車載弓網監測系統原理及應用

周金萍 孫健 宋磊 劉爭

中車唐山機車有限公司 河北唐山 063000

列車在運行過程中，受電弓與接觸網長時間摩擦，容易發生磨損，加之受氣流、雨雪等外界因素干擾，容易造成弓網故障，從而影響列車正常運行。針對弓網故障頻繁發生，大多數地鐵車輛會考慮安裝弓網監測系統設備，實現對弓網狀態進行實時監測，及時快速的定位弓網故障隱患并報警，減少列車弓網故障處理時間，提高列車運營安全及運營效率。目前城軌車輛的弓網監測系統采用非接觸性檢測方式，實現對弓網工作的狀態監測，實時記錄弓網運行狀態數據。

1 功能描述

弓網監測系統安裝在運營的地鐵列車上，實現對弓網狀態進行實時監測。系統具有以下功能：

（1）視頻監控功能。在車頂每個受電弓處加裝受電弓的狀態視頻監控裝置，采用高速高清攝像頭，該裝置能夠實時監視每個受電弓狀態，并能將視頻信息通過PTU進行回看和下載，且OCC可以調用查看相關視頻信息。

（2）受電弓結構異常監測功能。檢測受電弓及羊角異常，受電弓及羊角缺損、變形等異常，并實時報警。

（3）弓網燃弧檢測功能。檢測車輛運行過程中弓網拉弧現象（燃弧強度、燃弧時長、燃弧率等），并能自動報警。

（4）弓網溫度監測。檢測弓網接觸點溫度，溫度過高自動告警。

（5）接觸網幾何參數檢測功能.檢測接觸網的拉出值，高度值，導高值超限時自動告警。

2 系統組成

主要由車頂數據采集與傳輸設備、車內分析服務器地面數據中心系統組成。

3 系統原理介紹

3.1 弓網視頻監控

采用工業監控相機對弓網工作狀態進行監控，在車輛運行過程中實時拍攝弓網運行狀態視頻，使用PTU軟件進行視頻的回看和下載。可實現變倍聚焦自動巡航功能，系統采用智能高速云臺，對弓網重要部位進行巡航檢查，并進行局部細節查看[1]。

3.2 受電弓結構異常監測

采用工業監測相機檢測受電弓及羊角異常，異物侵入，滑板傾斜等異常，并實時告警提示。受電弓結構檢測采用跟蹤對比與結構特性檢測相結合的方式，若出現對比差異，則基于提取的結構特性進行確認。受電弓的結構特性涵蓋直線、曲線和實際長度截取，作為判斷受電弓的相對特性參數[2]。

3.3 弓網的燃弧檢測

列車運行過程中，受電弓和接觸網通過接觸點組成一個相互振蕩和耦合的振動系統，弓網系統的振動是隨機振動，當振動劇烈時，可能造成受電弓滑板與接觸導線脫離接觸，在離線的瞬間，電流擊穿滑板和接觸線之間空氣間隙，產生放電現象，形成燃弧。在EN 50317-2002標準指出，銅及銅合金的接觸線產生的燃弧存在220nm-225nm或323nm-329nm的波段。該波段屬于紫外波段，因此可用紫外相機測量車輛運行過程中拉弧現象（燃弧強度、燃弧時長、燃弧率），并能自動報警；

紫外成像技術是攝取目標在紫外波段的空間特征，將較大視場范圍內的紫外場景成像在紫外增強器的光敏面上，紫外增強器將極其微弱的紫外輻射圖像轉換成可見光信號輸出，然后將可見光信號轉換為數字視頻圖像，并按照一定接口形式傳輸到光電圖像采集分析系統，最后經過信號處理后輸出到觀察記錄設備，同時對采集到的圖像進行存儲和處理。紫外相機的前面板玻璃選用石英玻璃，石英玻璃具有極低的熱膨脹系數、高的耐溫性、極好的化學穩定性、優良的電絕緣性，同時石英玻璃也是所有透紫外材料的最佳選擇。車輛運行過程中的電流可通過電流傳感器進行測量[3]。

3.4 弓網溫度監測

車輛運行過程中接觸網與受電弓產生摩擦，受電弓和接觸網溫度發生變化，溫度過高時容易損傷受電弓與接觸網。利用紅外熱成像檢測技術，實時測量受電弓與接觸網溫度，當檢測溫度超限正常值時，立即報警提示。

紅外熱成像檢測技術原理是，紅外熱成像工業相機利用紅外探測器、光學成像物鏡接收被測目標的紅外輻射信號，經過紅外光學系統紅外探測器的光敏源上利用電子掃描電路對被測物的紅外熱像進行掃描轉換成電信號，經過放大處理。任何有溫度的物體都會發出紅外線，車輛運行時，受電弓與接觸線摩擦產生溫度，熱成像工業相機是通過接收發出的紅外線，通過有顏色的圖片來顯示被測量物表面的溫度分布。

3.5 接觸網幾何參數測量

采用激光三角測量技術實現接觸網幾何參數測量。激光三角法測量整體精度高，較適用于非固定位數據的測量。

采用激光三角法檢測接觸網拉出值和導高，主要由1個工業相機與1個激光器組成。激光器發射出的光線到達接觸線后形成反射，工業相機采集反射回的光線，在相機的靶面上成像，當接觸線位置變化時，相機靶面所成的像位也隨之變動，接觸線的位置與相機靶面成像的位置一一對應。在相機的靶面成像后，在靶面上對應產出一個x，y坐標值，定義x為拉出值，y為導高，經過標定后，x和y的值與接觸網的每一個位置狀態對應，即x的坐標值與接觸網拉出值一一對應，y的坐標值與接觸網導高值一一對應。

圖1 垂直入射激光三角法

4 結語

目前弓網監測系統被廣泛應用于高鐵、城軌車輛上。弓網監測系統的配置根據用戶需求略有不同，車載弓網監測系統功能仍有較大的拓展空間。