列車受電弓在線自動檢測系統的應用研究

江 偉 張寶林

(1.廣東交通職業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導線的接觸壓力進行檢測。傳統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性能檢測系統可對受電弓與接觸網之間的接觸力、接觸網導線的高度等參數進行檢測。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測系統，該系統能實時跟蹤監測，反映受電弓主要運行狀態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檢測系統，該系統實現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的動態檢測，并可實施車頂異物監視。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視系統，該系統可實現對受電弓狀態的定點監視，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代傳感技術，在列車不需要停車的情況下即可實現對受電弓關鍵特性參數的在線動態自動檢測。該系統適用于各種類型動車組及軌道交通列車的受電弓檢測。

1 系統組成

列車受電弓在線自動檢測系統按物理布局可劃分為基本檢測單元、現場控制中心、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，可實現系統的檢測功能。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觸發點和第2觸發點。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結構圖

圖2 基本檢測單元平面布置圖

1.2 現場控制中心

現場控制中心位于檢測現場，由數據采集工控機、數據分析處理系統、通信工作站和UPS等組成，可完成各傳感器信號和圖像數據的實時采集、數據的分析及處理,并與遠程控制中心實現通信，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場有一定距離的控制室內，由數據庫、操作控制臺及其工作站(打印機、繪圖儀、監視器等構成。遠程控制中心是系統的控制和數據顯示中心，可實現系統的啟/停、檢測狀態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場獲取的檢測數據，起著數據顯示中心的作用。

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觸發點時，受電弓邊緣觸發第1組光電傳感器，同時動態觸發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2臺CCD彩色攝像機。同理，列車到達第2觸發點時，受電弓邊緣觸發第2組光電傳感器，同時動態觸發4臺CCD黑白攝像機再次進行圖像拍攝。2次拍攝的圖像數據由數據采集工控機自動保存，然后傳送至數據分析處理系統進行分析。圖3為列車經過檢測區域時所拍攝到的圖像。

a) 第1觸發點拍攝圖片

b) 第2觸發點拍攝圖片

在獲取到受電弓的圖像后，數據分析處理系統將對圖像進行處理。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，檢測系統可采集到受電弓滑板與接觸網導線之間的接觸壓力值。經數據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由磨耗檢測子系統、中心線檢測子系統、壓力檢測子系統、車號識別系統等組成。各子系統協同工作，完成系統檢測功能。其檢測流程如圖8所示。

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

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

圖8 受電弓在線自動檢測系統工作流程

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

4) 當列車駛離設備檢測區后檢測結束。各子系統工作完成，生成檢測數據并匯總。

5) 系統保存檢測數據，同時將車頂狀態監控錄像從現場控制中心傳輸到遠程控制中心。系統重新進入待檢狀態。

6) 系統對檢測數據進行分析，如發現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，對檢測數據進行查看,并回放車頂狀態監控視頻，進而進行數據的統計分析，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，該系統在列車不停車、不停電情況下采用在線動態檢測方式，不額外占用列車的維保時間；檢測過程和監控錄像過程均由計算機自動執行；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據,總結受電弓的磨耗規律,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、運行公里數等參數對同類型受電弓的檢測數據進行分析比較，對受電弓的技術狀態做出綜合評價，從而給出優化的維保方案，用以指導列車受電弓的檢修工作。