城市轨道交通弓网监测方法研究

郭超 周洋

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛 266111）

0.引言

为保证受电弓、接触网、弓网关系处于良好状态，实时在线监测弓网系统故障具有十分重要意义。

传统弓网检测技术采用人工检测的方式，检测效率低、对检修人员技术水平有依赖、安全性低。随着传感器技术发展，接触式检测方法出现。通过在受电弓安装压力传感器、电阻传感器等实现几何参数检测。Boffi等人在受电弓安装光纤传感器实现实时应力变化和冲击检测[1]。吴积钦在模拟受电弓安装61个接近传感器对接触线拉出值进行测量[2]。接触式检测方法提高了检测效率，但其检测参数单一，需对受电弓进行改造，对受电弓动力学性能造成一定影响。激光、光学测量技术的广泛应用，为非接触式弓网检测提供了新方法。尹保来采用超声波传感器测距原理进行受电弓的磨耗检测[3]。郝晓剑利用冲击加速度传感器、左右限位传感器，实现弓网故障监测及报警功能[4]。文献[5]介绍了一种基于光学雷达技术测距的接触网参数测量系统，实现接触网接触线位置、磨损、等相关参数的测量。非接触式检测方式降低了行车干扰，但传统激光检测参数单一，超声波测量方式精度有待提升。

近年来，随着计算机智能技术的快速发展，基于图像处理的弓网检测技术可以实现对多种受电弓、接触网关键参数进行检测。杨卢强等介绍了一种新型图像识别算法进行高速列车接触网拉出值、导高参数的测量[6]。杨恒利用机器视觉技术设计了弓网动态性能关键参数实时检测系统，利用弓网视频图像，实现拉出值、导高数值和燃弧发生时间、频次等信息实时显示[7]。王燕等人提出了基于BM3D的接触网图像的自适应去噪的处理方法，使降噪图像更利于进行图像识别[8]。刘寅秋等提出了一种图像处理技术，有效提取并计算接触网动态高度及拉出值等参数的方法[9]。利用图像识别的弓网检测系统提升了设备参数检测数量、减少了硬件设备数量、智能化程度更高。因此基于图像处理的弓网检测系统成为发展趋势。本文对城市轨道交通弓网监测系统关键技术、系统架构及功能进行分析。

1.弓网监测技术分析

城市轨道交通弓网监测系统对弓网系统的关键参数进行在线监测。并对监测参数进行综合分析处理，完成设备维护检修及故障处置建议。主要包括接触网几何参数检测技术、接触网磨耗测量技术、弓网燃弧检测技术、弓网温度检测技术、弓网冲击检测技术、受电弓状态检测技术、定位检测技术等关键技术。

1.1 接触网几何参数检测

接触网几何参数检测采用光截测试原理，通过左右侧激光-面阵相机对接触网同一点进行拍摄，通过滤光等方法处理后，两侧相机独立对接触线轮廓进行拍摄并计算接触线几何参数。图1展示了接触网轮廓左右侧相机拍摄效果。然后利用立体视觉算法，获得接触线导高、拉出数、线间距、导线坡度等参数。

图1 接触网轮廓左右侧相机拍摄效果

1.2 接触网磨耗测量

接触线磨耗测量采用面阵相机和结构光的方式，通过左右侧4个磨耗测量相机从左右两侧扫描接触线轮廓，扫描覆盖整个拉出值范围。图2展示了左右侧相机对接触线磨耗拍摄效果。两侧相机拍摄避免了单侧相机拍摄不清晰、接触线部分轮廓遮挡不完整问题，同时提高偏磨情况下的磨耗测量精度。

图2 接触线磨耗左右侧相机拍摄效果

1.3 弓网燃弧检测

弓网产生电弧时，会产生大量波长低于可见光波长的紫外线，通过紫外线图像可提取出弓网燃弧信息[10]。弓网燃弧检测采用323nm～329nm的日盲紫外光子传感器检测空中紫外光子的密度，判断是否产生燃弧现象。紫外监控相机采用连续拍摄工作方式。当紫外光子密度超过一定阈值后，监控相机将保存燃弧前后5s的监控视频。弓网燃弧检测精确计算燃弧次数、燃弧持续时间、燃弧率等参数。图3展示了紫外光子传感器检测的燃弧信号，当传感器检测到燃弧时，电弧信号突变。

图3 紫外光子传感器燃弧信号

1.4 弓网温度检测

弓网温度检测采用红外成像仪，在列车运行时测量接触网及附件温度分布，同时作为燃弧的辅助判断。图4展示了红外测温仪检测的弓网部件温度场分布图。

图4 弓网部件温度场分布

1.5 弓网冲击力检测

弓网相机拍摄滑板标识条，通过标识条的图像形态特征，利用模式识别技术定位碳滑板的相对位置，得到受电弓的振动轨迹。根据标识条图像标定得到碳滑板振动位移ΔS，根据相机的固定线率得到振动时间。根据ΔS=a＊t2/2可计算振动加速度a。根据加速度和压力标定后相对关系可得到接触网动态压力。线阵相机的线率达到20k，能够分辨出50us以上的振动变化。

1.6 受电弓状态检测

受电弓状态检测利用红外敏感摄像机对受电弓关键零部件损伤、变形、缺失、姿态异常、异物等进行检测，并进行磨耗测量，分辨率高达2048＊2048，帧率为25fps。同时使用高亮LED频闪光源进行补光，防止隧道外阳光干扰、保证隧道内不对司机视觉造成干扰。

1.7 振动补偿技术

由于车辆运行时产生的振动、偏移等原因，车顶采集单元的基准点不断发生变化，导致测量的数值与实际数值存在偏差。振动补偿单元通过测量车辆相对于左右轨道的偏移量和运行过程中的侧翻程度，修正弓网监测设备检测的拉出值、导高等参数，有效提高测量的精准度。

1.8 综合定位技术

弓网监测系统通过TCMS获得开关门、车速、车站代码信息，并结合图像识别进行综合定位。车辆在车站停车时，可以进行绝对定位。在车站运行时，通过数字图像分析处理识别技术对接触网悬挂进行识别定位，准确定位每个吊柱或支柱。在每根支柱的绝对位置对车辆位置进行修正，将定位误差控制在1杆范围内。为进一步提高定位精度，通过编码器计算一跨之内的车辆位置，编码器计算的短距离位移与数据库结合，判断接触悬挂识别是否漏杆，并将漏识别的杆号进行回补。综合定位精度能达到1m。

2.弓网监测系统组成

图5展示了弓网监测系统的拓扑图。弓网监测系统包括车顶采集单元、车底振动补偿单元、车内分析处理单元、地面数据管理服务器。

图5 弓网监测系统拓扑图

车顶采集单元包括接触网高清成像模块、燃弧检测模块、温度检测模块、几何参数及磨耗测量模块、接触悬挂检测模块；主要用于对受电弓、接触网及弓网关系等状态实时成像，采用图像分析的方式，分析弓网可能的缺陷。

车内分析处理单元主要用于对车顶采集设备和车底振动补充单元进行数据采集存储和处理的分析。可以对采集的弓网图像进行实时分析，检测弓网缺陷，通过MVB总线传输至列车TCMS系统。同时，缺陷数据和视频数据也可通过5G网络或LTE专用网络传输至地面数据管理服务器。

车底振动补偿单元主要用于测量车体相对于钢轨的震动偏差，使得安装在车顶的检测装置可以不受车体震动的影响。

地面数据管理服务器是系统的数据核心，主要用于对车载设备（车顶采集单元、车底振动补偿单元、车内分析处理单元）进行数据管理，可以按车次、线路等信息储存历史数据，提供人机界面，可进行历史数据查询、缺陷确认等功能。

弓网监测系统全面检测车辆受电弓、接触网和弓网关系。通过地面服务器汇总所有列车监测数据，分析每列车受流情况、接触网的几何特性等情况。主要功能包括：

（1）测量接触网动态几何参数，包括接触线拉出值、导高等参数；（2）测量接触线磨耗；（3）进行燃弧检测，检测持续时间、强度，自动生成燃弧曲线图；（4）检测弓网零部件温度、弓网运行冲击力；（5）检测受电弓零部件异常、运行状态异常、滑板磨耗；（6）自动完成参数检测、异常数据分析、隐患级别划分和缺陷数据的发送；（7）与列车TCMS通信，将缺陷数据实时上传；（8）位置精确定位，将检测位置与检测参数对应，将位置合成在视频及图片上。

3.结语

本文提供了一种融合多项检测技术的城市轨道车辆弓网监测方法，能够有效实时在线检测弓网几何参数、接触线磨耗、弓网燃弧、弓网冲击力；实现受电弓状态高清成像；自动监测受电弓零部件异常，并完成数据分析、故障隐患等级分类；故障数据、报警信息自动上传。随着人工智能、大数据、云计算等新技术的发展，未来弓网监测系统将更加智能化，检测精度、检测效率将进一步提升。