新型400 km·h–1級(jí)架空接觸網(wǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)

Chul Jin ChoKore University Seoul 02841 Kore Young PrkKore Rilrod Reserch Institute Uiwng-si Gyeonggi-do 16105 Kore*

新型400 km·h–1級(jí)架空接觸網(wǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)

Chul Jin ChoaKorea University, Seoul 02841, Korea, Young ParkbKorea Railroad Research Institute, Uiwang-si, Gyeonggi-do 16105, Korea,*

a r t i c l e i n f o

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Received 3 July 2016

Revised form 19 August 2016

Accepted 8 September 2016

Available online 21 September 2016

高速鐵路

架空接觸網(wǎng)

狀態(tài)監(jiān)測(cè)

基于圖像處理的測(cè)量方式

近年來(lái)，高速鐵路各項(xiàng)技術(shù)不斷發(fā)展，列車(chē)運(yùn)行速度從300 km·h–1提高到400 km·h–1。本文介紹了由韓國(guó)研究者開(kāi)發(fā)和論證的技術(shù)，即400 km·h–1級(jí)集電性能評(píng)估方法。此外，本文還詳細(xì)解釋了基于視頻圖像的監(jiān)測(cè)技術(shù)，其不需要直接接觸供電系統(tǒng)的任何部件，這項(xiàng)技術(shù)被應(yīng)用于檢測(cè)以時(shí)速400 km運(yùn)行的高鐵上架空接觸網(wǎng)組件的穩(wěn)定性。與常規(guī)使用激光傳感器或者線(xiàn)相機(jī)(line camera)來(lái)監(jiān)控架空接觸網(wǎng)的系統(tǒng)不同，開(kāi)發(fā)的新型系統(tǒng)通過(guò)視頻數(shù)據(jù)來(lái)測(cè)量其處于活動(dòng)狀態(tài)的參數(shù)。根據(jù)在商業(yè)線(xiàn)路上實(shí)地測(cè)量的結(jié)果，這種系統(tǒng)能有效地測(cè)量架空接觸網(wǎng)的各項(xiàng)參數(shù)。

? 2016 THE AUTHORS. Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company. This is an open access article under the CC BY-NC-ND license

(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

1.引言

在現(xiàn)代電力鐵路中，許多國(guó)家都致力于提高商業(yè)線(xiàn)路的速度上限。由于車(chē)載、軌道、電力和信號(hào)技術(shù)的快速發(fā)展，在商業(yè)運(yùn)行前對(duì)列車(chē)及其基礎(chǔ)設(shè)施的性能進(jìn)行評(píng)估和檢測(cè)尤為必要。換言之，為了確保乘客的安全，必須適當(dāng)?shù)貙?duì)時(shí)速達(dá)到400 km的列車(chē)評(píng)估其影響。因此，有效的監(jiān)測(cè)技術(shù)引起了大家的關(guān)注，其可以克服由復(fù)雜結(jié)構(gòu)和長(zhǎng)時(shí)間操作間隔引起的人力限制[1,2]。

在高速電力鐵路的眾多部件中，架空接觸網(wǎng)(OCL)是不斷地向運(yùn)行的列車(chē)供電的一個(gè)接口。然而，由于OCL的物理結(jié)構(gòu)屬性，系統(tǒng)受到機(jī)電效應(yīng)的影響[3]。這些影響代表了集電的質(zhì)量，可以被歸納為幾個(gè)主要參數(shù)，如接觸力、受電弓、接觸不良率、電弧百分比和接觸線(xiàn)的上升力[4,5]。

最近，韓國(guó)鐵路研究所(KRRI)在商業(yè)線(xiàn)路(Honam快線(xiàn)，長(zhǎng)56 km)上成功開(kāi)發(fā)了一個(gè)時(shí)速400 km的鐵路車(chē)輛及其基礎(chǔ)設(shè)施[6]。然而，由于受電弓和接觸線(xiàn)之間的相互作用導(dǎo)致了劇烈的振動(dòng)和波傳播與反射的快速變化，因此必須嚴(yán)格地對(duì)OCL所有方面的性能進(jìn)行評(píng)估，以便保證OCL功率穩(wěn)定，正常供電給列車(chē)。本文介紹了應(yīng)用于檢測(cè)新型時(shí)速400 km級(jí)OCL[2,6]的性能技術(shù)，即通過(guò)物理測(cè)量系統(tǒng)驗(yàn)證核心部件的規(guī)格，還介紹了一種間接接觸線(xiàn)的動(dòng)態(tài)拉出值/高度測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一個(gè)簡(jiǎn)單的電荷耦合器件(CCD)相機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)[7]。

本文中的其他內(nèi)容如下：第2部分介紹了已建立的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試場(chǎng)地的詳細(xì)規(guī)格，第3部分介紹了基于視頻圖

像的非接觸式測(cè)量系統(tǒng)的細(xì)節(jié)，最后論述了所得出的結(jié)果和結(jié)論。

2.材料和方法

如上文所述，為了保證商業(yè)運(yùn)營(yíng)的安全性，必須仔細(xì)配置OCL各項(xiàng)參數(shù)。因此，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的核心組件配置根據(jù)以前的研究結(jié)果來(lái)確定[2,6]。表1是由KRRI開(kāi)發(fā)的時(shí)速400 km級(jí)OCL的設(shè)計(jì)參數(shù)。測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)由一類(lèi)簡(jiǎn)易的接觸網(wǎng)構(gòu)成，其包含眾多超高張力接觸線(xiàn)。由于接觸線(xiàn)的張力和重量是影響高效集電性的最大因素，接觸網(wǎng)由規(guī)格為34 kN、150 mm2的改良過(guò)的輕質(zhì)銅鎂合金接觸線(xiàn)和規(guī)格為23 kN、116 mm2的絞合銅鎂合金接觸線(xiàn)構(gòu)成。

通過(guò)利用HEMU-430X(代表高速電動(dòng)多單元時(shí)速430 km實(shí)驗(yàn))[1]，從時(shí)速 60 km遞增到時(shí)速410 km，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)速400 km級(jí)OCL組件進(jìn)行性能評(píng)估。圖1是OCL組件以及在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)拍攝的圖片。

表1.國(guó)Honam快線(xiàn)400 km·h–1級(jí)OCL的設(shè)計(jì)參數(shù)[2,6]

圖1.在時(shí)速400 km級(jí)測(cè)試場(chǎng)地OCL的部件和安裝。

如表2中所示，通過(guò)監(jiān)測(cè)受電弓的接觸力、接觸不良率、接觸線(xiàn)的動(dòng)態(tài)拉出值/高度、拉力、張力和電流等參數(shù)，可以評(píng)估時(shí)速400 km級(jí)OCL核心部件的性能。這些參數(shù)可以通過(guò)軌道測(cè)試獲得，測(cè)試要求測(cè)量車(chē)輛通過(guò)目標(biāo)地點(diǎn)的時(shí)刻。如果表2中的所有參數(shù)都滿(mǎn)足測(cè)試運(yùn)行和速度的允許范圍，則確定OCL是安全可靠的。

3.理論

以下介紹基于視頻圖像的動(dòng)態(tài)拉出值/高度測(cè)量系統(tǒng)。需要注意的是本文中的一些細(xì)節(jié)是總結(jié)以前研究中所包含的內(nèi)容模塊。與其他性能評(píng)估措施不同，動(dòng)態(tài)拉出值和高度只能通過(guò)觀察接觸線(xiàn)位置相對(duì)于受電弓中心的位移來(lái)測(cè)量。因此，如圖2所示，動(dòng)態(tài)拉出值和高度只能通過(guò)非接觸式接口捕捉受電弓和接觸線(xiàn)的圖像測(cè)量得出。動(dòng)態(tài)拉出值/高度測(cè)量系統(tǒng)與基于電弧傳感器的接觸不良率測(cè)量系統(tǒng)共享接口，該系統(tǒng)能夠檢測(cè)可見(jiàn)波長(zhǎng)范圍之外的電子波。

圖3顯示了安裝在HEMU-430X上的基于視頻圖像的測(cè)量系統(tǒng)。HEMU-430X是用于評(píng)估時(shí)速400 km級(jí)列車(chē)基礎(chǔ)設(shè)施的測(cè)試車(chē)輛，如圖3所示，視頻采集系統(tǒng)安裝在受電弓的方向上，以便同時(shí)記錄OCL的圖像。

通過(guò)圖2和圖3所示的視頻采集接口，可以獲得動(dòng)態(tài)位移值(即從受電弓的中心到接觸面的距離)。獲得動(dòng)態(tài)拉出值和高度的過(guò)程如圖4所示 [2,7,8]。由于動(dòng)態(tài)位移值是通過(guò)從受電弓中心到接觸面的距離來(lái)計(jì)算的，所以

有必要找到受電弓以及接觸線(xiàn)的精確位置。因此，根據(jù)所獲取的圖像序列，首先獲得受電弓的位置及其中心。然后假設(shè)接觸帶與照相機(jī)的角度可能不垂直，于是以直線(xiàn)的形式檢測(cè)接觸帶。類(lèi)似地，應(yīng)用線(xiàn)檢測(cè)方法來(lái)檢測(cè)接觸線(xiàn)。最后，找到受電弓和接觸線(xiàn)的交叉點(diǎn)，并且轉(zhuǎn)換成動(dòng)態(tài)拉出值和高度。

表2.00 km·h–1級(jí)OCL的核心規(guī)格

圖2.測(cè)試接觸不良率和動(dòng)態(tài)拉出值/高度系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。OCL：架空接觸網(wǎng)；DAQ：數(shù)據(jù)采集；GigE：千兆以太網(wǎng)；PoE：以太網(wǎng)供電；SMPS：開(kāi)關(guān)模式供電；UPS：不間斷電源供應(yīng)。

圖3.在HEMU-430X頂上安裝的基于視頻圖像的測(cè)量系統(tǒng)。

利用大容量的存儲(chǔ)設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，從而可以離線(xiàn)測(cè)量OCL的動(dòng)態(tài)拉出值和高度。然而，在實(shí)際情況下必須考慮到附加程序可能會(huì)降低性能。如圖5所示[2,7]，實(shí)際動(dòng)態(tài)拉出值/高度測(cè)量系統(tǒng)可以總結(jié)為四個(gè)步驟。

圖5顯示了實(shí)際的誤差來(lái)源。第一個(gè)實(shí)際誤差的來(lái)源是OCL部件之間的相似性，即這些部件不能憑借單張圖片來(lái)自動(dòng)區(qū)分。第二個(gè)實(shí)際誤差的來(lái)源是快速變化的背景和由太陽(yáng)照射引起的光線(xiàn)變化，這可能會(huì)頻繁地改變檢測(cè)受電弓的適當(dāng)參數(shù)。比如在橫截面部分，可以觀察到一個(gè)或多個(gè)接觸線(xiàn)，其可能是誤差的來(lái)源。接觸位置的快速移動(dòng)是由低采樣率引起的，也限制了高速工業(yè)CCD相機(jī)的拍攝。最后，在隧道以及山區(qū)或火車(chē)站等復(fù)雜場(chǎng)地，必須對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。以下是具體的操作步驟。

第一步涉及環(huán)境識(shí)別，確定用于搜索受電弓的條件和參數(shù)。在常見(jiàn)的系統(tǒng)中，環(huán)境大致分為三種不同類(lèi)型：正常、有背景干擾和隧道。如圖6[9]中右側(cè)所示的幾種類(lèi)型，每種類(lèi)型下對(duì)收集圖像的固定區(qū)域所提供的照明值不同。例如，與隧道類(lèi)相比，正常類(lèi)在區(qū)域1中具有較亮的值。類(lèi)似地，區(qū)域2也具有不同的亮度值。通過(guò)收集多個(gè)圖像的平均強(qiáng)度值，可以設(shè)置邊界以識(shí)別合適的類(lèi)型，這個(gè)邊界稱(chēng)為“線(xiàn)性分類(lèi)器”。

圖4.測(cè)量OCL動(dòng)態(tài)拉出值/高度的過(guò)程。

圖5.實(shí)際測(cè)量動(dòng)態(tài)拉出值/高度的過(guò)程。

圖6.環(huán)境識(shí)別過(guò)程[9]。(a)周?chē)h(huán)境的不同類(lèi)型；(b)圖像的特征向量。

圖7.圖像檢測(cè)受電弓(a)和接觸線(xiàn)(b)的過(guò)程。

第二步對(duì)受電弓和接觸線(xiàn)進(jìn)行檢測(cè)，如圖7所示。先前步驟中所選的環(huán)境類(lèi)型進(jìn)展至檢測(cè)步驟。第二步的目的是找到受電弓最合適的位置，該位置由搜索到的具有最高相似值的位置所決定。

第三步進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，從而濾除在實(shí)際情況中獲得的不準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)(圖8)。在圖像序列之間，由于圖像樣本之間和接觸線(xiàn)位置之間的關(guān)系，接觸線(xiàn)只有有限的移動(dòng)范圍。該有限范圍被定義為驗(yàn)證區(qū)域，而不考慮區(qū)域外的檢測(cè)結(jié)果干擾。

圖8.數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的過(guò)程。(a)橫截面的接觸線(xiàn)檢測(cè)；(b)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的應(yīng)用。

4.結(jié)果

表3顯示了安裝在HEMU-43OX的Honam 快線(xiàn)上視頻檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)果。 結(jié)果包括與實(shí)驗(yàn)條件相關(guān)的參數(shù)，如測(cè)量間值、最大速度、持續(xù)時(shí)間和樣品數(shù)量。注意，每個(gè)結(jié)果都是從單獨(dú)測(cè)試中得出的，測(cè)試范圍僅在最小測(cè)量速度到最大測(cè)量速度間變化。

5.討論

圖9展示了實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)拉出值/高度測(cè)量系統(tǒng)的軟件平臺(tái)。圖中左側(cè)顯示了用于電弧測(cè)量的運(yùn)行系統(tǒng)，而右側(cè)展示了基于圖像的測(cè)量系統(tǒng)。如圖9所示，測(cè)量系統(tǒng)能夠同時(shí)檢測(cè)OCL的電弧和測(cè)量動(dòng)態(tài)位移。根據(jù)上文中所采取的測(cè)量方式，可以得出所有測(cè)試樣本中動(dòng)態(tài)拉出值都在250 mm的范圍之內(nèi)。正如預(yù)期，在運(yùn)行速度為400 km·h–1時(shí)受電弓和接觸線(xiàn)之間接觸的影響，受電弓的上升力增加，可以觀察到高度的變化也增加。雖然，常規(guī)的不接觸受電弓來(lái)測(cè)量接觸線(xiàn)靜態(tài)位置的方式是不能監(jiān)測(cè)運(yùn)行中的列車(chē)的，但基于視頻圖像的監(jiān)測(cè)方法可以有效地測(cè)量OCL的動(dòng)態(tài)。

表3.370 km·h–1到400 km·h–1的動(dòng)態(tài)拉出值的測(cè)量結(jié)果

圖9.(a)HEMU-430X 400 km·h–1級(jí)上的電弧測(cè)量結(jié)果；(b)HEMU-430X 400 km·h–1級(jí)上動(dòng)態(tài)拉出值/高度的測(cè)量結(jié)果。

如在系統(tǒng)配置的描述中所提到的，圖像合集是從韓國(guó)開(kāi)發(fā)的時(shí)速400 km級(jí)HEMU-430X頂上安裝的圖像采集裝置獲得的。為了評(píng)估相應(yīng)的系統(tǒng)性能，從三天的三次測(cè)試運(yùn)行中選擇300幀圖像進(jìn)行評(píng)估。評(píng)估結(jié)果如表4所示。由表4可得， 系統(tǒng)誤差大約為8 mm，誤差大小就像720×480圖像上的四個(gè)像素點(diǎn)一樣。由于采集硬件的限制，圖像之間在以非常高的速度快速變化時(shí)可能發(fā)生模糊，這種模糊造成了系統(tǒng)誤差。因此，希望可以采用更好規(guī)格的硬件系統(tǒng)來(lái)減少誤差。

表4.能測(cè)試結(jié)果

6.結(jié)論

本文介紹了在KRRI開(kāi)發(fā)的時(shí)速400 km級(jí)高速鐵路運(yùn)行前，已經(jīng)應(yīng)用于評(píng)估OCL性能的一項(xiàng)監(jiān)測(cè)技術(shù)。評(píng)估集電性能結(jié)果的指標(biāo)為受電弓的接觸面、接觸不良率和接觸線(xiàn)的上升力。觀察到的測(cè)量結(jié)果是在部件規(guī)格限制范圍之內(nèi)的。開(kāi)發(fā)基于視頻圖像的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的目的是改進(jìn)常規(guī)需要人力的監(jiān)測(cè)技術(shù)，以便在動(dòng)態(tài)拉出值和高度方面對(duì)集電性能進(jìn)行非接觸式評(píng)估?；趶V泛進(jìn)行的性能評(píng)估，其相應(yīng)技術(shù)表明，即使在時(shí)速400 km運(yùn)行的情況下，也可能分析OCL的狀態(tài)。因此可以預(yù)測(cè)，本文提出的監(jiān)測(cè)方法的組合可以對(duì)OCL性能進(jìn)行定量描述。

致謝

本研究由韓國(guó)鐵路研究所研發(fā)計(jì)劃資助。

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Chul Jin Cho and Young Park declare that they have no conflict of interest or financial conflicts to disclose.

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* Corresponding author.

E-mail address: ypark@krri.re.kr

2095-8099/? 2016 THE AUTHORS. Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company.

This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

英文原文: Engineering 2016, 2(3):360–365

Chul Jin Cho, Young Park. New Monitoring Technologies for Overhead Contact Line at 400 km·h–1. Engineering, http://dx.doi.org/10.1016/J.ENG.2016.03.016