接觸網(wǎng)剛性懸掛檢測(cè)系統(tǒng)在城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)中的應(yīng)用

芮 晨，陳善樂(lè)，杜海源，李曉飛，李 軼

（1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京100055；2.石家莊市軌道交通有限責(zé)任公司，河北 石家莊050035；3.天津凱發(fā)電氣股份有限公司，天津300392）

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn)，都市擁堵日益嚴(yán)重，常規(guī)的公共交通已無(wú)法滿足城市客運(yùn)的需求。城市擁堵日益成為阻礙城市發(fā)展的主要因素之一，降低了市區(qū)人口出行效率。而城市軌道交通具有發(fā)車間隔短、運(yùn)行速度快、站點(diǎn)時(shí)間準(zhǔn)、運(yùn)輸量大、清潔環(huán)保和不會(huì)產(chǎn)生擁堵等優(yōu)勢(shì)，成為改善城市擁堵的有效途徑。近年來(lái)，在黨和國(guó)家政策的引導(dǎo)下，國(guó)內(nèi)一、二線城市均在大力修建城市軌道交通，部分三線城市也開始規(guī)劃修建城市軌道交通，城市軌道交通進(jìn)入了史無(wú)前例的飛速發(fā)展時(shí)期。

接觸網(wǎng)系統(tǒng)作為連接電力機(jī)車和城軌供電系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是地鐵列車的主要電力來(lái)源[1]。剛性接觸網(wǎng)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如不易斷線、易于維護(hù)、架構(gòu)簡(jiǎn)單等，已廣泛應(yīng)用于地鐵行業(yè)。但是，由于工作環(huán)境惡劣，且長(zhǎng)期工作在振動(dòng)工況下，其支持、定位、懸掛等裝置容易出現(xiàn)松動(dòng)或脫落等問(wèn)題。如果不及時(shí)處理，將引發(fā)嚴(yán)重的故障，造成行車事故，甚至帶來(lái)極大的經(jīng)濟(jì)損失[2]。

目前，對(duì)接觸網(wǎng)懸掛裝置的檢測(cè)主要依賴于人工巡視，不僅耗費(fèi)人工，且不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷。針對(duì)這種情況，2012年鐵總發(fā)布《高速鐵路供電安全檢測(cè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（6C系統(tǒng)）總體技術(shù)規(guī)范》，并對(duì)接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)檢測(cè)監(jiān)測(cè)裝置（4C）做出了明確要求，且于2014年頒布《接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)檢測(cè)監(jiān)測(cè)裝置（4C）暫行技術(shù)條件》，對(duì)4C做了進(jìn)一步規(guī)范[3]。

本文根據(jù)現(xiàn)有的接觸網(wǎng)懸掛檢測(cè)監(jiān)測(cè)技術(shù)[4]，詳細(xì)分析其在城市軌道交通牽引供電領(lǐng)域的應(yīng)用，并對(duì)城市軌道交通接觸網(wǎng)懸掛檢測(cè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)行展望。

1 接觸網(wǎng)剛性懸掛檢測(cè)系統(tǒng)

接觸網(wǎng)剛性懸掛檢測(cè)監(jiān)測(cè)裝置（4C）一般安裝在接觸網(wǎng)檢測(cè)車、作業(yè)車或其他專用軌道車輛上，通過(guò)高清工業(yè)相機(jī)，對(duì)行車沿線的定位裝置、支持裝置、接觸懸掛、附加懸掛、吊柱座等區(qū)域進(jìn)行全覆蓋高清成像檢測(cè)，從而獲取零部件細(xì)節(jié)工況圖像，并通過(guò)后期圖像分析，發(fā)現(xiàn)隱蔽缺陷，排除事故隱患[5]。

1.1 基本功能

（1）控制功能。能預(yù)置和隨時(shí)靈活更改檢測(cè)線路和起始位置；具有啟動(dòng)、暫停、運(yùn)行、復(fù)位功能；預(yù)留人工干預(yù)功能。

（2）定位功能。采用非接觸式技術(shù)實(shí)現(xiàn)支吊柱的精確定位，并獲取行車途中公里標(biāo)和桿位信息。

（3）巡查功能。對(duì)行車途徑的接觸網(wǎng)定位裝置、支持裝置，附加懸掛、吊柱座區(qū)域進(jìn)行清晰拍攝，以獲取故障信息。

（4）巡視功能。采用高清相機(jī)全程記錄行車沿線接觸懸掛區(qū)域工況，并提供采集過(guò)程中接觸網(wǎng)缺陷的快速分析與復(fù)核功能。

（5）輸出功能。能保存所有巡線視頻和抓拍圖像，附加時(shí)間、線路、桿位、區(qū)域信息于圖像數(shù)據(jù)中，形成可管理的圖像存儲(chǔ)。

（6）成像監(jiān)控功能。能實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備各組成部分功能，反映裝置工作狀態(tài)。

（7）接觸網(wǎng)圖像信息管理功能。支持按照檢索檢出圖像的管理，能夠靈活縮放圖片，顯示其行車定位信息進(jìn)行查詢。

接觸網(wǎng)剛性懸掛檢測(cè)監(jiān)測(cè)裝置一般是周期檢測(cè)和重點(diǎn)檢測(cè)聯(lián)合應(yīng)用。周期檢測(cè)是指對(duì)相關(guān)接觸網(wǎng)設(shè)備的技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行周期性檢測(cè)，周期一般為每季度不少于1次。而重點(diǎn)檢測(cè)則是根據(jù)歷史信息，對(duì)故障高發(fā)區(qū)進(jìn)行專項(xiàng)檢測(cè)。

1.2 接觸網(wǎng)剛性懸掛檢測(cè)監(jiān)測(cè)技術(shù)設(shè)備現(xiàn)狀

接觸網(wǎng)剛性懸掛檢測(cè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般由車載幾何參數(shù)測(cè)量模塊、車載高清圖像采集模塊、車載控制模塊以及非車載的數(shù)據(jù)分析模塊組成。檢測(cè)模塊如圖1所示。

圖1 檢測(cè)模塊

目前，已有多家公司研發(fā)了該裝置，但各個(gè)公司技術(shù)水平不盡相同，市面上暫未有精確的4C裝置。羨慕將對(duì)各主要廠家的成品進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。

（1）某廠家使用一種基于圖元分類的方法進(jìn)行懸掛檢測(cè)。首先，對(duì)采集到的圖像進(jìn)行邊緣信息提取，得到圖像中各連通域的邊界曲線，根據(jù)其曲率變化率實(shí)現(xiàn)桿狀物的提取與去除，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)圖像中各零部件的圖元分割。然后，根據(jù)SURF算法對(duì)提取的每一個(gè)圖元區(qū)域提取其局部不變特征點(diǎn)，并與標(biāo)準(zhǔn)圖像進(jìn)行局部特征點(diǎn)匹配，計(jì)算兩者之間的仿射變換矩陣，從而識(shí)別與定位零部件。利用改進(jìn)后的隨機(jī)抽樣一致算法RANSAC（RandomSampleConsensus）篩選匹配后的特征點(diǎn)，去除錯(cuò)誤點(diǎn)。通過(guò)計(jì)算模板圖像與各圖元之間的仿射變換矩陣，實(shí)現(xiàn)各零部件的精確定位。根據(jù)事前設(shè)定好的故障狀態(tài)，對(duì)各零部件的故障狀體進(jìn)行對(duì)比檢測(cè)。

（2）某廠家有基于線陣CCD的非接觸式測(cè)量導(dǎo)高拉出值，即在車頂安裝CCD相機(jī)進(jìn)行圖像采集，然后通過(guò)圖像處理方法計(jì)算出導(dǎo)高拉高值。同時(shí)，也有接觸式測(cè)量方法。通過(guò)角位移傳感器和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置，測(cè)量受電弓的升弓高度，然后根據(jù)壓力傳感器測(cè)量拉出值。由幾何算法和電壓導(dǎo)高對(duì)應(yīng)查表法計(jì)算出導(dǎo)高，通過(guò)在弓頭安裝四個(gè)壓力傳感器測(cè)量拉高值。同時(shí)，通過(guò)激光三角形測(cè)量法，根據(jù)激光鏡頭與遠(yuǎn)、近界面的成像三角形測(cè)量支柱的方式，檢測(cè)定位點(diǎn)。在車輛的軸頭位置安裝光電編碼器，根據(jù)車軸的轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量距離，進(jìn)而可以測(cè)量車速和跨距。然后，運(yùn)用圖像處理技術(shù)分析采集到的圖像，從而查找出缺陷。

（3）某廠家利用圖像處理方法計(jì)算導(dǎo)高與拉出值，即預(yù)處理CCD拍攝到的圖片后，通過(guò)迭代閾值定位圖像激光光斑中心，并將二維平面上的特征點(diǎn)與三維坐標(biāo)建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，由此計(jì)算出導(dǎo)高拉高值。預(yù)處理包括對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行灰度化、二值化及除噪等。而根據(jù)這種思想檢測(cè)接觸懸掛部件的方法是，通過(guò)線陣CCD相機(jī)進(jìn)行圖像采集，判斷圖像是否有預(yù)設(shè)的激光被遮擋特征，根據(jù)存在的特征條件定義為相應(yīng)的零部件。

2 接觸網(wǎng)剛性懸掛檢測(cè)系統(tǒng)在城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)中的應(yīng)用

目前，根據(jù)鐵總的文件要求，城軌交通已積極開展4C檢測(cè)，由專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行人工識(shí)別。檢測(cè)報(bào)告與歷史數(shù)據(jù)比對(duì)分析后，安排專員進(jìn)行處理。下面將以成都唐源電氣公司研發(fā)的4C裝置在城軌交通牽引供電系統(tǒng)中的應(yīng)用情況為例進(jìn)行分析。

2.1 裝置組成

本裝置硬件結(jié)構(gòu)主要包括車載與非車載兩部分。其中，車載硬件結(jié)構(gòu)主要用于對(duì)線路數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)和缺陷的在線智能識(shí)別，獲取原始圖像和在線缺陷識(shí)別數(shù)據(jù)；非車載硬件結(jié)構(gòu)主要為數(shù)據(jù)分析服務(wù)器和個(gè)人電腦，用于進(jìn)行圖像的離線智能識(shí)別、人工查看與處理等工作。數(shù)據(jù)分析服務(wù)器性能高，便于進(jìn)行離線高效率的缺陷智能識(shí)別；個(gè)人電腦便于進(jìn)行人工圖像查看分析，不受地點(diǎn)、數(shù)量的限制。

車載硬件結(jié)構(gòu)由支吊柱定位裝置和支持裝置抓拍相機(jī)組、附加懸掛及吊柱座抓拍相機(jī)組、桿號(hào)抓拍相機(jī)組、接觸懸掛相機(jī)組、GPS模塊、補(bǔ)償光源設(shè)備、支吊柱識(shí)別裝置、嵌入式觸發(fā)控制模塊、高性能服務(wù)器、裝置電源管理模塊及顯示與操作設(shè)備組成。

各相機(jī)針對(duì)不同的區(qū)域進(jìn)行專門設(shè)計(jì)，能適應(yīng)不同區(qū)域的高清拍攝。因?yàn)楦采w區(qū)域足夠大，所以可保證圖像的無(wú)遺漏拍攝。

2.2 實(shí)拍圖例

接觸網(wǎng)高清成像采用2臺(tái)高清數(shù)字相機(jī)實(shí)現(xiàn)（相機(jī)分辨率達(dá)到1024×1024）接觸網(wǎng)懸掛零部件的高清成像，分辨率達(dá)到25fps，成像示意圖如圖2所示。

圖2 接觸網(wǎng)零部件高清成像效果圖（參考成都地鐵1、2號(hào)線）

通過(guò)采用高清相機(jī)對(duì)接觸網(wǎng)進(jìn)行高清成像檢測(cè)，能夠獲得高清晰度的圖像，可清晰分辨匯流排、中間接頭、膨脹接頭、絕緣子、腕臂、定位器、定位線夾、懸吊安裝底座、中心錨節(jié)、分段絕緣器、吊弦、線岔狀態(tài)等部件的細(xì)節(jié)特征，并能夠自動(dòng)識(shí)別絕緣子傾斜及破損、中間接頭螺母脫落、接觸線脫槽等故障。在隧道低照度環(huán)境下，可采用補(bǔ)償光源，有效照明拍攝目標(biāo)區(qū)域，保證成像效果。

2.2.1 定位裝置及支持裝置

支吊柱定位裝置及支持裝置抓拍相機(jī)組，由16個(gè)分辨率為6576×4384的2900萬(wàn)像素工業(yè)相機(jī)組成，用于對(duì)左側(cè)平腕臂底座、左側(cè)斜腕臂底座、右側(cè)平腕臂底座、右側(cè)斜腕臂底座、承力索座、正定位支座、反定位支座、定位線夾和腕臂底座區(qū)域進(jìn)行高清拍攝。

此外，考慮到裝置整體結(jié)構(gòu)的完整性，配置2個(gè)500萬(wàn)像素的工業(yè)相機(jī)進(jìn)行全景圖像的拍攝。實(shí)際拍攝圖像清晰程度可達(dá)到圖3、圖4所示的效果。

圖3 定位管底座實(shí)際拍攝效果

圖4 線夾實(shí)際拍攝效果

2.2.2 附加懸掛及吊柱座

考慮到吊柱座與腕臂頂部的附加懸掛區(qū)域基本重合，因此本裝置采用4個(gè)1600萬(wàn)像素的高清工業(yè)相機(jī)構(gòu)成附加懸掛及吊柱座抓拍相機(jī)組，用于對(duì)附加效果、吊柱座進(jìn)行拍攝。實(shí)際成像效果如圖5、圖6所示。

圖5 附加懸掛相機(jī)組成像效果（頂部絕緣子）

圖6 吊柱座區(qū)域相機(jī)圖像

2.2.3 桿號(hào)抓拍相機(jī)

桿號(hào)抓拍相機(jī)組由2個(gè)分辨率為1280×960的130萬(wàn)像素相機(jī)組成，成像效果如圖7所示。這2個(gè)相機(jī)分別安裝于車體靠近外邊緣的兩側(cè)，用于對(duì)車體車下方的桿號(hào)進(jìn)行拍攝。

圖7 桿號(hào)抓拍相機(jī)組圖像

2.2.4 接觸懸掛攝像

接觸懸掛攝像相機(jī)組由3個(gè)分辨率為2448×2050的500萬(wàn)像素相機(jī)組成。拍攝方式為左右側(cè)對(duì)拍，相機(jī)拍攝位置如圖8（a）所示，拍攝效果如圖9（a）所示。另一個(gè)500萬(wàn)像素相機(jī)用于從下向上對(duì)接觸懸掛進(jìn)行連續(xù)拍攝，相機(jī)拍攝位置如圖8（b）所示，拍攝效果如圖9（b）所示。

圖8 接觸懸掛區(qū)域攝像機(jī)拍攝示意

圖9 接觸懸掛攝像相機(jī)組實(shí)際效果

2.3 檢測(cè)發(fā)現(xiàn)典型問(wèn)題

缺陷1：絕緣瓷瓶破損，如圖10所示。

圖10 絕緣瓷瓶破損

缺陷2：腕臂底座開口銷開口過(guò)小，如圖11所示。

圖11 腕臂底座開口銷開口過(guò)小

從現(xiàn)場(chǎng)及各廠家的設(shè)備情況來(lái)看，目前市面上的4C設(shè)備已基本滿足現(xiàn)場(chǎng)初步需求，但依然存在一些問(wèn)題，如高清成像效果一般、接觸懸掛的幾何參數(shù)測(cè)量不夠精確等。

3 結(jié) 論

為保障電客車的正常運(yùn)行，對(duì)城市軌道交通接觸網(wǎng)的故障及時(shí)預(yù)警和快速維修提出了需求。接觸網(wǎng)剛性懸掛狀態(tài)檢測(cè)在設(shè)備維護(hù)中具有極其重要的作用，是確認(rèn)設(shè)備狀態(tài)、提供維修依據(jù)的關(guān)鍵。本文通過(guò)介紹現(xiàn)有的接觸網(wǎng)懸掛檢測(cè)裝置，針對(duì)其在城市軌道牽引供電系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行分析。通過(guò)分析可以看出，接觸網(wǎng)剛性懸掛檢測(cè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使工作人員在動(dòng)態(tài)巡查過(guò)程中即可直接查看接觸網(wǎng)懸掛設(shè)施的現(xiàn)場(chǎng)細(xì)節(jié)工況。裝置以查閱圖片方式、智能識(shí)別的方式取代人員現(xiàn)場(chǎng)檢查，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)接觸網(wǎng)相應(yīng)部位的隱蔽缺陷，減輕其勞動(dòng)強(qiáng)度，提高作業(yè)效率和質(zhì)量，對(duì)預(yù)防安全故障、保障供電安全發(fā)揮了重要作用。但是，接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)的智能識(shí)別還存在一些問(wèn)題，其在零部件變形、部件脫落等缺陷識(shí)別方面識(shí)別率還不夠高。隨著新的高鐵接觸網(wǎng)維修規(guī)則的下發(fā)與試用，接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)檢測(cè)必然還需要在技術(shù)、設(shè)備、管理模式上進(jìn)行完善提高，而這也將是下一步的研究重點(diǎn)。

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