城市軌道交通弓網監測方法研究

郭超 周洋

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島 266111）

0.引言

為保證受電弓、接觸網、弓網關系處于良好狀態，實時在線監測弓網系統故障具有十分重要意義。

傳統弓網檢測技術采用人工檢測的方式，檢測效率低、對檢修人員技術水平有依賴、安全性低。隨著傳感器技術發展，接觸式檢測方法出現。通過在受電弓安裝壓力傳感器、電阻傳感器等實現幾何參數檢測。Boffi等人在受電弓安裝光纖傳感器實現實時應力變化和沖擊檢測[1]。吳積欽在模擬受電弓安裝61個接近傳感器對接觸線拉出值進行測量[2]。接觸式檢測方法提高了檢測效率，但其檢測參數單一，需對受電弓進行改造，對受電弓動力學性能造成一定影響。激光、光學測量技術的廣泛應用，為非接觸式弓網檢測提供了新方法。尹保來采用超聲波傳感器測距原理進行受電弓的磨耗檢測[3]。郝曉劍利用沖擊加速度傳感器、左右限位傳感器，實現弓網故障監測及報警功能[4]。文獻[5]介紹了一種基于光學雷達技術測距的接觸網參數測量系統，實現接觸網接觸線位置、磨損、等相關參數的測量。非接觸式檢測方式降低了行車干擾，但傳統激光檢測參數單一，超聲波測量方式精度有待提升。

近年來，隨著計算機智能技術的快速發展，基于圖像處理的弓網檢測技術可以實現對多種受電弓、接觸網關鍵參數進行檢測。楊盧強等介紹了一種新型圖像識別算法進行高速列車接觸網拉出值、導高參數的測量[6]。楊恒利用機器視覺技術設計了弓網動態性能關鍵參數實時檢測系統，利用弓網視頻圖像，實現拉出值、導高數值和燃弧發生時間、頻次等信息實時顯示[7]。王燕等人提出了基于BM3D的接觸網圖像的自適應去噪的處理方法，使降噪圖像更利于進行圖像識別[8]。劉寅秋等提出了一種圖像處理技術，有效提取并計算接觸網動態高度及拉出值等參數的方法[9]。利用圖像識別的弓網檢測系統提升了設備參數檢測數量、減少了硬件設備數量、智能化程度更高。因此基于圖像處理的弓網檢測系統成為發展趨勢。本文對城市軌道交通弓網監測系統關鍵技術、系統架構及功能進行分析。

1.弓網監測技術分析

城市軌道交通弓網監測系統對弓網系統的關鍵參數進行在線監測。并對監測參數進行綜合分析處理，完成設備維護檢修及故障處置建議。主要包括接觸網幾何參數檢測技術、接觸網磨耗測量技術、弓網燃弧檢測技術、弓網溫度檢測技術、弓網沖擊檢測技術、受電弓狀態檢測技術、定位檢測技術等關鍵技術。

1.1 接觸網幾何參數檢測

接觸網幾何參數檢測采用光截測試原理，通過左右側激光-面陣相機對接觸網同一點進行拍攝，通過濾光等方法處理后，兩側相機獨立對接觸線輪廓進行拍攝并計算接觸線幾何參數。圖1展示了接觸網輪廓左右側相機拍攝效果。然后利用立體視覺算法，獲得接觸線導高、拉出數、線間距、導線坡度等參數。

圖1 接觸網輪廓左右側相機拍攝效果

1.2 接觸網磨耗測量

接觸線磨耗測量采用面陣相機和結構光的方式，通過左右側4個磨耗測量相機從左右兩側掃描接觸線輪廓，掃描覆蓋整個拉出值范圍。圖2展示了左右側相機對接觸線磨耗拍攝效果。兩側相機拍攝避免了單側相機拍攝不清晰、接觸線部分輪廓遮擋不完整問題，同時提高偏磨情況下的磨耗測量精度。

圖2 接觸線磨耗左右側相機拍攝效果

1.3 弓網燃弧檢測

弓網產生電弧時，會產生大量波長低于可見光波長的紫外線，通過紫外線圖像可提取出弓網燃弧信息[10]。弓網燃弧檢測采用323nm～329nm的日盲紫外光子傳感器檢測空中紫外光子的密度，判斷是否產生燃弧現象。紫外監控相機采用連續拍攝工作方式。當紫外光子密度超過一定閾值后，監控相機將保存燃弧前后5s的監控視頻。弓網燃弧檢測精確計算燃弧次數、燃弧持續時間、燃弧率等參數。圖3展示了紫外光子傳感器檢測的燃弧信號，當傳感器檢測到燃弧時，電弧信號突變。

圖3 紫外光子傳感器燃弧信號

1.4 弓網溫度檢測

弓網溫度檢測采用紅外成像儀，在列車運行時測量接觸網及附件溫度分布，同時作為燃弧的輔助判斷。圖4展示了紅外測溫儀檢測的弓網部件溫度場分布圖。

圖4 弓網部件溫度場分布

1.5 弓網沖擊力檢測

弓網相機拍攝滑板標識條，通過標識條的圖像形態特征，利用模式識別技術定位碳滑板的相對位置，得到受電弓的振動軌跡。根據標識條圖像標定得到碳滑板振動位移ΔS，根據相機的固定線率得到振動時間。根據ΔS=a＊t2/2可計算振動加速度a。根據加速度和壓力標定后相對關系可得到接觸網動態壓力。線陣相機的線率達到20k，能夠分辨出50us以上的振動變化。

1.6 受電弓狀態檢測

受電弓狀態檢測利用紅外敏感攝像機對受電弓關鍵零部件損傷、變形、缺失、姿態異常、異物等進行檢測，并進行磨耗測量，分辨率高達2048＊2048，幀率為25fps。同時使用高亮LED頻閃光源進行補光，防止隧道外陽光干擾、保證隧道內不對司機視覺造成干擾。

1.7 振動補償技術

由于車輛運行時產生的振動、偏移等原因，車頂采集單元的基準點不斷發生變化，導致測量的數值與實際數值存在偏差。振動補償單元通過測量車輛相對于左右軌道的偏移量和運行過程中的側翻程度，修正弓網監測設備檢測的拉出值、導高等參數，有效提高測量的精準度。

1.8 綜合定位技術

弓網監測系統通過TCMS獲得開關門、車速、車站代碼信息，并結合圖像識別進行綜合定位。車輛在車站停車時，可以進行絕對定位。在車站運行時，通過數字圖像分析處理識別技術對接觸網懸掛進行識別定位，準確定位每個吊柱或支柱。在每根支柱的絕對位置對車輛位置進行修正，將定位誤差控制在1桿范圍內。為進一步提高定位精度，通過編碼器計算一跨之內的車輛位置，編碼器計算的短距離位移與數據庫結合，判斷接觸懸掛識別是否漏桿，并將漏識別的桿號進行回補。綜合定位精度能達到1m。

2.弓網監測系統組成

圖5展示了弓網監測系統的拓撲圖。弓網監測系統包括車頂采集單元、車底振動補償單元、車內分析處理單元、地面數據管理服務器。

圖5 弓網監測系統拓撲圖

車頂采集單元包括接觸網高清成像模塊、燃弧檢測模塊、溫度檢測模塊、幾何參數及磨耗測量模塊、接觸懸掛檢測模塊；主要用于對受電弓、接觸網及弓網關系等狀態實時成像，采用圖像分析的方式，分析弓網可能的缺陷。

車內分析處理單元主要用于對車頂采集設備和車底振動補充單元進行數據采集存儲和處理的分析。可以對采集的弓網圖像進行實時分析，檢測弓網缺陷，通過MVB總線傳輸至列車TCMS系統。同時，缺陷數據和視頻數據也可通過5G網絡或LTE專用網絡傳輸至地面數據管理服務器。

車底振動補償單元主要用于測量車體相對于鋼軌的震動偏差，使得安裝在車頂的檢測裝置可以不受車體震動的影響。

地面數據管理服務器是系統的數據核心，主要用于對車載設備（車頂采集單元、車底振動補償單元、車內分析處理單元）進行數據管理，可以按車次、線路等信息儲存歷史數據，提供人機界面，可進行歷史數據查詢、缺陷確認等功能。

弓網監測系統全面檢測車輛受電弓、接觸網和弓網關系。通過地面服務器匯總所有列車監測數據，分析每列車受流情況、接觸網的幾何特性等情況。主要功能包括：

（1）測量接觸網動態幾何參數，包括接觸線拉出值、導高等參數；（2）測量接觸線磨耗；（3）進行燃弧檢測，檢測持續時間、強度，自動生成燃弧曲線圖；（4）檢測弓網零部件溫度、弓網運行沖擊力；（5）檢測受電弓零部件異常、運行狀態異常、滑板磨耗；（6）自動完成參數檢測、異常數據分析、隱患級別劃分和缺陷數據的發送；（7）與列車TCMS通信，將缺陷數據實時上傳；（8）位置精確定位，將檢測位置與檢測參數對應，將位置合成在視頻及圖片上。

3.結語

本文提供了一種融合多項檢測技術的城市軌道車輛弓網監測方法，能夠有效實時在線檢測弓網幾何參數、接觸線磨耗、弓網燃弧、弓網沖擊力；實現受電弓狀態高清成像；自動監測受電弓零部件異常，并完成數據分析、故障隱患等級分類；故障數據、報警信息自動上傳。隨著人工智能、大數據、云計算等新技術的發展，未來弓網監測系統將更加智能化，檢測精度、檢測效率將進一步提升。