一種非接觸式弓網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能原理及框架組成

趙青選　屈海洋　尚江傲

摘 要：本文介紹了一種非接觸式弓網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用基于機(jī)器視覺(jué)以及紫外光電轉(zhuǎn)換的非接觸式檢測(cè)以及數(shù)字圖像智能分析處理等技術(shù)，對(duì)弓網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行中常出現(xiàn)的弓網(wǎng)燃弧問(wèn)題給出一種技術(shù)監(jiān)測(cè)方案，并將檢測(cè)結(jié)果用于用戶(hù)評(píng)估弓網(wǎng)受流質(zhì)量以及指導(dǎo)接觸網(wǎng)和受電弓的維護(hù)工作。

關(guān)鍵詞：弓網(wǎng)監(jiān)測(cè);燃弧;接觸網(wǎng);非接觸式

受電弓-接觸網(wǎng)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)弓網(wǎng)系統(tǒng)）是城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)最重要的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。近年來(lái)，隨著城市軌道交通快速發(fā)展，運(yùn)營(yíng)要求降低設(shè)備故障率、縮短維修間隔時(shí)間，而由于之前缺乏合理的檢測(cè)手段，導(dǎo)致弓網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行故障診斷及事后維護(hù)問(wèn)題一直未能得到有效解決。因此，采取弓網(wǎng)監(jiān)測(cè)措施，保障弓網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行正常才能最終保障鐵路的可靠安全運(yùn)營(yíng)。

根據(jù)相關(guān)資料調(diào)研得出，弓網(wǎng)系統(tǒng)的主要故障原因是弓網(wǎng)燃弧，故障后果主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面。

（1）弓網(wǎng)燃弧的發(fā)生，會(huì)影響弓網(wǎng)受流質(zhì)量。

（2）弓網(wǎng)燃弧的發(fā)生，會(huì)磨損接觸線(xiàn)和碳滑板，影響弓網(wǎng)運(yùn)行關(guān)系。

本文介紹的一種非接觸式紫外弓網(wǎng)燃弧裝置，采用基于機(jī)器視覺(jué)以及紫外光電轉(zhuǎn)換的非接觸式檢測(cè)、數(shù)字圖像智能分析處理、自適應(yīng)抗強(qiáng)電磁干擾等先進(jìn)技術(shù)，對(duì)弓網(wǎng)運(yùn)行關(guān)系進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1 系統(tǒng)工作原理

本弓網(wǎng)檢測(cè)裝置的基本原理是，通過(guò)檢測(cè)弓網(wǎng)燃弧紫外特征光來(lái)實(shí)現(xiàn)弓網(wǎng)關(guān)系的監(jiān)測(cè)。

首先，通過(guò)光學(xué)采集系統(tǒng)采集弓網(wǎng)燃弧的紫外光特征量;采用紅外熱像儀實(shí)現(xiàn)對(duì)弓網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的全程實(shí)時(shí)監(jiān)控;同時(shí)檢測(cè)弓網(wǎng)接觸點(diǎn)以及受電弓弓頭、絕緣部件等區(qū)域的紅外圖像和溫度。

其次，將燃弧光信號(hào)傳輸至紫外光電傳感系統(tǒng)，通過(guò)紫外光電傳感器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)送入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。同時(shí)，利用相應(yīng)的傳感模塊同步測(cè)量列車(chē)輔助電氣量，如牽引電流信號(hào)，并通過(guò)電纜將信號(hào)傳輸至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

最后，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理和綜合處理。檢測(cè)結(jié)果可通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式發(fā)送至地面終端。

2 技術(shù)指標(biāo)

本弓網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)如下表。

（1）光學(xué)采集系統(tǒng)。光學(xué)采集系統(tǒng)的功能：高效的捕捉弓網(wǎng)燃弧發(fā)出的特定譜段的紫外光，并濾除多余的雜散光，進(jìn)而達(dá)到提取弓網(wǎng)燃弧特征光的作用。

（2）紫外光電傳感系統(tǒng)。紫外光電傳感系統(tǒng)集成了紫外光電傳感器、信號(hào)處理電路、電源模塊以及光纖適配器。紫外光電傳感系統(tǒng)的測(cè)量原理是：當(dāng)進(jìn)行弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)時(shí)，選擇合理的紫外光電傳感器，使輸出的信號(hào)形式為模擬脈沖形式，并對(duì)燃弧模擬信號(hào)進(jìn)行高速AD采樣，實(shí)現(xiàn)對(duì)弓網(wǎng)燃弧信息的量化處理。

（3）紅外測(cè)溫系統(tǒng)。紅外熱成像儀的成像波段在8～14um，屬于能很好反映物體溫度的遠(yuǎn)紅外波段。在其緊湊的內(nèi)部集成了高速的DSP數(shù)據(jù)處理芯片和TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口，能夠?qū)崟r(shí)的傳遞出前端采集到的并經(jīng)過(guò)相應(yīng)數(shù)據(jù)處理的數(shù)字信號(hào)。該熱像儀可實(shí)現(xiàn)弓網(wǎng)燃弧的溫度測(cè)量，并將溫度值返回。若出現(xiàn)溫度超過(guò)閾值時(shí)，自動(dòng)報(bào)警并將弓網(wǎng)燃弧信息存儲(chǔ)下來(lái)。

（4）輔助電氣參量測(cè)量。通過(guò)采集車(chē)輛速度、電流等信號(hào)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)列車(chē)運(yùn)行時(shí)的運(yùn)行速度以及機(jī)車(chē)牽引電流等參數(shù)。通過(guò)對(duì)牽引電流的檢測(cè)，可有效的發(fā)現(xiàn)當(dāng)燃弧發(fā)生時(shí)牽引電流的變化情況，并將數(shù)據(jù)記錄下來(lái)。

（5）綜合定位系統(tǒng)。檢測(cè)裝置速度里程信息通過(guò)車(chē)輛通訊端口提供，信號(hào)協(xié)議中的主要信號(hào)如表4所示。

（6）數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)傳輸設(shè)備。設(shè)備通過(guò)車(chē)載無(wú)線(xiàn)傳輸裝置將檢測(cè)的異常點(diǎn)信息發(fā)送至無(wú)線(xiàn)終端監(jiān)控中心（DCC調(diào)度中心）。檢測(cè)異常信息如表5所示。

（7）數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)。①硬件電路。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要由小信號(hào)調(diào)理電路、AD轉(zhuǎn)換及發(fā)送電路、弓網(wǎng)監(jiān)控圖像采集四部分構(gòu)成。AD轉(zhuǎn)換及發(fā)送電路主要由小信號(hào)調(diào)理電路、AD采集電路、FPGA模塊電路構(gòu)成。②軟件系統(tǒng)裝置軟件系統(tǒng)主要包括四個(gè)方面，分別為曲線(xiàn)顯示窗口，弓網(wǎng)監(jiān)控顯示窗口、參數(shù)顯示窗口以及工作狀態(tài)顯示窗口。曲線(xiàn)顯示窗口主要實(shí)時(shí)顯示燃弧分布曲線(xiàn)。弓網(wǎng)監(jiān)控顯示窗口主要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示弓網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)以及回放監(jiān)控畫(huà)面。參數(shù)顯示窗口主要實(shí)現(xiàn)各參數(shù)的顯示，如燃弧率、燃弧時(shí)間、牽引電流等。工作狀態(tài)顯示窗口主要實(shí)現(xiàn)每個(gè)傳感器的工作狀態(tài)。

4 技術(shù)特性

本弓網(wǎng)檢測(cè)裝置運(yùn)用非接觸式的檢測(cè)技術(shù)，具有以下主要技術(shù)特性和功能：①實(shí)時(shí)在線(xiàn)檢測(cè)弓網(wǎng)燃弧狀態(tài)功能。②對(duì)受電弓和接觸網(wǎng)拍攝區(qū)域的測(cè)溫功能。③實(shí)時(shí)檢測(cè)機(jī)車(chē)牽引電流信息。④實(shí)時(shí)定位弓網(wǎng)燃弧發(fā)生點(diǎn)。⑤實(shí)時(shí)定位接觸網(wǎng)或受電弓發(fā)熱點(diǎn)。⑥數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能（基于檢測(cè)日期進(jìn)行循環(huán)保存，用戶(hù)可以通過(guò)離線(xiàn)拷貝到移動(dòng)硬盤(pán)中）。⑦上電自啟動(dòng)功能。⑧全程回放弓網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)過(guò)程功能。⑨將檢測(cè)結(jié)果通知調(diào)度或運(yùn)營(yíng)工程師。⑩檢測(cè)結(jié)果方便用戶(hù)用于評(píng)估弓網(wǎng)受流質(zhì)量以及指導(dǎo)接觸網(wǎng)和受電弓的維護(hù)作業(yè)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本弓網(wǎng)檢測(cè)裝置，可以確保受電弓與接觸網(wǎng)的良好匹配性，減少弓網(wǎng)故障率的發(fā)生，有效保證受電弓及接觸網(wǎng)設(shè)備使用周期。

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