红外热像仪在电气化铁路弓网检测中的应用

张发

[摘 要] 为了实现电气化铁路管理信息化、智能化的目标，我们提出了电气化铁路弓网检测的应用方案。该方案采用安装在电力机车上的网络型在线式红外热成像仪，在电力机车运行时对接触网电气设备关键节点进行连续不间断的温度状态监测，并将监测数据实时记录在存储器中，通过对实时监测到的目标温度数据进行分析处理，生成数据报告，有效定位接触网电气设备的故障点。实际运行情况表明，系统输出的温度异常信息可以为预先排除接触网电气设备故障隐患提供有力依据，实现了接触网检测电气设备管理从维护运行到状态运行的重大提升。

[关键词] 红外热像仪；在线检测； 接触网； 温度状态分析； 故障预警

[中图分类号] F273 [文献标识码] A [文章编号] 1673 - 0194（2014）19- 0048- 03

1 引 言

铁路作为国家重要的基础设施、国民经济的大动脉和大众化的交通工具，在现代运输体系中发挥着重要的作用，是运输行业中的中流砥柱。其中，电气化铁路已成为最重要的组成部分。

电气化铁路弓网担负着把从牵引变电所获得的电能直接输送给电力机车使用的重要任务。因此电气化铁路弓网的质量和工作状态将直接影响电气化铁路的运输能力。

接触网是露天设置，没有备用，且长年暴露于铁路上方，经受污染、腐蚀和机车受电弓摩擦，线路上的负荷又是随着电力机车的运行而沿接触线移动和变化的。

红外成像技术作为一门新技术，在电力设备运行状态检测中有着无比的优越性。红外成像是以设备的热状态分布为依据对设备运行状态良好与否进行诊断，它具有不停运、不接触、远距离、快速、直观地对设备的热状态进行成像的能力。

由于设备的热像图是对设备运行状态下热状态及其温度分布的真实描写，而接触网设备在运行状态下的热分布正常与否是判断接触网设备状态良好与否的一个重要特征。因此采用红外成像技术可以通过对设备热像图的分析来诊断设备的状态及其隐患或缺陷。

2 应用现状

铁路系统很早就将热像仪运用于设备的安全检修上，通过其对电气设备和线路的热缺陷进行探测，这对于及时发现、处理、预防重大事故的发生可以起到非常关键而有效的作用。铁路系统原有设备的红外监测方式对于接触网设备基本没有有效的监测手段，只能靠运行人员沿铁轨沿线巡视来掌握设备的运行状态（人的自觉性、行政手段、运行经验及现场实证构成了目前变电站设备巡视管理的四大要素），存在着许多难以克服的问题。

原始数据积累问题：由于接触网设备运行状态的原始数据和信息的积累不足，对事故的预防及排除无法提供有用的辅助性资料。

监测全面性问题：人工采用便携式红外设备检测带电设备的工作热状态，受限于操作员的身高与设备的安装高度，对于接触网设备的大部分位置无法全面观察，而安装在动车车头上的在线式红外热像仪监测时就不存在该问题。

在此背景下，人们强烈希望能出现一种可以自动控制的智能化的红外热像监控诊断系统，以实现对红外图像的远程控制操作。

随着人工智能的发展和新型传感器、计算机技术、信息处理技术的融合，特别是红外热成像图像识别技术的发展，使得接触网设备的自动安全监测成为可能。系统建成后具有自动监测、自动存储、自动分析、自动告警等功能。

3 应用方案介绍

3.1 总体架构

由于接触网沿铁轨铺设，并位于铁轨上方，本系统采用将在线式热像仪安装的车顶上方的方式。只要选用合适的镜头和合适的安装角度，就可以获得清晰的受电弓和接触网的红外热像，进而可以分析获得接触网设备的工作状态分析报告。

由于弓网设备发生的热故障是非突发性的故障，自动分析更符合实际和可靠。在自动工作状态下，通过控制计算机配合高采集速度的红外热像仪保证对指定接触网设备的重要部位进行图像采集和温度数据采集分析。在系统自动工作状态下，对接触网设备接点进行识别后进行测温操作，系统自动记录所测得的温度数据并保存所采集的红外热图，以便对设备运行情况进行分析，并存储入数据库。

采用统一智能识别分析处理模块对所有的数据分析比较后，利用设定的判据，确定设备的工作状态。发现故障后，发出报警信号，并可在数据库管理系统的支持下，分析故障设备的劣化状况。在分析过程中若发现目标设备温度越限，系统发出文字报警信息和声音报警信息以便运行人员发现、跟踪并处理故障。

根据包头段实际情况，系统设计为二级管理框架，建立一个管理中心作为整个系统的管理中枢，在各巡检动车上安装实时采集存储，为巡检结点。通过专用外置存储器，定时将巡检数据复制到管理中心，建立一个整体的红外在线接触网设备自动监测体系，实现统一的监测管理。

3.2 系统架构

系统由两部分构成：（1）红外热图实时采集存储模块；（2）红外热图智能识别分析处理模块。

红外热图实时采集存储模块的主要作用是在动车运行过程中，以每秒25帧的速度采集红外热图，并存储到系统中，在存储热图的同时，还从其他控制系统中获得同步数据同时存储，例如当前运行的公里数，当前的标准时间，当前的GPS定位信息等。

红外热图实时采集存储模块采集的热图数据是整个系统处理的数据基础。系统采用的DM6X系列红外热像仪采样速度高，在具备数字视频和模拟视频信号的同时还具备可分析热图数据的输出。仪器输出的模拟视频信号通过视频线传输到硬盘录像机，以压缩视频的方式存储下来；仪器输出的温度场信号通过TCP/IP协议传输到存储管理控制器，以温度场温度的方式存储下来。

存储管理控制器是整个系统的处理核心。系统在加电时自动启动，自动进入工作状态，开始采集热像，并按照快速经济的原则将DM6X热像仪输出的热像数据存储到外置存储器中。使用外置存储器的目的是为了方便数据的转移，因为红外热图实时采集存储模块一般安装在列车上，而红外热图智能识别分析处理模块一般由专业技术人员集中处理。

红外热图智能识别分析处理模块的主要作用如下：

海量数据管理维护：红外热图实时采集存储模块每次工作都产生海量数据，上述数据要根据运行时间、运行地点等信息自动分类管理，方便查询回放。系统可以按时间、车次、线路等信息查询检索数据。

自动设备故障识别：对上述海量数据，自动进行设备识别，判断每张热图上的设备是否有故障现象。自动将故障设备的地理位置、热图数据、故障时间等信息形成报告。

4 接触网故障诊断

4.1 接触网故障判断方法

本系统建成后，实现了动车运行过程中自动对所有经过的线路接触网工作状态进行监测，并可以按预先设定的预警触发条件发出声音报警信号，提醒运行人员（或值班监控人员）及时采取相应的措施，确保接触网设备运行的安全，提高维护运行人员对设备缺陷的识别能力和预见性。

4.2 接触网温度图像分析实例

采用了本系统从根本上提高了接触网设备的巡检效率，有效地降低了巡检人员的工作强度。

4.3 应注意事项

采用红外图像法测量接触网温度，测量结果无可避免的会受到检测位置环境的影响，如果在检测过程中，正好太阳进入测量现场中，将在图像上形成一个温度很大的光斑，引起系统误判。

5 结束语

采用接触网设备自动红外在线监测系统，在保证接触网设备健康运行的同时，也为接触网设备检修重点提供了科学的依据，也就相应增加了接触网设备的可用率，较大程度上提高了工作效率，为减人增效提供了可能，实现管理的信息化、智能化，确保了接触网设备管理目标的实现，为铁路运行安全乃至社会的稳定提供了技术保障。

主要参考文献

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