和諧型機車受電弓及車鉤狀態監控裝置研究

任義軍

(中國鐵路西安局集團有限公司 機務處， 西安 710054)

機車車載安全防護系統(6A系統)[1]自2014年在西安局批量裝車以來，對機車運用安全發揮了極其重要的作用，但在實際運用中，機車6A視頻子系統僅能監視機車前端路況、司機室及機械間的視頻狀況，對機車車頂弓網狀態和機車兩端車鉤瞭望視覺盲區均無監視裝置，不利于車頂受電弓運行狀態和機車兩端車鉤視覺盲區的安全卡控。

1 技術方案設計

車頂弓網狀態監測、車鉤狀態監測已經在城際動車組、地鐵上有過研究[2-3]，文中針對機車，提出了在原有機車車載安全防護系統(6A系統)機車自動視頻監控及記錄子系統的基礎上，增加監控受電弓攝像頭和車鉤攝像頭，通過司機室的音視頻顯示終端，實現實時查看機車車鉤狀態和車頂弓網狀態功能。

1.1 系統組成

在機車兩端部各加裝車鉤監控攝像頭，在機車頂部加裝受電弓監控攝像頭，方便司機察看確認車鉤聯掛和受電弓部位情況。

每臺機車共增加4個攝像頭，具體是兩端車鉤各1個，兩個受電弓各1個。同時每個攝像頭均配套固定結構件、防護外罩，同時，增加攝像頭信號電纜和電源電纜。

和諧機車受電弓車鉤視頻圖像監控在6A系統視頻子系統上運行，其監測數據同步存儲，并利用音視頻顯示終端進行視頻預覽及故障報警。

由于每個視頻采集板卡只支持8路視頻采集通道，HXD1型機車每節均有6個視頻采集通道，1個音頻采集通道， HXD1型機每節視頻子系統只剩余1路視頻通道，因此每節都需要增加1塊AV2視頻采集板卡，用于擴展采集視頻通道。

1.2 總體方案

1.2.1受電弓監控攝像頭安裝方案

將受電弓監控攝像頭安裝在機車頂部，采用專用防護罩對監控攝像機進行集成和防護，防護罩中心距離受電弓弓頭位置中心距離約3～5 m，采用車頂開過線孔。具體安裝位置根據不同車型確定。

受電弓監控攝像頭整體呈流線形，外罩為玻璃鋼材質，整體開模鑄造。使用6個M12螺栓與車體連接。受電弓監控攝像機帶白光補光燈，對夜晚較暗的環境下進行照度補償。為防止雨雪天氣對視頻監控質量的影響，攝像機自帶加溫玻璃，達到啟動溫度值的時候加溫玻璃自動啟動，融化雨雪冰霜等，如圖1所示。受電弓監控攝像頭加裝后效果如圖2所示。

圖1 受電弓監控攝像頭外形圖

受電弓監控攝像機視場角70°，焦距4 mm，視場3～6 m范圍內最為清晰。圖3是1∶1建模模擬3～6 m視場受電弓監控攝像機視場覆蓋效果。

圖2 受電弓監控攝像頭 加裝后效果圖

圖3 受電弓監控攝像頭 視場覆蓋模擬圖

1.2.2車鉤監控攝像頭安裝方案

將車鉤監控攝像頭安裝在機車，采用專用防護罩對監控攝像機進行集成和防護，其外形圖如圖4所示。防護罩中心距距離車鉤中心約0.5～1 m，采用車體開過線孔。具體安裝位置根據不同車型會有所差異。圖5為車鉤監控攝像頭加裝后效果圖。

圖4 車鉤攝像頭外形示意圖

2 硬件選型

根據以上方案設計，結合西安局現場運用實際，對車頂受電弓監控攝像頭和機車兩端監控車鉤攝像頭的技術參數選定如下。

圖5 車鉤監控攝像頭加裝后效果圖

2.1 受電弓監控攝像頭

受電弓監控視頻存儲不低于8幀/s、分辨率不低于4CIF格式；實時采集受電弓監控區域的視頻數據，且視頻可統一采用6A系統視頻子系統預留的第7通道。

額定功率：≤5 W(加熱功能關閉，補光功率10 W±15%)，≤25 W(加熱功能開啟，補光功率(10±15%) W。

水平分辨率(標稱)：≥700 TV Line，實測誤差不大于10%；信噪比：≥48 dB；鏡頭焦距：3.6 mm；鏡頭光圈數：F1.8；低照度：0.5LUX可正常工作。

玻璃鋼外罩；攝像頭鏡頭采用鋼化玻璃，防護等級IP67。

外形結構要求：整體開模加工，成流線型，不能帶有尖角；功能要求：帶有補光功能、防雨雪防污功能、加溫玻璃功能(可設定開啟溫限值)。

視場覆蓋要求：能覆蓋接觸網上方200 mm至車頂滑板內的空間區域。

2.2 車鉤監控攝像頭

車鉤監控視頻存儲不低于4幀/s、分辨率不低于CIF格式；使用紅外彩色攝像頭，紅外燈自動開啟和關閉。

額定功率：≤5 W(不帶加熱，紅外補光功率(3±15%) W)，≤20 W(帶加熱，紅外補光功率(3±15%) W)。

水平分辨率(標稱)：≥700 TV Line，實測誤差不大于10%；信噪比：≥48 dB；鏡頭焦距：3.6 mm；鏡頭光圈：F1.8；低照度：0LUX可正常工作，小于10LUX轉黑白。

金屬外殼；攝像頭鏡頭采用鋼化玻璃，防護等級IP67。

3 和諧型機車加裝方案

根據以上技術方案和硬件選型，確定HXD1、HXD2及HXD3型系列機車的通用加裝方案如下：

3.1 布線部分

自6A主機接出線纜。

經線槽將線纜分別布置到司機室后墻位置和機械間頂蓋處，司機室后墻位置通過密封體進入司機室，機械間頂蓋上車頂處通過密封體進入車頂。

引出電纜預留出200 mm的余量，且使用編織網管進行防護。

3.2 受電弓監控攝像頭外罩安裝

對車頂焊接安裝過渡板，根據要求尺寸安裝受電弓外罩，完成連接后，根據調試要求進行受電弓監控性能及角度調試。受電弓監控外罩安裝具體步驟如下：

在車頂板上開孔，一個走線孔，6個安裝孔，走線孔直徑40 mm，需要制造自帶螺絲孔的安裝過渡平板，將過渡板焊接在車頂，用自帶螺釘將受電弓監控外罩安裝在過渡板上，使用螺栓貫穿式禁錮，確定安裝牢固后連接線纜。

3.3 車鉤監控攝像頭外罩安裝

對車體焊接安裝過渡板，根據要求尺寸安裝車鉤監控攝像頭外罩，完成連接后，根據調試要求進行車鉤監控攝像頭性能及角度調試。車鉤監控攝像頭外罩安裝具體要求如下：

在車體上1個走線孔，4個安裝孔，走線孔直徑40 mm；

自帶螺絲孔的安裝過渡平板，并將過渡板焊接在車底；

用自帶螺釘將車鉤監控攝像頭(帶外罩)安裝在過渡板上，使用螺栓貫穿式禁錮，確定安裝牢固后連接線纜；

固定膠進行防水密封及螺栓固定，防止脫落。

4 HXD3D型機車試裝方案

4.1 電氣接口及布線

受電弓視頻監控的電源線和信號線從6A系統主機柜布到機械間頂棚處，為方便頂蓋的拆卸，在頂蓋上車頂處進行打斷處理。車鉤視頻監控的電源線和信號線從6A系統主機柜布到司機室，從司機室底部開孔過線到車鉤攝像頭位置。

線纜連接器電氣接口，主機端具體通道關系需根據不同車型及車號確定。PWR-34連接點位對照表如表1。過渡線纜連接點位對照表如表2。

表1 PWR-34連接點位對照表

表2 過渡線纜連接點位對照表

線纜的現場操作方法：找到PWR-34，查看PWR-34插座25、21、34、17點位是否有插針，如無插針，則說明未被占用，可以使用；如有插針，則需另找點位。

(1)用M3螺絲刀將PWR-34插頭拆解，如圖6所示依次拆除緊固螺釘，然后按照線纜定義使用送針器分別將待加裝線纜加入到插頭中，將電源線一端插入到PWR-34插頭的相應點位(定義點位參照線纜定義表)。注意：新加裝的線纜應從原線纜的黃色線號(φ25 mm)里面穿過。

圖6 連接器示意圖

(2)恢復PW-34插頭，將其插入到主機箱相應插座中并用螺釘緊固，完成后用萬用表測試線纜導通情況。注意：恢復時，保證連接器的點位方向與其出線方向的對應關系與原來一致。

4.2 車鉤監控攝像頭

安裝位置：車前端車鉤上部平臺偏右，如圖7所示。

走線：沿車鉤安裝座下至既有車體開孔，進入車底后，沿車底既有走線路徑至3軸附近車底上車孔，進入機械間。沿側墻走線槽走至6A機柜附近，下至機械間地板，由地板進入6A主機柜。

走線要求：線纜上車處打斷，其余不打斷。

圖7 HXD3D車鉤攝像頭安裝位置

圖8 車鉤攝像頭安裝接口尺寸圖

4.3 受電弓攝像頭

安裝位置：機車中央頂蓋車頂天窗兩側(或一側)，如圖9所示。分別照射兩端受電弓。

走線：車頂下穿至車體過渡插頭位置。沿側墻至6A主機附近，下至機械間地板，由地板進入6A主機柜。

線長：車頂與車體過渡位置打斷，其余不打斷。

圖9 HXD3D受電弓 攝像頭安裝位置

圖10 受電弓攝像頭安裝尺寸圖

4.4 視頻通道設置

表3 視頻通道設置表

5 現場測試效果及結論

通過在安康機務段HXD3D 0359號機車上的試裝，該視頻監控裝置庫內靜態測試和上線運用測試均良好，車鉤視頻監控界面如圖11所示，受電弓視頻監控界面如圖12所示。視頻數據流暢穩定，與6A系統主機通訊正常，6A音視頻顯示終端視頻顯示正常，目前正在進行進一步的運用考核。

圖11 車鉤視頻監控界面

圖12 受電弓視頻監控界面

通過該裝置的研發和應用，實現對機車運行中車頂弓網狀態和機車前后兩端瞭望盲區的實時監控，進一步提升對機車安全隱患的預防預控。