城市軌道交通弓網(wǎng)檢測監(jiān)測體系研究

摘 "要：良好的弓網(wǎng)關(guān)系是保障列車安全運(yùn)行的基礎(chǔ)，為確保弓網(wǎng)系統(tǒng)長期服役的可靠性，有必要建立城軌交通弓網(wǎng)檢測監(jiān)測體系。在梳理城軌鐵路檢測的需求上，充分吸收高速鐵路的經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)建城軌弓網(wǎng)檢測監(jiān)測體系框架，該文從5個(gè)層面進(jìn)行分析描述，論述弓網(wǎng)檢測監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)和主要方法，闡述體系在弓網(wǎng)生命周期管理和實(shí)踐中的運(yùn)用案例，為城軌弓網(wǎng)體系研究提供參考。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通；車載綜合檢測系統(tǒng)；運(yùn)營電客車；弓網(wǎng)關(guān)系；傳輸技術(shù)

中圖分類號(hào)：U216.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " " " " "文章編號(hào)：2095-2945（2023）20-0017-04

Abstract： A good pantograph-catenary relationship is the basis for ensuring the safe operation of the train. In order to ensure the reliability of the long-term service of the pantograph-catenary system， it is necessary to establish a pantograph detection and monitoring system for urban rail transit. In order to sort out the requirements of urban rail inspection， fully absorb the experience of high-speed railway， construct the framework of urban rail pantograph detection and monitoring system， this paper makes an analysis from five levels， discusses the key technologies and main methods of pantograph detection and monitoring， and expounds the application cases of the system in pantograph-catenary life cycle management and practice， so as to provide reference for the research of urban rail pantograph-catenary system.

Keywords： urban rail transit; on-board comprehensive detection system; operating electric bus; pantograph-catenary relationship; transmission technology

截至2022年9月30日，中國內(nèi)地累計(jì)有52個(gè)城市投運(yùn)城市軌道交通（以下簡稱“城軌”）線路總里程達(dá)到9 788.64 km[1]。我國城軌牽引供電系統(tǒng)主要采用直流供電制式，接觸網(wǎng)有架空柔性懸掛、架空剛性懸掛和接觸軌3種形式[2]。近年來，隨著開通運(yùn)營城市不斷增多、新增運(yùn)營里程迅速增加、線網(wǎng)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，城軌安全運(yùn)行的壓力和挑戰(zhàn)日益加大，如何進(jìn)一步保障城軌供電的安全性與可靠性，已成為行業(yè)關(guān)注重點(diǎn)。本文通過對(duì)既有工程案例進(jìn)行全面歸納與總結(jié)，首次提出了城軌弓網(wǎng)檢測監(jiān)測體系框架，并重點(diǎn)介紹了目前城軌采用的接觸網(wǎng)檢測技術(shù)，最后對(duì)城軌弓網(wǎng)檢測監(jiān)測體系的運(yùn)用實(shí)踐進(jìn)行了分析，可為今后城軌行業(yè)供電系統(tǒng)檢測監(jiān)測提供重要參考。

1 "弓網(wǎng)檢測監(jiān)測體系框架

針對(duì)高速鐵路，我國構(gòu)建了高速鐵路供電安全檢測監(jiān)測系統(tǒng)（簡稱6C系統(tǒng)），該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)高速鐵路牽引供電系統(tǒng)的全方位、全覆蓋綜合檢、監(jiān)測[3]。自運(yùn)用以來，6C系統(tǒng)有效降低了設(shè)備故障率，提高了設(shè)備運(yùn)用質(zhì)量，進(jìn)一步確保了運(yùn)營安全。近幾年，在相關(guān)政策的推動(dòng)下，城軌行業(yè)正整體朝著自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展。在供電系統(tǒng)檢測監(jiān)測方面，弓網(wǎng)綜合檢測裝置、接觸網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)檢測裝置、接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)檢測監(jiān)測裝置等已成功應(yīng)用于城軌線路上，為新建線路開通提供了保障，并為既有線路病害診斷提供了依據(jù)[4-5]。在檢測數(shù)據(jù)分析與管理上，具備檢測數(shù)據(jù)集成管理、集成分析和綜合可視化展示等功能的檢測管理平臺(tái)已成功應(yīng)用于多條城軌線路上，為線路高品質(zhì)開通及運(yùn)營提供數(shù)據(jù)保障[6]。

綜上所述，我國城軌充分借鑒了高速鐵路先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合自身特點(diǎn)，在供電系統(tǒng)檢測監(jiān)測體系上開展了一系列探索與實(shí)踐。城市軌道交通弓網(wǎng)檢測監(jiān)測體系主要包括感知層、傳輸層、平臺(tái)層、分析層和應(yīng)用層5個(gè)部分，檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)集中統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)的綜合應(yīng)用，提升接觸網(wǎng)-受電弓相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系技術(shù)水平。城市軌道交通弓網(wǎng)檢測監(jiān)測體系架構(gòu)如圖1所示。

1）感知層：系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)弓網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測，確保受流安全，指導(dǎo)弓網(wǎng)系統(tǒng)病害整治等；系統(tǒng)可快速發(fā)現(xiàn)并定位各種接觸網(wǎng)隱蔽缺陷，有效代替人工巡檢。

2）傳輸層：根據(jù)檢測監(jiān)測設(shè)備安裝位置，采用PIDS、WIFI、LTE-M等傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)的安全高效傳輸。

3）平臺(tái)層：地面服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)后，將進(jìn)行初步收集歸類處理，然后將結(jié)果通過地面光纖傳遞給云平臺(tái)，用于數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步數(shù)據(jù)挖掘。

4）分析層：在平臺(tái)上構(gòu)建數(shù)據(jù)分析組件，實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測數(shù)據(jù)的集中存儲(chǔ)，能對(duì)關(guān)鍵性、嚴(yán)重性病害進(jìn)行及時(shí)預(yù)警報(bào)警，做出相應(yīng)決策。

5）應(yīng)用層：充分應(yīng)用多源數(shù)據(jù)分析結(jié)果，有效指導(dǎo)健康管理和維修決策，實(shí)現(xiàn)弓網(wǎng)系統(tǒng)全生命周期管理。基于大數(shù)據(jù)分析結(jié)果，緊密貼合現(xiàn)場運(yùn)用需求，科學(xué)指導(dǎo)弓網(wǎng)系統(tǒng)科研創(chuàng)新發(fā)展方向，促進(jìn)弓網(wǎng)系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)持續(xù)提升。

2 "弓網(wǎng)關(guān)系檢測技術(shù)

2.1 "弓網(wǎng)綜合檢測裝置

弓網(wǎng)綜合檢測裝置（1C裝置）基于接觸式和非接觸式檢測技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)接觸網(wǎng)幾何、弓網(wǎng)受流性能等的檢測，主要搭載在綜合檢測列車或運(yùn)營電客車上，技術(shù)整體應(yīng)用較為成熟。與高速鐵路不同，城軌具有車輛設(shè)備安裝空間小、線路情況復(fù)雜等特點(diǎn)，且既有檢測設(shè)備自動(dòng)化程度相對(duì)較低，為進(jìn)一步提高檢測設(shè)備對(duì)城軌的適應(yīng)性，開展了一系列的優(yōu)化工作。例如在接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測上，考慮到城軌接觸網(wǎng)存在剛?cè)岵⒋娴那闆r，研發(fā)了適用于不同高度接觸網(wǎng)的幾何參數(shù)檢測裝置。

2.2 "接觸網(wǎng)零部件狀態(tài)巡檢技術(shù)

該系統(tǒng)由高清成像模塊及數(shù)據(jù)管理分析模塊組成，其中高清成像模塊對(duì)地鐵剛性接觸網(wǎng)懸掛的主要成像區(qū)域，包括A/B型垂直懸吊及安裝底座、A/B型單支懸吊槽鋼及安裝底座、T型頭螺栓、中心錨節(jié)及安裝底座、接線端子及安裝底座和絞線固定卡；匯流排接地線線夾、B型匯流排線夾、D型匯流排線夾；剛性懸掛彈性絕緣組件等設(shè)備。對(duì)地鐵柔性接觸網(wǎng)懸掛進(jìn)行高清成像的主要區(qū)域，包括平腕臂、斜腕臂、承力索、定位裝置和吊柱等區(qū)域，檢測速度覆蓋0～160 km/h。

數(shù)據(jù)管理分析模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測數(shù)據(jù)的治理與深度應(yīng)用，提升檢測分析效率。主要包含基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、檢測數(shù)據(jù)管理、檢測數(shù)據(jù)分析和檢測設(shè)備管理等功能。按照不同時(shí)間段拍攝的接觸網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行歷史比對(duì)，對(duì)歷年的缺陷數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。開展趨勢分析、關(guān)聯(lián)分析、對(duì)比分析等多維度可視化分析，依據(jù)分析結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)線路健康狀態(tài)的綜合評(píng)價(jià)，為線路安全評(píng)估及日常檢修維護(hù)提供數(shù)據(jù)支持。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2所示。

2.3 "接觸網(wǎng)狀態(tài)巡檢系統(tǒng)組成

車頂采集單元包括剛性觸發(fā)組件、柔性觸發(fā)組件、剛性接觸網(wǎng)高清相機(jī)、柔性接觸網(wǎng)高清相機(jī)、補(bǔ)光燈、巡視相機(jī)和設(shè)備箱等，可通過調(diào)整相機(jī)安裝位置和數(shù)量，滿足不同的用戶需求。接觸網(wǎng)狀態(tài)巡檢系統(tǒng)拍攝示意圖如圖3所示。

3 "弓網(wǎng)檢測監(jiān)測體系運(yùn)用實(shí)踐

3.1 "弓網(wǎng)系統(tǒng)全生命周期管理

基于檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)的缺陷診斷及綜合評(píng)價(jià)是弓網(wǎng)系統(tǒng)全生命周期管理的基礎(chǔ)，可為弓網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)急搶修、檢修維護(hù)、設(shè)備管理提供技術(shù)支持。弓網(wǎng)系統(tǒng)全生命周期管理如圖4所示。

3.2 "工程應(yīng)用案例

以A市地鐵B號(hào)線弓網(wǎng)檢測為例，線路全長42.8 km，時(shí)速為100 km/h，采用8B大編組列車和剛性接觸網(wǎng)供電，同時(shí)具有行車間隔小、運(yùn)量大、長大區(qū)間多、分段開通、線路東部穿越沉降區(qū)和小半徑曲線多等特點(diǎn)。該線開通運(yùn)營以后，陸續(xù)出現(xiàn)了列車85～100 km/h運(yùn)行時(shí)橫向異常振動(dòng)、剛性接觸網(wǎng)膨脹元件燒蝕、扣件彈條及地腳螺栓斷裂和架空接觸網(wǎng)磨耗等問題。

3.2.1 "離線燃弧評(píng)估

分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，新舊滑板通過膨脹元件時(shí)均會(huì)出現(xiàn)不同程度的燃弧，統(tǒng)計(jì)正線上下行膨脹元件燃弧數(shù)據(jù)如圖5和圖6所示。分析發(fā)現(xiàn)，全線舊滑板工況總?cè)蓟r(shí)間明顯高于新滑板，分別為11 672 ms和5 720 ms。因此，舊滑板工況下膨脹元件位置弓網(wǎng)關(guān)系較新滑板惡劣。同時(shí)，燃弧時(shí)溫度高達(dá)上千攝氏度，是造成膨脹元件燒蝕的直接原因。

3.2.2 "弓網(wǎng)接觸力評(píng)估

統(tǒng)計(jì)正線上下行膨脹元件弓網(wǎng)接觸力最大值和最小值，如圖7和圖8所示。分析發(fā)現(xiàn)，新、舊滑板工況下膨脹元件處最大和最小弓網(wǎng)接觸力出現(xiàn)明顯分界，其中舊滑板弓網(wǎng)最大接觸力主要分布在200～400 N，新滑板弓網(wǎng)接觸力主要分布在100～180 N，弓網(wǎng)最小接觸力舊滑板明顯小于新滑板，尤其90 N和100 N靜態(tài)抬升力工況下最為突出。

參考TB/T 3271—2011《軌道交通 受流系統(tǒng) 受電弓與接觸網(wǎng)相互作用準(zhǔn)則》：最大弓網(wǎng)接觸力小于等于300 N，最小弓網(wǎng)接觸力大于0 N。新滑板工況下弓網(wǎng)接觸力處于合理范圍，舊滑板工況下弓網(wǎng)最大接觸力和最小接觸力均有超標(biāo)現(xiàn)象。因此，舊滑板工況下膨脹元件位置弓網(wǎng)關(guān)系較新滑板顯著惡劣。

3.2.3 "硬點(diǎn)評(píng)估

硬點(diǎn)是表征弓網(wǎng)平順性的重要參數(shù)。統(tǒng)計(jì)正線上下行膨脹元件處硬點(diǎn)數(shù)據(jù)，如圖9所示。分析發(fā)現(xiàn)，膨脹元件處硬點(diǎn)新滑板工況主要集中穩(wěn)定在5～20 g范圍，而舊滑板工況相對(duì)零散分布在20～60 g范圍。舊滑板工況受電弓通過膨脹元件時(shí)硬點(diǎn)值明顯高于新碳滑板工況。

參考高速鐵路動(dòng)態(tài)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，時(shí)速160～200 km柔性接觸網(wǎng)的硬點(diǎn)檢測標(biāo)準(zhǔn)為小于49 g。新滑板受電弓通過膨脹元件時(shí)硬點(diǎn)值處于合理范圍，舊滑板工況受電弓通過膨脹元件時(shí)硬點(diǎn)值超標(biāo)嚴(yán)重。因此，舊滑板工況下膨脹元件位置弓網(wǎng)關(guān)系較新滑板顯著惡劣。

4 "結(jié)束語

相較于高速鐵路，城軌的供電系統(tǒng)缺乏成熟、完備的檢測監(jiān)測體系，其檢修模式依然以人工及小型化設(shè)備為主，存在成本高、效率低及數(shù)據(jù)利用率低等諸多問題，制約著城軌健康發(fā)展。新技術(shù)與新材料的不斷涌現(xiàn)，也為城市軌道交通弓網(wǎng)檢測監(jiān)測體系的發(fā)展提供了外在驅(qū)動(dòng)力，未來重點(diǎn)針對(duì)以下2個(gè)方面開展持續(xù)技術(shù)創(chuàng)新。

1）提升弓網(wǎng)檢測監(jiān)測體系智能化水平。促進(jìn)裝置的輕量化、小型化與智能化，實(shí)現(xiàn)檢測無人值守；挖掘運(yùn)營車組搭載式檢測潛力，加密檢測周期，豐富檢測項(xiàng)目，全面代替人工檢視；增強(qiáng)智能融合、智能診斷、智能決策能力。

2）完善弓網(wǎng)檢測監(jiān)測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。基于近年高速弓網(wǎng)檢測監(jiān)測運(yùn)營實(shí)踐，系統(tǒng)總結(jié)、擴(kuò)充狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)，形成層次清晰的分級(jí)維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。加強(qiáng)弓網(wǎng)關(guān)系基礎(chǔ)理論研究，以鐵路大數(shù)據(jù)平臺(tái)作為支撐，研究高速弓網(wǎng)運(yùn)行規(guī)律，加速數(shù)據(jù)向知識(shí)轉(zhuǎn)化。通過不斷迭代優(yōu)化形成系統(tǒng)完備的弓網(wǎng)檢測監(jiān)測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系并加快相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)國際化。

參考文獻(xiàn)：

[1] 數(shù)說城軌[J].城市軌道交通，2022（9）：6.

[2] 郭其一.城市軌道車輛供電制式的分析研究[J].城市軌道交通研究，2011，14（8）：1-4.

[3] 李耀云，高英杰，張文雍.高速鐵路供電安全檢測監(jiān)測系統(tǒng)（6C系統(tǒng)）分析方法探討[J].電氣化鐵道，2019，30（S1）：205-208.

[4] 張艷兵，王道敏，王文斌，等.動(dòng)態(tài)綜合檢測技術(shù)在北京大興機(jī)場線工程中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2019（8）：18-23.

[5] 侯智雄，王昊，戴鵬，等.鐵路基礎(chǔ)設(shè)施搭載式檢測系統(tǒng)的研發(fā)[J].鐵道建筑，2020，60（10）：142-145.

[6] 趙立峰.北京大興機(jī)場線接觸網(wǎng)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案研究[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2021（8）：22-28.