靴軌受流在線檢測系統設計及應用研究

陳善樂

0 引言

隨著我國經濟社會的快速發展，城市軌道交通發展迅速[1]。靴軌受流作為城市軌道交通一種常見的受流方式，通過集電靴側碳滑板與接觸軌接觸，實現地鐵車輛的動能供給[2，3]。靴軌受流系統主要由接觸軌、集電靴和供電系統組成，其狀態優劣直接影響地鐵的安全運營，對其加強狀態檢測十分必要[4～6]。

靴軌受流系統雖然已經存在50多年，但與之配套的靴軌在線檢測系統發展相對緩慢。相比弓網受流系統，由于其應用范圍較廣，弓網系統檢測的研究較多[7，8]，而涉及靴軌受流檢測領域的文獻較少。其中，文獻[9]研究基于圖像處理技術實現接觸軌的幾何參數檢測，但該方法需要無電狀態，且只能低速檢測，限制了方法應用。文獻[10]針對靴軌系統實際應用過程存在的問題，提出通過在線檢測電流值進行狀態檢測。文獻[3]基于激光三角測距理論，通過對接觸軌進行幾何參數計算，獲得接觸軌幾何參數檢測值。

從上述文獻可知，目前對靴軌受流系統在線檢測技術的研究較少，而開展靴軌受流系統在線狀態研究能夠更好保證靴軌受流質量，保障城市軌道交通的穩定運營。為準確評估靴軌受流系統的運行狀態，本文設計了一種靴軌受流系統在線檢測系統，運用激光測距、紫外光電傳感、光纖應變傳感和光纖硬點傳感等技術實現對靴軌受流系統的動態檢測，主要包括接觸軌幾何參數檢測、靴軌接觸力檢測、集電靴硬點檢測和靴軌燃弧檢測。

1 靴軌在線檢測系統設計及實現

1.1 架構組成

靴軌在線檢測系統主要由車外檢測設備、車內處理單元、遠程輸送通道和地面數據中心等組成，基本結構框架如圖1所示。

圖1 靴軌在線檢測系統架構

基本檢測單元主要由接觸軌幾何參數檢測模塊、集電靴電流及電壓檢測模塊、硬點檢測模塊、接觸壓力檢測模塊和靴軌燃弧檢測系統組成。

車內處理單元主要作用為對各檢測模塊傳輸的數據進行分析處理，并實現與車輛控制與管理系統和地面數據中心的通信。

1.2 接觸軌幾何參數檢測

圖2 接觸軌幾何參數檢測原理拓撲

二維激光測距傳感器（2D傳感器）為圖像采集模塊中的核心組件，由相機和線激光器組成，原理是激光光源投射到接觸軌表面，利用三角成像原理，相機與激光光源成一定角度，拍攝接觸軌表面結構光圖像，通過視覺成像模型，計算目標點所在的世界坐標位置2D傳感器檢測原理如圖3所示。

圖3 2D傳感器檢測原理

圖像采集模塊示意圖如圖4所示，在接觸軌幾何參數檢測過程中，處理主機采集2D傳感器圖像，經過圖像處理、圖像識別與空間轉換后，可以獲得接觸軌目標點相對2D傳感器的水平位置和垂直位置，通過傳感器安裝參數與動態補償技術，進而轉換為接觸軌中心距離線路中心水平距離和接觸軌受流面與走行軌鋼軌頂面的垂直距離。

圖4 圖像采集模塊示意圖

將檢測到的接觸軌受流面與走行軌鋼軌頂面的垂直距離數據與綜合定位數據中的距離信息結合，經過數據處理與轉換即可得到接觸軌坡度及端部彎頭幾何參數信息。

激光測距傳感器通過采集與線路周邊物體的距離信息，進行濾波處理后，可確定線路中支柱位置，將每次獲得的支柱位置與綜合定位信息結合即可得到跨距數據。

1.3 靴軌動態參數檢測

靴軌動態參數檢測子系統可分為電氣參數檢測和機械參數檢測，其中燃弧檢測、集電靴電流/電壓檢測屬于電氣參數檢測，接觸壓力和沖擊加速度（硬點）檢測屬于機械參數檢測。

靴軌動態參數檢測子系統主要包括靴軌燃弧檢測模塊、牽引電流檢測模塊、集電靴電壓檢測模塊、接觸壓力檢測模塊、硬點檢測模塊、傳輸模塊、數據處理模塊及供電模塊。

1.3.1 靴軌燃弧檢測模塊

據九江旅游發改委統計，有近七層左右的旅游者開始選擇類似于自駕游的自主意愿強的旅游方式。自由行的旅游者對旅游信息的需求較為強烈。廬山溫泉鎮景區沒有建設全市統一的旅游公眾號，作者使用百度對廬山溫泉景區進行搜索，沒有統一的網站，僅僅只有集團化的度假酒店官網能對溫泉產品進行預訂。美團，途牛等網站也僅僅是售賣溫泉鎮的線路產品，門票。小鎮旅游沒有運用VR技術，3D成像技術對景區景點進行互聯網上的導覽。廬山溫泉鎮必須意識到智慧旅游的重要性，大力發展現代旅游服務業。

靴軌燃弧檢測運用紫外光電檢測技術，通過檢測靴軌燃弧紫外特征光實現燃弧檢測。其具體檢測過程如下：首先運用光學采集設備對燃弧紫外光特征量進行采集，然后將燃弧光信號輸入紫外光電傳感系統處理，主要目的是完成光信號至電信號的轉換，最終將電信號送入數據處理系統完成檢測結果輸出。

（1）光學采集系統。系統結構如圖5所示，主要由濾光片、透鏡組和接收裝置組成。該系統具有高強度抗干擾性，能夠精準地對所有靴軌燃弧輻射的特定譜段紫外光進行捕捉，同時濾光片能夠濾除多余的雜散光。

圖5 光學采集系統結構模型

（2）紫外光電傳感系統主要由紫外光電傳感器、信號處理模塊、電源模塊以及光纖適配器等組成，基本構成如圖6所示。本系統核心部件為紫外光電傳感器，能夠有效實時地完成靴軌燃弧特征光信號至電信號的轉換。

圖6 紫外光電傳感系統框架

（3）電信號采集組件由專用信號采集板卡組成，實現微弱信號的濾波、放大、采集、處理以及信號傳輸等功能。

1.3.2 接觸壓力檢測模塊

接觸壓力檢測的基本原理是通過對集電靴支撐臂的形變進行測量，考慮到集電靴處于高壓環境，特采用在集電靴上貼高靈敏度的光纖光柵應變片的方式對集電靴支撐臂的形變進行量化測量，利用光纖傳輸方式將信號傳輸至車內中央數據處理主機進行處理。同時構建靜態標定計算模型，通過該模型計算可實時顯示動態的接觸壓力曲線。

1.3.3 硬點檢測模塊

硬點檢測模塊采用光纖硬點傳感器信號對集電靴垂向加速度（硬點）進行測試，通過光纖的方式引至車內中央數據主機進行集中處理。

考慮到接觸軌受流面與鋼軌平面的垂直距離為200 mm，集電靴降靴狀態限界要求集電靴最低點距離軌面高度為95 mm，故集電靴受流臂底面安裝加速度傳感器方案不可行。為保證限界距離，加速度計位于靴臂中間的空檔處。靴臂厚度約為 60 mm，加速度計厚度為55 mm，保證加速度計安裝后不會超過靴臂厚度，故視為不超限界。如圖7中所示，借用集電靴上的2顆螺栓，制作一個T形連接板固定加速度計；加速度計安裝后會增加約0.6 kg重量。為確保動態測量過程中人身安全，安裝過程中應進行絕緣處理。

圖7 加速度信號檢測流程

2 靴軌在線檢測系統實例驗證

2.1 靴軌燃弧檢測

為驗證本系統的有效性，選取廣州地鐵某區間線路作為測試線路，選取燃弧次數、燃弧持續時間和燃弧率作為評價指標，燃弧持續時間tarc指所測區段每個所測燃弧持續時間的總和，計算式為

式中：ti為所測區段的第i次燃弧的持續時間，ms。

燃弧率NQ為所測區段的燃弧總時間與測量時間的比值：

式中：ttotal為所測區段的測量時間，ms。

靴軌受流在線檢測系統可針對燃弧現象檢測燃弧率和最長燃弧時間等指標，同時設有燃弧報警功能。表1為該系統的燃弧檢測結果，可以看出其能夠檢測出最短4 ms燃弧時長，具有較高檢測靈敏度，最長燃弧時長和燃弧率分別為 41 ms和0.019%，滿足標準檢測要求。

表1 燃弧檢測結果

2.2 靴軌接觸力檢測

實驗條件同上，采用接觸力平均值和標準偏差作為評價指標，接觸力平均值Fm指所測區段所有壓力值的平均值（N）。接觸力平均值可以反映高速運行時靴軌接觸的整體狀態。

接觸力標準偏差σ指所測區段接觸力真實值與壓力均值的偏差；接觸力標準偏差可以反映整個靴軌接觸力的波動范圍及離散程度，是評判靴軌運行質量的一個重要指標。

式中：Fn為采樣點r處的靴軌動態接觸力值，N；N為整個所測區段內采樣點的總個數。

圖8所示為測試線路的動態接觸力分布曲線，可以看出，最小接觸力為123 N，最大接觸力為211 N，滿足實驗要求。經在線檢測系統檢測并計算，得到靴軌接觸力平均值為123.7 N，標準偏差為2.1 N，滿足要求。

圖8 接觸力分布曲線

2.3 靴軌硬點檢測

由于硬點具有離散性，且是反映接觸軌平順性的重要指標，故需對一個區間內所有硬點值均進行分析，同時輸出硬點最大值。本文選用硬點加速度作為評價指標，即所測區間內集電靴對接觸軌的垂向加速度（硬點），計算式為

式中：Gmax為所測區間內最大硬點值；G(i)為所測的第i個垂向加速度，m/s2，0≤i≤I。

圖9所示為所測得的硬點分布曲線。由圖可知，上行線路的最大瞬時硬點為412.6 m/s2，滿足標準要求的集電靴垂向加速度（硬點）應小于490 m/s2。

圖9 硬點分布曲線

綜上所述，測試線路上行線員村站至金杭站全線各檢測指標均在要求范圍內，具有較好的運行狀態。同時，本系統各項指標檢測準確度均滿足要求，具有良好的實際應用價值。

3 結語

借鑒弓網檢測系統應用經驗，本文設計了一種靴軌受流在線檢測裝置。運用激光測距、紫外光電傳感、光纖應變傳感和光纖硬點傳感等技術實現對靴軌接觸力、集電靴硬點和靴軌燃弧等關鍵指標的檢測。通過對廣州地鐵員村站至金杭站實際線路測試，本系統能夠檢測時長為4 ms的燃弧現象，接觸力檢測標準偏差為 2.1 N，最大瞬時硬點 412.6 m/s2，具有良好的檢測精度和靈敏度，為靴軌受流系統狀態評估奠定良好基礎。下一步將對提高檢測系統的精準度作進一步研究，以提升靴軌系統狀態評估的準確性。