电气化铁路弓网综合检测数据分析方法

王小兵，朱海峰，杨志鹏，汪海瑛，王斌

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司 基础设施检测研究所，北京 100081；2.中国铁路南昌局集团有限公司 工电检测所，江西 南昌 330000）

0 引言

随着电气化铁路的快速发展，我国建立了供电6C系统，用于接触网零部件外观、弓网运行状态、受电弓滑板状态以及特定位置关键设备状态和运行环境的实时检测监测，为掌握设备服役性能、开展精准维修提供技术支撑，6C系统已成为接触网养护维修管理体系的重要组成部分［1-2］。其中弓网综合检测装置（1C）在消除弓网安全隐患、保障正常运输、量化描述接触网整体质量、为现场提供维修决策依据以及提供管理方面的需求发挥了重要作用。

电气化铁路弓网综合检测经历了检测技术发展、评价体系完善两大阶段。随着大数据时代的到来，近年来更加重视数据分析方法研究，深入挖掘数据价值，掌握设备的变化规律。王斌等［3］从动态缺陷诊断、动态性能评价、静态检测数据布置特征、动态检测数据变化特征等多个维度对接触线运行质量进行评估，总结出一套与接触网三级修匹配的检测数据分析方法。张于峰等［4］分析了刚性悬挂接触网参数特征及特性响应，采用核密度分析法对比刚性与柔性接触网参数特征响应，提出刚性悬挂接触网评价建议标准。申涛等［5］针对弓网检测数据特性，采用波形图特征分析法，解决传统分析方法存在定位误差大、准确度低的问题，提高缺陷整治效率及准确性。以上数据分析研究均为针对特定问题或应用场景提出的解决措施，系统分析弓网综合检测数据特征、总结数据分析方法的研究较少。

电气化铁路弓网综合检测所获得的海量数据，经由专业化的数据分析和处理，才能最终形成可用数据，因此，研究数据分析方法非常重要。高效的分析方法、精确的分析结果、直观的数据展示不仅能帮助运营维修单位及时排除设备安全隐患，准确掌握接触网状态及变化趋势，还可作为制定维修策略、调配维修资源的依据［6］。

1 弓网综合检测数据特征

1.1 数据分析工具

弓网综合检测数据主要以wave格式波形呈现，接触网波形分析软件可实现数据的显示、分析、对比、回放、导出、打印等功能，软件界面见图1。波形文件信息包括检测日期、线路名称、线别、行别、局别、列车运行方向、检测受电弓等。

图1 弓网综合检测数据波形分析界面

1.2 典型数据特征

接触网结构、设备、线索、零部件包括的形式及种类很多，弓网综合检测采集到的支柱（定位点）、吊弦、锚段、锚段关节、关节式电分相、分段（分相）绝缘器、线岔等结构或设备［7］，以不同的特征展现在波形数据中输出。正确识别波形数据中的典型结构特征对弓网综合检测数据分析非常重要，有利于识别缺陷、确定位置、分析原因、制定整改措施等。

（1）支柱（定位点）：支柱是接触网的主要支撑设备，将接触导线分隔成独立的跨，表征接触导线重要的结构特性，对支柱的准确识别有助于快速定位缺陷所在位置。图1竖直方向贯通各通道的虚线即代表支柱所在位置。

（2）曲线：轨道线路有直线和曲线2种形式，沿轨道线路架设的接触网在直线或曲线时存在不同的结构特性和弓网运行特性。检测波形将处于直线和曲线的接触线走向放在同一直线坐标进行呈现，曲线段接触线在检测波形图上呈现为圆弧形（见图2）。

图2 曲线区段拉出值结构形式

（3）锚段及锚段关节：锚段是接触网的基本单元，在分析接触网特性时具有重要作用。1个锚段包括若干个跨局、1个中心锚结、下锚装置以及与相邻锚段衔接的锚段关节。锚段关节是锚段的衔接部分，根据所含跨数可分为三跨、四跨、五跨等结构形式，按电气关系可分为绝缘和非绝缘关节。锚段关节在波形数据中的典型结构形式见图3。对锚段关节进行分析时，首先由等高点位置确定中心柱或转换柱，然后结合锚段关节特性向外推，找到锚柱位置；通过数值窗口，能够计算锚段关节双支接触线的垂直距离与水平距离。

图3 锚段关节在波形数据中的典型结构形式

（4）关节式电分相：常用关节式电分相结构主要有六跨、七跨、八跨、九跨、十二跨、十三跨，各种结构在实际工程中均有应用。关节式电分相共同特点是由2个独立的绝缘锚段关节组合而成，其结构特征与绝缘锚段关节相同，分析时可参照绝缘锚段关节。六跨、八跨关节式电分相在波形数据中的典型结构形式见图4。

图4 六跨、八跨关节式电分相在波形数据中的典型结构形式

（5）分段（分相）绝缘器：分段绝缘器主要用于车站货物线及有装卸作业的站线、机车整备线、车库线、专用线、同一车站不同车场之间的横向电气分段，检测数据显示分段绝缘器位置的接触力和硬点数值具有明显波动。分相绝缘器主要用于未改造的普速电气化铁路电分相位置，一般由3～4个分段绝缘器按标准距离串接安装，分相绝缘器结构特征、检测数据特征与分段绝缘器相似。

（6）线岔：交叉线岔由2根交叉接触线、1根限制导杆及线夹组成。通过交叉线岔时，受电弓从一支接触线过渡到另一支接触线，检测数据显示接触导线存在明显的交叉和转换的特点。交叉线岔在波形数据中的典型结构形式见图5。

图5 交叉线岔在波形数据中的典型结构形式

无交叉线岔分为不带辅助锚段和带辅助锚段2种形式。正线通过不带辅助锚段无交叉线岔，受电弓沿正线接触悬挂平滑通过线岔区域，与侧线不发生任何接触；侧线通过不带辅助锚段无交叉线岔，接触中的接触线从受电弓工作面向外、向上脱离受电弓，另一支接触线从受电弓滑板导角处滑向受电弓工作面，2支接触线无交叉。不带辅助锚段无交叉线岔在波形数据中的典型结构形式见图6。正线、侧线通过带辅助锚段无交叉线岔，受电弓滑板均要与辅助锚段接触，其特性和分析与锚段关节相似。

图6 不带辅助锚段无交叉线岔在波形数据中的典型结构形式

1.3 数据定位

接触网设备呈线状分布，点多线长，定位支撑装置、接触悬挂等关键设备处于高空，并且带高电压，部分检测数据的复核依靠人眼在线路上不能被轻易识别，需要停电并依靠作业车才能完成，设备缺陷排查工作量大，因此检测数据的定位准确性非常重要。弓网综合检测采用高速电子标签、全球定位系统与惯性导航系统（GPS/INS）和光电编码器相结合的里程定位，因多种客观因素造成检测里程存在一定误差，导致直接以里程进行缺陷复核整改过程中，出现无法找到实际缺陷位置而不得不扩大缺陷复核（排查）范围的情况［5］，浪费大量时间、人力、物力。

接触网中间支柱上的设备相互之间无明显差异，反映到弓网综合检测波形数据上同样无明显差异，当需要复核查找的缺陷数据位于锚段中间支柱时，采取参考弓网综合检测获取的公里标，利用接触网结构反映在波形数据中的典型数据特征进行定位。比如首先找到距离公里标最近的锚段关节中心柱、转换柱、锚柱等特殊结构在波形数据中的位置，计算缺陷位置与特殊结构位置之间的支柱数量，接触网平面图中可查出准确的支柱号，实现缺陷精确定位，给现场整改维修减少查找位置的时间，提高维修效率。利用锚段关节精确定位拉出值缺陷位置情形见图7。

图7 锚段关节精确定位拉出值缺陷位置

2 弓网综合检测数据分析方法

结合行业管理特点、数据特征及流程化管理方式，弓网综合检测数据分析运用逐渐深入。在开展接触网局部缺陷诊断与综合状态评价过程中，运用阈值管理、图像辅助、重复性对比、图形化、数据综合、数据融合等分析方法，达到全面、科学、合理地反映接触网状态和质量管理。弓网综合检测数据分析方法运用流程见图8。

图8 弓网综合检测数据分析方法运用流程

2.1 阈值管理分析

研究某个参数的取值时，即确定损益平衡点处参数的取值常用阈值分析法。研究弓网间相互作用参数的目的是保证相关设备的安全运行、受流质量良好，确定各参数处于一个合理的范围内，根据设备参数、性能要求、运行经验设置相应的管理阈值，达到或超出阈值判定为缺陷。弓网综合检测数据主要通过阈值判断的方式发现设备的局部缺陷，局部缺陷诊断的评判依据明确规定了各参数的阈值标准，包括接触网动态几何参数（拉出值、接触线高度）、弓网受流参数（弓网接触力、燃弧）、接触线平顺性参数（硬点、一跨内接触线高差）［8］等，并根据各参数数值达到不同级别时可能产生不同的危害程度、性能等级设置了一级和二级阈值。

弓网综合检测数据阈值管理分析方法是对各参数按照阈值判断标准逐个数据进行比对，波形数据软件按分析依据设置各参数阈值刻度线，达到或超过刻度线的位置即判定为缺陷，实现局部缺陷诊断评价。阈值管理分析需要根据速度等级、设计参数调整线路或线路区段阈值刻度、异常点（或干扰点）和接触线非支抬高数据需要进行甄别。

2.2 图像辅助分析

弓网综合检测设备、传感器等暴露在恶劣的自然环境中，难免会采集到无效信息，干扰数据分析。利用图像数据可对分析过程进行甄别，排除干扰，同时可对检测出的缺陷类型、位置、危险程度、产生原因等利用图像数据做进一步确认。比如通过图像可确认拉出值缺陷的真实有效性，接触线在受电弓滑板上的位置判断拉出值影响弓网运行安全的危险程度，杆号定位缺陷位置，省去现场复核环节，为及时提出维修决策、制定维修方案提供参考依据。图像辅助分析已成为判断弓网综合检测缺陷的重要手段。

2.3 重复性对比分析

假设接触网设备状态未发生变化，同一线路连续多次检测的数据应当相同，但实际检测设备工作环境恶劣，受风、雨、雪、沙尘等的侵袭，检测运行速度受运输调控，承载传感器的受电弓存在固有特性差异，接触网的柔性特点使得检测数据易于受到外界干扰等因素，造成弓网综合检测数据存在波动。某些受外界影响较大或者仅影响弓网受流质量的参数仅通过单次的检测数据分析不能直接用于判断接触网设备状态，盲目进行设备整修可能适得其反，同时浪费维修资源。弓网接触力、燃弧等评价参数应当采用多次检测数据的重复性对比分析结果，确定是否有必要进行现场复核，并进一步制定维修计划和方案。

弓网综合检测波形数据分析软件可直接对3次检测数据进行叠加对比分析，多次数据可制作成图形、图表进行对比。对比时需考虑不同受电弓型号、不同检测速度的情况，使对比符合客观事实，结果更加真实有效。对比分析短期内检测数据可反映接触网设备短时状态变化，判别局部缺陷诊断的有效性或评价维修效果；对比历史数据可反映接触网设备性能特征，了解设备状态变化规律或变化趋势，掌握设备质量不良的区段、易发弓网运行状态不良的时间段。

2.4 图形化分析

图形化分析是弓网综合检测数据分析的重要方式，重点是将检测数据进行数字化处理，根据分析需求采用软件工具将数字转换成图形，使用图形展现的设备状态、变化趋势更加直观。图形分析法包括形象图法、趋势图法、分布图法、统计图法等，图形方式有柱状图、饼图、曲线图、三维曲面图等［9］，反映检测参数的百分比、分布情况、重复性、变化趋势等。

2.5 数据综合分析

接触网是由众多既独立又相互关联的设备形成的一个庞大系统，弓网关系复杂，对检测数据的局部或单一参数进行分析往往不能准确掌握设备的整体状态，无法对接触网的整体质量进行量化描述。同时，随着高速铁路的快速发展，依靠局部评价方式发现的缺陷越来越少，已无法满足指导养护维修需求。为实现根据接触网实际状态实施预防性状态维修的目标，采用数据综合分析，通过全面分析动态拉出值、动态接触线高度、弓网接触力、燃弧率［10］等参数，全面分析动态检测数据，构建动态性能指数（CDI），评价弓网受流质量，掌握接触网动态性能变化趋势，为合理制定维修策略、分配维修资源提供依据。

2.6 数据融合分析

供电6C系统各检测装置的使用，完善了接触网设备检测监测手段。6C系统各装置获取的检测监测数据相互独立，对分析接触网不同层面的状态均有重要价值，同时各检测装置数据间存在相互支撑、互为补充的关系，融合分析各装置的检测数据能更准确判断接触网设备状态、更深入掌握设备运行规律，提高检测数据的使用价值。弓网综合检测数据周期性强、数据丰富，具备广泛的分析基础，动态运行参数侧面反映了接触网设备状态，对6C系统其他各装置的数据分析起到支撑作用。

3 典型运用

3.1 接触网参数问题反映

某高速铁路弓网综合检测阈值管理分析出燃弧一级缺陷，缺陷位置的其他动态参数未超出阈值管理规定，波形数据对比分析显示燃弧具有重复性，燃弧时间有差异。单从波形数据分析不能直接判断燃弧缺陷的危害程度。通过当次检测视频数据分析定位燃弧位置，截取视频图像并放大燃弧位置接触线可见导线硬弯和磨耗不均。该位置长期运行存在损伤受电弓滑板和接触线断线风险，利用锚段关节精确定位缺陷复核位置，上线整治时发现接触线存在明显硬弯。该位置的燃弧缺陷通过图像辅助分析确定了产生原因，省略了现场复核步骤。图像辅助分析接触线硬弯缺陷见图9。

图9 图像辅助分析接触线硬弯

3.2 设备状态变化趋势分析

某高铁线路接触网1处中心锚结位置接触线高度持续恶化，采用三维曲面图展示该锚段多次检测接触线高度数据随时间和空间的变化趋势，为掌握中心锚结位置接触线高度恶化开始时间、变化规律提供了直观的参考依据（见图10）。采用趋势图展示某高铁线路自开通以来弓网综合检测缺陷数量的逐年变化趋势，为掌握接触网设备运营磨合周期、评价设备管理质量或分配维修资源提供参考依据（见图11）。

图10 三维曲面图反映接触网设备参数变化趋势

图11 柱状图反映接触网缺陷数量逐年变化趋势

3.3 设备状态联动反映

综合分析特定位置接触线高度与弓网接触力参数，诊断补偿装置工作状态（见图12），高效指导现场维修［10］。图12（a）显示了弓网综合检测显示锚段单元动态性能指数（CDI）突变，接触线高度分量（CDIH）和弓网接触力分量（CDIF）变化明显，波形数据阈值管理接触线高度达到一级缺陷，数据定位指向中心锚结，数据分析初步判断为中心锚结存在异常。接触网各设备之间为柔性线索连接，视为一个整体，各设备之间存在联动、状态匹配，中心锚结异常与补偿装置状态存在关联，建议同时复核该锚段中心锚结和补偿装置状态。现场复核发现一侧接触线中心锚结绳受力过紧致接触线抬升，两端吊弦不受力，进一步检查发现该侧补偿装置接触线坠砣限制框架整体倾斜，坠砣滑轮与限制框架偏磨卡滞。接触线坠砣卡滞后，锚段内接触线因热胀冷缩失去张力平衡，拉拽中心锚结造成几何参数变化，进而引起弓网接触力异常。

图12 数据综合分析中心锚结与补偿装置状态

4 结束语

随着高铁路网的加密，对运输安全和服务质量提出了更高要求，弓网综合检测的重要性更加凸显。为提升弓网综合检测质量，丰富检测项目、加密检测周期、实施智能诊断和决策等对数据分析工作提出了新的挑战。该数据分析方法对提升弓网综合检测数据的使用价值，提高一线技术管理人员的检测数据分析能力、效率、深度、广度以及数据展示质量具有重要参考价值。