成良好的系統檢測與檢測平臺，保障高鐵弓網的檢測與監測系統更加健全，為高鐵檢修和維護提供參考依據和指引方向；解決以往剛性接觸網的弓網狀態檢測期間，接觸線錯報與漏報警等一系列問題，改善以往接觸網關系復雜以及安全評估困難和運營難度大等現狀，為高鐵動車運行的安全性與穩定性提供保障，促使高速鐵路進一步發展。