紅外熱像儀在電氣化鐵路弓網(wǎng)檢測中的應用

張發(fā)

[摘 要] 為了實現(xiàn)電氣化鐵路管理信息化、智能化的目標，我們提出了電氣化鐵路弓網(wǎng)檢測的應用方案。該方案采用安裝在電力機車上的網(wǎng)絡型在線式紅外熱成像儀，在電力機車運行時對接觸網(wǎng)電氣設備關鍵節(jié)點進行連續(xù)不間斷的溫度狀態(tài)監(jiān)測，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)實時記錄在存儲器中，通過對實時監(jiān)測到的目標溫度數(shù)據(jù)進行分析處理，生成數(shù)據(jù)報告，有效定位接觸網(wǎng)電氣設備的故障點。實際運行情況表明，系統(tǒng)輸出的溫度異常信息可以為預先排除接觸網(wǎng)電氣設備故障隱患提供有力依據(jù)，實現(xiàn)了接觸網(wǎng)檢測電氣設備管理從維護運行到狀態(tài)運行的重大提升。

[關鍵詞] 紅外熱像儀；在線檢測； 接觸網(wǎng)； 溫度狀態(tài)分析； 故障預警

[中圖分類號] F273 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2014）19- 0048- 03

1 引 言

鐵路作為國家重要的基礎設施、國民經(jīng)濟的大動脈和大眾化的交通工具，在現(xiàn)代運輸體系中發(fā)揮著重要的作用，是運輸行業(yè)中的中流砥柱。其中，電氣化鐵路已成為最重要的組成部分。

電氣化鐵路弓網(wǎng)擔負著把從牽引變電所獲得的電能直接輸送給電力機車使用的重要任務。因此電氣化鐵路弓網(wǎng)的質量和工作狀態(tài)將直接影響電氣化鐵路的運輸能力。

接觸網(wǎng)是露天設置，沒有備用，且長年暴露于鐵路上方，經(jīng)受污染、腐蝕和機車受電弓摩擦，線路上的負荷又是隨著電力機車的運行而沿接觸線移動和變化的。

紅外成像技術作為一門新技術，在電力設備運行狀態(tài)檢測中有著無比的優(yōu)越性。紅外成像是以設備的熱狀態(tài)分布為依據(jù)對設備運行狀態(tài)良好與否進行診斷，它具有不停運、不接觸、遠距離、快速、直觀地對設備的熱狀態(tài)進行成像的能力。

由于設備的熱像圖是對設備運行狀態(tài)下熱狀態(tài)及其溫度分布的真實描寫，而接觸網(wǎng)設備在運行狀態(tài)下的熱分布正常與否是判斷接觸網(wǎng)設備狀態(tài)良好與否的一個重要特征。因此采用紅外成像技術可以通過對設備熱像圖的分析來診斷設備的狀態(tài)及其隱患或缺陷。

2 應用現(xiàn)狀

鐵路系統(tǒng)很早就將熱像儀運用于設備的安全檢修上，通過其對電氣設備和線路的熱缺陷進行探測，這對于及時發(fā)現(xiàn)、處理、預防重大事故的發(fā)生可以起到非常關鍵而有效的作用。鐵路系統(tǒng)原有設備的紅外監(jiān)測方式對于接觸網(wǎng)設備基本沒有有效的監(jiān)測手段，只能靠運行人員沿鐵軌沿線巡視來掌握設備的運行狀態(tài)（人的自覺性、行政手段、運行經(jīng)驗及現(xiàn)場實證構成了目前變電站設備巡視管理的四大要素），存在著許多難以克服的問題。

原始數(shù)據(jù)積累問題：由于接觸網(wǎng)設備運行狀態(tài)的原始數(shù)據(jù)和信息的積累不足，對事故的預防及排除無法提供有用的輔助性資料。

監(jiān)測全面性問題：人工采用便攜式紅外設備檢測帶電設備的工作熱狀態(tài)，受限于操作員的身高與設備的安裝高度，對于接觸網(wǎng)設備的大部分位置無法全面觀察，而安裝在動車車頭上的在線式紅外熱像儀監(jiān)測時就不存在該問題。

在此背景下，人們強烈希望能出現(xiàn)一種可以自動控制的智能化的紅外熱像監(jiān)控診斷系統(tǒng)，以實現(xiàn)對紅外圖像的遠程控制操作。

隨著人工智能的發(fā)展和新型傳感器、計算機技術、信息處理技術的融合，特別是紅外熱成像圖像識別技術的發(fā)展，使得接觸網(wǎng)設備的自動安全監(jiān)測成為可能。系統(tǒng)建成后具有自動監(jiān)測、自動存儲、自動分析、自動告警等功能。

3 應用方案介紹

3.1 總體架構

由于接觸網(wǎng)沿鐵軌鋪設，并位于鐵軌上方，本系統(tǒng)采用將在線式熱像儀安裝的車頂上方的方式。只要選用合適的鏡頭和合適的安裝角度，就可以獲得清晰的受電弓和接觸網(wǎng)的紅外熱像，進而可以分析獲得接觸網(wǎng)設備的工作狀態(tài)分析報告。

由于弓網(wǎng)設備發(fā)生的熱故障是非突發(fā)性的故障，自動分析更符合實際和可靠。在自動工作狀態(tài)下，通過控制計算機配合高采集速度的紅外熱像儀保證對指定接觸網(wǎng)設備的重要部位進行圖像采集和溫度數(shù)據(jù)采集分析。在系統(tǒng)自動工作狀態(tài)下，對接觸網(wǎng)設備接點進行識別后進行測溫操作，系統(tǒng)自動記錄所測得的溫度數(shù)據(jù)并保存所采集的紅外熱圖，以便對設備運行情況進行分析，并存儲入數(shù)據(jù)庫。

采用統(tǒng)一智能識別分析處理模塊對所有的數(shù)據(jù)分析比較后，利用設定的判據(jù)，確定設備的工作狀態(tài)。發(fā)現(xiàn)故障后，發(fā)出報警信號，并可在數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的支持下，分析故障設備的劣化狀況。在分析過程中若發(fā)現(xiàn)目標設備溫度越限，系統(tǒng)發(fā)出文字報警信息和聲音報警信息以便運行人員發(fā)現(xiàn)、跟蹤并處理故障。

根據(jù)包頭段實際情況，系統(tǒng)設計為二級管理框架，建立一個管理中心作為整個系統(tǒng)的管理中樞，在各巡檢動車上安裝實時采集存儲，為巡檢結點。通過專用外置存儲器，定時將巡檢數(shù)據(jù)復制到管理中心，建立一個整體的紅外在線接觸網(wǎng)設備自動監(jiān)測體系，實現(xiàn)統(tǒng)一的監(jiān)測管理。

3.2 系統(tǒng)架構

系統(tǒng)由兩部分構成：（1）紅外熱圖實時采集存儲模塊；（2）紅外熱圖智能識別分析處理模塊。

紅外熱圖實時采集存儲模塊的主要作用是在動車運行過程中，以每秒25幀的速度采集紅外熱圖，并存儲到系統(tǒng)中，在存儲熱圖的同時，還從其他控制系統(tǒng)中獲得同步數(shù)據(jù)同時存儲，例如當前運行的公里數(shù)，當前的標準時間，當前的GPS定位信息等。

紅外熱圖實時采集存儲模塊采集的熱圖數(shù)據(jù)是整個系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)基礎。系統(tǒng)采用的DM6X系列紅外熱像儀采樣速度高，在具備數(shù)字視頻和模擬視頻信號的同時還具備可分析熱圖數(shù)據(jù)的輸出。儀器輸出的模擬視頻信號通過視頻線傳輸?shù)接脖P錄像機，以壓縮視頻的方式存儲下來；儀器輸出的溫度場信號通過TCP/IP協(xié)議傳輸?shù)酱鎯芾砜刂破鳎詼囟葓鰷囟鹊姆绞酱鎯ο聛怼?/p>

存儲管理控制器是整個系統(tǒng)的處理核心。系統(tǒng)在加電時自動啟動，自動進入工作狀態(tài)，開始采集熱像，并按照快速經(jīng)濟的原則將DM6X熱像儀輸出的熱像數(shù)據(jù)存儲到外置存儲器中。使用外置存儲器的目的是為了方便數(shù)據(jù)的轉移，因為紅外熱圖實時采集存儲模塊一般安裝在列車上，而紅外熱圖智能識別分析處理模塊一般由專業(yè)技術人員集中處理。

紅外熱圖智能識別分析處理模塊的主要作用如下：

海量數(shù)據(jù)管理維護：紅外熱圖實時采集存儲模塊每次工作都產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，上述數(shù)據(jù)要根據(jù)運行時間、運行地點等信息自動分類管理，方便查詢回放。系統(tǒng)可以按時間、車次、線路等信息查詢檢索數(shù)據(jù)。

自動設備故障識別：對上述海量數(shù)據(jù)，自動進行設備識別，判斷每張熱圖上的設備是否有故障現(xiàn)象。自動將故障設備的地理位置、熱圖數(shù)據(jù)、故障時間等信息形成報告。

4 接觸網(wǎng)故障診斷

4.1 接觸網(wǎng)故障判斷方法

本系統(tǒng)建成后，實現(xiàn)了動車運行過程中自動對所有經(jīng)過的線路接觸網(wǎng)工作狀態(tài)進行監(jiān)測，并可以按預先設定的預警觸發(fā)條件發(fā)出聲音報警信號，提醒運行人員（或值班監(jiān)控人員）及時采取相應的措施，確保接觸網(wǎng)設備運行的安全，提高維護運行人員對設備缺陷的識別能力和預見性。

4.2 接觸網(wǎng)溫度圖像分析實例

采用了本系統(tǒng)從根本上提高了接觸網(wǎng)設備的巡檢效率，有效地降低了巡檢人員的工作強度。

4.3 應注意事項

采用紅外圖像法測量接觸網(wǎng)溫度，測量結果無可避免的會受到檢測位置環(huán)境的影響，如果在檢測過程中，正好太陽進入測量現(xiàn)場中，將在圖像上形成一個溫度很大的光斑，引起系統(tǒng)誤判。

5 結束語

采用接觸網(wǎng)設備自動紅外在線監(jiān)測系統(tǒng)，在保證接觸網(wǎng)設備健康運行的同時，也為接觸網(wǎng)設備檢修重點提供了科學的依據(jù)，也就相應增加了接觸網(wǎng)設備的可用率，較大程度上提高了工作效率，為減人增效提供了可能，實現(xiàn)管理的信息化、智能化，確保了接觸網(wǎng)設備管理目標的實現(xiàn)，為鐵路運行安全乃至社會的穩(wěn)定提供了技術保障。

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