列車受電弓在線自動檢測系統(tǒng)的應用研究

江 偉 張寶林

(1.廣東交通職業(yè)技術學院軌道車輛系，廣州,510650；2.中國鐵路廣州局集團有限公司機務處，廣州,510088∥第一作者，副教授)

受電弓是軌道交通列車關鍵的受流設備，其狀態(tài)的好壞直接影響列車的運營安全和效率。在日常維護中，檢修人員需要對受電弓滑板磨耗程度以及滑板與接觸網(wǎng)導線的接觸壓力進行檢測。傳統(tǒng)的檢查方式是在車輛段專用的臺位上對斷電后的列車采取人工登車頂進行檢查。列車受電弓在線自動檢測系統(tǒng)具有檢測效率高、自動化程度高、全天候檢測、技術先進可靠等顯著優(yōu)點，使得其在列車受電弓檢修中得以推廣和應用。文獻[1]設計的列車受電弓動態(tài)性能檢測系統(tǒng)可對受電弓與接觸網(wǎng)之間的接觸力、接觸網(wǎng)導線的高度等參數(shù)進行檢測。文獻[2]介紹了在南京地鐵1號線上使用的列車受電弓在線監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實時跟蹤監(jiān)測，反映受電弓主要運行狀態(tài)和安全性能的各種特征信息，并及時預報受電弓故障信息。文獻[3]介紹了在成都地鐵2號線上使用的列車受電弓及車頂動態(tài)檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了對受電弓滑板磨耗、中心線偏離、工作壓力等關鍵特性參數(shù)的動態(tài)檢測，并可實施車頂異物監(jiān)視。文獻[4]介紹了在南京地鐵2號線上使用的列車受電弓實時監(jiān)視系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實現(xiàn)對受電弓狀態(tài)的定點監(jiān)視，并幫助檢修人員準確、快速判斷運行中的地鐵車輛受電弓狀態(tài)及故障，從而提高了檢修效率。

本文介紹的列車受電弓在線自動檢測系統(tǒng)安裝在列車入庫線路上，其采用高分辨率圖像分析測量技術和現(xiàn)代傳感技術，在列車不需要停車的情況下即可實現(xiàn)對受電弓關鍵特性參數(shù)的在線動態(tài)自動檢測。該系統(tǒng)適用于各種類型動車組及軌道交通列車的受電弓檢測。

1 系統(tǒng)組成

列車受電弓在線自動檢測系統(tǒng)按物理布局可劃分為基本檢測單元、現(xiàn)場控制中心、遠程控制中心等3個部分，如圖1所示。

1.1 基本檢測單元

基本檢測單元位于列車檢測現(xiàn)場，由滑板磨耗檢測模塊、中心線偏移檢測模塊、接觸壓力檢測模塊以及車號識別模塊等4個部分組成，可實現(xiàn)系統(tǒng)的檢測功能。為了檢測滑板磨耗和中心線偏移情況，需要獲取受電弓的輪廓圖像。因此,該系統(tǒng)在列車入庫線上設置了檢測棚。如圖2所示，在左右兩側分別安裝2臺CCD(電荷藕合器件)黑白攝像機用于受電弓圖像拍攝，在中間安裝2臺CCD彩色攝像機用于異常觀測。此外，在線路兩側各安裝1對對射式光電傳感器，用作第1觸發(fā)點和第2觸發(fā)點。為了避免光線過暗，在攝像機處合適位置還安裝了閃光燈。

圖1 列車受電弓在線自動檢測系統(tǒng)結構圖

圖2 基本檢測單元平面布置圖

1.2 現(xiàn)場控制中心

現(xiàn)場控制中心位于檢測現(xiàn)場，由數(shù)據(jù)采集工控機、數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)、通信工作站和UPS等組成，可完成各傳感器信號和圖像數(shù)據(jù)的實時采集、數(shù)據(jù)的分析及處理,并與遠程控制中心實現(xiàn)通信，以保證多路測量信號和控制信號在2級控制中心之間的可靠傳輸。

1.3 遠程控制中心

遠程控制中心位于與檢測現(xiàn)場有一定距離的控制室內，由數(shù)據(jù)庫、操作控制臺及其工作站(打印機、繪圖儀、監(jiān)視器等構成。遠程控制中心是系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)顯示中心，可實現(xiàn)系統(tǒng)的啟/停、檢測狀態(tài)控制及檢測進程控制。此外，遠程控制中心還存儲和顯示從現(xiàn)場獲取的檢測數(shù)據(jù)，起著數(shù)據(jù)顯示中心的作用。

2 檢測原理

2.1 受電弓滑板磨耗檢測

當列車進入檢測棚、到達第1觸發(fā)點時，受電弓邊緣觸發(fā)第1組光電傳感器，同時動態(tài)觸發(fā)4臺CCD黑白攝像機進行圖像拍攝。當檢測圖像異常時,會自動觸發(fā)2臺CCD彩色攝像機。同理，列車到達第2觸發(fā)點時，受電弓邊緣觸發(fā)第2組光電傳感器，同時動態(tài)觸發(fā)4臺CCD黑白攝像機再次進行圖像拍攝。2次拍攝的圖像數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集工控機自動保存，然后傳送至數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)進行分析。圖3為列車經(jīng)過檢測區(qū)域時所拍攝到的圖像。

a) 第1觸發(fā)點拍攝圖片

b) 第2觸發(fā)點拍攝圖片

在獲取到受電弓的圖像后，數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)將對圖像進行處理。在滑板磨耗檢測中，為了提取滑板的上下邊緣圖像，首先需要對原始圖像進行裁剪,然后使用圖像灰度級拉升的方法來增強圖像，采用均值濾波技術去除噪聲，再結合Canny算子對滑板圖像進行邊緣檢測，最后得出受電弓滑板磨耗剩余量[5]，如圖4所示。

圖4 受電弓滑板磨耗剩余量曲線

2.2 受電弓中心線偏移檢測

中心線偏移檢測是通過計算受電弓弓頭的傾斜角來實現(xiàn)的。[6]在實際檢測中，拍攝到的受電弓弓頭傾斜圖像如圖5所示。在獲取受電弓圖像后，需要對原始圖像進行裁剪，以提取弓頭圖像。跟滑板磨耗檢測類似，該檢測也需進行圖像增強和濾波去噪聲，再結合Canny算子對弓頭圖像進行邊緣檢測，最后通過Radon變換計算出對應的弓頭傾斜角。

a) 左側弓頭

b) 右側弓頭

2.3 受電弓壓力檢測

受電弓壓力檢測需要在檢測棚內選取適當位置安裝壓力傳感器，如圖6所示。當列車通過該傳感器時，檢測系統(tǒng)可采集到受電弓滑板與接觸網(wǎng)導線之間的接觸壓力值。經(jīng)數(shù)據(jù)處理后將該值和預壓力值進行對比，從而分析判斷接觸壓力是否超限，如圖7所示。

圖6 受電弓接觸壓力檢測

圖7 受電弓接觸壓力值曲線

3 檢測流程

列車受電弓在線自動檢測系統(tǒng)由磨耗檢測子系統(tǒng)、中心線檢測子系統(tǒng)、壓力檢測子系統(tǒng)、車號識別系統(tǒng)等組成。各子系統(tǒng)協(xié)同工作，完成系統(tǒng)檢測功能。其檢測流程如圖8所示。

1) 系統(tǒng)開機并初始化。初始化工作主要包括打開設備連接、部分現(xiàn)場設備上電、加載配置參數(shù)、各個子系統(tǒng)建立網(wǎng)絡連接等。

2) 系統(tǒng)在初始化過程中要對硬件和軟件設備進行自檢。如發(fā)現(xiàn)軟硬件故障，則通過軟件界面進行報警。

圖8 受電弓在線自動檢測系統(tǒng)工作流程

3) 自檢完成后，系統(tǒng)進入待檢狀態(tài)。當列車以限定速度駛入檢測區(qū)時，系統(tǒng)進入工作狀態(tài)，各子系統(tǒng)開始工作。

4) 當列車駛離設備檢測區(qū)后檢測結束。各子系統(tǒng)工作完成，生成檢測數(shù)據(jù)并匯總。

5) 系統(tǒng)保存檢測數(shù)據(jù)，同時將車頂狀態(tài)監(jiān)控錄像從現(xiàn)場控制中心傳輸?shù)竭h程控制中心。系統(tǒng)重新進入待檢狀態(tài)。

6) 系統(tǒng)對檢測數(shù)據(jù)進行分析，如發(fā)現(xiàn)有超限情況則進行報警。

7) 操作人員可以通過遠程控制中心的控制程序或安裝在別處的客戶端，對檢測數(shù)據(jù)進行查看,并回放車頂狀態(tài)監(jiān)控視頻，進而進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，生成報表。

4 結語

目前，該列車受電弓在線自動檢測系統(tǒng)已應用于動車組廣州檢修基地。從實際運用情況來看，該系統(tǒng)在列車不停車、不停電情況下采用在線動態(tài)檢測方式，不額外占用列車的維保時間；檢測過程和監(jiān)控錄像過程均由計算機自動執(zhí)行；無論雨、雪等惡劣天氣均可檢測，不受氣候條件影響；采用非接觸的圖像測量技術，極大地提高了檢測的可靠性；通過綜合分析歷史數(shù)據(jù),總結受電弓的磨耗規(guī)律,繪制磨耗趨勢圖，可以預測受電弓滑板的壽命期限。另外，還可以按時間段、運行公里數(shù)等參數(shù)對同類型受電弓的檢測數(shù)據(jù)進行分析比較，對受電弓的技術狀態(tài)做出綜合評價，從而給出優(yōu)化的維保方案，用以指導列車受電弓的檢修工作。