受電弓狀態(tài)及車(chē)頂異常動(dòng)態(tài)監(jiān)視和預(yù)警系統(tǒng)研究與應(yīng)用

李建龍 王亞柯

摘要：針對(duì)鄭州地鐵2號(hào)線車(chē)頂關(guān)鍵部件檢測(cè)方法存在的缺陷，建立了受電弓狀態(tài)及車(chē)頂異常動(dòng)態(tài)監(jiān)視和預(yù)警系統(tǒng)。介紹了該系統(tǒng)的組成、功能及檢測(cè)原理，并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了故障模擬驗(yàn)證，證明了系統(tǒng)的有效性。

關(guān)鍵詞：受電弓;動(dòng)態(tài)監(jiān)視;預(yù)警;模擬驗(yàn)證

0 引言

受電弓是地鐵車(chē)輛從接觸網(wǎng)取得電能的關(guān)鍵電氣設(shè)備，其運(yùn)行狀態(tài)直接影響地鐵運(yùn)營(yíng)安全。在地鐵運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，車(chē)頂容易出現(xiàn)異物、部件缺失等情況。目前，鄭州地鐵2號(hào)線車(chē)頂關(guān)鍵部件的檢測(cè)主要采用人工登頂、目視觀測(cè)的方法，最短檢修周期為15天。該方法檢測(cè)效率受制于檢測(cè)人員的作業(yè)水平和經(jīng)驗(yàn)，檢修結(jié)果主觀性較強(qiáng)，且無(wú)法及時(shí)掌握車(chē)頂狀態(tài)，導(dǎo)致行車(chē)過(guò)程存在潛在風(fēng)險(xiǎn)。因此有必要建立受電弓狀態(tài)及車(chē)頂異常動(dòng)態(tài)監(jiān)視和預(yù)警系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成及功能

受電弓狀態(tài)及車(chē)頂異常動(dòng)態(tài)監(jiān)視和預(yù)警系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示，其由三部分組成，即軌邊基本檢測(cè)單元、設(shè)備間數(shù)據(jù)處理及控制單元和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)查看單元。

1.1 ? ?軌邊基本檢測(cè)單元

軌邊基本檢測(cè)單元主要由車(chē)頂動(dòng)態(tài)全方位監(jiān)視系統(tǒng)和包含測(cè)速傳感系統(tǒng)、車(chē)號(hào)識(shí)別系統(tǒng)、計(jì)量傳感系統(tǒng)的輔助檢測(cè)系統(tǒng)組成。軌邊基本檢測(cè)單元安裝在列車(chē)入庫(kù)線路上，自動(dòng)對(duì)運(yùn)行中的列車(chē)車(chē)頂及受電弓進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)輔助檢測(cè)系統(tǒng)及時(shí)將動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)傳輸給控制單元。

1.2 ? ?設(shè)備間控制單元

設(shè)備間控制單元主要由系統(tǒng)控制主機(jī)、系統(tǒng)檢測(cè)主機(jī)以及數(shù)據(jù)服務(wù)器組成?？刂茊卧挥谲夁吇緳z測(cè)單元所在位置的整體道床上，靠近現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間一側(cè)。設(shè)備間控制單元連接基本檢測(cè)單元和遠(yuǎn)程控制室，實(shí)現(xiàn)對(duì)軌邊基本檢測(cè)單元的供電、控制、數(shù)據(jù)和圖像采集、分析處理與存儲(chǔ)，并傳輸給遠(yuǎn)程控制室。

1.3 ? ?遠(yuǎn)程控制室

遠(yuǎn)程控制室是系統(tǒng)的控制中心、數(shù)據(jù)管理中心和監(jiān)控中心。遠(yuǎn)程控制室由監(jiān)控顯示屏、控制臺(tái)及其輔助設(shè)備組成。通過(guò)顯示屏實(shí)時(shí)查看及回放車(chē)頂動(dòng)態(tài)監(jiān)控錄像，監(jiān)控設(shè)備檢測(cè)行車(chē)過(guò)程和車(chē)輛的運(yùn)行狀態(tài)，并對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行查看、統(tǒng)計(jì)和分析。

2 系統(tǒng)檢測(cè)原理

2.1 ? ?車(chē)頂關(guān)鍵部件檢測(cè)技術(shù)

為防止車(chē)頂關(guān)鍵部件變形或脫落、車(chē)頂留存異物等，檢測(cè)系統(tǒng)采用線陣采集技術(shù)對(duì)受電弓狀態(tài)及車(chē)頂狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像采集。掃描相機(jī)通過(guò)高清線陣掃描技術(shù)，自動(dòng)獲取受電弓和車(chē)頂關(guān)鍵部件的高品質(zhì)圖像。該圖像采集方式具有分辨率高、邊緣畸變小、易拼接、適應(yīng)高車(chē)速等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 ? ?系統(tǒng)自動(dòng)預(yù)警原理

受電弓及車(chē)頂異常動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)采用“HTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法”設(shè)計(jì)，結(jié)合圖像識(shí)別算法建模，對(duì)各種車(chē)頂圖像進(jìn)行取樣，提取部件特征并保存于數(shù)據(jù)庫(kù)中。系統(tǒng)通過(guò)對(duì)地鐵車(chē)輛車(chē)頂關(guān)鍵部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)，形成并存儲(chǔ)車(chē)頂受電弓及其他關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)概念信息。在檢測(cè)過(guò)程中，對(duì)當(dāng)前獲取的車(chē)頂圖像特征進(jìn)行識(shí)別，并與系統(tǒng)既有車(chē)頂圖像特征數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行對(duì)比，直接進(jìn)行關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)分析，當(dāng)判斷到車(chē)頂存在關(guān)鍵部件丟失、變形、有異物等異常時(shí)（車(chē)頂異物最小預(yù)警值≥10 mm），系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警。

3 系統(tǒng)模擬驗(yàn)證及測(cè)試結(jié)果

我們通過(guò)設(shè)計(jì)模擬驗(yàn)證試驗(yàn)，驗(yàn)證受電弓狀態(tài)及車(chē)頂異常動(dòng)態(tài)監(jiān)視和預(yù)警系統(tǒng)的故障自動(dòng)識(shí)別預(yù)警能力。受電弓狀態(tài)及車(chē)頂異常動(dòng)態(tài)監(jiān)視和預(yù)警系統(tǒng)是利用相機(jī)拍攝目標(biāo)兩次經(jīng)過(guò)時(shí)的圖像，通過(guò)分析兩次經(jīng)過(guò)時(shí)存在的差異對(duì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)異常檢測(cè)。系統(tǒng)的檢測(cè)能力驗(yàn)證，一般建議人為進(jìn)行實(shí)車(chē)故障模擬，對(duì)可視關(guān)鍵部件進(jìn)行過(guò)車(chē)檢測(cè)能力驗(yàn)證。本次采用在車(chē)頂粘貼黑白條紋標(biāo)定紙、螺栓、螺釘進(jìn)行系統(tǒng)檢測(cè)能力驗(yàn)證。

3.1 ? ?系統(tǒng)故障模擬方法

（1）針對(duì)系統(tǒng)圖像分辨率，選取3.6 mm的黑白條紋紙張粘貼在車(chē)頂，獲取高清圖像后計(jì)算單個(gè)條紋的像素點(diǎn)。

（2）針對(duì)異物特性識(shí)別，選取M6、M4螺釘螺栓通過(guò)膠帶粘貼在車(chē)頂進(jìn)行驗(yàn)證。

（3）針對(duì)螺栓松動(dòng)類(lèi)故障，選取改造螺栓的防松標(biāo)記進(jìn)行驗(yàn)證，如圖2所示。

3.2 ? ?故障驗(yàn)證測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

（1）驗(yàn)證系統(tǒng)圖像分辨率小于1 mm/pixel。

（2）驗(yàn)證系統(tǒng)故障識(shí)別預(yù)警能力，以M6螺栓作為參考，識(shí)別部件尺寸大于5 mm×5 mm。

3.3 ? ?模擬測(cè)試過(guò)程

本次選取鄭州地鐵2號(hào)線地鐵車(chē)輛作為試驗(yàn)車(chē)組，記錄車(chē)號(hào)與端位，對(duì)鄭州地鐵2號(hào)線設(shè)備安裝線路進(jìn)行試驗(yàn)。

為了驗(yàn)證受電弓狀態(tài)及車(chē)頂異常動(dòng)態(tài)監(jiān)視和預(yù)警系統(tǒng)的監(jiān)視和預(yù)警功能，模擬測(cè)試過(guò)程分為兩步：（1）第一次過(guò)車(chē)，被試車(chē)輛正常運(yùn)用返回車(chē)輛段一次性勻速通過(guò)設(shè)備，檢測(cè)區(qū)間內(nèi)不停車(chē)、不洗車(chē)。（2）第二次過(guò)車(chē)，通過(guò)對(duì)待測(cè)試車(chē)輛關(guān)鍵走行部件進(jìn)行人工設(shè)置模擬故障13處，記錄故障位置并拍照，該車(chē)輛仍然以第一次通過(guò)的速度一次性勻速通過(guò)設(shè)備，檢測(cè)區(qū)間內(nèi)不停車(chē)、不洗車(chē)。經(jīng)過(guò)兩次過(guò)車(chē)對(duì)比測(cè)試，驗(yàn)證系統(tǒng)的監(jiān)視和預(yù)警功能。

3.4 ? ?車(chē)頂模擬故障檢測(cè)結(jié)果

本次總共在車(chē)頂設(shè)置了13處故障，其中螺釘和螺母異物共計(jì)8處，防松標(biāo)記3處，螺栓帽變形移位2處。在系統(tǒng)第二次過(guò)車(chē)時(shí)，有1處防松標(biāo)記、2處螺栓帽變形、1處螺母異物被遮擋，系統(tǒng)實(shí)際拍攝到模擬故障共計(jì)9處，故障檢出率88.9%。

4 結(jié)語(yǔ)

模擬測(cè)試結(jié)果表明，鄭州地鐵2號(hào)線受電弓及車(chē)頂動(dòng)態(tài)監(jiān)視和預(yù)警系統(tǒng)能夠有效監(jiān)控受電弓和車(chē)頂運(yùn)行狀態(tài)，并在受電弓工作狀態(tài)異常和車(chē)頂存在異物時(shí)，能及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)出預(yù)警。該系統(tǒng)可以減少人員登頂作業(yè)和隔離開(kāi)關(guān)操作，降低安全風(fēng)險(xiǎn);盡早發(fā)現(xiàn)正線墜落異物，提醒相關(guān)專(zhuān)業(yè)人員盡快處理;盡早發(fā)現(xiàn)地鐵受電弓異常狀態(tài)，保證行車(chē)安全;延長(zhǎng)受電弓檢修周期，提高地鐵使用率;提高檢修質(zhì)量，避免人為因素造成電客車(chē)漏檢、漏修。該監(jiān)視和預(yù)警系統(tǒng)能保證車(chē)輛運(yùn)行安全，有效預(yù)防地鐵車(chē)輛運(yùn)營(yíng)安全事故的發(fā)生。

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收稿日期：2020-05-06

作者簡(jiǎn)介：李建龍（1982—），男，河南扶溝人，副教授，研究方向：軌道交通車(chē)輛運(yùn)用。