车载弓网监测系统原理及应用

周金萍 孙健 宋磊 刘争

中车唐山机车有限公司 河北唐山 063000

列车在运行过程中，受电弓与接触网长时间摩擦，容易发生磨损，加之受气流、雨雪等外界因素干扰，容易造成弓网故障，从而影响列车正常运行。针对弓网故障频繁发生，大多数地铁车辆会考虑安装弓网监测系统设备，实现对弓网状态进行实时监测，及时快速的定位弓网故障隐患并报警，减少列车弓网故障处理时间，提高列车运营安全及运营效率。目前城轨车辆的弓网监测系统采用非接触性检测方式，实现对弓网工作的状态监测，实时记录弓网运行状态数据。

1 功能描述

弓网监测系统安装在运营的地铁列车上，实现对弓网状态进行实时监测。系统具有以下功能：

（1）视频监控功能。在车顶每个受电弓处加装受电弓的状态视频监控装置，采用高速高清摄像头，该装置能够实时监视每个受电弓状态，并能将视频信息通过PTU进行回看和下载，且OCC可以调用查看相关视频信息。

（2）受电弓结构异常监测功能。检测受电弓及羊角异常，受电弓及羊角缺损、变形等异常，并实时报警。

（3）弓网燃弧检测功能。检测车辆运行过程中弓网拉弧现象（燃弧强度、燃弧时长、燃弧率等），并能自动报警。

（4）弓网温度监测。检测弓网接触点温度，温度过高自动告警。

（5）接触网几何参数检测功能.检测接触网的拉出值，高度值，导高值超限时自动告警。

2 系统组成

主要由车顶数据采集与传输设备、车内分析服务器地面数据中心系统组成。

3 系统原理介绍

3.1 弓网视频监控

采用工业监控相机对弓网工作状态进行监控，在车辆运行过程中实时拍摄弓网运行状态视频，使用PTU软件进行视频的回看和下载。可实现变倍聚焦自动巡航功能，系统采用智能高速云台，对弓网重要部位进行巡航检查，并进行局部细节查看[1]。

3.2 受电弓结构异常监测

采用工业监测相机检测受电弓及羊角异常，异物侵入，滑板倾斜等异常，并实时告警提示。受电弓结构检测采用跟踪对比与结构特性检测相结合的方式，若出现对比差异，则基于提取的结构特性进行确认。受电弓的结构特性涵盖直线、曲线和实际长度截取，作为判断受电弓的相对特性参数[2]。

3.3 弓网的燃弧检测

列车运行过程中，受电弓和接触网通过接触点组成一个相互振荡和耦合的振动系统，弓网系统的振动是随机振动，当振动剧烈时，可能造成受电弓滑板与接触导线脱离接触，在离线的瞬间，电流击穿滑板和接触线之间空气间隙，产生放电现象，形成燃弧。在EN 50317-2002标准指出，铜及铜合金的接触线产生的燃弧存在220nm-225nm或323nm-329nm的波段。该波段属于紫外波段，因此可用紫外相机测量车辆运行过程中拉弧现象（燃弧强度、燃弧时长、燃弧率），并能自动报警；

紫外成像技术是摄取目标在紫外波段的空间特征，将较大视场范围内的紫外场景成像在紫外增强器的光敏面上，紫外增强器将极其微弱的紫外辐射图像转换成可见光信号输出，然后将可见光信号转换为数字视频图像，并按照一定接口形式传输到光电图像采集分析系统，最后经过信号处理后输出到观察记录设备，同时对采集到的图像进行存储和处理。紫外相机的前面板玻璃选用石英玻璃，石英玻璃具有极低的热膨胀系数、高的耐温性、极好的化学稳定性、优良的电绝缘性，同时石英玻璃也是所有透紫外材料的最佳选择。车辆运行过程中的电流可通过电流传感器进行测量[3]。

3.4 弓网温度监测

车辆运行过程中接触网与受电弓产生摩擦，受电弓和接触网温度发生变化，温度过高时容易损伤受电弓与接触网。利用红外热成像检测技术，实时测量受电弓与接触网温度，当检测温度超限正常值时，立即报警提示。

红外热成像检测技术原理是，红外热成像工业相机利用红外探测器、光学成像物镜接收被测目标的红外辐射信号，经过红外光学系统红外探测器的光敏源上利用电子扫描电路对被测物的红外热像进行扫描转换成电信号，经过放大处理。任何有温度的物体都会发出红外线，车辆运行时，受电弓与接触线摩擦产生温度，热成像工业相机是通过接收发出的红外线，通过有颜色的图片来显示被测量物表面的温度分布。

3.5 接触网几何参数测量

采用激光三角测量技术实现接触网几何参数测量。激光三角法测量整体精度高，较适用于非固定位数据的测量。

采用激光三角法检测接触网拉出值和导高，主要由1个工业相机与1个激光器组成。激光器发射出的光线到达接触线后形成反射，工业相机采集反射回的光线，在相机的靶面上成像，当接触线位置变化时，相机靶面所成的像位也随之变动，接触线的位置与相机靶面成像的位置一一对应。在相机的靶面成像后，在靶面上对应产出一个x，y坐标值，定义x为拉出值，y为导高，经过标定后，x和y的值与接触网的每一个位置状态对应，即x的坐标值与接触网拉出值一一对应，y的坐标值与接触网导高值一一对应。

图1 垂直入射激光三角法

4 结语

目前弓网监测系统被广泛应用于高铁、城轨车辆上。弓网监测系统的配置根据用户需求略有不同，车载弓网监测系统功能仍有较大的拓展空间。