靴轨受流在线检测系统设计及应用研究

陈善乐

0 引言

随着我国经济社会的快速发展，城市轨道交通发展迅速[1]。靴轨受流作为城市轨道交通一种常见的受流方式，通过集电靴侧碳滑板与接触轨接触，实现地铁车辆的动能供给[2，3]。靴轨受流系统主要由接触轨、集电靴和供电系统组成，其状态优劣直接影响地铁的安全运营，对其加强状态检测十分必要[4～6]。

靴轨受流系统虽然已经存在50多年，但与之配套的靴轨在线检测系统发展相对缓慢。相比弓网受流系统，由于其应用范围较广，弓网系统检测的研究较多[7，8]，而涉及靴轨受流检测领域的文献较少。其中，文献[9]研究基于图像处理技术实现接触轨的几何参数检测，但该方法需要无电状态，且只能低速检测，限制了方法应用。文献[10]针对靴轨系统实际应用过程存在的问题，提出通过在线检测电流值进行状态检测。文献[3]基于激光三角测距理论，通过对接触轨进行几何参数计算，获得接触轨几何参数检测值。

从上述文献可知，目前对靴轨受流系统在线检测技术的研究较少，而开展靴轨受流系统在线状态研究能够更好保证靴轨受流质量，保障城市轨道交通的稳定运营。为准确评估靴轨受流系统的运行状态，本文设计了一种靴轨受流系统在线检测系统，运用激光测距、紫外光电传感、光纤应变传感和光纤硬点传感等技术实现对靴轨受流系统的动态检测，主要包括接触轨几何参数检测、靴轨接触力检测、集电靴硬点检测和靴轨燃弧检测。

1 靴轨在线检测系统设计及实现

1.1 架构组成

靴轨在线检测系统主要由车外检测设备、车内处理单元、远程输送通道和地面数据中心等组成，基本结构框架如图1所示。

图1 靴轨在线检测系统架构

基本检测单元主要由接触轨几何参数检测模块、集电靴电流及电压检测模块、硬点检测模块、接触压力检测模块和靴轨燃弧检测系统组成。

车内处理单元主要作用为对各检测模块传输的数据进行分析处理，并实现与车辆控制与管理系统和地面数据中心的通信。

1.2 接触轨几何参数检测

图2 接触轨几何参数检测原理拓扑

二维激光测距传感器（2D传感器）为图像采集模块中的核心组件，由相机和线激光器组成，原理是激光光源投射到接触轨表面，利用三角成像原理，相机与激光光源成一定角度，拍摄接触轨表面结构光图像，通过视觉成像模型，计算目标点所在的世界坐标位置2D传感器检测原理如图3所示。

图3 2D传感器检测原理

图像采集模块示意图如图4所示，在接触轨几何参数检测过程中，处理主机采集2D传感器图像，经过图像处理、图像识别与空间转换后，可以获得接触轨目标点相对2D传感器的水平位置和垂直位置，通过传感器安装参数与动态补偿技术，进而转换为接触轨中心距离线路中心水平距离和接触轨受流面与走行轨钢轨顶面的垂直距离。

图4 图像采集模块示意图

将检测到的接触轨受流面与走行轨钢轨顶面的垂直距离数据与综合定位数据中的距离信息结合，经过数据处理与转换即可得到接触轨坡度及端部弯头几何参数信息。

激光测距传感器通过采集与线路周边物体的距离信息，进行滤波处理后，可确定线路中支柱位置，将每次获得的支柱位置与综合定位信息结合即可得到跨距数据。

1.3 靴轨动态参数检测

靴轨动态参数检测子系统可分为电气参数检测和机械参数检测，其中燃弧检测、集电靴电流/电压检测属于电气参数检测，接触压力和冲击加速度（硬点）检测属于机械参数检测。

靴轨动态参数检测子系统主要包括靴轨燃弧检测模块、牵引电流检测模块、集电靴电压检测模块、接触压力检测模块、硬点检测模块、传输模块、数据处理模块及供电模块。

1.3.1 靴轨燃弧检测模块

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靴轨燃弧检测运用紫外光电检测技术，通过检测靴轨燃弧紫外特征光实现燃弧检测。其具体检测过程如下：首先运用光学采集设备对燃弧紫外光特征量进行采集，然后将燃弧光信号输入紫外光电传感系统处理，主要目的是完成光信号至电信号的转换，最终将电信号送入数据处理系统完成检测结果输出。

（1）光学采集系统。系统结构如图5所示，主要由滤光片、透镜组和接收装置组成。该系统具有高强度抗干扰性，能够精准地对所有靴轨燃弧辐射的特定谱段紫外光进行捕捉，同时滤光片能够滤除多余的杂散光。

图5 光学采集系统结构模型

（2）紫外光电传感系统主要由紫外光电传感器、信号处理模块、电源模块以及光纤适配器等组成，基本构成如图6所示。本系统核心部件为紫外光电传感器，能够有效实时地完成靴轨燃弧特征光信号至电信号的转换。

图6 紫外光电传感系统框架

（3）电信号采集组件由专用信号采集板卡组成，实现微弱信号的滤波、放大、采集、处理以及信号传输等功能。

1.3.2 接触压力检测模块

接触压力检测的基本原理是通过对集电靴支撑臂的形变进行测量，考虑到集电靴处于高压环境，特采用在集电靴上贴高灵敏度的光纤光栅应变片的方式对集电靴支撑臂的形变进行量化测量，利用光纤传输方式将信号传输至车内中央数据处理主机进行处理。同时构建静态标定计算模型，通过该模型计算可实时显示动态的接触压力曲线。

1.3.3 硬点检测模块

硬点检测模块采用光纤硬点传感器信号对集电靴垂向加速度（硬点）进行测试，通过光纤的方式引至车内中央数据主机进行集中处理。

考虑到接触轨受流面与钢轨平面的垂直距离为200 mm，集电靴降靴状态限界要求集电靴最低点距离轨面高度为95 mm，故集电靴受流臂底面安装加速度传感器方案不可行。为保证限界距离，加速度计位于靴臂中间的空档处。靴臂厚度约为 60 mm，加速度计厚度为55 mm，保证加速度计安装后不会超过靴臂厚度，故视为不超限界。如图7中所示，借用集电靴上的2颗螺栓，制作一个T形连接板固定加速度计；加速度计安装后会增加约0.6 kg重量。为确保动态测量过程中人身安全，安装过程中应进行绝缘处理。

图7 加速度信号检测流程

2 靴轨在线检测系统实例验证

2.1 靴轨燃弧检测

为验证本系统的有效性，选取广州地铁某区间线路作为测试线路，选取燃弧次数、燃弧持续时间和燃弧率作为评价指标，燃弧持续时间tarc指所测区段每个所测燃弧持续时间的总和，计算式为

式中：ti为所测区段的第i次燃弧的持续时间，ms。

燃弧率NQ为所测区段的燃弧总时间与测量时间的比值：

式中：ttotal为所测区段的测量时间，ms。

靴轨受流在线检测系统可针对燃弧现象检测燃弧率和最长燃弧时间等指标，同时设有燃弧报警功能。表1为该系统的燃弧检测结果，可以看出其能够检测出最短4 ms燃弧时长，具有较高检测灵敏度，最长燃弧时长和燃弧率分别为 41 ms和0.019%，满足标准检测要求。

表1 燃弧检测结果

2.2 靴轨接触力检测

实验条件同上，采用接触力平均值和标准偏差作为评价指标，接触力平均值Fm指所测区段所有压力值的平均值（N）。接触力平均值可以反映高速运行时靴轨接触的整体状态。

接触力标准偏差σ指所测区段接触力真实值与压力均值的偏差；接触力标准偏差可以反映整个靴轨接触力的波动范围及离散程度，是评判靴轨运行质量的一个重要指标。

式中：Fn为采样点r处的靴轨动态接触力值，N；N为整个所测区段内采样点的总个数。

图8所示为测试线路的动态接触力分布曲线，可以看出，最小接触力为123 N，最大接触力为211 N，满足实验要求。经在线检测系统检测并计算，得到靴轨接触力平均值为123.7 N，标准偏差为2.1 N，满足要求。

图8 接触力分布曲线

2.3 靴轨硬点检测

由于硬点具有离散性，且是反映接触轨平顺性的重要指标，故需对一个区间内所有硬点值均进行分析，同时输出硬点最大值。本文选用硬点加速度作为评价指标，即所测区间内集电靴对接触轨的垂向加速度（硬点），计算式为

式中：Gmax为所测区间内最大硬点值；G(i)为所测的第i个垂向加速度，m/s2，0≤i≤I。

图9所示为所测得的硬点分布曲线。由图可知，上行线路的最大瞬时硬点为412.6 m/s2，满足标准要求的集电靴垂向加速度（硬点）应小于490 m/s2。

图9 硬点分布曲线

综上所述，测试线路上行线员村站至金杭站全线各检测指标均在要求范围内，具有较好的运行状态。同时，本系统各项指标检测准确度均满足要求，具有良好的实际应用价值。

3 结语

借鉴弓网检测系统应用经验，本文设计了一种靴轨受流在线检测装置。运用激光测距、紫外光电传感、光纤应变传感和光纤硬点传感等技术实现对靴轨接触力、集电靴硬点和靴轨燃弧等关键指标的检测。通过对广州地铁员村站至金杭站实际线路测试，本系统能够检测时长为4 ms的燃弧现象，接触力检测标准偏差为 2.1 N，最大瞬时硬点 412.6 m/s2，具有良好的检测精度和灵敏度，为靴轨受流系统状态评估奠定良好基础。下一步将对提高检测系统的精准度作进一步研究，以提升靴轨系统状态评估的准确性。