弓网监测系统中测量接触力硬点的研究

赵志 刘洋

（湖南智融科技有限公司，湖南 株洲412000）

1 概述

近年来图像识别技术和图像处理算法被广泛研究，图像处理技术日趋成熟稳定，并被广泛应用到检测装备中。弓网监测系统是一个用大量使用图像识别技术的综合性监测系统，用于城市轨道交通车辆对受电弓、接触网以及弓网匹配关系的测量以及评价，同时弓网监测系统可实现对弓网的安全监测、弓网配合效果监测、弓网事故原因分析和定责等功能，逐步成为城市轨道交通中不可缺少的一个子系统，地铁公司、主机厂也在越来越多的项目中使用弓网监测系统。

2 非接触式硬点检测原理

受电弓与接触网的接触力突然发生变化的地点成为统称硬点，硬点的大小通常用加速度表示。非接触式硬点检测主要针对受电弓垂向振动而言，通过基于机器视觉的非接触式检测得到受电弓在运行过程中的垂向振动变化情况。其检测原理如图1 所示，在受电弓弓头上粘贴反光标记条条或喷反光漆，高亮光源照射弓上的反光面，当受电弓振动时，可通过相机获取到反光条的振动，进而得到受电弓的振动状态。受电弓的垂向振动状态不仅可以反应受电弓的垂向加速度信息，还可以反应受电弓的运行过程中的抬升力信息。垂向加速度用于判断受电弓的硬点信息，抬升力信息作为受电弓的综合压力值的一部分。

图1 中A 为相机，B 为受电弓上用作检测标记的反光条。

图1 非接触式测量安装示意图

图2 受电弓标记条安装图片

3 非接触式压力检测检测原理

受电弓在运行过程中的接触力由抬升力（弹簧弹力）、惯性力、空气动力和修正系数组成，如下图所示。

图3 弓头受力模型分析

根据上图中的受力模型分析，受电弓运行中的接触力可表示为：

其中，Fc：接触力测量值；

Fa：运行过程中的惯性力，与受电弓的垂向加速度有关，记为:

Fb：运行过程中的空气动力，与受电弓的垂向加速度有关，记为:

Fd：运行过程中的抬升力（弹簧弹力），与受电弓的垂向位移有关，记为:

通过基于机器视觉的非接触式测量方式可以得到受电弓在运行中的振动状态，而受电弓的振动状态不仅能够反应受电弓的垂向加速度信息，结合受电弓的质量信息，进而可以计算出Fa。其中受电弓垂向加速度的计算在第二章已经详细说明。

通过风动实验可以得到Fb与车辆运行速度的对应关系。

通过基于非接触式测量，利用对受电弓弹簧的弹力进行标定，可以得到受电弓运行过程中的Fd。

图4 受电弓弹簧弹力的标定测试示意图

通过对以上受电弓弹簧弹力和惯性力的测量，进而可以计算出弓网接触力。

4 非接触式接触力硬点实验室效果

4.1 实验场景搭建

场景分为处理主机、图像采集模块、振动台及标记条三部分组成。

图5 振动台及靶标

4.2 实验效果（图6-9）

图6 正弦激振下采集到的图像

图7 冲击下采集到的图像

结束语

在城市轨道交通领域，目前弓网接触力硬点的测量方式主要是通过接触式光纤传感器进行测量，价格昂贵、维护困难且需更改受电弓结构。光纤传感器是物理传感器，本质上就是力的作用产生形变，利用形变带来的信号变化进行测量。形变就会带来材料疲劳，时间久了就需要重新校准，否则精度就会变差。非接触式接触力检测目前只是在实验室阶段做了验证，缺少实际运营数据，后续还需要根据运营数据进一步对算法进行修正，达到稳定可靠的效果。

图8 实验室条件下硬点检测数据

图9 实验室条件下接触力检测数据