高速铁路接触网整体吊弦振动谱采集系统设计

2022-01-10潘利科陈立明徐可佳张海波杨才智董冠阔

电气化铁道 2021年6期

潘利科，陈立明，徐可佳，张海波，杨才智，邢彤，董冠阔

0 引言

整体吊弦安装在电气化铁路接触网承力索和接触线之间，主要起悬吊和载流作用，对保障接触线的平顺性以及稳定受流质量具有重要作用[1，2]。

列车经过时，由于受电弓的接触力及抬升作用，导致接触线向上运动，带动整体吊弦、承力索等运动，并使吊弦发生弯曲。当列车经过后，在接触网的重力等作用下，整体吊弦随接触线向下运动，并在接触网的弹性作用下发生纵向振动。在此过程中的振动位移即为振动谱。

由于接触网系统通有大电流，且列车受电弓通过与接触线滑动摩擦取电，因此整体吊弦的振动谱需通过非接触方式测量。文献[3]介绍基于图像处理的单通道图像采集系统，在接触网支柱上安装图像采集系统，采用非接触方式测量整体吊弦的振动谱。文献[4，5]论述通过列车上的视频监测系统实现列车运行位置整体吊弦图像的采集。文献[6～8] 介绍一种单通道图像采集系统采集整体吊弦的振动谱。上述采集方法均是基于图像识别技术，并且均是单通道采集。

为了更准确反映一跨内6根整体吊弦振动的相关性及相互影响规律，并不影响列车正常运行，本文基于图像识别技术设计了一种非接触式6通道整体吊弦振动谱采集系统，为深入研究并分析一跨内6根整体吊弦的振动规律以及相互影响提供技术手段。

1 振动谱采集原理

整体吊弦的振动是由于列车受电弓抬升激励导致整体吊弦向上弯曲，随后向下自由垂落，并在接触网系统的弹性阻尼缓冲作用下，整体吊弦随接触网系统发生的阻尼振动过程，其振动谱受接触网系统弹性和阻尼系数、列车运行速度、受电弓抬升量等因素综合影响。

1.1 接触网振动波传播过程

接触网系统波动产生影响因素包括振动波源和振动波传播介质。其中，振动波源为列车通过时受电弓抬升力致接触线的抬升，随后在整体吊弦的弯折、自由垂落过程中引发的上下振动和前后波动，其中上下振动为主要振动波源，前后波动可以忽略。接触网振动波的主要传播介质为接触网系统，包括接触线、整体吊弦、承力索、弹性吊索以及其他支撑和悬吊零部件等。组成接触网系统的各零部件的阻尼使得接触网系统振动逐渐衰减为零。

当列车受电弓通过整体吊弦下端的接触线后，接触点位置的振动由接触网系统本身的阻尼振动和接触网波动叠加组成。根据波的叠加原理，当几列波同时在同种介质中传播时，它们分别以其原有的频率、振幅和波长独立传播；几列波相遇处的位移为各列波单独传播时该处位移的矢量和[6，9]，因此测量点的振动方程可以表示为

式中：A为振幅；β为阻尼；t为时间；ω1为接触网被测点的固有角频率；φ1为阻尼振动开始位置；B为接触网波动传递至被测点时的振幅；ω2为接触网波动传播时的固有角频率；φ2为阻尼振动结束位置；x为机车受电弓位置与测量点的距离；u为接触网波动传播速度。

1.2 接触网振动采集原理

根据接触网振动波的传播过程，采集整体吊弦的振动谱需要定位整体吊弦上下两端的位移。实际服役过程中，整体吊弦上下两端分别连接承力索和接触线，整体吊弦随着承力索和接触线的振动发生阻尼振动。

在整体吊弦随承力索和接触线振动过程中，利用图像识别方法，分别采集承力索和接触线的振动图像，通过图像处理软件将其转换为位移信息，再进行位移差值处理，得到整体吊弦的位移量，即整体吊弦的振动谱。采集流程如图1所示。

图1 整体吊弦振动谱采集流程

2 振动谱采集系统设计

由于接触网系统是带电服役，在振动谱采集过程中需采用非接触方式进行采集。并且为了对比相同跨不同吊弦的振动谱的振动规律和相互影响，设计6通道振动谱采集系统同时采集列车经过前后6根整体吊弦的振动过程。该6通道整体吊弦振动谱采集系统主要采集6根及以下吊弦的振动谱，如图2所示。其由6套图像采集部件组成，可以在距高速铁路线路60～200 m范围内采集整体吊弦的振动谱。

图2 整体吊弦振动谱采集系统

接触网整体吊弦振动谱采集系统主要组成部分包括采集装置、控制系统、数据处理系统和显示系统，其中采集装置由高速摄像模块、长焦镜头、三角支架组成，控制系统包括PLC控制单元和工控机，数据处理系统主要通过图像处理软件将图像转换为数字信息，显示系统则通过数据传输线与数据显示器实现数据传输与实时显示功能。

采集系统的采集频率为200～300帧/s，可满足时速350 km高速列车通过时整体吊弦振动谱采集。采集距离为60～200 m，采集角度为45°～60°。

振动谱采集过程中，采集装置在高速铁路线路附近非接触式测量整体吊弦的振动图像，其测量距离、测量角度的调整均可以通过调整长焦镜头及三角支架实现，采集系统采用6套同时采集方式。控制系统通过PLC控制单元实时控制接触网一跨内6根整体吊弦的采集过程，并保证6根整体吊弦的采集过程同步进行；采集的整体吊弦图像数据实时记录并同步存储在工控机上。

整体吊弦振动谱的图像识别通过高速摄像模块采集并识别整体吊弦上下两端承力索和接触线的图像，并通过图像处理软件将其图像转换为数字信息，然后实时比对接触线和承力索数字信息，从而获得整体吊弦的振动谱数据。为保证采集过程的准确性，首先需要对采集系统进行标定。根据接触网一跨内吊弦的长度，通过采集系统读取某位置吊弦上下两端承力索和接触线的图像，通过图像中承力索和接触线的位置差计算出吊弦的长度，并与现场实测该位置的吊弦长度进行比对，得到校准系数，最终实现图像转换为数字信息时的误差校准。

该采集系统具有以下优点：（1）可实现非接触式测量，不影响列车的正常运行；（2）操作方便，可在线路附近安装，采集地点灵活；（3）多通道同时采集，数据之间可相互校准，且数据干扰小；（4）数据读取方便，具有图像采集与软件处理功能，可以实时获取被采集位置整体吊弦的振动谱。

采集系统的关键技术指标包括采集频率、图像分辨率等。由于高速列车通过时的速度可达350 km/h，即97.2 m/s，而吊弦的间距最短可达8 m，则1 s内通过的吊弦数约为12个，因此要求采集系统具有较高的采集频率，以采集到列车受电弓高速通过瞬间吊弦的振动特征。图像分辨率则要求能清晰识别出200 m范围内吊弦的图像，并能追踪到在高速列车通过时吊弦振动过程中的图像。振动谱识别需要通过图像处理技术将图像数据转换为吊弦的位移等数字信息，但是由于采集过程中周围环境的树枝、电线、非目标区域吊弦线等影响，在图像处理过程中应根据吊弦振动数据进行识别。

3 接触网振动谱采集过程

现场采集过程中，首先将6个由高速相机和长焦距镜头组成的采集装置架设在高速铁路线路附近，设置图像采集装置的焦距，分别聚焦一跨内6根整体吊弦的上下两端的承力索吊弦线夹和接触线吊弦线夹处的承力索和接触线，然后打开测量软件开始实时记录并保存采集位置整体吊弦的图像。

采集系统中高速摄像模块的采集频率可达300帧/s，能够满足350 km/h高速列车通过时的振动谱采集需求。长焦镜头能在60～200 m范围采集到清晰的整体吊弦振动图像。

现场测量时，通过图像识别技术，分别获得整体吊弦上下线夹位置承力索和接触线的垂向位移时间历程，即吊弦上下两端的动态抬升量；通过高速摄像模块可以获得吊弦在某一瞬时的图像，如图3所示；将连续时间内获得的所有图片汇总，可得到整体吊弦整个振动过程的振动谱，即位移随时间变化曲线，如图4所示。

图3 整体吊弦瞬时振动图像

图4 整体吊弦振动谱数据处理

整体吊弦振动谱采集过程中，首先需要确定采集点，其需满足以下要求：（1）采集点需距离高铁站点一定距离且线路弯曲半径不大，列车可以提速至较高的速度，满足高速下振动谱的采集要求；（2）整体吊弦的振动谱采集点距离高铁线路在100～200 m范围内，距离太近会超出焦距，也使采集系统仰角过大，导致采集误差偏大，此外还会由于整体吊弦振动太大超过其采集范围；距离太远则高速摄像模块镜头中的视野过大，干扰物多，且清晰度有所降低，影响采集精度。

选定好采集点后，按照图2所示结构搭建采集系统，并将振动谱采集系统的6个高速摄像模块分别对应一跨内6根整体吊弦，微调高速摄像模块的仰角和距离，使得被采集位置的整体吊弦上下两端均位于视野的2/3位置，保证振动过程中整体吊弦上下两端未超出视野范围。同时调整曝光时间等参数，保证采集清晰度，降低采集误差。此外，采集前应先进行系统测试，即列车经过前先进行采集，观察6个采集通道是否同步，并进行校准。

采集过程记录列车经过前、经过时、经过后采集点整体吊弦的振动过程，并生成振动谱。采集过程中，可以根据列车前后受电弓经过采集点的时间计算列车速度，并根据整体吊弦振动谱计算振动频率、压缩幅值等参数。

采集过程中，通过软件实时处理采集位置接触线和承力索的图像，并将图像数据转换为数字信息，实时绘制接触线和承力索的位移随时间变化曲线，并自动获取整体吊弦的振动谱。在图像读取过程中，分别在图像中标记出承力索的下侧与接触线的上侧（图4），然后通过识别图像中标记的位移量计算吊弦的位移。通过软件自动读取时，由于受到周边其他线索图像的影响，还需要根据吊弦的振动特征峰值规律不断对图像数据进行修正。