姜文賢

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高速鐵路供電安全檢測監(jiān)測系統(tǒng)淺析

姜文賢

6C系統(tǒng)可對高速鐵路的牽引供電系統(tǒng)進行全方位、全覆蓋的綜合檢測、監(jiān)測，本文主要介紹了6C系統(tǒng)中應用的最新技術，并對應用效果進行了分析。

6C系統(tǒng)；機器視覺；智能識別；幾何參數(shù)檢測

0 引言

目前，中國電氣化鐵路總里程已超過4.8萬km，隨著鐵路電氣化進程的快速發(fā)展，對列車高速運行的安全性、穩(wěn)定性要求日益提高。為了保障高速鐵路安全平穩(wěn)運行，中國鐵路總公司提出了構建高速鐵路供電安全檢測監(jiān)測系統(tǒng)（以下簡稱6C系統(tǒng)），其目的是對高速鐵路牽引供電系統(tǒng)進行全方位、全覆蓋的綜合檢測監(jiān)測。從最初的完全人工檢修，到現(xiàn)在的6C系統(tǒng)，越來越先進的技術應用到6C系統(tǒng)中，技術的創(chuàng)新、圖像清晰度的提升、檢測精度的提升、環(huán)境適應性的提升、智能識別技術的引入等都對6C系統(tǒng)的日漸完善起著強大的支撐作用，下面主要結合6C系統(tǒng)應用介紹相關的先進技術，并對應用效果進行分析。

1 先進的機器視覺技術

機器視覺技術是通過機器視覺產品將被測目標轉換成數(shù)字圖像信號，使用圖像來判定結果。一個典型的機器視覺系統(tǒng)包括：光源、工業(yè)相機、鏡頭、圖像采集單元、通訊輸入/輸出單元。6C系統(tǒng)主要通過機器視覺技術完成對接觸網懸掛、腕臂結構、附屬線索、零部件、受電弓的高清成像。

其中相機和光源在6C系統(tǒng)的機器視覺中起到很重要的作用，相機采用高分辨率工業(yè)級相機，高動態(tài)CMOS成像技術，根據(jù)環(huán)境自動調節(jié)拍攝參數(shù)，避免了成像亮度不足和過度曝光的問題，拍攝效果足夠清晰，能夠準確分辨螺栓脫落等故障。

光源采用高亮度智能頻閃燈，光源只有在攝像頭采集的瞬間才工作，整個曝光時間僅幾十ms，瞬間的光通量可以達到1 000 000 lm以上，適應更小的光圈和快門。拍攝的圖像不拖影，有很好的景深，同時能夠適應檢測車的高速運行。6C系統(tǒng)拍攝效果如圖1所示。

圖1 6C系統(tǒng)拍攝效果

1.1 接觸網安全狀態(tài)巡檢裝置（2C）

2C是一種新型的便攜式裝置，可代替人工對接觸網設施進行檢查巡視，放置在司機室內，可對接觸網的狀態(tài)進行實時視頻采集（圖2）。

圖2 2C裝置應用

1.2 接觸網懸掛狀態(tài)檢測監(jiān)測裝置（4C）

4C裝置安裝在接觸網作業(yè)車或專用車輛上，在一定運行速度下，對接觸網懸掛系統(tǒng)的零部件實施高精度成像檢測及靜態(tài)幾何參數(shù)的高精度測量，并在檢測數(shù)據(jù)自動識別與分析的基礎上形成維修建議，指導作業(yè)人員排除接觸網故障隱患（圖3）。

圖3 4C裝置

1.3 受電弓滑板監(jiān)測裝置（5C）

5C裝置安裝于鐵路局、段分界點和樞紐站兩端硬橫跨上，在特殊斷面和區(qū)段形成卡口機制，對通過列車的受電弓進行實時成像監(jiān)測（圖4）。

圖4 5C裝置

2 精準探測技術

在6C系統(tǒng)的4C和5C中，精準探測技術得到了廣泛應用。在不影響行車的情況下，為了對接觸網、列車和受電弓進行精準探測和定位，采用非接觸式的高精度雷達探測列車及激光傳感器探測接觸網和受電弓。

2.1 高精度雷達

雷達對運動物體速度的精確檢測基于微波多普勒效應。行進過程中的微波遇到障礙物體時發(fā)生反射，反射波頻率及振幅均隨障礙物體的移動狀態(tài)而改變。根據(jù)多普勒頻率的大小，可以測出目標對雷達的徑向相對運動速度，如圖5所示。其可在微秒級時間內完成探測，準確探測列車的到達與離開，精確測量列車的開行速度。

圖5 高精度雷達探測示意圖

2.2 激光傳感器

激光傳感器的原理是通過發(fā)射器鏡頭將可見激光射向目標物，接收元件通過接收鏡頭接收目標物反射的激光光束。接收器到被測物的距離決定了光束到達接收元件的角度。該角度決定了光束落在接收器接收元件上的位置，光束在接收器接收元件的位置通過模擬和數(shù)字電路處理，并經過微處理器分析，輸出相應的數(shù)據(jù)，其原理如圖6所示。

圖6 激光傳感器原理

激光傳感器通過自發(fā)自收的方式判斷是否出現(xiàn)被測物體，如果具備固定的檢測范圍，則忽略檢測范圍外的物體，并通過雙傳感器技術，實現(xiàn)“與”邏輯判斷，保證100%觸發(fā)，精度高，且采樣頻率可達10 kHz。

3 接觸網幾何參數(shù)檢測技術

導高、拉出值等是接觸網的關鍵幾何參數(shù)，也是6C系統(tǒng)中最重要的檢測參數(shù)，其對接觸網檢修具有重要的參考意義，目前主要通過雙目視覺非接觸方式進行檢測。

將2臺性能和大小完全相同的線陣攝像機對稱安裝于列車上，要求接觸線在2臺攝像機視場交匯的地方，即2臺攝像機采取交匯測量的對稱結構對接觸線進行圖像采集。2臺攝像機安裝在同一平面上，通過圖像獲取、攝像機標定、特征提取和三維重建等步驟，實現(xiàn)幾何參數(shù)測量，如圖7所示。

另外將2臺性能和大小完全相同的線陣攝像機對稱安裝于列車底部，實時重建軌道面的中心，對上述測量值進行實時抗振動補償，補償后消除了列車晃動以及列車轉彎對測量值的影響，提高了測試精度。

圖7 測量系統(tǒng)結構示意圖

4 智能識別技術

為提升6C系統(tǒng)自動化水平，實現(xiàn)由“人檢人修”向“機檢人修”方式過渡，引入了智能識別技術，極大降低了作業(yè)人員的勞動強度，提高了檢測作業(yè)質量和效率。

4.1 故障識別

通過圖像匹配、識別、判斷機制，并采用智能識別算法，可對接觸網設備裂縫、螺栓脫落等缺陷進行識別。

4.2 動車組車號/接觸網桿號識別

通過車號圖像采集、號碼定位、字符分割、字符特征提取、光學字符識別、識別結果輸出等幾個步驟，可準確識別出數(shù)字、字母以及符號，完成對車號的識別（圖8）。

圖8 動車組車號識別

通過對鐵路沿線接觸網桿號的智能識別，實現(xiàn)與接觸網圖像準確匹配定位，在故障預警中起到了關鍵作用（圖9）。

圖9 接觸網桿號識別

5 6C系統(tǒng)應用效果

目前，6C系統(tǒng)中的2C、4C、5C裝置已在哈爾濱鐵路局成功應用，應用效果良好，既減輕了作業(yè)人員的勞動強度，又有效降低了異常問題發(fā)生的概率，符合電氣化鐵路信息化發(fā)展的方向，實現(xiàn)了接觸網檢測由“人檢”向“機檢”方式的過渡，質量控制則由“人控”向“機控”方式轉變，確保了動車組安全運行。

5.1 2C裝置應用效果

2016年4—12月，在哈爾濱鐵路局管段內高鐵線路上應用2C裝置進行檢測的里程為 2 875 km，缺陷記錄共計153處，缺陷統(tǒng)計匯總如圖10所示。

圖10 2C檢測缺陷匯總統(tǒng)計

5.2 4C裝置應用效果

2016年1—12月，在哈爾濱鐵路局管段內高鐵線路應用4C裝置共完成檢測1 210 km，缺陷記錄共計1 901處，缺陷統(tǒng)計見圖11。

圖11 4C檢測缺陷匯總統(tǒng)計

6 結語

越來越先進的技術引入6C系統(tǒng)，對整個6C系統(tǒng)功能和自動化水平均有極大的提高，形成了數(shù)字化和可視化的檢測信息庫，可用于指導全路高速鐵路供電設備的日常維護與檢修。隨著技術創(chuàng)新的不斷加強，通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進行綜合分析、專家診斷，最終實現(xiàn)使之成為開放式設計構架，軟硬件均符合國際國內標準，可兼容并接入其他智能檢測、監(jiān)測設備的一套技術先進、功能完善的系統(tǒng)，為全路高速鐵路供電設備安全運行提供技術保障。

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All-dimensional and comprehensive integrated inspection and monitoring on traction power supply for high speed railway are able to be realized by 6C system, this paper mainly introduces the most advanced technologies applied in 6C system and analyzes effects of its application.

6C system; machine vision; intelligent identification; geometry parameter inspection

10.19587/j.cnki.1007-936x.2017.04.002

U225

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1007-936X(2017)04-0006-04

2017-02-21

姜文賢.哈爾濱鐵路局牡丹江供電段，工程師，電話：13766655168。