趙志 劉洋

（湖南智融科技有限公司，湖南 株洲412000）

1 概述

近年來圖像識別技術(shù)和圖像處理算法被廣泛研究，圖像處理技術(shù)日趨成熟穩(wěn)定，并被廣泛應(yīng)用到檢測裝備中。弓網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)是一個用大量使用圖像識別技術(shù)的綜合性監(jiān)測系統(tǒng)，用于城市軌道交通車輛對受電弓、接觸網(wǎng)以及弓網(wǎng)匹配關(guān)系的測量以及評價，同時弓網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)對弓網(wǎng)的安全監(jiān)測、弓網(wǎng)配合效果監(jiān)測、弓網(wǎng)事故原因分析和定責(zé)等功能，逐步成為城市軌道交通中不可缺少的一個子系統(tǒng)，地鐵公司、主機(jī)廠也在越來越多的項目中使用弓網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)。

2 非接觸式硬點檢測原理

受電弓與接觸網(wǎng)的接觸力突然發(fā)生變化的地點成為統(tǒng)稱硬點，硬點的大小通常用加速度表示。非接觸式硬點檢測主要針對受電弓垂向振動而言，通過基于機(jī)器視覺的非接觸式檢測得到受電弓在運行過程中的垂向振動變化情況。其檢測原理如圖1 所示，在受電弓弓頭上粘貼反光標(biāo)記條條或噴反光漆，高亮光源照射弓上的反光面，當(dāng)受電弓振動時，可通過相機(jī)獲取到反光條的振動，進(jìn)而得到受電弓的振動狀態(tài)。受電弓的垂向振動狀態(tài)不僅可以反應(yīng)受電弓的垂向加速度信息，還可以反應(yīng)受電弓的運行過程中的抬升力信息。垂向加速度用于判斷受電弓的硬點信息，抬升力信息作為受電弓的綜合壓力值的一部分。

圖1 中A 為相機(jī)，B 為受電弓上用作檢測標(biāo)記的反光條。

圖1 非接觸式測量安裝示意圖

圖2 受電弓標(biāo)記條安裝圖片

3 非接觸式壓力檢測檢測原理

受電弓在運行過程中的接觸力由抬升力（彈簧彈力）、慣性力、空氣動力和修正系數(shù)組成，如下圖所示。

圖3 弓頭受力模型分析

根據(jù)上圖中的受力模型分析，受電弓運行中的接觸力可表示為：

其中，F(xiàn)c：接觸力測量值；

Fa：運行過程中的慣性力，與受電弓的垂向加速度有關(guān)，記為:

Fb：運行過程中的空氣動力，與受電弓的垂向加速度有關(guān)，記為:

Fd：運行過程中的抬升力（彈簧彈力），與受電弓的垂向位移有關(guān)，記為:

通過基于機(jī)器視覺的非接觸式測量方式可以得到受電弓在運行中的振動狀態(tài)，而受電弓的振動狀態(tài)不僅能夠反應(yīng)受電弓的垂向加速度信息，結(jié)合受電弓的質(zhì)量信息，進(jìn)而可以計算出Fa。其中受電弓垂向加速度的計算在第二章已經(jīng)詳細(xì)說明。

通過風(fēng)動實驗可以得到Fb與車輛運行速度的對應(yīng)關(guān)系。

通過基于非接觸式測量，利用對受電弓彈簧的彈力進(jìn)行標(biāo)定，可以得到受電弓運行過程中的Fd。

圖4 受電弓彈簧彈力的標(biāo)定測試示意圖

通過對以上受電弓彈簧彈力和慣性力的測量，進(jìn)而可以計算出弓網(wǎng)接觸力。

4 非接觸式接觸力硬點實驗室效果

4.1 實驗場景搭建

場景分為處理主機(jī)、圖像采集模塊、振動臺及標(biāo)記條三部分組成。

圖5 振動臺及靶標(biāo)

4.2 實驗效果（圖6-9）

圖6 正弦激振下采集到的圖像

圖7 沖擊下采集到的圖像

結(jié)束語

在城市軌道交通領(lǐng)域，目前弓網(wǎng)接觸力硬點的測量方式主要是通過接觸式光纖傳感器進(jìn)行測量，價格昂貴、維護(hù)困難且需更改受電弓結(jié)構(gòu)。光纖傳感器是物理傳感器，本質(zhì)上就是力的作用產(chǎn)生形變，利用形變帶來的信號變化進(jìn)行測量。形變就會帶來材料疲勞，時間久了就需要重新校準(zhǔn)，否則精度就會變差。非接觸式接觸力檢測目前只是在實驗室階段做了驗證，缺少實際運營數(shù)據(jù)，后續(xù)還需要根據(jù)運營數(shù)據(jù)進(jìn)一步對算法進(jìn)行修正，達(dá)到穩(wěn)定可靠的效果。

圖8 實驗室條件下硬點檢測數(shù)據(jù)

圖9 實驗室條件下接觸力檢測數(shù)據(jù)