剛性接觸網(wǎng)在線監(jiān)測裝置的研制與應(yīng)用

劉 銘 關(guān)金發(fā) 吳積欽

(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院， 610031，成都//第一作者，碩士研究生)

剛性接觸網(wǎng)作為牽引供電系統(tǒng)向地鐵列車提供電能的主要途徑，直接影響著地鐵列車的受流質(zhì)量及牽引供電系統(tǒng)的安全可靠性。因此，實現(xiàn)剛性接觸網(wǎng)的在線監(jiān)測，已成為各個地鐵公司的重要工作內(nèi)容之一。

對于剛性接觸網(wǎng)的測量，分為靜態(tài)和動態(tài)測量。靜態(tài)測量，主要是測量接觸網(wǎng)的各部分靜態(tài)尺寸，如接觸線高度、之字值、抬升量等[1]。但隨著列車速度的提升，僅靠靜態(tài)測量不足以說明弓網(wǎng)之間的關(guān)系，此時，剛性接觸網(wǎng)的動態(tài)監(jiān)測就顯得至關(guān)重要。弓網(wǎng)相互作用的動態(tài)參數(shù)主要是以弓網(wǎng)接觸力的大小作為評價指標(biāo)，當(dāng)弓網(wǎng)接觸力為零時，可認(rèn)為受電弓與接觸網(wǎng)之間發(fā)生離線[2-3]。對于弓網(wǎng)接觸力的動態(tài)測量，國內(nèi)進(jìn)行了大量的研制。1987年國內(nèi)成功研制弓網(wǎng)接觸力測量裝置，但由于選用的傳感器溫差性差，因此使用壽命較短[4]；1998年西南交通大學(xué)研制了采用多項傳感器技術(shù)的JJC-1型接觸網(wǎng)檢測車，可檢測受電弓接觸力、接觸網(wǎng)導(dǎo)線高度等參數(shù)[5]；2009年西南交通大學(xué)的吳積欽提出利用加速度傳感器對硬點進(jìn)行檢測的方案[6]，目前國內(nèi)仍多采用此方式。國外如德國、日本等接觸網(wǎng)技術(shù)較為先進(jìn)的國家，對于弓網(wǎng)設(shè)備的檢測也十分重視。上世紀(jì)70年代末，德國設(shè)計了采用線陣雙目攝像機(jī)的檢測系統(tǒng)，可測量接觸網(wǎng)導(dǎo)高[7]；法國設(shè)計了特制的受電弓，在受電弓上安裝傳感器，用于測量弓網(wǎng)接觸力[8]；2002年日本研制了923型檢測車，可沿線路進(jìn)行激光掃描，檢測弓網(wǎng)、軌道狀態(tài)等[9-10]；2004年德國研制了一種采用力傳感器的弓網(wǎng)接觸力檢測車[11]；意大利采用激光照射，利用圖像處理技術(shù)等進(jìn)行接觸網(wǎng)檢測。

綜上所述，世界各國對于剛性接觸網(wǎng)的檢測都十分重視，無論是接觸式檢測還是非接觸式檢測，都或多或少地存在弊端。接觸式檢測較非接觸式檢測，費時費力，易造成受電弓結(jié)構(gòu)的改變，且由于傳感器的存在，易造成受電弓重量計算等存在誤差；非接觸式檢測，需要較高的圖像識別技術(shù)及大量的數(shù)據(jù)存儲，且傳統(tǒng)的非接觸式檢測，無法檢測動力學(xué)參數(shù)。本文介紹的剛性接觸網(wǎng)在線監(jiān)測裝置，為非接觸式檢測，可以實現(xiàn)測量弓網(wǎng)振動位移、分析弓網(wǎng)受流情況以及燃弧檢測的目的，既避免了剛性接觸網(wǎng)接觸式檢測技術(shù)的弊端，又可實現(xiàn)剛性接觸網(wǎng)的動力性能檢測。

1 在線監(jiān)測裝置的組成

為分析受電弓及剛性接觸網(wǎng)振動位移、電力機(jī)車受流情況以及弓網(wǎng)燃弧的原因，使用高清相機(jī)、燃弧相機(jī)和高速相機(jī)組成剛性接觸網(wǎng)的在線監(jiān)測裝置，捕捉受電弓通過剛性接觸網(wǎng)的弓網(wǎng)燃弧現(xiàn)象和剛性接觸網(wǎng)位移情況。

在線監(jiān)測裝置的組成包括：外部電源、紫外相機(jī)、高速相機(jī)、高清攝像機(jī)、采集設(shè)備、數(shù)據(jù)采集計算機(jī)、光電開關(guān)模塊、光電傳輸模塊、4G傳輸模塊、路由器、云服務(wù)器和便攜式數(shù)據(jù)處理計算機(jī)。在線監(jiān)測裝置系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 在線監(jiān)測裝置系統(tǒng)框圖

圖1中隧道內(nèi)設(shè)備主要由傳感器、采集設(shè)備、照明設(shè)備、計算機(jī)和通信設(shè)備組成，用于實現(xiàn)在線監(jiān)測裝置的數(shù)據(jù)采集與本地儲存功能。站場設(shè)備主要由通信設(shè)備和無線傳輸設(shè)備組成。通過站場設(shè)備可以利用數(shù)據(jù)處理計算機(jī)連接路由器，遠(yuǎn)程控制數(shù)據(jù)采集計算機(jī)，從而實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集計算機(jī)的調(diào)試和測試數(shù)據(jù)的讀取。外部移動設(shè)備包括云服務(wù)器和數(shù)據(jù)處理計算機(jī)，其中云服務(wù)器中存儲由站場中的4G模塊主動發(fā)送的燃弧和接觸線垂向位移數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)處理計算機(jī)在外部實現(xiàn)弓網(wǎng)系統(tǒng)的在線監(jiān)控，實時掌握弓網(wǎng)動態(tài)行為。

測試數(shù)據(jù)利用光電轉(zhuǎn)換模塊和光纖，實現(xiàn)本地與遠(yuǎn)程計算機(jī)通信，便于對隧道內(nèi)計算機(jī)的調(diào)試和數(shù)據(jù)傳輸。所有測試數(shù)據(jù)首先保存在隧道內(nèi)的數(shù)據(jù)采集計算機(jī)內(nèi)。間隔一定時間周期(視記錄數(shù)據(jù)的大小而定)，利用站場路由器，將數(shù)據(jù)采集計算機(jī)內(nèi)數(shù)據(jù)拷貝至數(shù)據(jù)處理計算機(jī)，尤其是高清圖像和錄像數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集計算機(jī)利用無線通信手段，實時獲取采集的燃弧和接觸線垂向位移數(shù)據(jù)。

2 在線監(jiān)測裝置的監(jiān)測原理

2.1 紫外濾光原理

由于弓網(wǎng)燃弧時，會產(chǎn)生大量的光和熱，影響對受電弓接觸網(wǎng)的垂直位移檢測以及弓網(wǎng)動態(tài)關(guān)系的監(jiān)測，因此，在線監(jiān)測首先考慮的是對弓網(wǎng)燃弧的弧光的濾除。

由文獻(xiàn)[12-13]可知，當(dāng)發(fā)生弓網(wǎng)燃弧時，其光強(qiáng)度主要集中在可見光及近紫外的波段。紫外線的波長范圍為10～400 nm，弓網(wǎng)燃弧現(xiàn)象特征光譜范圍受接觸線與滑板材料、牽引供電電壓、環(huán)境等多方面因素影響，不盡相同，但基本集中在393～398 nm、310～330 nm、244～269 nm這3個波段內(nèi)，而可見光的波長范圍為400～760 nm，如圖2所示。顯然，二者光譜范圍并不重合，可以依據(jù)此差異進(jìn)行燃弧檢測。

圖2 燃弧光譜、可見光譜、紫外光譜對比圖

此外，當(dāng)發(fā)生弓網(wǎng)燃弧時，強(qiáng)烈的光會使高清攝像機(jī)無法看清弓網(wǎng)動態(tài)相互作用情況，為了清晰觀察記錄受電弓碳滑板與接觸線的接觸情況，將高清相機(jī)鏡頭前加裝紫外濾光片，可以抑制弧光進(jìn)入相機(jī)，以此濾掉燃弧產(chǎn)生的雜光。

2.2 弓網(wǎng)位移監(jiān)測原理

當(dāng)電力機(jī)車高速通過剛性接觸網(wǎng)時，車體的振動、受電弓的上下浮動會引起接觸網(wǎng)的振動。當(dāng)沒有發(fā)生燃弧時，利用位移相機(jī)可清晰記錄受電弓與接觸網(wǎng)的垂直振動位移；當(dāng)發(fā)生弓網(wǎng)燃弧時，利用紫外濾光方法，即在位移相機(jī)鏡頭前同樣安裝紫外濾光片，濾除燃弧產(chǎn)生的紫外光，以此記錄弓網(wǎng)垂直位移。

當(dāng)位移相機(jī)記錄受電弓與接觸網(wǎng)的位移圖像后，數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場總線，進(jìn)入CPU(中央處理器)，由專門的圖像識別軟件、數(shù)據(jù)庫軟件等進(jìn)行識別分析，記錄弓網(wǎng)垂直位移情況，生成實時記錄表格。

弓網(wǎng)垂直位移的圖像識別原理是，通過圖像跟蹤識別接觸線上某一點的垂直位移變化。通常情況下采用邊緣檢測法或模板匹配法，由于當(dāng)受電弓經(jīng)過接觸線時，會影響邊緣檢測，造成誤差過大，因此采用模板匹配法。模板匹配的工作方式與直方圖的反向投影相似，原理是通過在輸入圖像上滑動圖像塊，對實際的圖像塊和輸入圖像進(jìn)行匹配。

2.3 弓網(wǎng)燃弧監(jiān)測原理

對于剛性接觸網(wǎng)的燃弧檢測，國內(nèi)外目前主要有兩種，一種是電學(xué)檢測法，一種是光學(xué)檢測法。本文介紹的剛性接觸網(wǎng)在線監(jiān)測裝置，采用的是光學(xué)檢測法。光學(xué)檢測法，其原理是通過光電傳感器將燃弧產(chǎn)生的光信號轉(zhuǎn)化成電信號，進(jìn)行分析判斷。

對于剛性接觸網(wǎng)的燃弧檢測，可在地鐵通過的隧道壁上安裝紫外光電傳感器，當(dāng)燃弧發(fā)生時，紫外光電傳感器感應(yīng)到燃弧產(chǎn)生的紫外光，發(fā)出電信號，電信號經(jīng)過放大和濾波處理，被單片機(jī)系統(tǒng)接收，然后進(jìn)入上位機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲和記錄。監(jiān)測過程如圖3所示。

圖3 燃弧監(jiān)測過程

綜上所述，在線監(jiān)測裝置利用弧光與可見光波段的不同進(jìn)行濾光，并依據(jù)弧光波段捕獲的原理進(jìn)行燃弧檢測，同時利用模塊匹配法進(jìn)行圖像識別，記錄弓網(wǎng)垂直位移。

此外，為盡量減少不必要的多余數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲記錄，可在實際操作中增加觸發(fā)裝置，即圖1中的光電開關(guān)。在剛性接觸網(wǎng)在線檢測裝置的列車駛?cè)敕较虬惭b紅外感應(yīng)開關(guān)，該裝置通過數(shù)據(jù)線連接到照明設(shè)備及數(shù)據(jù)采集計算機(jī)。當(dāng)列車駛來時，觸發(fā)紅外感應(yīng)開關(guān)，開始數(shù)據(jù)采集工作，高清攝像機(jī)、燃弧攝像機(jī)等開始記錄，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲工作。

3 在線監(jiān)測裝置的應(yīng)用

3.1 應(yīng)用方案分析

在國內(nèi)某地鐵的剛性接觸網(wǎng)監(jiān)測中，應(yīng)用了本文介紹的在線監(jiān)測裝置。該線路某段區(qū)域內(nèi)膨脹接頭附近燃弧嚴(yán)重，因此，采用的方案是，對于要監(jiān)測的區(qū)域，監(jiān)測裝置安裝于對應(yīng)的隧道壁上，具體相機(jī)的安裝位置如圖4所示，3個位移相機(jī)對準(zhǔn)跨中，2個高清錄像相機(jī)中，1個為遠(yuǎn)端整體拍攝，1個為近端局部拍攝，燃弧相機(jī)拍攝燃弧較大的區(qū)域。同時，在列車駛?cè)敕较虻乃淼辣谏?，安裝紅外感應(yīng)裝置，作為系統(tǒng)的光電開關(guān)。

在線監(jiān)測裝置中相機(jī)和燈具安裝于隧道壁上的電纜排上，計算機(jī)安裝于人員疏散通道下方。

圖4 在線監(jiān)測設(shè)備安裝位置

利用該裝置測到的燃弧和接觸線垂向位移數(shù)據(jù)通過云服務(wù)器存儲，由站場中的4G模塊主動發(fā)送，利用數(shù)據(jù)處理計算機(jī)在外部實現(xiàn)弓網(wǎng)系統(tǒng)的在線監(jiān)控，實時掌握弓網(wǎng)動態(tài)行為。

為便于調(diào)試和數(shù)據(jù)傳輸，在線監(jiān)測設(shè)備采用了4G網(wǎng)絡(luò)通信，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制計算機(jī)，隨時隨地遠(yuǎn)程訪問。

3.2 應(yīng)用結(jié)果分析

由高清攝像機(jī)、燃弧相機(jī)、位移相機(jī)拍攝的圖像實時傳到上位機(jī)進(jìn)行存儲。除了高清圖像記錄外，在線監(jiān)測裝置還記錄了燃弧時間和3個跨中點的位移，以及對應(yīng)高清圖片的幀序號，如圖5所示。所有數(shù)據(jù)做到了同步記錄，即某一時刻記錄圖片對應(yīng)幀號、燃弧時間和位移大小。

監(jiān)測試驗通過對兩列裝有不同型號受電弓的列車進(jìn)行監(jiān)測，統(tǒng)計兩列車的燃弧時間，見圖6與圖7。發(fā)現(xiàn)兩種型號受電弓通過該監(jiān)測區(qū)域時，均產(chǎn)生燃弧，但累計燃弧時間相差100 ms，說明該膨脹接頭對不同型號受電弓的燃弧存在差異性。

圖6 兩列車通過監(jiān)測點的瞬時燃弧記錄

圖7 兩列車通過監(jiān)測點的累計燃弧記錄

圖8為某列車通過監(jiān)測點后的3個跨中點的位移時間曲線。由圖8可知，膨脹接頭的位移變化最小，錨段前跨中次之，錨段后跨中最大。

分析發(fā)現(xiàn)，由于該膨脹接頭重量過重，當(dāng)受電弓通過時，抬升量較其他接觸網(wǎng)部分小，因此無法保持受電弓與接觸線的良好接觸，易產(chǎn)生燃弧。因此，建議該地鐵改良該膨脹接頭結(jié)構(gòu)，減輕其重量，或在日后設(shè)計建設(shè)中，使用代替產(chǎn)品，如其他膨脹接頭或錨段關(guān)節(jié)，但該建議方案效果未定，可使用本文所介紹的剛性接觸網(wǎng)在線監(jiān)測裝置進(jìn)行重新評估。

圖8 某列車通過監(jiān)測點后的3個跨中點的位移時間曲線

總之，通過應(yīng)用剛性接觸網(wǎng)在線監(jiān)測裝置，實現(xiàn)了對國內(nèi)某地鐵線路的在線監(jiān)測，記錄了列車通過時的燃弧情況以及弓網(wǎng)垂直位移情況，發(fā)現(xiàn)了該線路段的燃弧原因，對該路段剛性接觸網(wǎng)的檢修及改善具有實際意義。同時，驗證了該在線監(jiān)測裝置的可靠性與安全性，效果理想。

4 結(jié)論

(1) 該系統(tǒng)主要由在線監(jiān)測裝置、紫外光電傳感器、便攜式數(shù)據(jù)處理計算機(jī)等組成；依據(jù)弧光波段捕獲的原理進(jìn)行燃弧檢測，利用模塊匹配法進(jìn)行圖像識別，記錄弓網(wǎng)垂直位移。

(2) 實際測試效果理想，能準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)故障。

(3) 該系統(tǒng)可實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時同步，安裝便捷，可遠(yuǎn)程操作，穩(wěn)定性高，可移植性高，為剛性接觸網(wǎng)的日常維護(hù)提供了一種有效手段。