北京大興機場線接觸網檢測系統設計方案研究

趙立峰

（北京市軌道交通建設管理有限公司，北京 100068）

1 研究背景

北京大興機場線一期工程南起新機場北航站樓（遠期隨機場擴建延伸至南航站樓），北至草橋站，線路全長41.36 km，運營設計速度160 km/h，全部為地下站，其中地下線和U型槽23.65 km，高架和路基段17.71 km。

接觸網是運營電客車取流直接相關的架空設備，其工作環境惡劣、周邊環境十分復雜，沿線架設且無備用，是整個牽引供電系統最為薄弱的環節。隨著城市軌道交通的快速發展，長期存在的維修時間不足及缺乏合理檢測手段等問題，導致接觸網系統運行檢修問題日益凸顯。接觸網供電系統的正常運行是軌道交通安全運營的重要保障，只有保證接觸網供電系統的安全可靠，才能使軌道交通牽引供電系統和電客車長期穩定運行。

目前，對接觸網供電系統的檢查主要包括2種方式，其一為人工定期巡視檢查，如采用徒步巡視，或者在天窗期內利用接觸網作業車或梯車進行平推檢查，該方法效率低，強度大，且故障隱患不易發現；其二為采用安裝于專用檢測車上的接觸網檢測設備對接觸網狀態進行檢測，普遍應用于國家鐵路線路，但在城市軌道交通線路檢測中應用較少，且檢測功能單一，難以兼顧接觸網各項應用參數的實時監測。因此，本文針對北京大興機場線研發并推出一款以運營電客車為載體的軌道交通接觸網檢測系統，能夠在電客車正常運行時，自動實現架空接觸網供電系統狀態的實時、動態檢測，可快速有效地發現接觸網異常狀態，自動記錄并提供缺陷位置、缺陷種類、故障等級等相關信息，從而有效地指導各維修部門快速對接觸網供電系統進行維護。

2 北京大興機場線接觸網檢測系統

北京大興機場線接觸網檢測系統集成了弓網綜合檢測裝置（以下簡稱“1C裝置”）、車載弓網運行狀態檢測裝置（以下簡稱“3C裝置”）以及接觸網懸掛狀態檢測監測裝置（以下簡稱“4C裝置”）等3套檢測裝置，分別安裝于同一列電客車不同的車廂上，采用1 套綜合定位系統實現裝置的檢測數據實時定位，并關聯線路里程信息。其中， 1C裝置主要對接觸網的狀態參數和弓網受流參數進行檢測和測量； 3C裝置主要對接觸網幾何參數、弓網燃弧、弓網視頻、接觸網溫度進行實時檢測；4C裝置主要對接觸網定位裝置、支持裝置、懸掛裝置、附加懸掛、支/吊柱及零部件實施成像檢測。該系統具備全自動運行功能（自動啟停控制、制定檢測計劃并運行、自動參數調節、軟件系統功能預置和隨時靈活更改檢測位置、可接受外部控制指令實現遠程開關機等操作），全程無需人工參與即可完成接觸網線路檢測任務。

北京大興機場線接觸網檢測系統架構如圖 1所示。

圖1 接觸網檢測系統架構圖

3 主要功能

3.1 弓網綜合檢測功能

北京大興機場線接觸網檢測系統集成了1C裝置，安裝于運營電客車上，能在運行速度為160 km/h的條件下，通過車載在線檢測方式，實現接觸網幾何參數、弓網動態參數的實時采集、分析，能自動識別接觸網幾何參數超限、弓網燃弧異常等，從而及時預防故障，有的放矢地維護處理，有效保證列車安全運營。

1C裝置由車頂數據采集設備、車內控制設備及車底輔助定位設備三大部分組成：

（1）車頂采集設備分別集成了接觸動態作用參數檢測模塊、非接觸式幾何參數檢測模塊、弓網視頻監控模塊、弓網燃弧檢測模塊等；

（2）車內設備包括前置信號處理機、檢測主機等設備；

（3）車底設備包括速度里程測量模塊和車體振動補償測量模塊。

1C裝置主要部件結構框圖如圖2所示。

圖2 1C裝置主要部件結構框圖

3.2 車載弓網運行狀態檢測功能

針對北京大興機場線線路特點，接觸網檢測系統配置1套3C裝置，采用非接觸式檢測技術，對弓網運行狀態進行實時動態檢測監測。

在電客車正常運行時， 3C裝置可實現架空接觸網幾何參數、弓網燃弧、弓網視頻、接觸網溫度的實時及動態檢測，快速有效地發現接觸網或受電弓異常狀態，自動記錄并提供缺陷位置、缺陷種類、故障等級等相關信息，從而有效地指導各維修部門快速對弓網系統進行維護。

3C裝置由車頂采集設備和車內主機組成。其中：

（1）車頂設備由接觸網幾何參數檢測模塊、弓網燃弧檢測模塊、弓網視頻監控模塊、紅外測溫模塊、數據無線傳輸模塊等組成；

（2）車內主機集成了供電管理模塊、數據處理模塊、數據存儲模塊、遠程控制模塊等。

3C裝置主要部件結構框圖如圖3所示。

圖3 3C裝置主要部件結構框圖

3.3 接觸網懸掛狀態檢測功能

北京大興機場線接觸網檢測系統4C裝置采用高清相機對接觸網檢測區域進行圖像采集，輸出高清圖像。成像范圍覆蓋沿線接觸網懸掛設備，成像圖片的清晰度足夠分辨支持裝置及接觸懸掛零部件的異常狀態。

4C裝置在列車運行時，采用高清工業相機組件對行車線路的接觸網定位裝置、支持裝置、懸掛裝置、附加懸掛、支/吊柱座以及零部件進行全覆蓋成像檢測。通過對這些檢測數據的識別與分析，全面掌握接觸網狀態，指導接觸網維護。

4C裝置主要由高清工業相機陣列、補償光源陣列、觸發模塊、服務器及綜合定位模塊組成。其中，觸發模塊用于在車輛運行過程中，探測接觸網定位點設備位置，并給高清工業相機及補償光源陣列提供觸發信號，實現對接觸網零部件的高清拍攝，所采集圖像經服務器采集后存儲在硬盤中，由分析軟件分析并獲得接觸網零部件缺陷。4C裝置主要部件結構框圖如圖4所示。

圖4 4C裝置主要部件結構框圖

3.4 綜合定位功能

電客車在運行過程中，檢測設備主要依賴于綜合定位系統提供實時的綜合定位信息（主要包括當前的運行速度和線路里程信息）關聯檢測數據實時里程信息。然而定位信息不準或傳輸存在延時，均會導致實際的檢測數據與線路信息關聯錯誤，導致定位不準，影響后期數據分析。因此，綜合定位功能是該系統功能實現的關鍵因素。

3.4.1 綜合定位系統組成

綜合定位系統由數據采集、數據庫、數據下發和參數設置4個部分構成，綜合定位系統功能如圖5所示。

圖5 綜合定位系統功能圖

其中數據采集部分采集列車上配備的定位信號，算出可靠的位置信息；數據庫部分預先建立GPS公里標、電子標簽信息和桿號信息等基礎線路信息數據庫；數據下發部分將得到的定位信息發送給各個需要的模塊；參數設置部分可以預設線路信息，也可以在運行時設置線路信息。該系統可以很好地克服接觸網巡檢系統中定位誤差大的問題，提高了接觸網巡檢數據的利用率。

3.4.2 定位算法方案

精準定位主要以速度傳感器為基礎實現，其他外接設備用于校正公里標。算法主要考慮需要矯正的選項問題。各定位設備誤差及來源分析如表1所示。

表1 各定位設備誤差對比

綜合定位系統工作流程如圖6所示。

圖6 綜合定位系統工作流程圖

（1）GPS矯正。GPS數據庫查找出的公里標并不是實時矯正的。只有當GPS數據庫公里標滿足以下算法時，才使用GPS矯正：①GPS當前點和數據庫中最近點的距離小于GPS定位誤差；②（GPS誤差+ GPS當前點和數據庫最近點距離）小于絕對值（GPS數據庫公里標-當前公里標）；③GPS當前點和數據庫中最近點的距離小于前一次GPS采集點和數據庫中最近點距離。當GPS點查詢出的數據庫公里標滿足上述要求時，綜合定位系統將GPS數據庫公里標設置為當前公里標。

（2）電子標簽矯正。當電子標簽誤差小于絕對值（電子標簽數據庫公里標-當前公里標）時進行矯正。電子標簽觸發為連續觸發，只有當電子標簽第一次觸發時進行矯正。其后連續觸發，將丟棄電子標簽觸發信號。因此，電子標簽越近才觸發的類型精度將高于很遠就觸發的電子標簽。

（3）MVB機車信息矯正。MVB機車信號實際就是電客車系統的定位信號。MVB定位誤差就是其他系統定位時產生的誤差。比如其他系統使用電子標簽定位，那么這個誤差就是電子標簽誤差。MVB延時誤差就是本系統收到定位時，與MVB系統定位有時間延時導致的。延時誤差算法為：最大延時時間×最大列車速度。只有滿足如下條件才進行矯正：（MVB定位誤差 +MVB延時誤差）＜絕對值（電子標簽數據庫公里標 -當前公里標）。

（4）桿號識別矯正。綜合定位系統為進行桿號識別矯正，需要保存1 s內的所有速度傳感器的定位信息，同時規定桿號識別必須在1 s完成。桿號識別矯正步驟如下：①本系統和桿號圖像采集軟件必須使用同一個授時服務進行本地實際矯正，同時圖像采集軟件采集到圖像后，對該圖片立刻進行時間標定；②桿號識別軟件需要將圖片采集時間和識別的桿號一同發送給綜合定位服務器；③圖片采集時間必須晚于綜合定位系統保存的最晚速度傳感器時間，如果不滿足則丟棄；④根據圖片采集時間最近的速度傳感器的里程信息，檢索周圍10個桿的桿號，如果其中某一桿號和算法識別的桿號一致，系統將根據該桿號矯正當前定位信息。矯正方法：使用當時里程和現在的里程相減得到相對里程，使用相對里程，將定位桿矯正到當前桿。

4 關鍵技術研究

4.1 運營車無人值守

由于運營電客車設計要求，無法在車上配置專用的檢測設備操作室，基于此，為保障設備正常運行，結合電客車運行情況，設計開發無人值守模塊，并配以軟件開發，實現接觸網檢測系統全自動運行（自動啟停控制、制定檢測計劃并運行、自動參數調節、軟件系統功能預置和隨時靈活更改檢測位置、可接受外部控制指令實現遠程開關機等操作）及遠端控制。無人值守模塊負責通過與接觸網監測管理系統（CMMS）之間的通信，實現對繼電器的控制，以此實現系統的開關機及上電操作。

4.1.1 遠程控制網絡拓撲圖

列車遠程控制網絡拓撲圖如圖7所示。

圖7 遠程控制網絡拓撲圖

（1）控制接口（LTE接口）由3車接入，通過防火墻后與各遠程控制模塊通過交換機相連。為保證網絡鏈接可靠，所有交換機均上電運行且不由遠程控制模塊對其電源進行控制。

（2）交換機1、交換機3和交換機4實現雙環網的數據交換功能；交換機2（三層交換機）具有路由交換功能，具備對LTE信息的接收和分發功能（可直接將LTE數據分發到每個遠程控制模塊或是網絡上的服務器）。

（3）交換機2到防火墻以及LTE為外部網絡，交換機2以及除防火墻以外的網絡為內部網絡，內網和外網分屬不同的網段，以免IP出現沖突。

4.1.2 遠程控制功能說明

列車遠程控制功能如圖8所示。

圖8 遠程控制功能框圖

（1）被控設備電源中串聯接觸器，通過網絡遠程輸入/輸出（IO）控制其接觸器來達到遠程控制的目的。

（2）網絡遠程IO具有網絡解析功能，支持傳輸控制協議/網際協議（TCP / IP）服務，直接和交換機相連可通過網絡獲取遠程控制命令，并可通過網絡返回遠程控制結果。

4.1.3 元器件級設備監控

接觸網檢測系統可實現元器件級設備的監控，監控內容包括直接監控元件（如各種傳感器、相機、服務器、不間斷電源（UPS）等可通過直接讀取其工作狀態信息進行監控的元件）及間接監控元件（包括輔助光源、激光器等不能通過讀取工作狀態信息進行監控的元件）。

對于直接監控元件，通過軟件讀取其工作狀態數據進行監控；對于間接監控元件，則通過借助于直接監控元件反映出的間距監控元件狀態進行監控。

在采集計算機的采集軟件中，設置采集監控功能模塊，采集軟件在工作時實時采集各直接監控元件的數據，采集監控功能模塊根據數據狀態判斷這些元件的工作狀態；同時，通過對采集數據的狀態進行分析，判斷間距監控元件的工作狀態（如通過圖像變暗，可以判斷光源異常；通過觸發相機正常時卻長時間不能觸發，可判斷觸發激光器異常等）。

監控功能模塊將上述信息實時發送給系統監控功能軟件，后者通過LTE方式，將故障信息發送給CMMS系統。同時，監控功能模塊定時向系統監控功能軟件發送心跳包，后者根據該心跳包判斷軟件及監控服務器的工作狀態。

4.2 定位點觸發設計方案

4C裝置在動態檢測過程中，需對途經的定位裝置、支持裝置等目標進行高清抓拍，要求啟動快門的時間準確，成像目標處于圖像中主要區域。本系統基于先進的激光測量和線陣圖像處理技術，研制了專用定位觸發模塊，能有效判定巡線過程中目標的出現，從而確定高清成像抓拍的時機。

考慮到剛性及柔性接觸網定位點目標的差異性，引入線陣相機及線光源共線模塊，線光源為線陣相機提供光源補償。工作時，二者以從下向上的視野對線路上方的接觸網進行連續拍攝，并通過圖像識別方法，提取圖像中目標物特征，確定目標物出現在圖像中特定位置，并根據圖像信息判定誤觸發情況，排除干擾信息，保證實際觸發信號的可靠性。識別結果和觸發抓拍功能實時同步，達到1 ms以內的延時響應控制，給出觸發信號，控制相機及光源工作，保證列車在行車條件下拍攝位置的準確性。

4.3 車體綜合補償檢測設備

為提高本系統1C裝置檢測精度，車底安裝有路軌綜合振動補償設備，用以建立慣性基準，修正接觸網幾何參數檢測誤差，使之更加接近靜態真實值，從而提高檢測精度。

車體綜合補償檢測設備檢測采用2D激光傳感技術實現對鋼軌及車體狀態實時監測，如圖9所示。通過監測到的狀態數據建立慣性坐標系，以得到靜態時接觸網距離鋼軌頂面的垂直高度和接觸網中心距離兩鋼軌中心的水平距離，然后根據建立的坐標系進行運算，從而消除車輛及路軌晃動等因素對測量結果的影響，提高接觸網幾何參數檢測精度。該設備具有檢測技術先進、檢測精度高等特點。

圖9 綜合振動補償設備工作原理圖

車體綜合補償檢測設備將測量到的車體左右偏移的距離和車體傾斜所造成的偏移數據，通過現場總線傳送到工控機。在靜態時，通過1#、2#攝像機的成像和數據獲取各自相對于最近鋼軌的水平距離，并將該距離定為初始狀態的標定距離。在動態（檢測車運行）時，通過1#、2#攝像機的成像和數據，獲取車體動態運行中相對于鋼軌基準的水平距離，然后由動態水平距離減去靜態水平距離得到的差值，即為車體左右擺動偏差，通過相應的補償算法補償到接觸網幾何參數中。

5 結論

通過對安裝于北京大興機場線運營電客車上的接觸網檢測系統各組成裝置的設計研究，闡述了檢測系統可實現的主要功能及達到的技術指標，且在北京大興機場線得到成功應用，取得良好的檢測效果。該系統的研發對保障列車運行安全和穩定運營具有重要意義，對形成運營線路的科學維護體系具有重要作用，對推進我國運營電客車接觸網安全檢測技術的發展具有重要價值。