郭超 周洋

（中車青島四方機(jī)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(wǎng)、弓網(wǎng)關(guān)系處于良好狀態(tài)，實(shí)時(shí)在線監(jiān)測弓網(wǎng)系統(tǒng)故障具有十分重要意義。

傳統(tǒng)弓網(wǎng)檢測技術(shù)采用人工檢測的方式，檢測效率低、對檢修人員技術(shù)水平有依賴、安全性低。隨著傳感器技術(shù)發(fā)展，接觸式檢測方法出現(xiàn)。通過在受電弓安裝壓力傳感器、電阻傳感器等實(shí)現(xiàn)幾何參數(shù)檢測。Boffi等人在受電弓安裝光纖傳感器實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)應(yīng)力變化和沖擊檢測[1]。吳積欽在模擬受電弓安裝61個(gè)接近傳感器對接觸線拉出值進(jìn)行測量[2]。接觸式檢測方法提高了檢測效率，但其檢測參數(shù)單一，需對受電弓進(jìn)行改造，對受電弓動力學(xué)性能造成一定影響。激光、光學(xué)測量技術(shù)的廣泛應(yīng)用，為非接觸式弓網(wǎng)檢測提供了新方法。尹保來采用超聲波傳感器測距原理進(jìn)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(shí)現(xiàn)弓網(wǎng)故障監(jiān)測及報(bào)警功能[4]。文獻(xiàn)[5]介紹了一種基于光學(xué)雷達(dá)技術(shù)測距的接觸網(wǎng)參數(shù)測量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)接觸線位置、磨損、等相關(guān)參數(shù)的測量。非接觸式檢測方式降低了行車干擾，但傳統(tǒng)激光檢測參數(shù)單一，超聲波測量方式精度有待提升。

近年來，隨著計(jì)算機(jī)智能技術(shù)的快速發(fā)展，基于圖像處理的弓網(wǎng)檢測技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對多種受電弓、接觸網(wǎng)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行檢測。楊盧強(qiáng)等介紹了一種新型圖像識別算法進(jìn)行高速列車接觸網(wǎng)拉出值、導(dǎo)高參數(shù)的測量[6]。楊恒利用機(jī)器視覺技術(shù)設(shè)計(jì)了弓網(wǎng)動態(tài)性能關(guān)鍵參數(shù)實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)，利用弓網(wǎng)視頻圖像，實(shí)現(xiàn)拉出值、導(dǎo)高數(shù)值和燃弧發(fā)生時(shí)間、頻次等信息實(shí)時(shí)顯示[7]。王燕等人提出了基于BM3D的接觸網(wǎng)圖像的自適應(yīng)去噪的處理方法，使降噪圖像更利于進(jìn)行圖像識別[8]。劉寅秋等提出了一種圖像處理技術(shù)，有效提取并計(jì)算接觸網(wǎng)動態(tài)高度及拉出值等參數(shù)的方法[9]。利用圖像識別的弓網(wǎng)檢測系統(tǒng)提升了設(shè)備參數(shù)檢測數(shù)量、減少了硬件設(shè)備數(shù)量、智能化程度更高。因此基于圖像處理的弓網(wǎng)檢測系統(tǒng)成為發(fā)展趨勢。本文對城市軌道交通弓網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)、系統(tǒng)架構(gòu)及功能進(jìn)行分析。

1.弓網(wǎng)監(jiān)測技術(shù)分析

城市軌道交通弓網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)對弓網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測。并對監(jiān)測參數(shù)進(jìn)行綜合分析處理，完成設(shè)備維護(hù)檢修及故障處置建議。主要包括接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測技術(shù)、接觸網(wǎng)磨耗測量技術(shù)、弓網(wǎng)燃弧檢測技術(shù)、弓網(wǎng)溫度檢測技術(shù)、弓網(wǎng)沖擊檢測技術(shù)、受電弓狀態(tài)檢測技術(shù)、定位檢測技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。

1.1 接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測

接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測采用光截測試原理，通過左右側(cè)激光-面陣相機(jī)對接觸網(wǎng)同一點(diǎn)進(jìn)行拍攝，通過濾光等方法處理后，兩側(cè)相機(jī)獨(dú)立對接觸線輪廓進(jìn)行拍攝并計(jì)算接觸線幾何參數(shù)。圖1展示了接觸網(wǎng)輪廓左右側(cè)相機(jī)拍攝效果。然后利用立體視覺算法，獲得接觸線導(dǎo)高、拉出數(shù)、線間距、導(dǎo)線坡度等參數(shù)。

圖1 接觸網(wǎng)輪廓左右側(cè)相機(jī)拍攝效果

1.2 接觸網(wǎng)磨耗測量

接觸線磨耗測量采用面陣相機(jī)和結(jié)構(gòu)光的方式，通過左右側(cè)4個(gè)磨耗測量相機(jī)從左右兩側(cè)掃描接觸線輪廓，掃描覆蓋整個(gè)拉出值范圍。圖2展示了左右側(cè)相機(jī)對接觸線磨耗拍攝效果。兩側(cè)相機(jī)拍攝避免了單側(cè)相機(jī)拍攝不清晰、接觸線部分輪廓遮擋不完整問題，同時(shí)提高偏磨情況下的磨耗測量精度。

圖2 接觸線磨耗左右側(cè)相機(jī)拍攝效果

1.3 弓網(wǎng)燃弧檢測

弓網(wǎng)產(chǎn)生電弧時(shí)，會產(chǎn)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(wǎng)燃弧信息[10]。弓網(wǎng)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(chǎn)生燃弧現(xiàn)象。紫外監(jiān)控相機(jī)采用連續(xù)拍攝工作方式。當(dāng)紫外光子密度超過一定閾值后，監(jiān)控相機(jī)將保存燃弧前后5s的監(jiān)控視頻。弓網(wǎng)燃弧檢測精確計(jì)算燃弧次數(shù)、燃弧持續(xù)時(shí)間、燃弧率等參數(shù)。圖3展示了紫外光子傳感器檢測的燃弧信號，當(dāng)傳感器檢測到燃弧時(shí)，電弧信號突變。

圖3 紫外光子傳感器燃弧信號

1.4 弓網(wǎng)溫度檢測

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

圖4 弓網(wǎng)部件溫度場分布

1.5 弓網(wǎng)沖擊力檢測

弓網(wǎng)相機(jī)拍攝滑板標(biāo)識條，通過標(biāo)識條的圖像形態(tài)特征，利用模式識別技術(shù)定位碳滑板的相對位置，得到受電弓的振動軌跡。根據(jù)標(biāo)識條圖像標(biāo)定得到碳滑板振動位移ΔS，根據(jù)相機(jī)的固定線率得到振動時(shí)間。根據(jù)ΔS=a＊t2/2可計(jì)算振動加速度a。根據(jù)加速度和壓力標(biāo)定后相對關(guān)系可得到接觸網(wǎng)動態(tài)壓力。線陣相機(jī)的線率達(dá)到20k，能夠分辨出50us以上的振動變化。

1.6 受電弓狀態(tài)檢測

受電弓狀態(tài)檢測利用紅外敏感攝像機(jī)對受電弓關(guān)鍵零部件損傷、變形、缺失、姿態(tài)異常、異物等進(jìn)行檢測，并進(jìn)行磨耗測量，分辨率高達(dá)2048＊2048，幀率為25fps。同時(shí)使用高亮LED頻閃光源進(jìn)行補(bǔ)光，防止隧道外陽光干擾、保證隧道內(nèi)不對司機(jī)視覺造成干擾。

1.7 振動補(bǔ)償技術(shù)

由于車輛運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動、偏移等原因，車頂采集單元的基準(zhǔn)點(diǎn)不斷發(fā)生變化，導(dǎo)致測量的數(shù)值與實(shí)際數(shù)值存在偏差。振動補(bǔ)償單元通過測量車輛相對于左右軌道的偏移量和運(yùn)行過程中的側(cè)翻程度，修正弓網(wǎng)監(jiān)測設(shè)備檢測的拉出值、導(dǎo)高等參數(shù)，有效提高測量的精準(zhǔn)度。

1.8 綜合定位技術(shù)

弓網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)通過TCMS獲得開關(guān)門、車速、車站代碼信息，并結(jié)合圖像識別進(jìn)行綜合定位。車輛在車站停車時(shí)，可以進(jìn)行絕對定位。在車站運(yùn)行時(shí)，通過數(shù)字圖像分析處理識別技術(shù)對接觸網(wǎng)懸掛進(jìn)行識別定位，準(zhǔn)確定位每個(gè)吊柱或支柱。在每根支柱的絕對位置對車輛位置進(jìn)行修正，將定位誤差控制在1桿范圍內(nèi)。為進(jìn)一步提高定位精度，通過編碼器計(jì)算一跨之內(nèi)的車輛位置，編碼器計(jì)算的短距離位移與數(shù)據(jù)庫結(jié)合，判斷接觸懸掛識別是否漏桿，并將漏識別的桿號進(jìn)行回補(bǔ)。綜合定位精度能達(dá)到1m。

2.弓網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)組成

圖5展示了弓網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的拓?fù)鋱D。弓網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)包括車頂采集單元、車底振動補(bǔ)償單元、車內(nèi)分析處理單元、地面數(shù)據(jù)管理服務(wù)器。

圖5 弓網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)拓?fù)鋱D

車頂采集單元包括接觸網(wǎng)高清成像模塊、燃弧檢測模塊、溫度檢測模塊、幾何參數(shù)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(wǎng)及弓網(wǎng)關(guān)系等狀態(tài)實(shí)時(shí)成像，采用圖像分析的方式，分析弓網(wǎng)可能的缺陷。

車內(nèi)分析處理單元主要用于對車頂采集設(shè)備和車底振動補(bǔ)充單元進(jìn)行數(shù)據(jù)采集存儲和處理的分析。可以對采集的弓網(wǎng)圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，檢測弓網(wǎng)缺陷，通過MVB總線傳輸至列車TCMS系統(tǒng)。同時(shí)，缺陷數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)也可通過5G網(wǎng)絡(luò)或LTE專用網(wǎng)絡(luò)傳輸至地面數(shù)據(jù)管理服務(wù)器。

車底振動補(bǔ)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?shù)臋z測裝置可以不受車體震動的影響。

地面數(shù)據(jù)管理服務(wù)器是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)核心，主要用于對車載設(shè)備（車頂采集單元、車底振動補(bǔ)償單元、車內(nèi)分析處理單元）進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，可以按車次、線路等信息儲存歷史數(shù)據(jù)，提供人機(jī)界面，可進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)查詢、缺陷確認(rèn)等功能。

弓網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)全面檢測車輛受電弓、接觸網(wǎng)和弓網(wǎng)關(guān)系。通過地面服務(wù)器匯總所有列車監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析每列車受流情況、接觸網(wǎng)的幾何特性等情況。主要功能包括：

（1）測量接觸網(wǎng)動態(tài)幾何參數(shù)，包括接觸線拉出值、導(dǎo)高等參數(shù)；（2）測量接觸線磨耗；（3）進(jìn)行燃弧檢測，檢測持續(xù)時(shí)間、強(qiáng)度，自動生成燃弧曲線圖；（4）檢測弓網(wǎng)零部件溫度、弓網(wǎng)運(yùn)行沖擊力；（5）檢測受電弓零部件異常、運(yùn)行狀態(tài)異常、滑板磨耗；（6）自動完成參數(shù)檢測、異常數(shù)據(jù)分析、隱患級別劃分和缺陷數(shù)據(jù)的發(fā)送；（7）與列車TCMS通信，將缺陷數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳；（8）位置精確定位，將檢測位置與檢測參數(shù)對應(yīng)，將位置合成在視頻及圖片上。

3.結(jié)語

本文提供了一種融合多項(xiàng)檢測技術(shù)的城市軌道車輛弓網(wǎng)監(jiān)測方法，能夠有效實(shí)時(shí)在線檢測弓網(wǎng)幾何參數(shù)、接觸線磨耗、弓網(wǎng)燃弧、弓網(wǎng)沖擊力；實(shí)現(xiàn)受電弓狀態(tài)高清成像；自動監(jiān)測受電弓零部件異常，并完成數(shù)據(jù)分析、故障隱患等級分類；故障數(shù)據(jù)、報(bào)警信息自動上傳。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新技術(shù)的發(fā)展，未來弓網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)將更加智能化，檢測精度、檢測效率將進(jìn)一步提升。