受電弓狀態(tài)及車頂異常動態(tài)監(jiān)視和預(yù)警系統(tǒng)研究與應(yīng)用

李建龍 王亞柯

摘要：針對鄭州地鐵2號線車頂關(guān)鍵部件檢測方法存在的缺陷，建立了受電弓狀態(tài)及車頂異常動態(tài)監(jiān)視和預(yù)警系統(tǒng)。介紹了該系統(tǒng)的組成、功能及檢測原理，并對該系統(tǒng)進行了故障模擬驗證，證明了系統(tǒng)的有效性。

關(guān)鍵詞：受電弓;動態(tài)監(jiān)視;預(yù)警;模擬驗證

0 引言

受電弓是地鐵車輛從接觸網(wǎng)取得電能的關(guān)鍵電氣設(shè)備，其運行狀態(tài)直接影響地鐵運營安全。在地鐵運營過程中，車頂容易出現(xiàn)異物、部件缺失等情況。目前，鄭州地鐵2號線車頂關(guān)鍵部件的檢測主要采用人工登頂、目視觀測的方法，最短檢修周期為15天。該方法檢測效率受制于檢測人員的作業(yè)水平和經(jīng)驗，檢修結(jié)果主觀性較強，且無法及時掌握車頂狀態(tài)，導(dǎo)致行車過程存在潛在風(fēng)險。因此有必要建立受電弓狀態(tài)及車頂異常動態(tài)監(jiān)視和預(yù)警系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成及功能

受電弓狀態(tài)及車頂異常動態(tài)監(jiān)視和預(yù)警系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示，其由三部分組成，即軌邊基本檢測單元、設(shè)備間數(shù)據(jù)處理及控制單元和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)查看單元。

1.1 ? ?軌邊基本檢測單元

軌邊基本檢測單元主要由車頂動態(tài)全方位監(jiān)視系統(tǒng)和包含測速傳感系統(tǒng)、車號識別系統(tǒng)、計量傳感系統(tǒng)的輔助檢測系統(tǒng)組成。軌邊基本檢測單元安裝在列車入庫線路上，自動對運行中的列車車頂及受電弓進行動態(tài)監(jiān)測，并通過輔助檢測系統(tǒng)及時將動態(tài)數(shù)據(jù)傳輸給控制單元。

1.2 ? ?設(shè)備間控制單元

設(shè)備間控制單元主要由系統(tǒng)控制主機、系統(tǒng)檢測主機以及數(shù)據(jù)服務(wù)器組成。控制單元位于軌邊基本檢測單元所在位置的整體道床上，靠近現(xiàn)場設(shè)備間一側(cè)。設(shè)備間控制單元連接基本檢測單元和遠(yuǎn)程控制室，實現(xiàn)對軌邊基本檢測單元的供電、控制、數(shù)據(jù)和圖像采集、分析處理與存儲，并傳輸給遠(yuǎn)程控制室。

1.3 ? ?遠(yuǎn)程控制室

遠(yuǎn)程控制室是系統(tǒng)的控制中心、數(shù)據(jù)管理中心和監(jiān)控中心。遠(yuǎn)程控制室由監(jiān)控顯示屏、控制臺及其輔助設(shè)備組成。通過顯示屏實時查看及回放車頂動態(tài)監(jiān)控錄像，監(jiān)控設(shè)備檢測行車過程和車輛的運行狀態(tài)，并對相關(guān)參數(shù)進行查看、統(tǒng)計和分析。

2 系統(tǒng)檢測原理

2.1 ? ?車頂關(guān)鍵部件檢測技術(shù)

為防止車頂關(guān)鍵部件變形或脫落、車頂留存異物等，檢測系統(tǒng)采用線陣采集技術(shù)對受電弓狀態(tài)及車頂狀況進行實時圖像采集。掃描相機通過高清線陣掃描技術(shù)，自動獲取受電弓和車頂關(guān)鍵部件的高品質(zhì)圖像。該圖像采集方式具有分辨率高、邊緣畸變小、易拼接、適應(yīng)高車速等優(yōu)點。

2.2 ? ?系統(tǒng)自動預(yù)警原理

受電弓及車頂異常動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)采用“HTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法”設(shè)計，結(jié)合圖像識別算法建模，對各種車頂圖像進行取樣，提取部件特征并保存于數(shù)據(jù)庫中。系統(tǒng)通過對地鐵車輛車頂關(guān)鍵部件進行結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)，形成并存儲車頂受電弓及其他關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)概念信息。在檢測過程中，對當(dāng)前獲取的車頂圖像特征進行識別，并與系統(tǒng)既有車頂圖像特征數(shù)據(jù)庫進行對比，直接進行關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)分析，當(dāng)判斷到車頂存在關(guān)鍵部件丟失、變形、有異物等異常時（車頂異物最小預(yù)警值≥10 mm），系統(tǒng)自動報警。

3 系統(tǒng)模擬驗證及測試結(jié)果

我們通過設(shè)計模擬驗證試驗，驗證受電弓狀態(tài)及車頂異常動態(tài)監(jiān)視和預(yù)警系統(tǒng)的故障自動識別預(yù)警能力。受電弓狀態(tài)及車頂異常動態(tài)監(jiān)視和預(yù)警系統(tǒng)是利用相機拍攝目標(biāo)兩次經(jīng)過時的圖像，通過分析兩次經(jīng)過時存在的差異對目標(biāo)實現(xiàn)異常檢測。系統(tǒng)的檢測能力驗證，一般建議人為進行實車故障模擬，對可視關(guān)鍵部件進行過車檢測能力驗證。本次采用在車頂粘貼黑白條紋標(biāo)定紙、螺栓、螺釘進行系統(tǒng)檢測能力驗證。

3.1 ? ?系統(tǒng)故障模擬方法

（1）針對系統(tǒng)圖像分辨率，選取3.6 mm的黑白條紋紙張粘貼在車頂，獲取高清圖像后計算單個條紋的像素點。

（2）針對異物特性識別，選取M6、M4螺釘螺栓通過膠帶粘貼在車頂進行驗證。

（3）針對螺栓松動類故障，選取改造螺栓的防松標(biāo)記進行驗證，如圖2所示。

3.2 ? ?故障驗證測試標(biāo)準(zhǔn)

（1）驗證系統(tǒng)圖像分辨率小于1 mm/pixel。

（2）驗證系統(tǒng)故障識別預(yù)警能力，以M6螺栓作為參考，識別部件尺寸大于5 mm×5 mm。

3.3 ? ?模擬測試過程

本次選取鄭州地鐵2號線地鐵車輛作為試驗車組，記錄車號與端位，對鄭州地鐵2號線設(shè)備安裝線路進行試驗。

為了驗證受電弓狀態(tài)及車頂異常動態(tài)監(jiān)視和預(yù)警系統(tǒng)的監(jiān)視和預(yù)警功能，模擬測試過程分為兩步：（1）第一次過車，被試車輛正常運用返回車輛段一次性勻速通過設(shè)備，檢測區(qū)間內(nèi)不停車、不洗車。（2）第二次過車，通過對待測試車輛關(guān)鍵走行部件進行人工設(shè)置模擬故障13處，記錄故障位置并拍照，該車輛仍然以第一次通過的速度一次性勻速通過設(shè)備，檢測區(qū)間內(nèi)不停車、不洗車。經(jīng)過兩次過車對比測試，驗證系統(tǒng)的監(jiān)視和預(yù)警功能。

3.4 ? ?車頂模擬故障檢測結(jié)果

本次總共在車頂設(shè)置了13處故障，其中螺釘和螺母異物共計8處，防松標(biāo)記3處，螺栓帽變形移位2處。在系統(tǒng)第二次過車時，有1處防松標(biāo)記、2處螺栓帽變形、1處螺母異物被遮擋，系統(tǒng)實際拍攝到模擬故障共計9處，故障檢出率88.9%。

4 結(jié)語

模擬測試結(jié)果表明，鄭州地鐵2號線受電弓及車頂動態(tài)監(jiān)視和預(yù)警系統(tǒng)能夠有效監(jiān)控受電弓和車頂運行狀態(tài)，并在受電弓工作狀態(tài)異常和車頂存在異物時，能及時準(zhǔn)確地發(fā)出預(yù)警。該系統(tǒng)可以減少人員登頂作業(yè)和隔離開關(guān)操作，降低安全風(fēng)險;盡早發(fā)現(xiàn)正線墜落異物，提醒相關(guān)專業(yè)人員盡快處理;盡早發(fā)現(xiàn)地鐵受電弓異常狀態(tài)，保證行車安全;延長受電弓檢修周期，提高地鐵使用率;提高檢修質(zhì)量，避免人為因素造成電客車漏檢、漏修。該監(jiān)視和預(yù)警系統(tǒng)能保證車輛運行安全，有效預(yù)防地鐵車輛運營安全事故的發(fā)生。

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收稿日期：2020-05-06

作者簡介：李建龍（1982—），男，河南扶溝人，副教授，研究方向：軌道交通車輛運用。