一种接触线振动在线监测方法

程宏波,张 伟,伦 利,徐学平,王 勋

(1.华东交通大学电气与自动化工程学院,南昌 330013； 2.中国铁路武汉局集团襄阳供电段,湖北襄阳 441000)

受电弓的高速滑行会对接触线产生冲击，使接触线振动，影响受电弓的正常取流，进而影响电力机车的正常运行[1]。对接触线的振动情况进行监测可有效判断受电弓的运行状态，可为接触网运行维护的调整提供依据[2]。

接触线的振动测量有接触式与非接触式两种。目前接触式测量主要有模拟测量法和传感器检测法[3]。模拟测量法是通过受电弓的高度与电阻器电压之间的变化关系，达到测量接触线振动的目的[4]。传感器检测法一般将传感器安装在受电弓上，与接触线直接接触来记录其振动位移，目前在检测车上的应用较为广泛。接触式测量对受电弓的结构产生影响，且只能记录弓网接触点处的振动情况。非接触式测量一般在车顶安装高速相机进行测量[5]，检测设备与接触线之间不接触，但由于车体的振动，其误差的补偿关系较难确定，因此测量误差较大。为减小车体振动的影响，文献[6]将高速相机固定于支柱上，其测量精度相对较高，但只适用于特定位置的振动监测，无法满足对接触线大规模监测的需要。

从上面的研究可以看出，目前的监测无法实现接触线振动的全范围实时监测。检测车只能记录该车所在点处接触线的抬升情况，无法测量此时其他位置处接触线的振动，且不能反映实际列车运行时接触线振动的真实情况。支柱上安装相机只能记录有限位置处的接触线振动，对全线其他位置处的接触线振动无法反映。

因此，开发简单有效的接触线振动监测系统，实现对接触线振动的实时在线监测十分有必要[7]。从接触线的特点出发，提出一种新的接触线振动监测方法，以加速度计为核心设计一套接触线振动监测装置，并设计了监测装置的安装结构，给出了接触线振动信号分析处理的流程及实现方法，通过试验验证了该方法的可行性和有效性，实现了对接触线振动的在线监测。

1 接触线振动监测系统设计

1.1 振动监测系统功能分析

接触线的振动监测主要是获取架空接触线的振动数据，由于接触线工作条件的特殊性，该振动监测装置不能对接触线下运行的机车受电弓产生影响，因此，考虑采用传感器终端加无线发送的方式来获取接触线的振动数据。

接触线振动监测系统的总体结构如图1所示，主要由无线振动监测器、无线数据接收端以及PC端数据处理软件组成。振动监测器利用加速度计获取接触线的振动加速度值，为节省电量，延长其工作寿命，只有当列车运行，振动数值超过某一设定阈值时才触发无线发送模块，将振动监测数据、时间以及对应的标记信息(监测器位置标号，电池当前电量值)通过无线射频通讯方式发送到数据接收端。当数据接收端处于忙碌状态时，传感器终端会将数据暂时保存到本地存储，处于匹配接收端状态，待匹配成功后发送，发送完毕后清除本地存储信息，释放存储空间。数据接收端利用无线射频通讯接收监测器发送的数据并通过串口通讯将数据导入PC端数据处理软件。PC端数据处理软件将接收的振动加速度信号进行两次积分后得到接触线的振动位移信息。

图1 接触线振动监测系统结构

1.2 接触线振动监测器硬件设计

接触线振动监测器主要由MEMS传感模块、主控MCU模块、电源管理模块、无线通信模块组成。MEMS传感模块实时输出加速度与欧拉角数据用于监测接触线当前的振动状态与运动姿态。主控MCU模块为中央处理器，负责整个系统的逻辑控制，完成无线数据的发送与接收、读取电源状态等功能。锂电池电源管理模块负责提供稳定的电源，同时监测输出端电压，预防电源故障。无线通讯模块负责振动信息的发送与接收，监测器硬件结构如图2所示。

图2 接触线振动监测器硬件结构

MEMS传感模块选用JY901模块，该模块集成高精度的陀螺仪、加速度计、地磁场传感器，同时内部集成姿态解算器，配合卡尔曼滤波算法能快速求解出当前接触导线的运动状态，同时可设置其片上系统时间使各模块同步时程输出。MCU选用LQFP工业级STC89C52RC主控芯片，其特点是体积小、质量轻、功耗低，特别适合用在接触线监测这类对体积和功耗要求严格的场合。无线传输模块选用Nordic nRF24L01+无线射频芯片，发送器加装微型弯头棒状天线，接收器加装2.4G高增益天线以增强传输距离[8]。当前配置下，采样频率为200 Hz，通信稳定传输距离达500 m。接触线在受电弓冲后，接触线振动频率集中1 Hz左右的低频振动状态，一般不超过20 Hz[9-10]，根据香农采样定理，本装置采样频率满足对接触线振动数据采样的要求。

为保证监测装置安装的方便和工作的可靠，采用与接触线外形相适应的结构设计，接触线振动无线监测装置的安装结构如图3所示，其下半部分设计成与接触线截面类似，以便于采用现有接触线线夹进行安装，其上部分设计成半圆环结构，以便于与接触线吊弦结合。这样的设计在保证安装方便的同时，还能确保在列车的高速冲击下不脱落，以确保不会对列车的运行产生危害。

图3 接触线振动监测器安装结构

1.3 接触线振动监测系统软件设计

振动监测系统要将传感器终端中的振动信息无线发送至无线数据接收端，然后控制无线数据接收端接收并传输至PC数据处理软件。

图4 无线数据发送流程

传感器终端无线数据发送流程如图4所示。首先系统初始化时钟，定位器，SPI口等。采用阈值中断方法唤醒MCU，在nRF24L01+的PowerDown模式下初始化配置，MCU通过SPI口把数据写入TX_FIFO缓存，配置PWR_UP=1且MCU控制引脚CE置高大于10 μs后，经过130 μs的晶振稳定时间，nRF24L01+进入TX模式发送数据帧；控制位TX_DS=置位，引脚IRQ产生中断信号，完成一次数据发送，此时应立即使nRF24L01+进入PowerDown模式以节省能量。无线数据接收流程如图5所示。配置方式与发送类似，由于接收端不需要考虑节省能量的因素，因此接收器一直处于接收状态，在接收到振动数据后直接通过串口将振动数据导入PC端数据处理软件中进行处理。

图5 无线数据接收流程

2 接触线振动监测数据的处理方法

2.1 数据预处理

MEMS传感器在实际测量时，一般存在零点漂移与高频噪声两种误差，本文选用零点标定与低频滤波的方法对这两种误差进行预处理，同时，振动监测器在监测振动时，由于加速度计测量的是“比力”，是重力加速度和运动加速度矢量和，而接触线在受电弓的抬升作用下处于姿态的动态变化中，使振动监测器的加速度计产生旋转偏移，导致重力加速度会在各轴产生分量误差，这个分量误差与接触线的运动加速度叠加，使获取的运动加速度产生细微的偏差[11-12]。而最终是获取接触线振动位移信号，这个细微的偏差在经过两次积分运算累计后，会导致较大的位移误差。因此，求得并去除重力加速度在各轴的分量误差就显得极为重要。

图6 三轴组合旋转动态变化

(1)

得知四元数q后，利用四元数坐标旋转实现振动监测装置载体坐标与地理坐标之间的转换[14-16]

p′=q*pq

(2)

得出重力分量误差

(3)

(4)

2.2 加速度信号的频域积分运算

由上节可得接触线各轴方向上的实际运动加速度信号，但在弓网运行状态分析过程中一般关注接触线抬升方向上的振动位移情况，因此需对加速度信号进行积分得到位移信号。

加速度时域信号中夹杂着一定的趋势项及高频噪声等干扰误差，即使对信号进行预处理，误差也不可能完全消除，加上时域积分本身所产生的常数项，会使位移曲线产生较大漂移。因此采用频域积分方法，以去除低频趋势项和高频干扰项的影响。

频域积分是将时域信号Fourier变换转到频域，在频域中实现积分，再通过Fourier逆变换返回时域的过程，在进行频域积分过程中可将低于最小截止频率与高于最大截止频率成分置为零，可有效去除低频趋势项和高频等干扰误差[17，18]。

(5)

(6)

其中

(7)

式中，a(k)为实际运动加速度信号采样序列的Fourier变换；v(r)为该序列的速度信号；x(r)为该序列的位移信号；Δf为频率分辨率；fu和fd分别为上、下限截止频率，可根据实际情况设定截止频率，以滤除信号中趋势项及高频干扰的影响。

3 试验验证与分析

为对设计的接触线振动在线监测装置及其数据处理方法进行验证，在我校轨道技术创新试验基地对不同悬挂形式的接触线进行了测试和分析。

3.1 试验设计

轨道交通技术创新实验基地有高铁、普速各类型线路下的多种典型接触网形式，为验证方法的适用性，对简单链型悬挂与弹性链型悬挂两种典型的接触网结构的接触线进行了振动测试，悬挂基本结构参数如表1所示。

表1 接触网结构参数

为验证测量装置对不同接触网结构的适应性，分别对简单链型悬挂与弹性链型悬挂设计3组测量方案，每组测量方案设置3个监测点，测量方案如图7所示。为确保准确性，消除随机性，试验对每组方案测量3次，取3次测量结果均值为本次测量方案最终结果。

设计的3种方案中，既有测量定位装置处的振动信息，又有测量跨距中心处的振动信息，使获得接触线的振动信息具有一定的代表性。

图7 试验方案设计

3.2 试验结果分析

通过试验分别测得简单链型与弹性链型悬挂下不同方案的测量结果。以方案1的测量结果为例，图8是简单链型悬挂与弹性链型悬挂监测点处的接触线抬升方向上最大振动位移变化曲线。

从图8可以看出，在人工施加外力作用后，监测点1处的接触线振动幅值最大达50 mm，由于弹性链型悬挂接触网张力补偿作用较好，弹性链型悬挂测点2与测点3处的最大振幅明显比简单链型悬挂小。

图8 接触线监测点处振动位移

图9是监测点处接触线振动的起振曲线段。根据图9，采用坐标最大值标定方法，可获得不同监测点处的起振时间差，由监测点之间的距离及起振时间差，可算出该段接触线上的波动传播速度，结果如表2所示。

图9 起振曲线

悬挂类型简单链型弹性链型方案编号计算均值/(km/h)1496.22494.33495.91492.12494.63491.4理论值/(km/h)562差异率/%11.7112.0511.7612.4411.9912.56

由表2可以看出，根据装置所获取的振动信号计算出的波动传播速度与理论计算值基本一致，且呈现一定的差异稳定性，可反映出监测装置的有效性与可靠性。差异的原因是由于实验中监测点之间的距离较近，监测装置的采样频率相对较低，而且理论计算公式中没有考虑实际外部环境的干扰以及外部阻尼的影响，也没有考虑实际工况下接触线结构的复杂性[19-20]，造成了实际测量值与理论计算值存在一定的偏差。

4 结语

接触网的工作具有一定的特殊性，利用加速度传感器可以方便获得接触线在不同方向的振动情况，通过四元数旋转可消除重力分量的影响提高振动加速度信号监测的准确性，通过小型化及与吊弦相结合的设计，可提高振动监测装置工作的可靠性。实际接触网上的振动监测试验验证了该系统的可行性与有效性，可为接触线振动监测提供一种新的方法。