基于弓网监测系统应用检修技术

基于弓网监测系统应用检修技术

李敏、胡根连、李军灵

摘要：轨道交通车辆运行通过受电弓受流接触网获得充足动力能源，两者以一定的速度相对运动。随轨道交通车辆运营快速发展，车辆对接触网维护保养要求也随之提高。过去接触网存在维修时间不足、漏修、过修等问题，严重影响车辆运行品质。检修质量提高是确保车辆安全运营前提，为此，本文提出基于弓网监测系统应用于检修。本系统采用机器视觉技术对接触网检测，将接触网存在隐患通过车载PIDS系统传输至用户综合系统。车辆段检修作业员通过用户综合系统查看故障数据，大大减少接触网排故及维护时间，并杜绝人为因素导致漏修问题，从而提高车辆运行安全的可靠性。

关键词：弓网检测、接触网检修、机器视觉、车载PIDS系统、可靠性

0引言

接触网作为轨道交通车辆最关键供电设施，其可靠性对车辆运行安全具有重要意义。随着轨道交通技术的发展，轨道交通已作为城市圈经济发展的重要命脉。为加快城市圈快速发展，地铁每日以频繁高速密集方式运转，其行车时间间隔短、速度高、振动频繁等，这将导致接触网各个部件易出现裂损、松动、脱落等问题，问题未及时处理这对地铁运营安全带来重大隐患。为了消除该隐患，本系统基于市域城际动车平台研究一套弓网监测系统应用于接触网检修作业。该系统通过监测接触网导高、拉出值、接触网磨耗、弓网燃弧时长、弓网燃弧频次、接触网锚接紧固件等参数，分析判断接触网存在的问题，通过车载无线网络将故障信息传输至地面服务平台。接触网维护人借助地面服务平台可查看接触网维修需求，这将大大提高维护人员作业效率，并解决作业质量低下问题。

1. 弓网监测系统整体方案

车辆弓网监测系统包括车载弓网检测装置和地面数据中心组成。车载弓网检测装置用于检测受电弓、接触网、弓网关系等多个参数，通过分析检测参数特性判断车辆运行弓网环境状态。弓网监测装置通过车载网络系统平台将弓网环境状态信息传输至地面数据中心，地面数据中心对数据管理，提供人机界面，输出系统报表。

车载弓网监测装置包括1C集成模块、3C集成模块、4C集成模块（正反）、硬点压力检测模块、车顶振动补偿装置、车内处理主机单元、定位检测装置组成。车辆高速运营将改变接触网安装参数，进而影响受电弓受流质量。为此，弓网监测系统设计1C、3C检测装置测量接触网参数及弓网关系。1C集成模块用于检测接触网导高、拉出值、接触线磨耗。1C集成模块相机采集接触网图像信息，并预处理采集的图像信息。预处理得到的图像数据经交换机传输至车内处理主机单元1，车内处理主机单元1对图像数据经几何处理可得接触网导高、拉出值、接触线磨耗。同时车内主机单元1再分析判断接触网导高、拉出值、接触线磨耗超限情况，将超限数据经车载PIDS网络传输至地面数据中心。

车辆受电弓与接触网以一定接触压力运行，受电弓接触压力超限将加大接触网破坏。为了降低受电弓对接触网损坏程度，弓网监测装置设计硬点压力检测模块。硬点压力检测模块由硬点压力传感器、光电转换装置（电源模块、模拟量板、光纤收发模块）、隔离转换装置、超隔离变压器、隔离变压器组成。硬点压力传感器测量受电弓三个方向加速度，光电转换装置采集传感器数据，采集数据经光电转换装置模数转换，转换的数字信号再经光电转换装置转换为光纤信号。经光纤传输至隔离转换装置，隔离转换装置将光纤信号转换为数字信号，经CAT5e网线传输至车内主机单元1，车内主机单元将传感器检测的加速度信号转换为硬点压力信号，并对硬点压力信号判断。

弓网关系匹配好坏对受电弓受流质量具有一定影响。受电弓与接触网之间间隙达到一定数值，弓网间产生的燃弧将灼伤碳滑板、受电弓上臂杆等部件，同时将影响受电弓的受流质量。为了便于查找弓网关系匹配不良具体信息，便于接触网维护作业人员快速定位接触网异常点，弓网监测系统设计一套3C集成模块。3C集成模块采集弓网匹配视频及图像信息，并对采集的数据进行处理，将处理结果传递车内处理主机单元3，车内处理主机单元3对弓网关系数据存储。车内处理主机单元1与主机单元3将1C、3C等检测模块经无线宽带传输至地面数据中心。车载弓网监测装置系统框图如图2所示。

图1车载弓网监测装置系统框图

4C集成模块用于检测接触网部件是否松动、脱落、破损、断裂等异常。当列车运行至接触网支撑杆，4C集成模块检测杆并触发正反相机拍摄接触网，拍摄图片数据经相机处理器预处理传输至交换机，车内处理主机单元经CAT5e读取并处理交换机数据，判断接触网部件状态。

2. 接触网几何参数检测

2.1接触网几何参数检测

列车高速运行对接触网几何参数具有一定影响。为了实时监测接触网几何参数（导高、拉出值、磨耗），弓网监测系统设计一套接触网几何检测系统。该系统采用激光照射接触网形成激光轮廓线，监测相机拍摄激光轮廓线，利用光截测量原理，计算接触网以车体中心线为基准的导高、拉出值及磨耗量。

车辆运行动力能源依靠受电弓与接触网相对运动获得，因此车辆运营中接触网接触线的磨耗也在逐步增加。根据刚性接触网的结构可知，接触网受流部分为接触线，接触线磨耗至限度值对受电弓受流质量具有影响。本系统实时监控接触网接触线磨耗量，不仅有效监控车辆受流，也便于接触网精准、实时检修，这大大提高车辆运行安全和质量。

如图2 接触线切面示意图

接触网-接触线下半部分为完整圆弧，接触线与受电弓呈水平相对运动，至此，接触线磨损区域为直线状。接触线磨耗量根据现场检修定义，以磨损面宽度y或磨损厚度h表示。主机单元根据相机拍摄的图像，提取磨损面与圆弧面的交点n，圆心至垂直磨损面点为m点，通过相机光截测量原理，计算出测量点m和n点之间距离值即可得磨损面宽度,如图2所示。

2.2车体振动补偿

由于车体振动、转弯等因素影响，车体中心线与钢轨中心线不在一条中心线。根据接触网拉出值、导高值定义，测量以轨道中心线为基准。而1C集成模块检测接触网拉出值、导高以车体中心为基准，该测量存在一定偏差。为修正几何参数检测误差以提高系统检测精度，本系统设计车体振动补偿装置。车体振动补偿模块将测量到的车体左右偏移的距离和车体倾斜所造成的偏移数据，通过现场总线传送到主机单元。

车体振动补偿装置由加速度计、CCD激光相机组成，如图3。加速度计垂直向下安装测量车体垂向加速度，将测量数值传输至CCD模块处理单元，CCD模块处理单元对数据预处理，预处理数据传输至主机单元。CCD激光相机以车体为中心线，对称结构方式分布于中心线左右（图3中1#、2#相机）。相机-激光成像于钢轨，相机拍摄钢轨激光线并预处理图像数据，处理后相机将数据传输主机单元，主机单元对数据分析与处理，并存储处理结果。

图3 车体振动补偿安装示意图

振动补偿装置以车辆静止于水平钢轨数据为基准。车辆动态运行，系统1#、2#摄像机获取车体相对于钢轨基准水平距离。动态水平距离减去静态水平距离所得差值，即为车体左右摆动偏差。系统依据相应补偿算法修正所测接触网几何参数。

3、系统应用检修

本系统将检测参数传输至用户综合系统，检修人员通过查看用户综合系统界面，查询受电弓、接触网运行状态。用户综合系统采集主机单元处理的1C检测数据，结合接触网设计几何参数，判断接触网几何参数是否超限。为了便于检修人员对接触网超限数据精准定位，用户综合系统综合速度、线路里程、时间等数据，输出接触网几何超限发生时间、位置。检修人员根据系统报故障对接触网检修，这不仅大大减少检修人员对接触网检查时间，而且为车辆运行提供高质量的运行环境。

当车辆正线运行报牵引封锁故障、网压异常等故障，车辆将退出正线运营进入车辆维修阶段。为了明确车辆维修方向，维修工程师通过查看弓网检测系统，查询弓网接触压力、导高、拉出值是否超限，同时结合弓网3C存储视频，查看车辆发生故障时，受电弓与接触网之间是否发生剧烈燃弧，从而导致网压异常或牵引封锁等故障，这为车辆维修工程师排故明确了方向，大大提高了车辆检修效率。

4. 结论

基于弓网检测系统于维修应用，检修作业人员通过用户界面查看系统是否报故障，根据故障信息精准快速完成检修作业。当接触网磨耗超过一定限度，安装部件出现掉落、损坏等异常，系统提示检修人员对接触网维修。检修人员通过本系统检修，不仅提高接触网检修效率，而且为车辆排故提供了依据。