受电弓状态及车顶异常动态监视和预警系统研究与应用

李建龙 王亚柯

摘要：针对郑州地铁2号线车顶关键部件检测方法存在的缺陷，建立了受电弓状态及车顶异常动态监视和预警系统。介绍了该系统的组成、功能及检测原理，并对该系统进行了故障模拟验证，证明了系统的有效性。

关键词：受电弓;动态监视;预警;模拟验证

0 引言

受电弓是地铁车辆从接触网取得电能的关键电气设备，其运行状态直接影响地铁运营安全。在地铁运营过程中，车顶容易出现异物、部件缺失等情况。目前，郑州地铁2号线车顶关键部件的检测主要采用人工登顶、目视观测的方法，最短检修周期为15天。该方法检测效率受制于检测人员的作业水平和经验，检修结果主观性较强，且无法及时掌握车顶状态，导致行车过程存在潜在风险。因此有必要建立受电弓状态及车顶异常动态监视和预警系统。

1 系统组成及功能

受电弓状态及车顶异常动态监视和预警系统组成结构如图1所示，其由三部分组成，即轨边基本检测单元、设备间数据处理及控制单元和远程数据查看单元。

1.1    轨边基本检测单元

轨边基本检测单元主要由车顶动态全方位监视系统和包含测速传感系统、车号识别系统、计量传感系统的辅助检测系统组成。轨边基本检测单元安装在列车入库线路上，自动对运行中的列车车顶及受电弓进行动态监测，并通过辅助检测系统及时将动态数据传输给控制单元。

1.2    设备间控制单元

设备间控制单元主要由系统控制主机、系统检测主机以及数据服务器组成。控制单元位于轨边基本检测单元所在位置的整体道床上，靠近现场设备间一侧。设备间控制单元连接基本检测单元和远程控制室，实现对轨边基本检测单元的供电、控制、数据和图像采集、分析处理与存储，并传输给远程控制室。

1.3    远程控制室

远程控制室是系统的控制中心、数据管理中心和监控中心。远程控制室由监控显示屏、控制台及其辅助设备组成。通过显示屏实时查看及回放车顶动态监控录像，监控设备检测行车过程和车辆的运行状态，并对相关参数进行查看、统计和分析。

2 系统检测原理

2.1    车顶关键部件检测技术

为防止车顶关键部件变形或脱落、车顶留存异物等，检测系统采用线阵采集技术对受电弓状态及车顶状况进行实时图像采集。扫描相机通过高清线阵扫描技术，自动获取受电弓和车顶关键部件的高品质图像。该图像采集方式具有分辨率高、边缘畸变小、易拼接、适应高车速等优点。

2.2    系统自动预警原理

受电弓及车顶异常动态监控系统采用“HTM神经网络算法”设计，结合图像识别算法建模，对各种车顶图像进行取样，提取部件特征并保存于数据库中。系统通过对地铁车辆车顶关键部件进行结构学习，形成并存储车顶受电弓及其他关键部件的结构概念信息。在检测过程中，对当前获取的车顶图像特征进行识别，并与系统既有车顶图像特征数据库进行对比，直接进行关键部件的结构分析，当判断到车顶存在关键部件丢失、变形、有异物等异常时（车顶异物最小预警值≥10 mm），系统自动报警。

3 系统模拟验证及测试结果

我们通过设计模拟验证试验，验证受电弓状态及车顶异常动态监视和预警系统的故障自动识别预警能力。受电弓状态及车顶异常动态监视和预警系统是利用相机拍摄目标两次经过时的图像，通过分析两次经过时存在的差异对目标实现异常检测。系统的检测能力验证，一般建议人为进行实车故障模拟，对可视关键部件进行过车检测能力验证。本次采用在车顶粘贴黑白条纹标定纸、螺栓、螺钉进行系统检测能力验证。

3.1    系统故障模拟方法

（1）针对系统图像分辨率，选取3.6 mm的黑白条纹纸张粘贴在车顶，获取高清图像后计算单个条纹的像素点。

（2）针对异物特性识别，选取M6、M4螺钉螺栓通过胶带粘贴在车顶进行验证。

（3）针对螺栓松动类故障，选取改造螺栓的防松标记进行验证，如图2所示。

3.2    故障验证测试标准

（1）验证系统图像分辨率小于1 mm/pixel。

（2）验证系统故障识别预警能力，以M6螺栓作为参考，识别部件尺寸大于5 mm×5 mm。

3.3    模拟测试过程

本次选取郑州地铁2号线地铁车辆作为试验车组，记录车号与端位，对郑州地铁2号线设备安装线路进行试验。

为了验证受电弓状态及车顶异常动态监视和预警系统的监视和预警功能，模拟测试过程分为两步：（1）第一次过车，被试车辆正常运用返回车辆段一次性匀速通過设备，检测区间内不停车、不洗车。（2）第二次过车，通过对待测试车辆关键走行部件进行人工设置模拟故障13处，记录故障位置并拍照，该车辆仍然以第一次通过的速度一次性匀速通过设备，检测区间内不停车、不洗车。经过两次过车对比测试，验证系统的监视和预警功能。

3.4    车顶模拟故障检测结果

本次总共在车顶设置了13处故障，其中螺钉和螺母异物共计8处，防松标记3处，螺栓帽变形移位2处。在系统第二次过车时，有1处防松标记、2处螺栓帽变形、1处螺母异物被遮挡，系统实际拍摄到模拟故障共计9处，故障检出率88.9%。

4 结语

模拟测试结果表明，郑州地铁2号线受电弓及车顶动态监视和预警系统能够有效监控受电弓和车顶运行状态，并在受电弓工作状态异常和车顶存在异物时，能及时准确地发出预警。该系统可以减少人员登顶作业和隔离开关操作，降低安全风险;尽早发现正线坠落异物，提醒相关专业人员尽快处理;尽早发现地铁受电弓异常状态，保证行车安全;延长受电弓检修周期，提高地铁使用率;提高检修质量，避免人为因素造成电客车漏检、漏修。该监视和预警系统能保证车辆运行安全，有效预防地铁车辆运营安全事故的发生。

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收稿日期：2020-05-06

作者简介：李建龙（1982—），男，河南扶沟人，副教授，研究方向：轨道交通车辆运用。