一種電氣化鐵路接觸網補償裝置在線監測系統的研制

李蘇晨,王碩禾,唐 卓,劉 旭

(石家莊鐵道大學電氣與電子工程學院,石家莊 050043)

伴隨著電氣化鐵路供電安全應運而生的鐵路供電安全檢測系統(6C系統)，可實現對鐵路牽引供電安全的全方位檢測[1]，該系統整體分為2個部分：一是采用移動設備檢測接觸網；二是采用地面固定設備實現檢測[2]，較為典型的設備如接觸網張力補償裝置監測系統。隨著中國鐵路機車運行速度以及車流密度的不斷攀升，弓網取流量日益增加，一旦補償裝置發生卡滯、斷線等故障，弓網受流條件會嚴重惡化，影響機車的安全運行[3]。對補償裝置進行實時監測可以直接判斷補償裝置是否處于安全運行狀態，減少供電事故，保障行車安全。

美國的Welch等[4]研發了一款通過監測補償器的位移變化以及環境溫度判斷接觸網是否發生斷線的安全監測系統，但該系統僅針對于滑輪補償裝置。王圣昆等[5]通過分析風力對接觸網狀態的影響，研制了一套基于形態學-小波的風區接觸網斷線故障檢測裝置，避免風荷載對監測的診斷結果產生干擾，對提高風區鐵路運行的安全性具有重要意義；李鑫[6]通過監測補償裝置的墜陀加速度和棘輪角偏移及線夾溫度的變化，間接檢測接觸網安全狀態。上述方法主要是通過傳感器監測接觸線的環境變化實現的，檢測精度和實時性不高，對接觸網的突發性事故不能有效控制。基于上述問題，進行接觸網補償裝置在線監測系統設計，實現對補償裝置的實時監測。

1 系統總體設計

1.1 檢測系統整體架構

張力補償裝置在線監測系統[7]是安裝在鐵路沿線錨段墜砣下方實時監測補償裝置運行狀況的設備，通過監測墜砣至地面距離(b值)的變化以及對現場圖像的實時獲取，判定補償裝置是否發生卡滯和斷線故障。系統分為監測終端、監控中心和網絡通訊部分，整體架構如圖1所示。

圖1 系統整體架構

(1)監測終端包括核心控制器樹莓派(一種價格低廉的微型電腦)、超聲波測距傳感器、溫濕度傳感器、攝像頭以及電源模塊。

(2)監控中心包括補償裝置監測系統數據庫和人機交互界面。

(3)網絡通訊包括阿里云服務器和4G通訊模塊。

1.2 系統功能及先進性

系統功能包括：樹莓派作為核心控制器協調驅動測距傳感器、溫濕度傳感器以及攝像頭采集現場數據；以客戶端/服務器(C/S)架構為基礎[8]，通過文件傳輸協議(TCP協議)實現監測終端與監控中心之間的通訊；利用套接字(socket)[9]編程將樹莓派采集的數據實時上傳至監控中心進行分析處理，當補償裝置b值超限時，加拍現場照片判斷是否發生異物入侵遮擋測距傳感器探頭，并下發報警短信，方便工作人員及時檢修；設計良好的人機交互終端軟件，提高了系統的易用性。

傳統工業常以單片機[10]和可編程邏輯控制器(PLC)作為核心控制器，存在價格昂貴、功耗大且精密度較低等問題[11]，本系統在此基礎上做出改進，采用樹莓派負責控制整個采集系統的操作，運算性能有了大幅提升，減少了能源消耗；在具體實驗中，由于大風等天氣原因，測距探頭經常被雜物遮擋，導致處理器誤判，因此安置一個紅外攝像頭抓拍現場照片，實現二次判斷，避免誤判。

2 監測終端硬件設計

監測終端作為系統的下位機主要負責采集和上傳現場數據信息，包括控制器、多個傳感器以及網絡通信模塊等硬件設備，圖2為硬件結構示意。

圖2 監測終端硬件結構

樹莓派是一個微型電腦，具有較強的計算性能和豐富的輸入/出接口[12]。在本系統中樹莓派不僅實現了對現場b值以及溫濕度的數據采集，同時攝像頭采集現場圖像，實時將數據傳至上位機，方便工作人員對現場的監測。

墜砣b值受溫度的影響緩慢變化，參考承力索銅合金絞線的參數，墜砣的最大伸縮量計算公式為

(1)

式中，n為補償滑輪傳動系數，取3；L為接觸網半錨距離，取800 m；ΔT為環境溫度的變化閾值，現場環境溫度變化范圍為-20～80 ℃，因此ΔT取100 ℃。

規定接觸網補償裝置b值的最小值為200 mm[13]，超測距傳感器的測量范圍為200～4 280 mm。因此采用高精度、窄波束角的HT-BEF3505超聲波測距傳感器，該傳感器抗干擾能力較強[14]，適用于環境復雜的鐵路沿線。傳感器采集墜砣b值，輸出4～20 mA電流信號，通過串入一個250 Ω的高精密電阻轉為1～5 V的電壓信號，再將此信號傳輸至ADS1256模塊轉換成數字信號送入樹莓派中[15]，將接觸線至測距傳感器的距離減去墜砣串的長度和b值即可得到a值。

考慮到樹莓派可以直接采集數字量信號，因此本設計選取DHT22數字溫濕度傳感器[16]，用于檢測鐵路沿線的環境溫濕度。其采用單總線接口方式，只有3個引腳，具有較強的抗干擾性和較快的響應速度。

3 監控中心軟件設計

監控中心將現場檢測終端發回的數據通過云服務器上傳至數據庫進行存儲和分析，工作人員可以通過網頁瀏覽方式獲取數據信息。監控中心通過TCP網絡協議與檢測終端通信，實現數據傳輸和數據庫管理。上位機軟件為用戶提供了一個可視化界面，可以實時監測補償裝置的運行狀態，以及瀏覽歷史數據，軟件設計流程如圖3所示。

圖3 監控中心軟件設計流程

3.1 阿里云服務器數據庫設計

云服務器 ECS是一種彈性計算服務[17]，與傳統服務器相比，云服務器可以有效降低信息技術成本，實現靈活擴展，有效提升系統運維效率且具有較高的安全性。本系統以裝載32位Ubuntu操作系統的阿里云服務器為開發平臺[18]，利用MySQL設計5個數據庫表存儲數據，包括核心數據采集表、報警數據表、選項連接數據表、系統用戶數據表以及終端設備編碼表，實時監測存儲下位機所采集的數據。

3.2 上位機監測系統功能設計

采用C#語言作為監控中心上位機GUI界面的開發工具[19]，實現快速處理數據信息以及對系統設備運行狀態的實時監控，具體功能如下。

(1)用戶登錄功能。為保障遠程登錄的安全性，避免數據泄露，本系統設置登錄權限，采用用戶名和密碼的登錄方式保證有相應權限的管理者才有資格進入該系統。

(2)現場數據實時監測功能。下位機每隔10 s采集現場溫度、濕度、接觸網b值以及承力索b值，每隔30 s采集現場環境圖像，在界面以base64字符串的形式將圖像編碼儲存[20]；對歷史數據進行存檔，實現查看和拷貝功能。

(3)報警判斷功能。實驗過程發現b值是一個隨溫度增減而變化的量，因此設定當溫度上下波動超過1 ℃而b值未改變，則判定補償裝置發生卡滯，若在10 s間隔取樣的b值變化超過500 mm，則判定補償裝置發生斷線故障，此時加拍現場圖像，進行分析判斷。并依據鐵路部門的相關規定在系統設置界面中設置b值門限，當采集數據超限加拍現場圖像，通過數字圖像處理技術與前一間隔圖像對比分析，判斷環境有無異物入侵，隨后發出報警提示信息提醒工作人員及時處理。

(4)控制執行功能。系統設計上位機交互界面進行數據實時顯示，以及按鍵控制，執行監測啟停、監測終端控制切換以及查看歷史數據報表等功能，具有較好的易用性。

4 系統調試與現場安裝

本系統在電氣化鐵路試驗線路進行實驗，錨段長度約2 km。監測終端通過太陽能蓄電池連接樹莓派的Micro USB電源接口進行5 V電源供電，樹莓派連接各傳感器模塊、攝像頭以及無線傳輸模塊，安裝在錨段下錨處補償裝置的正下方，如圖4所示。

圖4 設備現場安裝

為驗證系統可靠性，安裝完成后進行了1個月的實驗測試：通過不定時的實測現場補償裝置b值數據，與本監測系統測量結果進行對比，計算誤差為0.08%，在允許范圍內；通過人為利用草帽、雜草和塑料袋等異物遮擋測距探頭，驗證系統攝像功能，結果表明系統能夠良好判斷為異物入侵，可以實現避免誤報警的功能。監控中心將檢測數據在可視化界面上以曲線圖的形式實時滾動顯示，如圖5所示。正常情況下，接觸線和承力索的張力大小受溫度影響緩慢變化，隨著溫度升高，補償裝置b值逐漸減小，一旦發生超限，張力補償裝置則不再具有自動補償的作用，投入使用此系統可以及時發現故障，為機車的安全運行提供保障。

圖5 上位機數據可視化主界面

5 結語

本文設計了一套電氣化鐵路接觸網補償器在線實時監測系統，以樹莓派為主控制器，設計了體積小、精度高、費用低、動作敏捷的下位機控制系統采集現場數據；以阿里云服務器作為中介，利用C#語言開發上位機監控系統，實現如下3種功能。

(1)實時監測補償裝置運行狀態，利用上位機判定接觸線、承力索是否發生卡滯、斷線故障，并發送報警信息，最大程度壓縮故障排除時間，避免弓網故障的發生。

(2)通過攝像頭采集監控系統周圍環境信息并做圖像處理，實現二次檢測，排除異物入侵而使系統發出錯誤情報。

(3)監控中心接收檢測終端采集的數據并上傳至自建數據庫中，實現數據共享。設計良好的人機交互界面，對數據信息分析、處理并保存，實現遠程監控。

該系統充分發揮了嵌入式靈活機動、具有較強的處理能力的特點，滿足了小型化、實用化、靈活性的現實需求。良好的可視化人機界面方便工作人員對設備的控制和監測。目前設備對補償裝置的斷線情況監測手段有待進一步的提高，下一步擬采用應變片的方式測量應力，分析斷線瞬間的應力變化，提高系統對斷線情況判斷的精確性。