車載弓網運行狀態檢測裝置的研究

段緯峰

摘 要：我國電氣化鐵路因弓網事故造成的停電、停運等事故占到了總數的75%以上，隨著鐵路高速化的發展，對安全性要求的提高，防止弓網事故的發生變得更為重要。為防止弓網事故的發生，需要一套高效、準確、實時的弓網檢測系統檢測弓網的狀態。

關鍵詞：弓網安全監測；視頻檢測技術；車載；故障分析

中圖分類號：F530.3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-3520（2014）-01-0180-01

一、技術背景及研究目標

電氣化鐵路是由電力機車牽引列車所行走的鐵路，能源由電力牽引供電系統提供。和使用內燃、蒸汽機車牽引的鐵路相比，具有技術經濟上的優越性。它能大幅度提高運輸能力，節約能源，降低運輸成本，有利于保護環境，并能增加安全可靠程度。高速電氣化鐵路（high speed electric railway）是行車速度在200km/h～350 km/h的電氣化鐵路。由于其本身具有的載客量高、輸送能力大、速度快、安全性好、正點率高、舒適方便、能源消耗低、環境影響輕、經濟效益好等顯著優點，受到了世界各國的廣泛重視。高速鐵路的接觸網的懸掛方式也與普通鐵路不同，來保證高速動車組的接觸穩定和耐久性。車載弓網運行狀態檢測裝置的研究目標，是實現無需人為干預，在全天候（晝、夜、風、雨、雪、霧）的條件下自動完成參數檢測和在車上轉存。能對弓網運行狀態進行高清視頻錄像和實時觀看，錄像資料中能疊加里程標數據。能定量測量弓網的實時溫度，捕捉異常溫度值。主要弓網受流參數，包括：弓網離線火花、硬點等。

二、研究內容及實現方法

沿著鐵路線的兩旁，架設著一排支柱，上面懸掛著金屬線，即為接觸網，它也可以被看作是電氣化鐵路的動脈。電力機車利用車頂的受電弓從接觸網獲得電能，牽引列車運行。電力機車在滑動取流的過程中受到滑動、摩擦、熱、電和化學等多種因素的影響。我國電氣化鐵路因弓網事故造成的停電、停運等事故占到了總數的75%以上，隨著鐵路高速化的發展，對安全性要求的提高，防止弓網事故的發生變得更為重要。

為防止弓網事故的發生，需要一套高效、準確、實時的弓網檢測系統檢測弓網的狀態。對各類弓網故障及各種檢測技術進行分析對比，總結提出了這種新的弓網檢測辦法。該裝置主要由車載設備部分和地面數據分析部分組成。采用非接觸式的檢測方法，實時提供弓網運行狀態高清視頻信息，自動檢測弓網溫度等物理參數，實現電氣化鐵路弓網狀態的動態檢測功能，為弓網的動態復核和日常維護提供科學依據。車載裝置部分由5個部分組成，包括車頂數據采集設備、車內顯示設備、控制設備、電源、和連接傳輸線路。該方案中，兩節車廂的攝像機及夜間補光燈和熱成像儀都位于車廂頂部，兩端司機室各部署一臺液晶顯示器。在火車B節車廂中部署一臺監控主機，通過B節車廂蓄電池供110V電源，通過傳輸線纜連接車廂各設備，兩節車廂間利用重連線相接。最終通過監控主機將數據輸出到兩司機室的液晶顯示器上顯示。根據已確定的安裝位置進行安裝，安裝時要注意線路的接法，每個設備在安裝之前一定要先搞清楚線路接法。攝像機、熱成像儀、夜間補光燈 在滿足監視目標現場范圍要求的條件下，攝像機、熱成像儀、夜間補光燈及其配套裝置，如鏡頭、防護罩、支架等，安裝應牢固，必要時須用鋼絲套索固定；在強電磁干擾環境下，攝像頭安裝應與地絕緣隔離。線纜外露部分用軟管保護，開孔處應用泡沫膠填充。液晶顯示器安裝在司機室，由于需要利用面板按鍵操作，所以液晶顯示器應安裝在司機可視范圍內，并且方便操作的位置；液晶顯示器利用6顆螺絲固定。監控主機 采用車載110V電源供電，由主機提供液晶顯示器、熱成像儀、攝像頭的12V電源。系統結構如圖1所示。

圖1

三、技術特點及指標

采用成熟、先進技術，保證系統在一定的時期內保持穩定，不會因技術的淘汰而無法繼續推廣使用。電力機車的電磁環境惡劣，該設備是為保證行車安全而研制的，因此系統的可靠性及穩定性必須作為首要考慮的原則，所用設備根據電力機車環境定制，做到高可靠性、高安全性、達到工業級標準，以保證系統運行的穩定性。系統選用了嵌入式操作系統，體積小、穩定性高，不易被病毒侵害，且安裝簡便、靈活、快捷，使用方便，免維護，工作穩定可靠，保證了系統運行的穩定性。采用固態硬盤可以在車載環境中避免行車顛簸、車身震動等情況給設備帶來的強烈外部沖擊，這些沖擊會使硬盤的磁頭發生振動，并與盤片發生拍擊，產生致命的微小碎屑，最終導致硬盤的損壞。采用了航空插頭作為視頻信號、音頻信號、攝像機電源的接口，在車載振動環境中不易脫落，大大的保障了車載環境下系統的穩定。

主要技術指標：1）檢測范圍：受電弓工作狀態，車頂圖像，包括接觸網狀態，能有效檢測機車受電弓滑板條丟失、受電弓傾斜、受電弓無法升起等故障。2）采用高速CCD相機，支持1080P/30幀，采用高清無壓縮HD-SDI傳輸。3）采用高清工業鏡頭、偏振鏡等消除圖像曝光過度或不足等現象。4）主機支持2-4路1080P高清視頻監控，錄像存儲、檢索。5）支持圖像縮放：在解碼顯示時，可以對受電弓滑板等進行全屏放大顯示，司機可以在小圖像和全屏圖像之間進行切換。6）TAX數據存儲：把公里標數據疊加在錄像視頻上，并按一定的索引格式存儲，便于今后的檢索。7）專用的車頂攝像機護罩：專用的車頂攝像機護罩，把LED補光、攝像機集成在護罩內，便于今后的安裝維護。8）抗惡劣環境：支持IP66以上防護設計、抗電磁干擾和防震設計。9）良好的擴展性：預留外部數據和告警信息輸入。

四、結束語

該裝置研制成功后，能夠廣泛應用在電力機車上。在機車運行過程中，無需人為干預，全天候自動完成參數檢測和數據的采集，在接觸網發生故障時，能夠幫助隨車機械師進行事故原因分析，有效縮短事故分析處理的時間，為鐵路安全運輸秩序提供了保障。通過分析積累的采集數據，能夠找出接觸網故障發生的一定規律，起到預警作用，為接觸網的維護和調整提供科學依據，做到節約成本、降低支出，推廣應用前景非常廣闊。