接觸網剛性懸掛檢測系統在城市軌道交通牽引供電系統中的應用

芮 晨，陳善樂，杜海源，李曉飛，李 軼

（1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京100055；2.石家莊市軌道交通有限責任公司，河北 石家莊050035；3.天津凱發電氣股份有限公司，天津300392）

0 引 言

隨著我國經濟的快速發展及城鎮化的快速推進，都市擁堵日益嚴重，常規的公共交通已無法滿足城市客運的需求。城市擁堵日益成為阻礙城市發展的主要因素之一，降低了市區人口出行效率。而城市軌道交通具有發車間隔短、運行速度快、站點時間準、運輸量大、清潔環保和不會產生擁堵等優勢，成為改善城市擁堵的有效途徑。近年來，在黨和國家政策的引導下，國內一、二線城市均在大力修建城市軌道交通，部分三線城市也開始規劃修建城市軌道交通，城市軌道交通進入了史無前例的飛速發展時期。

接觸網系統作為連接電力機車和城軌供電系統的關鍵環節，是地鐵列車的主要電力來源[1]。剛性接觸網具有諸多優點，如不易斷線、易于維護、架構簡單等，已廣泛應用于地鐵行業。但是，由于工作環境惡劣，且長期工作在振動工況下，其支持、定位、懸掛等裝置容易出現松動或脫落等問題。如果不及時處理，將引發嚴重的故障，造成行車事故，甚至帶來極大的經濟損失[2]。

目前，對接觸網懸掛裝置的檢測主要依賴于人工巡視，不僅耗費人工，且不能及時發現缺陷。針對這種情況，2012年鐵總發布《高速鐵路供電安全檢測監測系統（6C系統）總體技術規范》，并對接觸網懸掛狀態檢測監測裝置（4C）做出了明確要求，且于2014年頒布《接觸網懸掛狀態檢測監測裝置（4C）暫行技術條件》，對4C做了進一步規范[3]。

本文根據現有的接觸網懸掛檢測監測技術[4]，詳細分析其在城市軌道交通牽引供電領域的應用，并對城市軌道交通接觸網懸掛檢測監測系統的發展進行展望。

1 接觸網剛性懸掛檢測系統

接觸網剛性懸掛檢測監測裝置（4C）一般安裝在接觸網檢測車、作業車或其他專用軌道車輛上，通過高清工業相機，對行車沿線的定位裝置、支持裝置、接觸懸掛、附加懸掛、吊柱座等區域進行全覆蓋高清成像檢測，從而獲取零部件細節工況圖像，并通過后期圖像分析，發現隱蔽缺陷，排除事故隱患[5]。

1.1 基本功能

（1）控制功能。能預置和隨時靈活更改檢測線路和起始位置；具有啟動、暫停、運行、復位功能；預留人工干預功能。

（2）定位功能。采用非接觸式技術實現支吊柱的精確定位，并獲取行車途中公里標和桿位信息。

（3）巡查功能。對行車途徑的接觸網定位裝置、支持裝置，附加懸掛、吊柱座區域進行清晰拍攝，以獲取故障信息。

（4）巡視功能。采用高清相機全程記錄行車沿線接觸懸掛區域工況，并提供采集過程中接觸網缺陷的快速分析與復核功能。

（5）輸出功能。能保存所有巡線視頻和抓拍圖像，附加時間、線路、桿位、區域信息于圖像數據中，形成可管理的圖像存儲。

（6）成像監控功能。能實時監控設備各組成部分功能，反映裝置工作狀態。

（7）接觸網圖像信息管理功能。支持按照檢索檢出圖像的管理，能夠靈活縮放圖片，顯示其行車定位信息進行查詢。

接觸網剛性懸掛檢測監測裝置一般是周期檢測和重點檢測聯合應用。周期檢測是指對相關接觸網設備的技術狀態進行周期性檢測，周期一般為每季度不少于1次。而重點檢測則是根據歷史信息，對故障高發區進行專項檢測。

1.2 接觸網剛性懸掛檢測監測技術設備現狀

接觸網剛性懸掛檢測監測系統一般由車載幾何參數測量模塊、車載高清圖像采集模塊、車載控制模塊以及非車載的數據分析模塊組成。檢測模塊如圖1所示。

圖1 檢測模塊

目前，已有多家公司研發了該裝置，但各個公司技術水平不盡相同，市面上暫未有精確的4C裝置。羨慕將對各主要廠家的成品進行簡單分析。

（1）某廠家使用一種基于圖元分類的方法進行懸掛檢測。首先，對采集到的圖像進行邊緣信息提取，得到圖像中各連通域的邊界曲線，根據其曲率變化率實現桿狀物的提取與去除，進而實現圖像中各零部件的圖元分割。然后，根據SURF算法對提取的每一個圖元區域提取其局部不變特征點，并與標準圖像進行局部特征點匹配，計算兩者之間的仿射變換矩陣，從而識別與定位零部件。利用改進后的隨機抽樣一致算法RANSAC（RandomSampleConsensus）篩選匹配后的特征點，去除錯誤點。通過計算模板圖像與各圖元之間的仿射變換矩陣，實現各零部件的精確定位。根據事前設定好的故障狀態，對各零部件的故障狀體進行對比檢測。

（2）某廠家有基于線陣CCD的非接觸式測量導高拉出值，即在車頂安裝CCD相機進行圖像采集，然后通過圖像處理方法計算出導高拉高值。同時，也有接觸式測量方法。通過角位移傳感器和動態補償裝置，測量受電弓的升弓高度，然后根據壓力傳感器測量拉出值。由幾何算法和電壓導高對應查表法計算出導高，通過在弓頭安裝四個壓力傳感器測量拉高值。同時，通過激光三角形測量法，根據激光鏡頭與遠、近界面的成像三角形測量支柱的方式，檢測定位點。在車輛的軸頭位置安裝光電編碼器，根據車軸的轉動測量距離，進而可以測量車速和跨距。然后，運用圖像處理技術分析采集到的圖像，從而查找出缺陷。

（3）某廠家利用圖像處理方法計算導高與拉出值，即預處理CCD拍攝到的圖片后，通過迭代閾值定位圖像激光光斑中心，并將二維平面上的特征點與三維坐標建立對應關系，由此計算出導高拉高值。預處理包括對圖像數據進行灰度化、二值化及除噪等。而根據這種思想檢測接觸懸掛部件的方法是，通過線陣CCD相機進行圖像采集，判斷圖像是否有預設的激光被遮擋特征，根據存在的特征條件定義為相應的零部件。

2 接觸網剛性懸掛檢測系統在城市軌道交通牽引供電系統中的應用

目前，根據鐵總的文件要求，城軌交通已積極開展4C檢測，由專業技術人員進行人工識別。檢測報告與歷史數據比對分析后，安排專員進行處理。下面將以成都唐源電氣公司研發的4C裝置在城軌交通牽引供電系統中的應用情況為例進行分析。

2.1 裝置組成

本裝置硬件結構主要包括車載與非車載兩部分。其中，車載硬件結構主要用于對線路數據進行檢測和缺陷的在線智能識別，獲取原始圖像和在線缺陷識別數據；非車載硬件結構主要為數據分析服務器和個人電腦，用于進行圖像的離線智能識別、人工查看與處理等工作。數據分析服務器性能高，便于進行離線高效率的缺陷智能識別；個人電腦便于進行人工圖像查看分析，不受地點、數量的限制。

車載硬件結構由支吊柱定位裝置和支持裝置抓拍相機組、附加懸掛及吊柱座抓拍相機組、桿號抓拍相機組、接觸懸掛相機組、GPS模塊、補償光源設備、支吊柱識別裝置、嵌入式觸發控制模塊、高性能服務器、裝置電源管理模塊及顯示與操作設備組成。

各相機針對不同的區域進行專門設計，能適應不同區域的高清拍攝。因為覆蓋區域足夠大，所以可保證圖像的無遺漏拍攝。

2.2 實拍圖例

接觸網高清成像采用2臺高清數字相機實現（相機分辨率達到1024×1024）接觸網懸掛零部件的高清成像，分辨率達到25fps，成像示意圖如圖2所示。

圖2 接觸網零部件高清成像效果圖（參考成都地鐵1、2號線）

通過采用高清相機對接觸網進行高清成像檢測，能夠獲得高清晰度的圖像，可清晰分辨匯流排、中間接頭、膨脹接頭、絕緣子、腕臂、定位器、定位線夾、懸吊安裝底座、中心錨節、分段絕緣器、吊弦、線岔狀態等部件的細節特征，并能夠自動識別絕緣子傾斜及破損、中間接頭螺母脫落、接觸線脫槽等故障。在隧道低照度環境下，可采用補償光源，有效照明拍攝目標區域，保證成像效果。

2.2.1 定位裝置及支持裝置

支吊柱定位裝置及支持裝置抓拍相機組，由16個分辨率為6576×4384的2900萬像素工業相機組成，用于對左側平腕臂底座、左側斜腕臂底座、右側平腕臂底座、右側斜腕臂底座、承力索座、正定位支座、反定位支座、定位線夾和腕臂底座區域進行高清拍攝。

此外，考慮到裝置整體結構的完整性，配置2個500萬像素的工業相機進行全景圖像的拍攝。實際拍攝圖像清晰程度可達到圖3、圖4所示的效果。

圖3 定位管底座實際拍攝效果

圖4 線夾實際拍攝效果

2.2.2 附加懸掛及吊柱座

考慮到吊柱座與腕臂頂部的附加懸掛區域基本重合，因此本裝置采用4個1600萬像素的高清工業相機構成附加懸掛及吊柱座抓拍相機組，用于對附加效果、吊柱座進行拍攝。實際成像效果如圖5、圖6所示。

圖5 附加懸掛相機組成像效果（頂部絕緣子）

圖6 吊柱座區域相機圖像

2.2.3 桿號抓拍相機

桿號抓拍相機組由2個分辨率為1280×960的130萬像素相機組成，成像效果如圖7所示。這2個相機分別安裝于車體靠近外邊緣的兩側，用于對車體車下方的桿號進行拍攝。

圖7 桿號抓拍相機組圖像

2.2.4 接觸懸掛攝像

接觸懸掛攝像相機組由3個分辨率為2448×2050的500萬像素相機組成。拍攝方式為左右側對拍，相機拍攝位置如圖8（a）所示，拍攝效果如圖9（a）所示。另一個500萬像素相機用于從下向上對接觸懸掛進行連續拍攝，相機拍攝位置如圖8（b）所示，拍攝效果如圖9（b）所示。

圖8 接觸懸掛區域攝像機拍攝示意

圖9 接觸懸掛攝像相機組實際效果

2.3 檢測發現典型問題

缺陷1：絕緣瓷瓶破損，如圖10所示。

圖10 絕緣瓷瓶破損

缺陷2：腕臂底座開口銷開口過小，如圖11所示。

圖11 腕臂底座開口銷開口過小

從現場及各廠家的設備情況來看，目前市面上的4C設備已基本滿足現場初步需求，但依然存在一些問題，如高清成像效果一般、接觸懸掛的幾何參數測量不夠精確等。

3 結 論

為保障電客車的正常運行，對城市軌道交通接觸網的故障及時預警和快速維修提出了需求。接觸網剛性懸掛狀態檢測在設備維護中具有極其重要的作用，是確認設備狀態、提供維修依據的關鍵。本文通過介紹現有的接觸網懸掛檢測裝置，針對其在城市軌道牽引供電系統的應用進行分析。通過分析可以看出，接觸網剛性懸掛檢測監測系統使工作人員在動態巡查過程中即可直接查看接觸網懸掛設施的現場細節工況。裝置以查閱圖片方式、智能識別的方式取代人員現場檢查，可及時發現接觸網相應部位的隱蔽缺陷，減輕其勞動強度，提高作業效率和質量，對預防安全故障、保障供電安全發揮了重要作用。但是，接觸網懸掛狀態的智能識別還存在一些問題，其在零部件變形、部件脫落等缺陷識別方面識別率還不夠高。隨著新的高鐵接觸網維修規則的下發與試用，接觸網懸掛狀態檢測必然還需要在技術、設備、管理模式上進行完善提高，而這也將是下一步的研究重點。

參考文獻：

[1] 吳積欽.受電弓與接觸網系統[M].成都：西南交通大學出版社，2010.

[2] 于萬聚.高速電氣化鐵路接觸網[M].成都：西南交通大學出版社，2003.

[3] 中國鐵路總公司運輸局供電部.接觸網懸掛狀態檢測監測裝置（4C）運用管理指導意見[Z].2014.

[4] 陳唐龍.高速鐵路接觸網檢測若干關鍵技術研究[D].成都：西南交通大學，2006.

[5] 拜虎嘯.高速鐵路接觸網懸掛狀態檢測研究[D].北京：中國鐵道科學院，2016.