受電弓監(jiān)測系統(tǒng)在重載電力機(jī)車應(yīng)用方案研究

摘要：隨著現(xiàn)代鐵路技術(shù)的快速發(fā)展，重載電力機(jī)車因其高效率和低能耗特點(diǎn)在鐵路運(yùn)輸中占據(jù)了舉足輕重的地位。受電弓作為電力機(jī)車的重要部件，其運(yùn)行狀態(tài)直接關(guān)系到機(jī)車運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。因此，研究重載電力機(jī)車受電弓監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用方案，對(duì)于提升鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩院托示哂兄匾饬x。圍繞受電弓監(jiān)測系統(tǒng)的原理、功能、應(yīng)用現(xiàn)狀以及優(yōu)化方案展開詳細(xì)論述，以期為推動(dòng)重載電力機(jī)車的發(fā)展提供有益的參考。

關(guān)鍵詞：系統(tǒng)優(yōu)化安全運(yùn)行重載電力機(jī)車受電弓監(jiān)測

ResearchonApplicationSchemeofPantographMonitoringSysteminHeavyDutyElectricLocomotives

HUYang

VehicleBranchofChinaEnergyShuohuangRailwayDevelopmentCo.，Ltd.，Cangzhou，HebeiProvince，062350China

Abstract：Withtherapiddevelopmentofmodernrailwaytechnology，heavy-dutyelectriclocomotiveplaysacrucialroleinrailwaytransportationduetoitscharacteristicsofhighefficiencyandlowenergyconsumption.Pantogragh，asanimportantcomponentofanelectriclocomotive，itsoperatingstatusdirectlyaffectsthestabilityandsafetyoflocomotiveoperation.Therefore，studyingtheapplicationschemeofthepantographmonitoringsystemforheavy-dutyelectriclocomotivesisofgreatsignificanceforimprovingthesafetyandefficiencyofrailwaytransportation.Thisarticlewilldiscussindetailtheprinciple，function，applicationstatus，andoptimizationplanofthepantographmonitoringsystem，inordertoprovideusefulreferencesforpromotingthedevelopmentofheavy-dutyelectriclocomotives.

KeyWords：Systemoptimization;Safeoperation;Heavy-dutyelectriclocomotive;Pantographmonitoring

近年來，重載鐵路技術(shù)的發(fā)展為朔黃鐵路的運(yùn)輸能力提升提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。重載鐵路技術(shù)的應(yīng)用，使得單列列車的載重能力得到顯著提高，同時(shí)也對(duì)機(jī)車設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性提出了更高的要求。在這一背景下，電力機(jī)車作為鐵路運(yùn)輸?shù)闹饕獱恳齽?dòng)力，其關(guān)鍵部件之一——受電弓的性能和狀態(tài)，直接關(guān)系到電力機(jī)車的運(yùn)行效率和安全。

因此，對(duì)受電弓的實(shí)時(shí)監(jiān)測和狀態(tài)管理顯得尤為重要。通過建立一套有效的受電弓監(jiān)測系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)掌握受電弓的工作狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理潛在的問題，從而保障電力機(jī)車的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1]。此外，隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)代受電弓監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、傳輸、處理和分析，為鐵路運(yùn)輸安全管理提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

本文旨在深入研究和探討受電弓監(jiān)測系統(tǒng)在重載電力機(jī)車上的應(yīng)用方案，分析現(xiàn)有監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)勢與不足，并提出相應(yīng)的優(yōu)化措施。通過對(duì)受電弓監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)化升級(jí)，不僅可以提高監(jiān)測的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，還可以通過智能化技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)受電弓狀態(tài)的智能診斷和預(yù)測性維護(hù)，進(jìn)一步提升鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩院托蔥2] 。

1國內(nèi)外重載鐵路受電弓監(jiān)測技術(shù)研究概況

1.1國內(nèi)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

在中國，隨著鐵路運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展，特別是重載鐵路技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩院涂煽啃蕴岢隽烁叩囊蟆Ｊ茈姽鳛殡娏C(jī)車的核心部件，其監(jiān)測技術(shù)的研究與應(yīng)用受到了廣泛關(guān)注。國內(nèi)在受電弓監(jiān)測技術(shù)方面的研究主要集中在以下幾個(gè)方面。

（1）監(jiān)測技術(shù)的研究：國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)致力于開發(fā)高精度、高穩(wěn)定性的傳感器，以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集和處理技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)受電弓狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

（2）系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究：在鐵路運(yùn)輸環(huán)境中，受電弓監(jiān)測系統(tǒng)需要在極端天氣和復(fù)雜電氣環(huán)境下穩(wěn)定工作。因此，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力是研究的重點(diǎn)之一。

（3）實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性的提升：為了能夠及時(shí)響應(yīng)受電弓可能出現(xiàn)的故障，系統(tǒng)需要具備快速的數(shù)據(jù)處理和分析能力，以及高準(zhǔn)確度的故障診斷技術(shù)。

（4）智能化技術(shù)的融合：隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，越來越多的智能化算法被應(yīng)用于受電弓監(jiān)測系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)故障的智能診斷和預(yù)測性維護(hù)。

（5）標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化設(shè)計(jì)：為了提高系統(tǒng)的兼容性和可擴(kuò)展性，國內(nèi)研究者強(qiáng)調(diào)監(jiān)測系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化設(shè)計(jì)，以適應(yīng)不同型號(hào)和規(guī)格的電力機(jī)車。

1.2國際研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

在國際上，受電弓監(jiān)測技術(shù)的研究與應(yīng)用同樣得到了廣泛的關(guān)注。與國內(nèi)相比，國際上的研究和應(yīng)用具有以下特點(diǎn)。

（1）技術(shù)集成與創(chuàng)新：國際上的研究更加注重技術(shù)的集成創(chuàng)新，通過將先進(jìn)的傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、通信技術(shù)和智能化技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)出綜合性能更優(yōu)的監(jiān)測系統(tǒng)。

（2）智能化與自動(dòng)化：國際上的監(jiān)測系統(tǒng)更加強(qiáng)調(diào)智能化和自動(dòng)化，利用機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)受電弓狀態(tài)的智能監(jiān)測和故障預(yù)測。

（3）系統(tǒng)的可靠性與安全性：國際研究者在提高系統(tǒng)可靠性和安全性方面投入了大量的研究，以確保監(jiān)測系統(tǒng)在各種復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定運(yùn)行。

（4）國際合作與標(biāo)準(zhǔn)制定：國際上的研究和應(yīng)用更加注重國際合作和標(biāo)準(zhǔn)的制定，通過國際合作，共享研究成果，推動(dòng)受電弓監(jiān)測技術(shù)的全球發(fā)展。

（5）用戶體驗(yàn)的重視：在用戶界面設(shè)計(jì)和操作流程上，國際研究者更加注重用戶體驗(yàn)，以提高系統(tǒng)的易用性和可操作性。

總體而言，受電弓監(jiān)測技術(shù)的研究與應(yīng)用是一個(gè)不斷發(fā)展和進(jìn)步的過程。通過國內(nèi)外研究者的共同努力，相信未來受電弓監(jiān)測技術(shù)將更加成熟和完善，為鐵路運(yùn)輸安全提供更加有力的保障。

2受電弓監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

受電弓監(jiān)測系統(tǒng)，是一種采用現(xiàn)代傳感技術(shù)和數(shù)據(jù)分析手段，對(duì)電力機(jī)車受電弓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)警的系統(tǒng)。它通過安裝在受電弓上的精密傳感器，實(shí)時(shí)采集受電弓的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，并依托先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)受電弓狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)警。

以某公司開發(fā)的受電弓監(jiān)測系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)主要包括以下組成部分。

2.1受電弓壓力硬點(diǎn)檢測設(shè)備

該設(shè)備配備了2個(gè)加速度傳感器和4個(gè)壓力傳感器。壓力傳感器用于實(shí)時(shí)測量受電弓與接觸網(wǎng)之間的接觸壓力；加速度傳感器則用于實(shí)時(shí)監(jiān)測受電弓在垂直和水平方向上的加速度變化。

2.2受電弓綜合檢測設(shè)備

該設(shè)備集成了1臺(tái)高清工業(yè)相機(jī)、1臺(tái)紫外探測器和1臺(tái)紅外熱像儀。高清工業(yè)相機(jī)用于實(shí)時(shí)監(jiān)視受電弓的運(yùn)行狀態(tài)；紫外探測器用于檢測燃弧故障；紅外熱像儀則用于監(jiān)測受電弓接觸點(diǎn)的溫度變化情況。

2.3車內(nèi)設(shè)備

車內(nèi)設(shè)備包括1臺(tái)車內(nèi)分析服務(wù)器和1臺(tái)光纖解調(diào)儀。車內(nèi)分析服務(wù)器負(fù)責(zé)接收并處理來自各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，同時(shí)與地面服務(wù)器進(jìn)行通信；光纖解調(diào)儀則用于解析壓力傳感器和加速度傳感器的數(shù)據(jù)。

2.4車底補(bǔ)償設(shè)備

車底補(bǔ)償設(shè)備用于修正行車過程中因車體抖動(dòng)或偏移導(dǎo)致的幾何參數(shù)檢測誤差，從而提高幾何參數(shù)檢測的精度和可靠性。

2.5無線傳輸設(shè)備

無線傳輸設(shè)備利用4G/5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)時(shí)將監(jiān)測數(shù)據(jù)、圖像及報(bào)警信號(hào)發(fā)送至地面數(shù)據(jù)處理中心。這有助于在出現(xiàn)受電弓故障時(shí)迅速進(jìn)行故障診斷和處理，提高檢修效率。

3系統(tǒng)原理詳解

3.1溫度檢測

在機(jī)車高速行駛時(shí)，受電弓與接觸網(wǎng)的相互作用會(huì)產(chǎn)生摩擦力和電流，這兩者均會(huì)導(dǎo)致熱量的產(chǎn)生。為了精確測量受電弓的溫度，監(jiān)測系統(tǒng)采用高分辨率和高幀率的紅外熱成像攝像機(jī)作為主要檢測工具。該設(shè)備具備捕捉受電弓在運(yùn)行中溫度變化的高清晰度和高速度能力。此外，系統(tǒng)利用先進(jìn)的圖像處理技術(shù)，對(duì)所捕獲的熱成像數(shù)據(jù)進(jìn)行即時(shí)分析和處理，以提取出關(guān)鍵的溫度數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)化為易于理解的溫度分布圖。

3.2結(jié)構(gòu)異常

首先，工業(yè)相機(jī)采集到的圖像數(shù)據(jù)通過深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行處理和分析。通過對(duì)大量監(jiān)測數(shù)據(jù)的訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠自動(dòng)識(shí)別出受電弓的異常狀態(tài)和故障類型，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)受電弓運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警，該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)經(jīng)過精心設(shè)計(jì)和優(yōu)化，能夠準(zhǔn)確定位到受電弓的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)區(qū)域。通過SSD算法的應(yīng)用，系統(tǒng)能夠在復(fù)雜的環(huán)境中準(zhǔn)確識(shí)別出關(guān)注區(qū)域，為后續(xù)的分析和處理提供了可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)是定位準(zhǔn)確，魯棒性好，但是計(jì)算量大，因此第一次在定位到關(guān)注區(qū)域后，系統(tǒng)采用KCF算法進(jìn)行圖像跟蹤。KCF具有高效的目標(biāo)跟蹤性能，該算法通過在線學(xué)習(xí)的方式，不斷更新目標(biāo)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)受電弓的精確跟蹤和定位。即使在復(fù)雜多變的鐵路環(huán)境中，KCF算法也能保持較高的跟蹤精度和穩(wěn)定性，通過跟蹤，系統(tǒng)能夠持續(xù)監(jiān)測受電弓的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)任何異常變化。

對(duì)于跟蹤到的各個(gè)區(qū)域，系統(tǒng)使用SVM算法進(jìn)行異常檢測。SVM算法是一種廣泛應(yīng)用于分類和識(shí)別任務(wù)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，通過構(gòu)建分類器，經(jīng)過訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，SVM算法可以自動(dòng)識(shí)別和判斷受電弓結(jié)構(gòu)的異常狀態(tài)。通過SVM算法的應(yīng)用，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確判斷羊角異常、異物入侵等預(yù)警信息，并及時(shí)發(fā)出報(bào)警提示。

系統(tǒng)還采用霍夫變換算法對(duì)滑板進(jìn)行傾斜檢測。霍夫變換是一種在圖像處理中廣泛應(yīng)用的算法，能夠用于檢測圖像中的直線和形狀。通過對(duì)滑板進(jìn)行霍夫變換處理，系統(tǒng)能夠確定滑板是否發(fā)生傾斜，并據(jù)此判斷受電弓是否存在結(jié)構(gòu)異常。

3.3燃弧檢測

根據(jù)《鐵路應(yīng)用集電系統(tǒng)受電弓和接觸網(wǎng)的動(dòng)力交互》（EN-50317－2002）標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于燃弧率的定義，燃弧率的計(jì)算公式明確了燃弧持續(xù)時(shí)間和測量時(shí)間內(nèi)的電流狀態(tài)對(duì)燃弧率的影響。基于這一計(jì)算原理，受電弓燃弧檢測系統(tǒng)采用了紫外探測器來實(shí)現(xiàn)對(duì)燃弧現(xiàn)象的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

燃弧率的計(jì)算公式為：

式中：

是持續(xù)時(shí)間超過1ms的拉弧時(shí)間；

是一段測量時(shí)間內(nèi)電流超過額定電流30%的時(shí)間總和。

在220～329nm的紫外光線范圍內(nèi)，燃弧現(xiàn)象會(huì)釋放出大量的紫外光，這些光線被紫外探測器接收后，會(huì)轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)并傳輸給信號(hào)處理模塊。信號(hào)處理模塊對(duì)這些脈沖信號(hào)進(jìn)行處理和分析，從而得出燃弧發(fā)生的持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度。

4重載電力機(jī)車受電弓監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)化方案

目前，雖然部分重載電力機(jī)車已經(jīng)配備了受電弓監(jiān)測系統(tǒng)，但其在應(yīng)用過程中仍存在一些問題。首先，部分監(jiān)測系統(tǒng)的功能相對(duì)單一，僅能實(shí)現(xiàn)簡單的數(shù)據(jù)記錄，缺乏對(duì)受電弓狀態(tài)的綜合分析和預(yù)警[3]。其次，監(jiān)測系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性還有待提高，尤其在復(fù)雜環(huán)境下運(yùn)行時(shí)，其監(jiān)測結(jié)果易受到干擾和誤差。此外，現(xiàn)有監(jiān)測系統(tǒng)往往與機(jī)車的其他系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，缺乏有效的數(shù)據(jù)共享和交互機(jī)制，導(dǎo)致信息孤島現(xiàn)象較為普遍。

針對(duì)現(xiàn)有重載電力機(jī)車受電弓監(jiān)測系統(tǒng)存在的問題，作者提出以下優(yōu)化方案。

（1）提升系統(tǒng)功能：增加實(shí)時(shí)監(jiān)測、故障預(yù)警、數(shù)據(jù)分析等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)受電弓狀態(tài)的全面監(jiān)控和預(yù)警。同時(shí)，引入智能5算法和模型，提高監(jiān)測系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性，減少誤報(bào)和漏報(bào)現(xiàn)象[4]。

（2）加強(qiáng)系統(tǒng)集成：將受電弓監(jiān)測系統(tǒng)與其他機(jī)車系統(tǒng)進(jìn)行深度集成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和交互。通過與其他系統(tǒng)的協(xié)同工作，提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的利用效率和準(zhǔn)確性，為機(jī)車的安全運(yùn)行提供更加全面的保障[5]。

（3）引入新技術(shù)：利用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等新技術(shù)，構(gòu)建基于大數(shù)據(jù)的受電弓監(jiān)測系統(tǒng)。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測、數(shù)據(jù)傳輸和云端分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)受電弓狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和預(yù)警，提高監(jiān)測效率和準(zhǔn)確性。

5結(jié)論與展望

通過對(duì)重載電力機(jī)車受電弓監(jiān)測系統(tǒng)的深入研究，本文提出了相應(yīng)的優(yōu)化方案。這些方案旨在提升監(jiān)測系統(tǒng)的功能、精度和穩(wěn)定性，為重載電力機(jī)車的安全運(yùn)行提供更加可靠的保障。未來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的積累，相信受電弓監(jiān)測系統(tǒng)將在重載電力機(jī)車中發(fā)揮更加重要的作用，為鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩托首龀龈蟮呢暙I(xiàn)。

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