城市軌道交通弓網動態檢測技術及其參考標準*

王會豐 魏志恒 馬志鵬 周于翔

(1. 北京城市快軌建設管理有限公司, 100027, 北京;2. 中國鐵道科學研究院集團有限公司城市軌道交通中心, 100081, 北京;3. 中國鐵道科學研究院, 100081, 北京∥第一作者, 高級工程師)

0 引言

弓網動態檢測技術在我國鐵路領域應用較為成熟,已形成了較為完善的評價標準體系。近年來,隨著我國城市軌道交通(以下簡稱“城軌”)的快速發展,采用弓網動態檢測技術實現對弓網動態性能及其匹配關系等的測試,已成為城軌發展趨勢之一[1]。目前,我國城軌弓網動態檢測的評價主要參考鐵路領域相關標準,但考慮到城軌普遍采用低凈空的剛性接觸網懸掛方式,以柔性接觸網為主的評價標準并不完全適用于城軌弓網動態檢測。

與城軌弓網檢測相關的國外標準包括EN標準和IEC標準,如EN 50206:2010Railwayapplications-Rollingstock-Pantographs:Characteristicsandtests、EN 50317:2012Railwayapplications-Currentcollectionsystems-Requirementsforandvalidationofmeasurementsofthedynamicinteractionbetweenpantographandoverheadcontactline、EN 50367:2012Railwayapplications-Currentcollectionsystems-Technicalcriteriafortheinteractionbetweenpantographandoverheadline(toachievefreeaccess)、EN 50119:2020Railwayapplications-Fixedinstallations-Electrictractionoverheadcontactlines、IEC 62486:2017Railwayapplications-Currentcollectionsystems-Technicalcriteriafortheinteractionbetweenpantographandoverheadcontactline(toachievefreeaccess)、IEC 60494:2013Railwayapplications-Rollingstock-Pantographs-Characteristicsandtests等;國內弓網評價標準包括GB/T 32592—2016《軌道交通 受流系統 受電弓與接觸網動態相互作用測量的要求和驗證》、GB/T 21561—2018《軌道交通機車車輛受電弓特性和試驗》、GB/T 1402—2010《軌道交通牽引供電系統電壓》、GB/T 32578—2016《軌道交通 地面裝置 電力牽引架空接觸網》、TB/T 3271—2011《軌道交通 受流系統 受電弓與接觸網相互作用準則》等。除上述標準外,國內還依據TB 10761—2013《高速鐵路工程動態驗收技術規范》、TG/GD 124—2015《高速鐵路接觸網運行維修規則》等開展弓網關系在內的高速鐵路工程驗收及運營檢測。但城軌領域除交辦運[2019]17號《城市軌道交通初期運營前安全評估技術規范第1部分:地鐵和輕軌》、DB 11/T 1714—2020《城市軌道交通工程動態驗收技術規范》之外,在驗收及運營階段缺乏明確的技術規范,因此亟需研發適用于城軌線路條件的弓網檢測技術,以及頒布面向城軌領域弓網動態檢測的評價標準。

根據交辦運[2019]17號的要求,城軌弓網動態檢測內容包括接觸網動態幾何參數、弓網燃弧指標、弓網動態接觸壓力及受電弓垂向加速度(硬點)檢測。除上述標準規定的參數外,非標準檢測內容還包括受電弓氣動特性、接觸線及滑板磨耗、受電弓溫度分布及動應力等。本文僅研究標準規定的城軌弓網動態檢測項目,通過分析現有檢測標準,提出城軌弓網動態各檢測項目的優化意見,并結合國內外先進成果開展城軌弓網檢測技術研究。

1 弓網接觸壓力檢測

1.1 檢測標準

1.1.1 檢測手段

弓網接觸壓力是表征弓網動態相互作用性能的重要參數。EN 50317:2012推薦采用力傳感器進行弓網接觸壓力檢測。弓網接觸壓力FC的計算公式為:

(1)

式中:

kf——壓力傳感器數量;

Fsens,i——第i個壓力傳感器所測得的壓力;

mab——受電弓的歸算質量;

ka——加速度傳感器數量;

asens,i——通過加速度傳感器檢測得到的加速度值;

Fcorr,aero——空氣動力。

式(1)為目前國內普遍采用的弓網接觸壓力計算公式。但在該種接觸式壓力檢測方式下,壓力與加速度傳感器的加裝會導致測量誤差的產生,且未明確說明慣性力和空氣動力的修正方式。

1.1.2 檢測指標

城軌一般采用DC 1.5 kV及AC 25 kV供電制式,設計速度普遍在160 km/h以下。從各規范摘錄出與城軌相關的弓網接觸壓力檢測指標(見表1),其特點如下:

表1 弓網接觸壓力指標

1) 上述規范或標準對于弓網接觸壓力的評價指標并不統一,如弓網最小接觸壓力的規定及平均接觸壓力的限定范圍。

2) 部分現行規范未考慮城軌弓網動態特性的影響,僅考慮靜態接觸壓力。除此以外,目前被行業接受的城軌DC 1.5 kVFm取值介于0.000 97v2+140與0.001 12v2+70之間,適用于柔性接觸網;而剛性接觸網跨距與錨段長度遠遠小于柔性接觸網,且相鄰定位點間隔較短,在1個跨距內有相當數量的檢測定位點過于靠近錨段關節,導致弓網接觸壓力測量值較大,容易造成Fm檢測超限的問題。

3) 現行規范或標準對于弓網接觸壓力的計算不夠明確,如Fm計算中v的取值方法。這導致在實際線路檢測中,為了使弓網接觸壓力符合要求,人為擴大v取值、強行放大弓網接觸壓力限值的現象較為常見。

因此,現有的弓網接觸壓力評價標準不太適應于城軌剛性接觸網的檢測現狀,對于弓網接觸壓力具體參數的選擇較為模糊,因此,需對剛性接觸網檢測數據進行統計分析,在現有規范的基礎上審視弓網接觸壓力的合理范圍,明確計算公式,統一計算參數。

1.2 檢測技術

弓網接觸壓力檢測大多以力的平衡(平衡法)為基礎對弓網接觸壓力進行檢測,可大致分為接觸式壓力檢測與非接觸式壓力檢測。相對于平衡法,逆向法(非平衡法)是將受電弓視為一個線性系統,通過測量系統輸出結果反推弓網接觸壓力,且弓網接觸壓力等于傳感器輸出信號與系統傳導函數的比值[2]。該方法于21世紀初日本鐵路技術研究所提出,其測定頻率范圍更廣,對傳感器的設置制約較少,但該方法目前并未獲得實際的工程應用。

1.2.1 接觸式壓力檢測技術

常用的接觸式壓力檢測技術需將4個力傳感器分別安裝于2列滑板與底座之間,各個力傳感器顯示的數值與慣性力、氣動力測量結果疊加得到最終的弓網動態接觸壓力。

然而,城軌采用的剛性接觸網相較于柔性接觸網波磨現象更為突出。文獻[3]證實高頻振動對接觸線磨耗具有重要影響,慣性力精準計算的實現有必要考慮弓網之間的高頻振動范圍。上述慣性力的計算將整個弓頭滑板視為一個整體,適用于低頻條件下的運動分析,盡管采用4個測點對加速度進行求取,但仍然忽略了高頻條件下滑板的柔性形變,因此,采用傳統的慣性補償計算公式存在一定的誤差。為此,文獻[4]將3個加速度傳感器對稱布置于單個滑板上,經過計算得到各傳感器對應滑板的等效質量,求取各部分慣性力并進行疊加,以此得到更加準確的慣性力。該方法綜合考慮了柔性體慣性補償的理論推導與工程的實踐需求,為慣性力的計算提供了一種新的思路。

受電弓滑板長期工作于高磁場和高電壓環境中,相比常用的壓電式傳感器,光纖式力傳感器無需額外的電氣隔離措施,能夠有效避免電磁干擾。光纖式力傳感器可以嵌入安裝于受電弓滑板內,通過建立受電弓滑板的梁體模型,依據傳感器算得的應變推導出弓網接觸壓力。文獻[5]分析了滑板的梁體模型及其檢測的數學原理,通過試驗驗證了此種方式的可行性。

文獻[6]將嵌入式光纖傳感器應用于列車高速運行時弓網系統的實時接觸測量。文獻[7]詳細比較了光纖式與電氣式弓網接觸壓力檢測方式,證明了光纖傳感器作為電氣式弓網接觸壓力檢測替代方案的可行性。光纖式壓力傳感器也可布置于滑板與滑板底座之間,直接測量滑板的接觸壓力,如德國HBM傳感器公司開發的光纖式壓力傳感器[8]。弓網接觸壓力FC的計算公式如下:

FC=A(s2-s1)

(2)

式中:

A——傳感器的靈敏度系數;

s1、s2——單列滑板下兩傳感器的應變。

項目組還配套了對應的光纖式加速度傳感器用于慣性力補償,并通過試驗驗證了該系統的可行性及實用性。目前,光纖式壓力傳感器已經獲得了實踐應用,如北京鼎漢技術集團股份有限公司已將光纖式壓力傳感器應用于軌道交通弓網關系檢測。

1.2.2 非接觸式壓力檢測技術

采用接觸式壓力檢測技術測量弓網接觸壓力會不可避免地影響受電弓的動態性能,基于計算機視覺處理的非接觸式壓力檢測技術可以有效克服接觸式壓力檢測技術的缺點。國內外有很多關于圖像處理技術的研究,文獻[9]率先將圖像處理技術應用于弓網接觸壓力檢測,通過將圖像處理傳感器安裝于列車頂部,采集弓頭和彈簧的位移來間接計算弓網接觸壓力。文獻[10]采用圖像處理技術對弓網接觸壓力進行非接觸式檢測,驗證了該技術的可行性。基于圖像處理技術的弓網接觸壓力計算方法見表2。

表2 基于圖像處理技術的弓網接觸壓力計算方法

依據視覺處理技術開展弓網接觸壓力的檢測需要系統具有較高的精準度、可靠性和魯棒性,但剛性接觸網一般位于地下隧道,所處的復雜環境相對較少,視覺處理技術具有較好的應用條件。

2 燃弧檢測

2.1 檢測標準

EN 50317:2012、GB/T 32592—2016對燃弧檢測方式進行了詳細說明,且EN 50317:2012對燃弧功率密度限值的規定更為詳細,并規定了多個連續電弧判定的最短間隔時間為100 μs。

從各規范中摘錄出適用于城軌線路的燃弧評定指標,如表3所示。經分析,得到如下結論:

表3 燃弧評定指標

1) 目前大多數規范將燃弧率定義為時間的比值,EN 50317:2012、GB/T 32592—2016提出了通過燃弧數目來統計燃弧率的計算方式,然而在該種方式下相關評定參數并不明確。

2) 不同標準對燃弧率的評定限值并不統一,國外標準規定燃弧率在0.1%以下,而國內標準規定其一般為0.1%或5.0%,兩者差異較大。

3) 最小間隔時間的設定將影響燃弧次數和燃弧時間的檢測結果,然而目前僅有EN 50317:2012對多個連續電弧的間隔時間進行了限定。

綜上所述,現有燃弧檢測標準還需結合城軌燃弧的實測現狀,明確燃弧判定及燃弧率的計算公式,同時規定適應于城軌行業的燃弧評價指標。

2.2 檢測技術

鐵路行業主要基于圖像處理、紫外光燃弧傳感器及電磁輻射等技術開展弓網燃弧檢測。

2.2.1 基于圖像處理技術的燃弧檢測

EN 50317:2012對燃弧檢測裝置提出了光譜波段的靈敏度要求,而紫外光能夠很好地避免燈光及太陽光對測試結果的干擾,具有較高的準確度,因此,搭配紫外照相機的圖像處理技術獲得了普遍應用。在此基礎上,文獻[11]還將紫外照相機搭配高靈敏度的火焰探測器實現燃弧圖像的采集,進一步提高了燃弧捕捉的精準度。

利用紅外熱像儀搭配可見光圖像實現燃弧檢測也是一種可行的方式。文獻[12]提出了一種改進的大律法分割算法,將紅外圖像區域分割,并進行灰度化、二值化處理,通過紅外圖像和可見光圖像的自動融合實現燃弧的篩選,兼顧快速性與精準性。

除上述方式外,結合先進控制算法,基于可見光圖像實現燃弧檢測是目前很多學者研究的熱點。文獻[13]提出了一種基于卷積神經網絡算法的CNN電弧檢測模型,并通過視頻驗證了該方法的有效性,但該方法對一些極端情況下的電弧識別存在誤差,需要更多的訓練樣本進行完善。文獻[14]設計了一種基于深度神經網絡算法的適用于燃弧檢測的實例分割模型ArcMask(見圖1),該模型對骨干網絡、特征金字塔進行了改進,為基于可見光圖像的燃弧檢測提供了參考。

注:BiFPN為加權雙向特征金字塔網絡;ABMSFF為基于視覺的多尺度特征融合;FCN為全卷積網絡。

2.2.2 基于紫外光燃弧傳感器的燃弧檢測

圖像采集容易受到強光、雨雪等情況的干擾,而直接采用對燃弧光譜較為敏感的采集裝置進行檢測是一種簡單可靠的方式。目前,中國鐵道科學研究院集團有限公司采用TC-ZA型燃弧傳感器進行城軌線路的周期性燃弧檢測,且準確識別有效燃弧及其時長,以及通過傳輸、顯示模塊準確無誤地顯示與記錄,是該技術需要克服的技術難題。

2.2.3 基于電磁輻射的燃弧檢測

通過電磁輻射信號進行燃弧檢測是一種能夠替代傳統電壓、電流檢測的方式。文獻[15]設計了一種四階Hilbert 曲線分形天線用于捕獲電弧的電磁輻射信號,通過時域、頻域、時頻域分析證明了電磁輻射脈沖與產生電弧過程中電壓的對應關系,該種方式能夠較為方便地得到燃弧的相關參數,并可用于弓網狀態及受流性能的評價。

3 弓網硬點檢測

3.1 檢測標準

弓網“硬點”一般是指列車高速運行中,導致受電弓相對接觸線出現局部空間位置、速度或加速度突然變化的點,是一種有害的物理現象。國內一般通過一跨內弓頭的最大垂向加速度來判斷硬點,詳見TB 10761—2013、TB 10461—2019、TG/GD 124—2015等標準。對于城軌領域,交辦運[2019]17號與DB 11/T 1714—2020等將受電弓垂向加速度作為硬點的檢測標準,并將490 m/s2作為垂向加速度的檢測限值。

然而相關學者對上述基于受電弓垂向加速度的評判標準提出了質疑。文獻[16]通過實測結果指出,依據加速度最大值判斷硬點的方式存在誤判的現象,提出了將一跨內受電弓的最大垂向加速度、峰值因子及標準偏差作為硬點的評判準則,并通過在京哈線上開展的實際檢測驗證了該評價準則的優越性。文獻[17]提出了利用弓網接觸壓力來判定硬點的設想。另外,也有相關學者提出了硬點檢測的其他評價標準。

3.2 檢測技術

工程應用中一般依據受電弓垂向加速度開展硬點檢測。目前具有代表性的弓網硬點檢測方式見表4。

表4 弓網硬點檢測方式

隨著城軌線路設計速度的提高,其安全性愈發受到重視,僅依據受電弓垂向加速度評價硬點顯現出其局限性。與此同時,基于圖像處理的非接觸式檢測技術能夠克服接觸式檢測技術的不足,也能夠實現弓網狀態監測設備的最大化利用,有望成為弓網硬點檢測的一種有效手段。

4 弓網動態幾何參數檢測

4.1 檢測標準

依據DB 11/T 1714—2020,弓網動態幾何參數檢測的內容包括接觸線高度、拉出值、定位線間的高差和接觸線動態抬升量。現有標準對弓網動態幾何參數的規定如下:

1) EN 50367:2012、IEC 62486:2017等規定了各設計速度下城軌線路采用的接觸線高度,其制定的5.00～5.75 m接觸線高度的標準基于柔性接觸網,并不適用于剛性接觸網的導高檢測。在實際檢測中,城軌弓網動態抬升量、導高等參數與普速、高速鐵路存在較大差異,需要探究適應于城軌線路的幾何參數標準。圖2為城軌剛性接觸線導高與速度隨里程變化曲線。

圖2 城軌剛性接觸線導高與速度隨里程變化曲線

2) TB 10461—2019建議將綜合檢測列車作為接觸網幾何參數的檢測裝備。交辦運[2019]17號也提出了在列車上安裝幾何參數檢測裝置的測量方法。然而,城軌搭載式檢測設備及綜合檢測列車的應用仍未得到普及,阻礙了城軌接觸網動態幾何參數檢測標準的制定,也在一定程度上限制了弓網動態幾何參數檢測技術的實踐應用[23]。

4.2 檢測技術

目前,基于圖像處理和激光雷達掃描的非接觸式檢測技術將逐步取代接觸式檢測技術,成為弓網動態幾何參數檢測的主要手段。對于圖像處理技術,一般基于計算機視覺方法,根據轉換矩陣和圖像匹配方法得到實際幾何參數,不同之處在于對于圖像識別的算法不同。相對于圖像處理技術,弓網動態幾何參數檢測對激光掃描雷達提出了更高的要求,為此,文獻[24]利用最小二乘數據擬合方法提高系統的檢測精度,以實現對接觸線動態高度、拉出值的測量。此外,文獻[25]基于機器學習算法,通過弓頭的慣性測量結果來預測接觸線的幾何特征,為弓網的動態檢測提供了一種思路。綜上所述,弓網動態幾何參數檢測技術的研究本質上是對計算機處理算法的改進和設備精度的優化,可滿足列車高速運行下的檢測需求。

5 結語

1) 依據現有標準開展弓網動態檢測,存在適用性不強、實施性差等問題。通過研究發現:國內標準與國外標準存在諸多差異,如對燃弧率的限值規定不一;城軌采用的剛性接觸網與鐵路采用的柔性接觸網差距較大,現有弓網動態檢測標準并不太適用于城軌領域的弓網動態檢測;部分弓網動態檢測指標的計算較為模糊,如弓網接觸壓力與燃弧率等。

2) 目前,弓網燃弧檢測、動態幾何參數檢測等已經實現非接觸式檢測。非接觸式檢測比接觸式檢測方式對弓網系統的影響要小,無需采取高壓隔離措施;非接觸式檢測方式可以依托弓網巡檢等照相機設備,充分利用檢測資源,因此,非接觸式檢測技術有望取代接觸式檢測技術,成為未來弓網動態檢測的主要手段。