刚性接触网在线监测装置的研制与应用

2018-11-02关金发吴积钦

城市轨道交通研究 2018年10期

刘铭关金发吴积钦

(西南交通大学电气工程学院， 610031，成都//第一作者，硕士研究生)

刚性接触网作为牵引供电系统向地铁列车提供电能的主要途径，直接影响着地铁列车的受流质量及牵引供电系统的安全可靠性。因此，实现刚性接触网的在线监测，已成为各个地铁公司的重要工作内容之一。

对于刚性接触网的测量，分为静态和动态测量。静态测量，主要是测量接触网的各部分静态尺寸，如接触线高度、之字值、抬升量等[1]。但随着列车速度的提升，仅靠静态测量不足以说明弓网之间的关系，此时，刚性接触网的动态监测就显得至关重要。弓网相互作用的动态参数主要是以弓网接触力的大小作为评价指标，当弓网接触力为零时，可认为受电弓与接触网之间发生离线[2-3]。对于弓网接触力的动态测量，国内进行了大量的研制。1987年国内成功研制弓网接触力测量装置，但由于选用的传感器温差性差，因此使用寿命较短[4]；1998年西南交通大学研制了采用多项传感器技术的JJC-1型接触网检测车，可检测受电弓接触力、接触网导线高度等参数[5]；2009年西南交通大学的吴积钦提出利用加速度传感器对硬点进行检测的方案[6]，目前国内仍多采用此方式。国外如德国、日本等接触网技术较为先进的国家，对于弓网设备的检测也十分重视。上世纪70年代末，德国设计了采用线阵双目摄像机的检测系统，可测量接触网导高[7]；法国设计了特制的受电弓，在受电弓上安装传感器，用于测量弓网接触力[8]；2002年日本研制了923型检测车，可沿线路进行激光扫描，检测弓网、轨道状态等[9-10]；2004年德国研制了一种采用力传感器的弓网接触力检测车[11]；意大利采用激光照射，利用图像处理技术等进行接触网检测。

综上所述，世界各国对于刚性接触网的检测都十分重视，无论是接触式检测还是非接触式检测，都或多或少地存在弊端。接触式检测较非接触式检测，费时费力，易造成受电弓结构的改变，且由于传感器的存在，易造成受电弓重量计算等存在误差；非接触式检测，需要较高的图像识别技术及大量的数据存储，且传统的非接触式检测，无法检测动力学参数。本文介绍的刚性接触网在线监测装置，为非接触式检测，可以实现测量弓网振动位移、分析弓网受流情况以及燃弧检测的目的，既避免了刚性接触网接触式检测技术的弊端，又可实现刚性接触网的动力性能检测。

1 在线监测装置的组成

为分析受电弓及刚性接触网振动位移、电力机车受流情况以及弓网燃弧的原因，使用高清相机、燃弧相机和高速相机组成刚性接触网的在线监测装置，捕捉受电弓通过刚性接触网的弓网燃弧现象和刚性接触网位移情况。

在线监测装置的组成包括：外部电源、紫外相机、高速相机、高清摄像机、采集设备、数据采集计算机、光电开关模块、光电传输模块、4G传输模块、路由器、云服务器和便携式数据处理计算机。在线监测装置系统框图如图1所示。

图1 在线监测装置系统框图

图1中隧道内设备主要由传感器、采集设备、照明设备、计算机和通信设备组成，用于实现在线监测装置的数据采集与本地储存功能。站场设备主要由通信设备和无线传输设备组成。通过站场设备可以利用数据处理计算机连接路由器，远程控制数据采集计算机，从而实现对数据采集计算机的调试和测试数据的读取。外部移动设备包括云服务器和数据处理计算机，其中云服务器中存储由站场中的4G模块主动发送的燃弧和接触线垂向位移数据，利用数据处理计算机在外部实现弓网系统的在线监控，实时掌握弓网动态行为。

测试数据利用光电转换模块和光纤，实现本地与远程计算机通信，便于对隧道内计算机的调试和数据传输。所有测试数据首先保存在隧道内的数据采集计算机内。间隔一定时间周期(视记录数据的大小而定)，利用站场路由器，将数据采集计算机内数据拷贝至数据处理计算机，尤其是高清图像和录像数据。数据采集计算机利用无线通信手段，实时获取采集的燃弧和接触线垂向位移数据。

2 在线监测装置的监测原理

2.1 紫外滤光原理

由于弓网燃弧时，会产生大量的光和热，影响对受电弓接触网的垂直位移检测以及弓网动态关系的监测，因此，在线监测首先考虑的是对弓网燃弧的弧光的滤除。

由文献[12-13]可知，当发生弓网燃弧时，其光强度主要集中在可见光及近紫外的波段。紫外线的波长范围为10～400 nm，弓网燃弧现象特征光谱范围受接触线与滑板材料、牵引供电电压、环境等多方面因素影响，不尽相同，但基本集中在393～398 nm、310～330 nm、244～269 nm这3个波段内，而可见光的波长范围为400～760 nm，如图2所示。显然，二者光谱范围并不重合，可以依据此差异进行燃弧检测。

图2 燃弧光谱、可见光谱、紫外光谱对比图

此外，当发生弓网燃弧时，强烈的光会使高清摄像机无法看清弓网动态相互作用情况，为了清晰观察记录受电弓碳滑板与接触线的接触情况，将高清相机镜头前加装紫外滤光片，可以抑制弧光进入相机，以此滤掉燃弧产生的杂光。

2.2 弓网位移监测原理

当电力机车高速通过刚性接触网时，车体的振动、受电弓的上下浮动会引起接触网的振动。当没有发生燃弧时，利用位移相机可清晰记录受电弓与接触网的垂直振动位移；当发生弓网燃弧时，利用紫外滤光方法，即在位移相机镜头前同样安装紫外滤光片，滤除燃弧产生的紫外光，以此记录弓网垂直位移。

当位移相机记录受电弓与接触网的位移图像后，数据通过现场总线，进入CPU(中央处理器)，由专门的图像识别软件、数据库软件等进行识别分析，记录弓网垂直位移情况，生成实时记录表格。

弓网垂直位移的图像识别原理是，通过图像跟踪识别接触线上某一点的垂直位移变化。通常情况下采用边缘检测法或模板匹配法，由于当受电弓经过接触线时，会影响边缘检测，造成误差过大，因此采用模板匹配法。模板匹配的工作方式与直方图的反向投影相似，原理是通过在输入图像上滑动图像块，对实际的图像块和输入图像进行匹配。

2.3 弓网燃弧监测原理

对于刚性接触网的燃弧检测，国内外目前主要有两种，一种是电学检测法，一种是光学检测法。本文介绍的刚性接触网在线监测装置，采用的是光学检测法。光学检测法，其原理是通过光电传感器将燃弧产生的光信号转化成电信号，进行分析判断。

对于刚性接触网的燃弧检测，可在地铁通过的隧道壁上安装紫外光电传感器，当燃弧发生时，紫外光电传感器感应到燃弧产生的紫外光，发出电信号，电信号经过放大和滤波处理，被单片机系统接收，然后进入上位机，进行数据的存储和记录。监测过程如图3所示。

图3 燃弧监测过程

综上所述，在线监测装置利用弧光与可见光波段的不同进行滤光，并依据弧光波段捕获的原理进行燃弧检测，同时利用模块匹配法进行图像识别，记录弓网垂直位移。

此外，为尽量减少不必要的多余数据进行存储记录，可在实际操作中增加触发装置，即图1中的光电开关。在刚性接触网在线检测装置的列车驶入方向安装红外感应开关，该装置通过数据线连接到照明设备及数据采集计算机。当列车驶来时，触发红外感应开关，开始数据采集工作，高清摄像机、燃弧摄像机等开始记录，进行数据存储工作。

3 在线监测装置的应用

3.1 应用方案分析

在国内某地铁的刚性接触网监测中，应用了本文介绍的在线监测装置。该线路某段区域内膨胀接头附近燃弧严重，因此，采用的方案是，对于要监测的区域，监测装置安装于对应的隧道壁上，具体相机的安装位置如图4所示，3个位移相机对准跨中，2个高清录像相机中，1个为远端整体拍摄，1个为近端局部拍摄，燃弧相机拍摄燃弧较大的区域。同时，在列车驶入方向的隧道壁上，安装红外感应装置，作为系统的光电开关。

在线监测装置中相机和灯具安装于隧道壁上的电缆排上，计算机安装于人员疏散通道下方。

图4 在线监测设备安装位置

利用该装置测到的燃弧和接触线垂向位移数据通过云服务器存储，由站场中的4G模块主动发送，利用数据处理计算机在外部实现弓网系统的在线监控，实时掌握弓网动态行为。

为便于调试和数据传输，在线监测设备采用了4G网络通信，可实现远程控制计算机，随时随地远程访问。

3.2 应用结果分析

由高清摄像机、燃弧相机、位移相机拍摄的图像实时传到上位机进行存储。除了高清图像记录外，在线监测装置还记录了燃弧时间和3个跨中点的位移，以及对应高清图片的帧序号，如图5所示。所有数据做到了同步记录，即某一时刻记录图片对应帧号、燃弧时间和位移大小。

监测试验通过对两列装有不同型号受电弓的列车进行监测，统计两列车的燃弧时间，见图6与图7。发现两种型号受电弓通过该监测区域时，均产生燃弧，但累计燃弧时间相差100 ms，说明该膨胀接头对不同型号受电弓的燃弧存在差异性。

图6 两列车通过监测点的瞬时燃弧记录

图7 两列车通过监测点的累计燃弧记录

图8为某列车通过监测点后的3个跨中点的位移时间曲线。由图8可知，膨胀接头的位移变化最小，锚段前跨中次之，锚段后跨中最大。

分析发现，由于该膨胀接头重量过重，当受电弓通过时，抬升量较其他接触网部分小，因此无法保持受电弓与接触线的良好接触，易产生燃弧。因此，建议该地铁改良该膨胀接头结构，减轻其重量，或在日后设计建设中，使用代替产品，如其他膨胀接头或锚段关节，但该建议方案效果未定，可使用本文所介绍的刚性接触网在线监测装置进行重新评估。