接触网运行状态检测监测系统研究与实践

张润宝，杨志鹏

（1.中国国家铁路集团有限公司 工电部，北京 100844；2.中国铁道科学研究院集团有限公司 基础设施检测研究所，北京 100081）

0 引言

铁路牵引供电系统主要由牵引变电所和接触网组成，担负向动车组、电力机车提供稳定、持续、可靠、强大电力能量的任务，是保证高速列车、电力机车安全、稳定运营的动力源[1]。接触网是电气化铁路牵引供电系统的主要组成部分，是十分重要的行车保障设备，其零部件种类繁多，机械结构复杂，类型多样，且处于风、雨、雪、雾、高低温、强光照、沙尘、盐污等复杂外部运用环境，与受电弓相互作用，长期工作于高速暂态冲击、高频疲劳振动的工况下，无冗余备用，高空作业维修难度高，发生故障时影响范围大。

截至2018年底，我国铁路营业里程超过13.1万km，其中高速铁路超过2.9万km，电气化铁路营业里程突破9万km，电气化铁路覆盖率超过65%，电力牵引完成全部运输任务的比重在80%以上[2]，为确保运输安全畅通，维护好供电设备至关重要。为建成世界一流的供电设备质量保障体系，使设备质量、运营维护效率效益指标达到世界领先水平，必须利用先进的科技手段，构建接触网运行状态检测监测体系，全面、准确、及时、高效地管理接触网运行状态，为建设先进的维护保养体系提供支撑。

1 国内外重点行业检测监测体系

1.1 航空系统

民航飞机的状态监测系统通过安装各种类型的传感设备，可及时、准确地获取各关键部件的状态数据，从而快速高效地掌握关键部件的状态故障信息，分析故障原因，减少维修时间[3]。目前，波音公司和空中客车公司生产的客机上安装了飞机状态监控系统（ACMS），主流通用大型民用客机监控系统包含50多个系统、500余个子系统，对上万个设备状态参数进行检测监测。采用预测与健康管理系统（PHM），通过引入深度学习、智能推理和故障预测等技术，大幅提高了飞机各系统的故障诊断和维修保障能力[4]。据波音公司的应用数据统计，使用健康监测系统可使因航班延误及取消而导致的费用节约25%[5]。

1.2 电网系统

智能电网是通过传感器把各种设备、资产连接到一起，形成一个客户服务总线，对信息进行整合分析，以此来降低成本，提高效率，提高整个电网的可靠性，使运行和管理达到最优化[6]。国内外智能电网理念基本相同，发展高效、安全、经济、环保的电网是建设智能电网的共同追求[7]。

从技术手段看，国家电网提出：以通信、信息与控制等先进技术为支撑，实现电网智能化技术的高水平应用[8]。设备状态监测系统是智能电网中重要的组成部分，GB/T 35697—2017《架空输电线路在线监测装置通用技术规范》明确了对监测装置分为通道环境和线路本体监测2类，并规定了典型监测装置的技术指标[9]。

1.3 铁路系统

国外铁路正逐步推进智能铁路的建设，日本提出CybeRail，即数字网络互连的铁路；欧盟倡导InteGRail，其目标是将检测、监测、控制和诊断数据与其他信息系统整合，信息智能集成，实现信息共享；英国Network Rail铁路公司提出智能基础设施管理理念；美国联邦铁路管理管理协会（FRA）提出以网络为中心的铁路综合集成体系。

2017年，原中国铁路总公司（简称总公司）提出“强基达标、提质增效”的新时期铁路工作主题，要求加大科技创新力度，广泛运用信息网络技术，加快推进智能铁路建设。智能铁路的目标是形成感知网络、数据规范、信息共享、互联互通、智能处理、协同工作的综合应用集成体系[10]。铁路各专业都在积极推进检测监测系统建设，促进智能铁路建设。

机车方面构建了机车车载安全防护系统（6A系统），6A系统的总体架构是以中央处理平台为核心，高度集成空气制动、绝缘检测、走行部、防火、列车供电、视频监控六大子系统，实现分布采集、中央处理、统一存储、综合诊断、集中显示和车地通信等功能[11-12]。

车辆方面构建了车辆运行安全监控系统（5T系统），5T系统由轴温探测、运行品质轨边动态、滚动轴承声学诊断、货车故障轨边图像检测系统和客车运行安全监控5个监测子系统和5T安全监控信息综合应用子系统组成。5T系统以图像识别、红外测温、应变测力、振噪声学等检测技术为手段，构建了车辆运行安全监测设备，实时检测客、货车辆的运行状态[13]。

总体来讲，基于设备状态的精准施修是设备运行维修管理的必由之路。为适应智能铁路的发展，掌握接触网运行状态，丰富检测监测数据积累，对接触网运行状态检测监测系统进行研究和实践十分重要。

2 6C系统发展历程及深化方向

2.1 发展历程

2012年，原铁道部运输局提前筹划，预判电气化铁路快速发展与即将面临的人员、设备不足的矛盾，创新管理思路，提出运用科技手段解决设备运行维护问题，发布了《高速铁路供电安全检测监测系统（6C系统）总体技术规范》（铁运〔2012〕136号）。

2014年，总公司基于科技研发、试点应用的经验积累，组织科研单位、高校、铁路局用户代表共同编制了6C系统各装置暂行技术条件，为产品设计提供了技术标准引导，规范了检测监测装置的技术要求。同时各装置运行管理办法发布执行，强化了运用管理。

2015年，总公司推进供电专业装备现代化工作，通过集中采购，加强了在统一技术要求、统一配置标准、严格验收程序、规范运用管理等方面的工作，以接触网检测车（1C装置）、动车组车载接触网运行状态检测装置（3C装置）、高铁接触网检测车（4C装置）的集中采购为引导，强化了统一管理。

2016年，总公司推进专业改革发展，发布了《高速铁路接触网运行维修规则》《普速铁路接触网运行维修规则》，大力推行接触网修程修制改革，核心是推进接触网“运、检、修”分离组织模式，突出了依托检测监测数据指导设备运用维修工作的基本思路。

6C系统的广泛应用主要解决了以下问题：

（1）接触网几何参数：是接触网在空间中位置关系的基本状态参数，参数稳定可靠是基本技术要求。接触网几何参数静态值是接触网在无外部扰动条件下静止状态相对于轨道参考坐标系的数值，主要用于施工验收和现场维修作业；接触网几何参数动态值是接触网在受电弓滑动接触作用下振动状态相对于受电弓参考坐标系的数值，主要用于评价接触网的动态服役性能。

1C装置在新线开通前进行接触网几何参数静态值测量，用来指导施工单位对接触网进行精调；4C装置在运营线路作业天窗内进行接触网几何参数静态值测量，用来指导运行单位进行接触网日常维护。

1C装置在运营线路进行等速检测，测量接触网几何参数动态值；3C装置在运营线路进行实时监测，测量接触网几何参数动态值。2种装置在运用时间、线路覆盖上相互补充，指导接触网维修。

（2）受电弓-接触网动态运行状态：是接触网运用状态的重要表现。1C装置在运营线路进行等速检测，通过弓网接触力、硬点、燃弧等参数评价弓网受流性能；3C装置在运营线路进行实时监测，通过红外温度、高清图像等数据信息反应受电弓-接触网实时动态运行关系。1C装置侧重于周期性综合评价，3C装置侧重于实时状态，2种装置相互补充，使设备管理单位能够有效掌握接触网运用状态。

受电弓滑板监测装置（5C装置）通过对受电弓滑板状态监测，确定弓网故障发生区段，有效反映受电弓-接触网的动态运行状态，指导运行单位进行故障排查及整治。

（3）接触网零部件安装状态：接触网是由多种零部件采用螺栓紧固、压接等方式组成的一种机械结构。受到弓网振动、风负荷和温度变化等因素影响，接触网零部件容易发生松脱、卡滞、断裂等问题，影响供电系统稳定性。

4C装置对支持装置、接触悬挂及附加悬挂进行准确定位并高清成像，通过图像分析有效发现接触网零部件“松、脱、卡、磨、断”问题，指导设备运用维护。

（4）接触网外部环境：接触网设备暴露在户外环境中，容易受到鸟害、危树、异物等周边环境影响。接触网安全巡检装置（2C装置）安装在动车组司机室内，通过高清图像采集，巡视检查接触网的技术状态和外部环境，可以及时有效地发现影响接触网安全运行的因素。

（5）数据信息综合应用：6C系统数据信息具有全面多元性、异构性、生命性和冗余性的特征，充分利用6C系统检测监测数据，进行数据集中、有机融合、综合应用和信息共享，实现6C系统检测监测数据的集中管理、关联分析、可视化分析和变化规律总结，对指导高速铁路供电设备的运行检修具有非常重要的意义。

2016年，总公司印发了《铁路供电安全检测监测信息综合应用总体方案》（运信规划函〔2016〕393号），方案明确了6C综合数据处理中心建设的背景、目的和依据，规范了各级6C数据中心的数据应用功能，统一了网络通道、安全防护等内容要求。各单位结合生产需求和设备特点，积极推进6C系统信息综合应用的建设，为探索应用大数据技术，实现数据价值的深度挖掘奠定了专业应用基础。

（6）安装实施与运用管理：在6C系统中，3C装置需要安装在运营动车组上，5C装置需安装在运营线路上，在组织实施中需要管理规范，保障安全。为此，总公司组织了3C装置安装方案技术审查，发布了《动车组加装车载接触网运行状态检测装置（3C）技术方案》（运辆动车函〔2015〕339号）。组织原铁道第三勘察设计院集团有限公司编制发布了《受电弓滑板监测装置（5C）安装指导意见》（运供供电函〔2016〕288号），规范了安装要求，解决了检测监测装置的安装施工问题。

加强运用管理是保障设备稳定、规范、精确运用的有效手段。总公司相继发布了一系列6C系统各装置的运用指导意见和TG/GD 302—2016《高速铁路供电安全检测监测系统（6C系统）维修管理暂行办法》等技术规章，为各单位的设备运用维修管理提供了依据。

（7）源头质量管理：通过科学管理和产品质量监督检验，保障设备技术状态，提高设备运用效率是一种有效的管理手段[14]。为保障6C系统各装置源头质量，总公司组织相关检验认证单位探索检验新技术，发布了认证和评定实施细则，组织在国家铁道试验中心对接触网检测车（1C装置）进行评定，组织在现场运用条件下对动车组3C装置进行评定，组织在运营线路上对高铁接触网检测车（4C装置）进行评定。通过现场运用检验评定，提高了检测监测装置的质量。6C系统现场检验评定见图1。

图1 6C系统现场检验评定

2.2 深化方向

6C系统的广泛应用能够从时间、特征、分布等不同维度掌握接触网状态，然而接触网所处环境多样，工作状态不同，目前6C系统处于初期建设阶段，还不能满足对接触网服役状态的全面掌握，存在如下深化方向。

2.2.1 接触网关键部件机械服役特征

接触网结构复杂，各种零部件组合成一种特殊的机械结构。不同运行条件下机械结构的变化状态不同，主要体现在不同车速、不同受电弓的升弓压力、不同运行弓架次数、风速、隧道气压波等因素对机械结构的振动冲击影响不同，应加强重点检测监测。6C系统中第6C装置有对定位点振动及张力补偿状态的检测监测内容，但目前现场应用较少，需要进一步研究和明确技术指标、安装要求等，才能实现对接触网关键部件服役状态的掌握。

2.2.2 接触网关键部件电气服役特征

接触网承载向动车组传输电能的电气功能，其负载电流大、负载波动性强，且接触网在振动、污秽、腐蚀等特殊环境下工作，直接影响接触网的电气服役特征。6C系统中第6C装置有对电连接线夹温度等检测监测内容，但目前现场应用较少，需要进一步研究和明确技术指标、安装要求等，才能实现对接触网关键部件电气服役状态的掌握。

2.2.3 各铁路局集团公司在生产实践中对6C系统提出新需求

（1）普速铁路推广。通过近些年的现场应用，根据6C系统发现了大量设备问题和安全隐患，有效指导了设备维护的状态修。受限于原6C系统总体技术规范定位高速铁路，且各技术条件未考虑普速铁路的特殊需求，在普速铁路推广缺乏依据和标准。

（2）发布第6C装置子技术条件及实施方案。6C系统总体技术规范及第6C装置技术条件仅对项目进行了简要规定，因各第6C装置的技术特点不同，应用要求不同，因此需要具有针对性的第6C装置子技术条件，以明确技术指标、功能、安装配置标准、检验方法等内容。同时，第6C装置的安装需要紧密结合现场接触网结构，现场应用缺少安装指导方案，影响了装置的应用推广。

综合上述分析，应丰富完善6C系统架构，重点突出第6C装置的功能和特点，加强科学建设管理，建立更加完善的接触网运行状态检测监测体系。

3 深化研究与实践

为更好地服务接触网修程修制改革工作，中国国家铁路集团有限公司工电部积极组织对6C系统进行深化研究，通过编制更新相关技术文件，引导技术进步，提升装备功能及技术水平，解决相关问题，满足现场需求，为建设智能铁路牵引供电系统打好基础。

3.1 完善总体架构

完善6C系统总体技术规范，总结吸纳近年来我国高速铁路供电安全检测监测系统的应用经验和成果，将6C系统推广至全部电气化铁路。新的总体技术规范阐明了6C系统各装置的安装位置、应用条件、检测对象、检测周期各不相同，功能独立，互不替代。同时，针对普速铁路特点单独规定了普速1C装置和电力机车3C装置的技术要求，并重点对第6C装置的功能定位和技术要求进行了明确。完善后的总体架构见图2。

3.2 广泛调研研讨

为了科学地建设接触网运行状态检测监测体系，对全路目前已经应用的检测监测装置进行调研，与一线技术人员进行技术交流和探讨，广泛听取各铁路局集团公司、站段的应用经验及使用需求，深入了解检测监测装置基本原理、技术指标特点、功能需求及应用效果等内容，整理出70余项具体需求。

图2 6C系统总体架构

3.3 规范技术标准

由科研单位、高等院校的专业技术人员组成编写组，邀请设计单位、铁路局集团公司的行业专家组成审查组，进行6C系统新版技术条件的编制工作。

技术条件的编写按照GB/T 1.1—2009给出的标准编制规则起草，经过多次讨论修改形成草稿，向各铁路局集团公司征求意见并进行了采纳和修订，在此基础上组织由科研单位、高校、设计单位、运营单位组成的专家组对技术条件进行了专家评审，形成报批稿。

3.4 同步制定安装实施方案

组织中国铁路设计集团有限公司起草第6C装置安装指导意见，安装指导意见从实施原则、安装位置、安装要求、外部接口等方面进行了设计规范，细化了外部电源、有线无线方式数据传输通道的需求，明确了防松、防雷、防鸟等要求，并给出了安装示意图。明确了第6C装置安装在接触网的特定位置（如：定位点、锚段关节、线岔、隧道出入口、车站咽喉区等位置）处，设置固定式监测装置。明确了在既有接触网设备上安装检测监测装置需要标准设计、规范施工，以保障设备运用安全；新建线路应做到设计规范、接口统一。

3.5 开展认证和评定

铁路产品认证工作是由第三方机构通过检验评定的手段，对生产企业的质量管理体系和样品型式进行检验。采用统一的评价标准，评价、控制和约束各供应商产品的一致性，有利于提高产品质量。目前，6C系统各装置已经纳入铁路产品认证工作，认证工作应严格依据技术条件，对检测监测装置的各项技术指标、功能进行严格检验，以保障产品质量。

开展评定工作是为了推动6C系统在现场规范、有序地应用。评定是指使用标准的专用计量仪器仪表或设备，对具有精确参数测量功能的装置进行检验，其核心是针对设备在现场的可用性。评定工作主要包括功能检查评定、静态检查评定和动态检查评定。通过评定工作的开展，解决了6C系统各装置可用性的评价问题，为推动6C系统技术进步，保障装置可用性和可维护性提供了技术支撑。

通过认证工作保障产品进入用户手中的源头质量，通过评定工作规范各装置的应用维护，2部分工作衔接紧密，保证了6C装置全生命周期内的设备状态和运用质量。

3.6 重点细化第6C装置技术条件

3.6.1 选择典型应用

根据前期调研工作和研讨会交流内容，各铁路局集团公司均有数量不等的检测监测装置在现场运用。为了解决现场紧迫的应用需求，应选取检测监测功能明确、技术成熟、应用效果良好的项目。对于尚处于科研试用阶段的装置，应待其充分发展应用，技术成熟后再纳入技术条件编制范畴，形成“成熟一批，推广一批，发展一批”的良性可持续发展。本次在第6C装置中选取6项子装置进行技术条件编制（见图3）。

3.6.2 明确检测监测功能和方法

检测监测装置的功能应能明确地反映出接触网运行状态，同时具有可行性和易推广的技术特征。例如，绝缘子状态选择泄露电流、温度、湿度作为监测量，而没有选择等值盐密（ESDD）、等值灰密（NSDD）参数，因测量等值盐密、等值灰密需要严格的化学试验过程，不利于现场应用推广；再如接触网张力补偿装置状态选择对a、b值进行监测，而未选择对接触线进行改造加装传感器的方式，因其会破坏接触网整体结构和受力特征，不利于长期安全、稳定的监测应用。因此，本次技术条件编制对检测监测装置的功能和主要技术手段进行了明确。

图3 第6C装置中选择6项开展技术条件编制

3.6.3 细化技术指标

技术指标的制定应本着科学、经济、合理的原则，关注与现场应用密切相关的测量范围、分辨力和最大允许误差3个主要技术指标，结合科学技术的发展和现场应用积累，制定6项检测监测装置的技术指标（见表1）。

表1 接触网及供电设备地面监测装置主要技术指标

4 结束语

分析国内外复杂大系统的监测体系特征，梳理铁路供电6C系统发展历程和深化方向，重点分析解读第6C装置技术条件。通过总体架构设计、广泛现场调研、规范技术标准、制定安装实施方案、开展认证评定等工作环节，形成了6C系统全生命周期管理的研究和实践体系。实践证明，接触网运行状态检测监测体系的建设能够为铁路供电设备的安全运行保驾护航。

下一步将在深化研究和应用实践上重点做好以下工作：一是继续完善检测监测体系，加强科学研究方向引导，结合技术进步不断应用新技术和手段，不断扩展检测监测项目；二是推进6C装置应用的标准示范线建设，在不同速度等级、不同地理及气候特点的地区建立典型区段样板空间，不断扩大应用，丰富实践活动；三是建立数据的对应分析系统，做好大数据分析，把外观参数与状态参数对应分析，把接触网参数变化与受电弓、牵引电流等相关参数的变化进行对应分析，研究设备状态变化规律和内在联系，通过这些研究应用，更进一步发挥6C系统的作用。