城市軌道交通弓網(wǎng)檢測監(jiān)測體系研究

摘 "要：良好的弓網(wǎng)關(guān)系是保障列車安全運行的基礎(chǔ)，為確保弓網(wǎng)系統(tǒng)長期服役的可靠性，有必要建立城軌交通弓網(wǎng)檢測監(jiān)測體系。在梳理城軌鐵路檢測的需求上，充分吸收高速鐵路的經(jīng)驗，構(gòu)建城軌弓網(wǎng)檢測監(jiān)測體系框架，該文從5個層面進行分析描述，論述弓網(wǎng)檢測監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)和主要方法，闡述體系在弓網(wǎng)生命周期管理和實踐中的運用案例，為城軌弓網(wǎng)體系研究提供參考。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通；車載綜合檢測系統(tǒng)；運營電客車；弓網(wǎng)關(guān)系；傳輸技術(shù)

中圖分類號：U216.3 文獻標志碼：A " " " " "文章編號：2095-2945（2023）20-0017-04

Abstract： A good pantograph-catenary relationship is the basis for ensuring the safe operation of the train. In order to ensure the reliability of the long-term service of the pantograph-catenary system， it is necessary to establish a pantograph detection and monitoring system for urban rail transit. In order to sort out the requirements of urban rail inspection， fully absorb the experience of high-speed railway， construct the framework of urban rail pantograph detection and monitoring system， this paper makes an analysis from five levels， discusses the key technologies and main methods of pantograph detection and monitoring， and expounds the application cases of the system in pantograph-catenary life cycle management and practice， so as to provide reference for the research of urban rail pantograph-catenary system.

Keywords： urban rail transit; on-board comprehensive detection system; operating electric bus; pantograph-catenary relationship; transmission technology

截至2022年9月30日，中國內(nèi)地累計有52個城市投運城市軌道交通（以下簡稱“城軌”）線路總里程達到9 788.64 km[1]。我國城軌牽引供電系統(tǒng)主要采用直流供電制式，接觸網(wǎng)有架空柔性懸掛、架空剛性懸掛和接觸軌3種形式[2]。近年來，隨著開通運營城市不斷增多、新增運營里程迅速增加、線網(wǎng)規(guī)模持續(xù)擴大，城軌安全運行的壓力和挑戰(zhàn)日益加大，如何進一步保障城軌供電的安全性與可靠性，已成為行業(yè)關(guān)注重點。本文通過對既有工程案例進行全面歸納與總結(jié)，首次提出了城軌弓網(wǎng)檢測監(jiān)測體系框架，并重點介紹了目前城軌采用的接觸網(wǎng)檢測技術(shù)，最后對城軌弓網(wǎng)檢測監(jiān)測體系的運用實踐進行了分析，可為今后城軌行業(yè)供電系統(tǒng)檢測監(jiān)測提供重要參考。

1 "弓網(wǎng)檢測監(jiān)測體系框架

針對高速鐵路，我國構(gòu)建了高速鐵路供電安全檢測監(jiān)測系統(tǒng)（簡稱6C系統(tǒng)），該系統(tǒng)可實現(xiàn)對高速鐵路牽引供電系統(tǒng)的全方位、全覆蓋綜合檢、監(jiān)測[3]。自運用以來，6C系統(tǒng)有效降低了設(shè)備故障率，提高了設(shè)備運用質(zhì)量，進一步確保了運營安全。近幾年，在相關(guān)政策的推動下，城軌行業(yè)正整體朝著自動化、智能化的方向發(fā)展。在供電系統(tǒng)檢測監(jiān)測方面，弓網(wǎng)綜合檢測裝置、接觸網(wǎng)運行狀態(tài)檢測裝置、接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)檢測監(jiān)測裝置等已成功應(yīng)用于城軌線路上，為新建線路開通提供了保障，并為既有線路病害診斷提供了依據(jù)[4-5]。在檢測數(shù)據(jù)分析與管理上，具備檢測數(shù)據(jù)集成管理、集成分析和綜合可視化展示等功能的檢測管理平臺已成功應(yīng)用于多條城軌線路上，為線路高品質(zhì)開通及運營提供數(shù)據(jù)保障[6]。

綜上所述，我國城軌充分借鑒了高速鐵路先進經(jīng)驗，結(jié)合自身特點，在供電系統(tǒng)檢測監(jiān)測體系上開展了一系列探索與實踐。城市軌道交通弓網(wǎng)檢測監(jiān)測體系主要包括感知層、傳輸層、平臺層、分析層和應(yīng)用層5個部分，檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)集中統(tǒng)一管理，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)的綜合應(yīng)用，提升接觸網(wǎng)-受電弓相關(guān)標準體系技術(shù)水平。城市軌道交通弓網(wǎng)檢測監(jiān)測體系架構(gòu)如圖1所示。

1）感知層：系統(tǒng)可實現(xiàn)弓網(wǎng)運行狀態(tài)的實時檢測，確保受流安全，指導(dǎo)弓網(wǎng)系統(tǒng)病害整治等；系統(tǒng)可快速發(fā)現(xiàn)并定位各種接觸網(wǎng)隱蔽缺陷，有效代替人工巡檢。

2）傳輸層：根據(jù)檢測監(jiān)測設(shè)備安裝位置，采用PIDS、WIFI、LTE-M等傳輸技術(shù)，實現(xiàn)檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)的安全高效傳輸。

3）平臺層：地面服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)后，將進行初步收集歸類處理，然后將結(jié)果通過地面光纖傳遞給云平臺，用于數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)進行進一步數(shù)據(jù)挖掘。

4）分析層：在平臺上構(gòu)建數(shù)據(jù)分析組件，實現(xiàn)對檢測數(shù)據(jù)的集中存儲，能對關(guān)鍵性、嚴重性病害進行及時預(yù)警報警，做出相應(yīng)決策。

5）應(yīng)用層：充分應(yīng)用多源數(shù)據(jù)分析結(jié)果，有效指導(dǎo)健康管理和維修決策，實現(xiàn)弓網(wǎng)系統(tǒng)全生命周期管理?；诖髷?shù)據(jù)分析結(jié)果，緊密貼合現(xiàn)場運用需求，科學(xué)指導(dǎo)弓網(wǎng)系統(tǒng)科研創(chuàng)新發(fā)展方向，促進弓網(wǎng)系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)持續(xù)提升。

2 "弓網(wǎng)關(guān)系檢測技術(shù)

2.1 "弓網(wǎng)綜合檢測裝置

弓網(wǎng)綜合檢測裝置（1C裝置）基于接觸式和非接觸式檢測技術(shù)實現(xiàn)對接觸網(wǎng)幾何、弓網(wǎng)受流性能等的檢測，主要搭載在綜合檢測列車或運營電客車上，技術(shù)整體應(yīng)用較為成熟。與高速鐵路不同，城軌具有車輛設(shè)備安裝空間小、線路情況復(fù)雜等特點，且既有檢測設(shè)備自動化程度相對較低，為進一步提高檢測設(shè)備對城軌的適應(yīng)性，開展了一系列的優(yōu)化工作。例如在接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測上，考慮到城軌接觸網(wǎng)存在剛?cè)岵⒋娴那闆r，研發(fā)了適用于不同高度接觸網(wǎng)的幾何參數(shù)檢測裝置。

2.2 "接觸網(wǎng)零部件狀態(tài)巡檢技術(shù)

該系統(tǒng)由高清成像模塊及數(shù)據(jù)管理分析模塊組成，其中高清成像模塊對地鐵剛性接觸網(wǎng)懸掛的主要成像區(qū)域，包括A/B型垂直懸吊及安裝底座、A/B型單支懸吊槽鋼及安裝底座、T型頭螺栓、中心錨節(jié)及安裝底座、接線端子及安裝底座和絞線固定卡；匯流排接地線線夾、B型匯流排線夾、D型匯流排線夾；剛性懸掛彈性絕緣組件等設(shè)備。對地鐵柔性接觸網(wǎng)懸掛進行高清成像的主要區(qū)域，包括平腕臂、斜腕臂、承力索、定位裝置和吊柱等區(qū)域，檢測速度覆蓋0～160 km/h。

數(shù)據(jù)管理分析模塊實現(xiàn)對檢測數(shù)據(jù)的治理與深度應(yīng)用，提升檢測分析效率。主要包含基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、檢測數(shù)據(jù)管理、檢測數(shù)據(jù)分析和檢測設(shè)備管理等功能。按照不同時間段拍攝的接觸網(wǎng)數(shù)據(jù)進行歷史比對，對歷年的缺陷數(shù)據(jù)進行比對。開展趨勢分析、關(guān)聯(lián)分析、對比分析等多維度可視化分析，依據(jù)分析結(jié)果及標準，實現(xiàn)對線路健康狀態(tài)的綜合評價，為線路安全評估及日常檢修維護提供數(shù)據(jù)支持。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2所示。

2.3 "接觸網(wǎng)狀態(tài)巡檢系統(tǒng)組成

車頂采集單元包括剛性觸發(fā)組件、柔性觸發(fā)組件、剛性接觸網(wǎng)高清相機、柔性接觸網(wǎng)高清相機、補光燈、巡視相機和設(shè)備箱等，可通過調(diào)整相機安裝位置和數(shù)量，滿足不同的用戶需求。接觸網(wǎng)狀態(tài)巡檢系統(tǒng)拍攝示意圖如圖3所示。

3 "弓網(wǎng)檢測監(jiān)測體系運用實踐

3.1 "弓網(wǎng)系統(tǒng)全生命周期管理

基于檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)的缺陷診斷及綜合評價是弓網(wǎng)系統(tǒng)全生命周期管理的基礎(chǔ)，可為弓網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)急搶修、檢修維護、設(shè)備管理提供技術(shù)支持。弓網(wǎng)系統(tǒng)全生命周期管理如圖4所示。

3.2 "工程應(yīng)用案例

以A市地鐵B號線弓網(wǎng)檢測為例，線路全長42.8 km，時速為100 km/h，采用8B大編組列車和剛性接觸網(wǎng)供電，同時具有行車間隔小、運量大、長大區(qū)間多、分段開通、線路東部穿越沉降區(qū)和小半徑曲線多等特點。該線開通運營以后，陸續(xù)出現(xiàn)了列車85～100 km/h運行時橫向異常振動、剛性接觸網(wǎng)膨脹元件燒蝕、扣件彈條及地腳螺栓斷裂和架空接觸網(wǎng)磨耗等問題。

3.2.1 "離線燃弧評估

分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，新舊滑板通過膨脹元件時均會出現(xiàn)不同程度的燃弧，統(tǒng)計正線上下行膨脹元件燃弧數(shù)據(jù)如圖5和圖6所示。分析發(fā)現(xiàn)，全線舊滑板工況總?cè)蓟r間明顯高于新滑板，分別為11 672 ms和5 720 ms。因此，舊滑板工況下膨脹元件位置弓網(wǎng)關(guān)系較新滑板惡劣。同時，燃弧時溫度高達上千攝氏度，是造成膨脹元件燒蝕的直接原因。

3.2.2 "弓網(wǎng)接觸力評估

統(tǒng)計正線上下行膨脹元件弓網(wǎng)接觸力最大值和最小值，如圖7和圖8所示。分析發(fā)現(xiàn)，新、舊滑板工況下膨脹元件處最大和最小弓網(wǎng)接觸力出現(xiàn)明顯分界，其中舊滑板弓網(wǎng)最大接觸力主要分布在200～400 N，新滑板弓網(wǎng)接觸力主要分布在100～180 N，弓網(wǎng)最小接觸力舊滑板明顯小于新滑板，尤其90 N和100 N靜態(tài)抬升力工況下最為突出。

參考TB/T 3271—2011《軌道交通 受流系統(tǒng) 受電弓與接觸網(wǎng)相互作用準則》：最大弓網(wǎng)接觸力小于等于300 N，最小弓網(wǎng)接觸力大于0 N。新滑板工況下弓網(wǎng)接觸力處于合理范圍，舊滑板工況下弓網(wǎng)最大接觸力和最小接觸力均有超標現(xiàn)象。因此，舊滑板工況下膨脹元件位置弓網(wǎng)關(guān)系較新滑板顯著惡劣。

3.2.3 "硬點評估

硬點是表征弓網(wǎng)平順性的重要參數(shù)。統(tǒng)計正線上下行膨脹元件處硬點數(shù)據(jù)，如圖9所示。分析發(fā)現(xiàn)，膨脹元件處硬點新滑板工況主要集中穩(wěn)定在5～20 g范圍，而舊滑板工況相對零散分布在20～60 g范圍。舊滑板工況受電弓通過膨脹元件時硬點值明顯高于新碳滑板工況。

參考高速鐵路動態(tài)驗收標準，時速160～200 km柔性接觸網(wǎng)的硬點檢測標準為小于49 g。新滑板受電弓通過膨脹元件時硬點值處于合理范圍，舊滑板工況受電弓通過膨脹元件時硬點值超標嚴重。因此，舊滑板工況下膨脹元件位置弓網(wǎng)關(guān)系較新滑板顯著惡劣。

4 "結(jié)束語

相較于高速鐵路，城軌的供電系統(tǒng)缺乏成熟、完備的檢測監(jiān)測體系，其檢修模式依然以人工及小型化設(shè)備為主，存在成本高、效率低及數(shù)據(jù)利用率低等諸多問題，制約著城軌健康發(fā)展。新技術(shù)與新材料的不斷涌現(xiàn)，也為城市軌道交通弓網(wǎng)檢測監(jiān)測體系的發(fā)展提供了外在驅(qū)動力，未來重點針對以下2個方面開展持續(xù)技術(shù)創(chuàng)新。

1）提升弓網(wǎng)檢測監(jiān)測體系智能化水平。促進裝置的輕量化、小型化與智能化，實現(xiàn)檢測無人值守；挖掘運營車組搭載式檢測潛力，加密檢測周期，豐富檢測項目，全面代替人工檢視；增強智能融合、智能診斷、智能決策能力。

2）完善弓網(wǎng)檢測監(jiān)測技術(shù)標準體系。基于近年高速弓網(wǎng)檢測監(jiān)測運營實踐，系統(tǒng)總結(jié)、擴充狀態(tài)評價指標，形成層次清晰的分級維護標準。加強弓網(wǎng)關(guān)系基礎(chǔ)理論研究，以鐵路大數(shù)據(jù)平臺作為支撐，研究高速弓網(wǎng)運行規(guī)律，加速數(shù)據(jù)向知識轉(zhuǎn)化。通過不斷迭代優(yōu)化形成系統(tǒng)完備的弓網(wǎng)檢測監(jiān)測技術(shù)標準體系并加快相關(guān)標準國際化。

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