基于红外热像仪的接触网载流安全检测系统

罗军，张伟，刘家军，马世平，刘小川

（1.西安铁路局 供电段，陕西 西安 710054；2.西安理工大学 水利水电学院，陕西 西安 710048）

基于红外热像仪的接触网载流安全检测系统

罗军1，张伟2，刘家军2，马世平1，刘小川1

（1.西安铁路局 供电段，陕西 西安 710054；2.西安理工大学 水利水电学院，陕西 西安 710048）

接触网是电气化铁路的重要组成部分，它的运行状况与行车安全密切相关。高速运行的机车通过接触网获取电能，带电运行的接触网运行异常会出现温度升高的现象，利用红外热成像技术，可对接触网进行带电检测。结合当前成熟的红外热成像技术，设计了以LPC2368为核心处理芯片的图像采集与GPRS通信平台，并针对接触网的车载检测和列车高速运动的实际情况加入了GPS定位设计，精确故障位置，有利于合理安排检修任务。

接触网；红外热成像；GPRS通信；GPS定位

我国轻轨和铁路列车牵引方式主要为电力机车牵引。电力牵引具有功率大、速度快、能耗低、效率高等特点，电力牵引区段运输能力明显提高，运输成本大为降低[1]。在铁路建设中，铁路沿线环境地形复杂多变，气候不定，接触网作为常年架空设备非常容易受本身使用寿命与环境因素的影响，因此在电气化铁道设备故障中，接触网故障所占比例相当大[2-3]。电气化铁道接触网红外测温是检查主导流回路的各个接续部位是否接触良好可靠的主要手段，如果存在接触不良的现象，在有负荷电流时，就会引起线夹、线索的温度升高，从而造成烧伤，严重时会造成断线故障，影响列车的运行[4-5]。

现在的接触网综合状态检测多依靠人工作业，在接触网有正常负载电流的情况下，接触网工人站到距离线路较近的位置进行测量；而客运专列的车速较高，造成的空气负压足以将人带入车下，而且线路的80%左右是高架桥，测量人员站到距离线路较近的位置是不允许的，因此不可能近距离测量。如果远距离测量，有效测量距离和光学分辨率两项参数必须重新选择，测温仪成本也会大幅增加。在当前客运专线的牵引供电管理中，已广泛地采用了微机化维修管理系统（CMMS）。这种系统具有参数输入和分析功能，并能够找出缺陷，下达维修命令工单。为了将现场的测量数据及时转入CMMS中，这就需要开发一种接触网综合状态智能化检测系统来适应当前的复杂环境与自动化需求[6-10]。

1 红外检测系统总体设计及工作原理

接触网载流安全红外检测系统由图像采集与信息传输终端和监测与控制终端两部分组成。通过二者的相互配合完成整个检测和安排维修任务的功能。

图像采集终与信息传输端的工作原理是：图像采集单元负责采集接触网当前工作状态的红外热图像，数据传输单元则将图像及其他数据信息传到监测与控治终端。监测与控治终端由计算机及监控系统构成，主要负责的任务是：接收图像及数据信息，并通过图像处理软件分析红外热图，归纳数据，得出结论，发出相应控制指令。系统的总体结构见图1。

图1 系统总体结构Fig.1 0verall structure of the system

本次研究是基于现有红外热像仪的二次开发，重点在于图像的采集与信息的传输。通过完成具有图1框内功能的检测系统，来配合后台对维修任务的安排。

2 系统硬件设计

监测终端的硬件结构如图2所示。

2.1 主处理模块

硬件电路的设计以ARM7-LPC2368微处理器为核心。它100 MIPS的性能和0.25 mW/MHz的平均功耗能够适应一般无线数据传输和处理系统所需要的计算能力。在提高整机性能的同时大大降低整机功耗，而且多余的计算能力还可以用在其他一些辅助的应用功能上[11]。LPC2368处理器的最高频率达到72 MHz，含有高达512 kB的片内flash和58 kB的片内SRAM存储器，有丰富的功能接口，特别适合工业产品控制[12-13]。

图2 监测终端硬件结构及功能示意图Fig.2 The hardware structure and function diagram of the monitoring terminal

2.2 图像采集模块

系统中，采用DM60系列非制冷在线式红外热像仪。基于DM60红外热像仪的RS485输出串口，可以通过串口的连接进行图像的传输。选用MAX3485串口芯片，该芯片符合RS485串行协议的电气规范，数据传输速率可高达10 Mb/s（带负载）。模块接线图如图3所示。

图3 RS485模块接线图Fig.3 RS485 module wiring diagram

RO、DI分别为输出输入接口，采用单一+3.3 V电源，通过RE输出使能及DE输入使能控制输入输出模式。

2.3 GPRS通信模块

将采集到的红外图片压缩为比例适中的JPG格式，以适应GPRS窄带宽的传输需求。GPRS无线通信模块采用支持彩信功能的TR800模块，该模块起桥梁作用，连接检测装置与监测终端，以实现它们之间的通信。它具体负责将环境数据通过GPRS通信方式上传给监控中心[14]。TR800外围电路主要有：通讯接口电路、电源电路以及SIM卡电路。由于TR800内置了AT指令集，并且配备有UART接口，所以直接通过处理器芯片与TR800的UART接口进行指令和数据传输，TR800连接原理如图4所示。

图4 TR800连接原理图Fig.4 TR800 connection diagram

2.4 GPS模块

由于检测与维修并非同时进行，为了使系统能够更准确地下达维修命令，因而在系统中加入了GPS定位功能。GPS采用u-blox6模块，该模块集成度高，硬件简单，易于开发，并且具有较好的经济性。通过TXdl与ARM芯片的RXdl，RXdl与ARM芯片的TXdl相连接，就可以实现GPS与单片机的简单通信，再通过SPI接口的接入，就可以实现芯片对GPS的控制。

图5 GPS模块接线图Fig.5 GPS module wiring diagram

2.5 操作键盘和LCD液晶显示模块

操作键盘输入和LCD液晶屏显示输出实现了装置的人机交互功能，它的主要功能是：

1）通过操作键盘输入，可以进行参数设置和显示内容的选择。

2）LCD液晶显示可以显示采集到的信息量，包括红外图像，故障定位以及当前装置温度等内容。

2.6 电源模块

为装置内各芯片提供电源，本装置拥有两种电压等级。本次设计选用电源芯片LM2596s为GPRS模块、GPS模块与LCD显示模块供电，该芯片的输入电压为+8 V，芯片起振，正常工作之后，能够产生+5 V电压；选用电源芯片LM1117为ARM芯片及其他功能电路供电，该芯片的输入电压为+5 V，输出电压+3.3 V。

3 系统软件设计

本装置主要功能是完成接触网运行状态数据的接收和上传功能。图6所示为程序整体框架，由初始化和主循环体两部分组成。

图6 程序整体框架Fig.6 0verall program framework

3.1 主程序设计

主程序是执行程序的主要函数体，负责调用子程序。采用将子程序的声明和定义写在主函数体之前，当需要执行子程序时，在主函数体中调用子程序。这种方式可以提高执行效率，减小代码错误率。主程序结构化流程如图7所示。

图7 主程序流程图Fig.7 Main program flow chart

3.2 通信连接程序

本装置中ARM7微处理器的串行通信采用查询的方式进行，通过设置主循环周期，在每个主循环周期中，查询来自通信接口中接收fifo的空信号标志，若不为空，则读取fifo中的数据，并进行相应的操作；若为空，则处于查询等待状态。其中串行通信中循环查询主程序的流程图如图8所示。

3.3 GPS定位程序

本装置的GPS定位模块采用的是NMEA 0183标准协议，该协议算法主要完成对GPS定位数据信息的合理分类，使用户可以通过这些语句很方便地获取所想要的信息。此外该协议算法也对每条GPS输出的语句进行CRC校验，如果某条语句校验错误，认为此条语句无效。NMEA 0183协议算法流程图如图9所示。

图8 串行通信程序流程图Fig.8 Serial communication program flow chart

图9 NMEA 0183协议算法Fig.9 NMEA 0183 protocol algorithm

GPS模块接收到的数据时原始数据，要进行数据的进一步利用就需要对数据进行处理，如分离处时间、经度、纬度等。GPS数据处理流程图如图10所示。

3.4 彩信发送程序

实现彩信功能的核心，是在GPRS无线分组业务下的XMODEM协议，彩信传输图片附件数据时需要使用该通讯协议。XMODEM协议算法主要实现对数据的正确分包，以及按帧格式封装并上传至GPRS/ GSM模块。具体流程图如图11所示。

由于主程序在初始化时，已经对MMSC彩信中心地址、接入点、彩信编码格式以及MMS通讯模式进行了设置，因此，彩信发送程序主要完成编辑并发送彩信的功能。TR800内置了彩信底层协议，因此可直接调用相应的AT命令。具体流程如图12所示。

图10 GPS数据处理流程图Fig.10 GPS data processing flow chart

图11 XM0DEM协议算法流程图Fig.11 XM0DEM protocol algorithm flow chart

4 结语

本文研究的接触网载流安全红外检测系统是在当前红外热像仪的基础上进行的二次开发。通过RS485串口接收红外热像仪所采集到的接触网状态图，并匹配检测点的GPS信息，借助GPRS网络将综合信息传输至后台管理系统，进行图像处理，分析检测结果，下达维修命令。它可以很好地与客运专线的牵引供电管理所采用的CMMS系统相适应，有利于提升接触网检修工作的自动化水平。除此之外，它还具有广阔的应用前景，可以扩展到电力系统中的热故障检测中去。

图12 彩信发送程序流程图Fig.12 MMS program flow chart

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（编辑 李沈）

The Catenary Current-Carrying Safety Inspection System Based on the Infrared Thermal Imager

LUO Jun1，ZHANG Wei2，LIU Jiajun2，MA Shiping1，LIU Xiaochuan1
（1.Supply Power Department of Xi’an Railway Bureau，Xi’an 710054，Shaanxi，China；2.Institute of Water Resources and Hydro-electric Engineering，Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，Shaanxi，China）

The contact net is an important part of the electrified railway，and its running status is closely related to the driving safety.The high-speed train gets electricity by the contact net and faults occurred on the contact net in operation normally give rise to temperature rises，and the infrared thermal imaging technology can be used to detect the faults on the net.However，the artificial fixed-point detection and vehicle detection routine inspection of the traditional method normally cannot meet the real-time and reliability requirements.Based on the mature technology of infrared thermal imaging，this paper designs a real time image processing and communication platform with LPC2368 as the core processing chip and in view of the actual situation of the catenary detection on the train and high-speed movement of the train，the GPS positioning function is added to the design to realize the accurate fault 1ocation for the reasonable arrangement of the inspection and maintenance.KEY W0RDS：contact net；infrared thermal imaging；GPRS communication；GPS position

2015-02-06。

罗 军（1971），男，工程师，主要从事牵引供电系统运营与生产工作；

张 伟（1990），男，硕士研究生，主要研究方向为电力系统的测量、保护与控制；

刘家军（1967），男，教授，博士生导师，主要研究领域为电力系统自动化；

马世平（1965），男，工程师，主要从事牵引供电运营管理工作；

刘小川（1985），男，工程师，主要从事牵引供电运营检修工作。

西安铁路局科技研究开发计划（2014GJ205）。

Xi’an Railway Bureau of Science and Technology Research and Development plan（2014GJ205）.

1674-3814（2015）08-0010-05

U226.5+1

A