高速鐵路供電安全檢測(cè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)淺析

姜文賢

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高速鐵路供電安全檢測(cè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)淺析

姜文賢

6C系統(tǒng)可對(duì)高速鐵路的牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行全方位、全覆蓋的綜合檢測(cè)、監(jiān)測(cè)，本文主要介紹了6C系統(tǒng)中應(yīng)用的最新技術(shù)，并對(duì)應(yīng)用效果進(jìn)行了分析。

6C系統(tǒng)；機(jī)器視覺；智能識(shí)別；幾何參數(shù)檢測(cè)

0 引言

目前，中國電氣化鐵路總里程已超過4.8萬km，隨著鐵路電氣化進(jìn)程的快速發(fā)展，對(duì)列車高速運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性要求日益提高。為了保障高速鐵路安全平穩(wěn)運(yùn)行，中國鐵路總公司提出了構(gòu)建高速鐵路供電安全檢測(cè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱6C系統(tǒng)），其目的是對(duì)高速鐵路牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行全方位、全覆蓋的綜合檢測(cè)監(jiān)測(cè)。從最初的完全人工檢修，到現(xiàn)在的6C系統(tǒng)，越來越先進(jìn)的技術(shù)應(yīng)用到6C系統(tǒng)中，技術(shù)的創(chuàng)新、圖像清晰度的提升、檢測(cè)精度的提升、環(huán)境適應(yīng)性的提升、智能識(shí)別技術(shù)的引入等都對(duì)6C系統(tǒng)的日漸完善起著強(qiáng)大的支撐作用，下面主要結(jié)合6C系統(tǒng)應(yīng)用介紹相關(guān)的先進(jìn)技術(shù)，并對(duì)應(yīng)用效果進(jìn)行分析。

1 先進(jìn)的機(jī)器視覺技術(shù)

機(jī)器視覺技術(shù)是通過機(jī)器視覺產(chǎn)品將被測(cè)目標(biāo)轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號(hào)，使用圖像來判定結(jié)果。一個(gè)典型的機(jī)器視覺系統(tǒng)包括：光源、工業(yè)相機(jī)、鏡頭、圖像采集單元、通訊輸入/輸出單元。6C系統(tǒng)主要通過機(jī)器視覺技術(shù)完成對(duì)接觸網(wǎng)懸掛、腕臂結(jié)構(gòu)、附屬線索、零部件、受電弓的高清成像。

其中相機(jī)和光源在6C系統(tǒng)的機(jī)器視覺中起到很重要的作用，相機(jī)采用高分辨率工業(yè)級(jí)相機(jī)，高動(dòng)態(tài)CMOS成像技術(shù)，根據(jù)環(huán)境自動(dòng)調(diào)節(jié)拍攝參數(shù)，避免了成像亮度不足和過度曝光的問題，拍攝效果足夠清晰，能夠準(zhǔn)確分辨螺栓脫落等故障。

光源采用高亮度智能頻閃燈，光源只有在攝像頭采集的瞬間才工作，整個(gè)曝光時(shí)間僅幾十ms，瞬間的光通量可以達(dá)到1 000 000 lm以上，適應(yīng)更小的光圈和快門。拍攝的圖像不拖影，有很好的景深，同時(shí)能夠適應(yīng)檢測(cè)車的高速運(yùn)行。6C系統(tǒng)拍攝效果如圖1所示。

圖1 6C系統(tǒng)拍攝效果

1.1 接觸網(wǎng)安全狀態(tài)巡檢裝置（2C）

2C是一種新型的便攜式裝置，可代替人工對(duì)接觸網(wǎng)設(shè)施進(jìn)行檢查巡視，放置在司機(jī)室內(nèi)，可對(duì)接觸網(wǎng)的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻采集（圖2）。

圖2 2C裝置應(yīng)用

1.2 接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)檢測(cè)監(jiān)測(cè)裝置（4C）

4C裝置安裝在接觸網(wǎng)作業(yè)車或?qū)Ｓ密囕v上，在一定運(yùn)行速度下，對(duì)接觸網(wǎng)懸掛系統(tǒng)的零部件實(shí)施高精度成像檢測(cè)及靜態(tài)幾何參數(shù)的高精度測(cè)量，并在檢測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)識(shí)別與分析的基礎(chǔ)上形成維修建議，指導(dǎo)作業(yè)人員排除接觸網(wǎng)故障隱患（圖3）。

圖3 4C裝置

1.3 受電弓滑板監(jiān)測(cè)裝置（5C）

5C裝置安裝于鐵路局、段分界點(diǎn)和樞紐站兩端硬橫跨上，在特殊斷面和區(qū)段形成卡口機(jī)制，對(duì)通過列車的受電弓進(jìn)行實(shí)時(shí)成像監(jiān)測(cè)（圖4）。

圖4 5C裝置

2 精準(zhǔn)探測(cè)技術(shù)

在6C系統(tǒng)的4C和5C中，精準(zhǔn)探測(cè)技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。在不影響行車的情況下，為了對(duì)接觸網(wǎng)、列車和受電弓進(jìn)行精準(zhǔn)探測(cè)和定位，采用非接觸式的高精度雷達(dá)探測(cè)列車及激光傳感器探測(cè)接觸網(wǎng)和受電弓。

2.1 高精度雷達(dá)

雷達(dá)對(duì)運(yùn)動(dòng)物體速度的精確檢測(cè)基于微波多普勒效應(yīng)。行進(jìn)過程中的微波遇到障礙物體時(shí)發(fā)生反射，反射波頻率及振幅均隨障礙物體的移動(dòng)狀態(tài)而改變。根據(jù)多普勒頻率的大小，可以測(cè)出目標(biāo)對(duì)雷達(dá)的徑向相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，如圖5所示。其可在微秒級(jí)時(shí)間內(nèi)完成探測(cè)，準(zhǔn)確探測(cè)列車的到達(dá)與離開，精確測(cè)量列車的開行速度。

圖5 高精度雷達(dá)探測(cè)示意圖

2.2 激光傳感器

激光傳感器的原理是通過發(fā)射器鏡頭將可見激光射向目標(biāo)物，接收元件通過接收鏡頭接收目標(biāo)物反射的激光光束。接收器到被測(cè)物的距離決定了光束到達(dá)接收元件的角度。該角度決定了光束落在接收器接收元件上的位置，光束在接收器接收元件的位置通過模擬和數(shù)字電路處理，并經(jīng)過微處理器分析，輸出相應(yīng)的數(shù)據(jù)，其原理如圖6所示。

圖6 激光傳感器原理

激光傳感器通過自發(fā)自收的方式判斷是否出現(xiàn)被測(cè)物體，如果具備固定的檢測(cè)范圍，則忽略檢測(cè)范圍外的物體，并通過雙傳感器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)“與”邏輯判斷，保證100%觸發(fā)，精度高，且采樣頻率可達(dá)10 kHz。

3 接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)技術(shù)

導(dǎo)高、拉出值等是接觸網(wǎng)的關(guān)鍵幾何參數(shù)，也是6C系統(tǒng)中最重要的檢測(cè)參數(shù)，其對(duì)接觸網(wǎng)檢修具有重要的參考意義，目前主要通過雙目視覺非接觸方式進(jìn)行檢測(cè)。

將2臺(tái)性能和大小完全相同的線陣攝像機(jī)對(duì)稱安裝于列車上，要求接觸線在2臺(tái)攝像機(jī)視場(chǎng)交匯的地方，即2臺(tái)攝像機(jī)采取交匯測(cè)量的對(duì)稱結(jié)構(gòu)對(duì)接觸線進(jìn)行圖像采集。2臺(tái)攝像機(jī)安裝在同一平面上，通過圖像獲取、攝像機(jī)標(biāo)定、特征提取和三維重建等步驟，實(shí)現(xiàn)幾何參數(shù)測(cè)量，如圖7所示。

另外將2臺(tái)性能和大小完全相同的線陣攝像機(jī)對(duì)稱安裝于列車底部，實(shí)時(shí)重建軌道面的中心，對(duì)上述測(cè)量值進(jìn)行實(shí)時(shí)抗振動(dòng)補(bǔ)償，補(bǔ)償后消除了列車晃動(dòng)以及列車轉(zhuǎn)彎對(duì)測(cè)量值的影響，提高了測(cè)試精度。

圖7 測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

4 智能識(shí)別技術(shù)

為提升6C系統(tǒng)自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)由“人檢人修”向“機(jī)檢人修”方式過渡，引入了智能識(shí)別技術(shù)，極大降低了作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了檢測(cè)作業(yè)質(zhì)量和效率。

4.1 故障識(shí)別

通過圖像匹配、識(shí)別、判斷機(jī)制，并采用智能識(shí)別算法，可對(duì)接觸網(wǎng)設(shè)備裂縫、螺栓脫落等缺陷進(jìn)行識(shí)別。

4.2 動(dòng)車組車號(hào)/接觸網(wǎng)桿號(hào)識(shí)別

通過車號(hào)圖像采集、號(hào)碼定位、字符分割、字符特征提取、光學(xué)字符識(shí)別、識(shí)別結(jié)果輸出等幾個(gè)步驟，可準(zhǔn)確識(shí)別出數(shù)字、字母以及符號(hào)，完成對(duì)車號(hào)的識(shí)別（圖8）。

圖8 動(dòng)車組車號(hào)識(shí)別

通過對(duì)鐵路沿線接觸網(wǎng)桿號(hào)的智能識(shí)別，實(shí)現(xiàn)與接觸網(wǎng)圖像準(zhǔn)確匹配定位，在故障預(yù)警中起到了關(guān)鍵作用（圖9）。

圖9 接觸網(wǎng)桿號(hào)識(shí)別

5 6C系統(tǒng)應(yīng)用效果

目前，6C系統(tǒng)中的2C、4C、5C裝置已在哈爾濱鐵路局成功應(yīng)用，應(yīng)用效果良好，既減輕了作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，又有效降低了異常問題發(fā)生的概率，符合電氣化鐵路信息化發(fā)展的方向，實(shí)現(xiàn)了接觸網(wǎng)檢測(cè)由“人檢”向“機(jī)檢”方式的過渡，質(zhì)量控制則由“人控”向“機(jī)控”方式轉(zhuǎn)變，確保了動(dòng)車組安全運(yùn)行。

5.1 2C裝置應(yīng)用效果

2016年4—12月，在哈爾濱鐵路局管段內(nèi)高鐵線路上應(yīng)用2C裝置進(jìn)行檢測(cè)的里程為 2 875 km，缺陷記錄共計(jì)153處，缺陷統(tǒng)計(jì)匯總?cè)鐖D10所示。

圖10 2C檢測(cè)缺陷匯總統(tǒng)計(jì)

5.2 4C裝置應(yīng)用效果

2016年1—12月，在哈爾濱鐵路局管段內(nèi)高鐵線路應(yīng)用4C裝置共完成檢測(cè)1 210 km，缺陷記錄共計(jì)1 901處，缺陷統(tǒng)計(jì)見圖11。

圖11 4C檢測(cè)缺陷匯總統(tǒng)計(jì)

6 結(jié)語

越來越先進(jìn)的技術(shù)引入6C系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)6C系統(tǒng)功能和自動(dòng)化水平均有極大的提高，形成了數(shù)字化和可視化的檢測(cè)信息庫，可用于指導(dǎo)全路高速鐵路供電設(shè)備的日常維護(hù)與檢修。隨著技術(shù)創(chuàng)新的不斷加強(qiáng)，通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行綜合分析、專家診斷，最終實(shí)現(xiàn)使之成為開放式設(shè)計(jì)構(gòu)架，軟硬件均符合國際國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，可兼容并接入其他智能檢測(cè)、監(jiān)測(cè)設(shè)備的一套技術(shù)先進(jìn)、功能完善的系統(tǒng)，為全路高速鐵路供電設(shè)備安全運(yùn)行提供技術(shù)保障。

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All-dimensional and comprehensive integrated inspection and monitoring on traction power supply for high speed railway are able to be realized by 6C system, this paper mainly introduces the most advanced technologies applied in 6C system and analyzes effects of its application.

6C system; machine vision; intelligent identification; geometry parameter inspection

10.19587/j.cnki.1007-936x.2017.04.002

U225

B

1007-936X(2017)04-0006-04

2017-02-21

姜文賢.哈爾濱鐵路局牡丹江供電段，工程師，電話：13766655168。