弓网在线监测装置在地铁上的应用

◎谢智飞 侯永环 夏龙良

弓网在线监测装置是集接触网几何参数检测、接触线磨耗检测、弓网燃弧检测、接触定位悬挂监测、弓网状态监测、温度检测于一体的动态检测装置。该装置能够在地铁正常运行时，自动实现架空接触网几何参数、接触线磨耗、弓网燃弧、接触定位悬挂、弓网状态视频、接触网温度的实时动态检测，可快速有效的发现接触网或受电弓异常状态，自动记录并提供缺陷位置、缺陷种类、故障等级等相关信息，从而有效地指导各维修部门快速对弓网系统进行维护。

一、设备的布置

弓网在线监测装置分三个位置安装，主要分为车顶设备、车内设备、车底设备。车顶设备主要由图像数据采集模块、补光灯组成；车内设备主要由主机单元、电源箱组成；车底设备主要由振动补偿检测模块组成。

二、系统的功能

1.装置简介。

弓网在线监测装置由车顶设备、车内设备及车底设备三部分构成。其中，车顶由接触网几何参数检测模块、接触线磨耗检测模块、弓网燃弧检测模块、接触网定位悬挂装置高清成像模块、受电弓状态检测模块以及接触网测温模块组成。车内设备由供电管理模块、综合定位模块、数据处理模块、数据存储模块、外部接口模块及车地无线传输模块等组成。车底设备由RFID 电子标签模块、车底补偿设备组成。

2.工作原理。

车顶各检测设备模块将采集到的目标信息进行预处理，并将预处理结果通过千兆以太网方式传输至车内数据处理模块；数据处理模块对信号进行多重调制滤波、分析计算，并对各处理模块与综合定位信息数据进行实时融合，把得到的接触网几何参数、接触线磨耗、弓网燃弧、受电弓状态视频及温度等数据同步实时存储致数据管理存储模块，同步的数据处理模块将分析本次检测的报警信息；最后，通过车地无线传输模块将报警信息发送至运营维护部门管理中心。

3.硬件介绍。

（1）车顶设备硬件。接触网几何参数检测模块：利用结构光检测技术（相机和激光器组合，简称2D 传感器），能实现接触网导高、拉出值、多支线间距等接触网几何参数的高精度检测。

接触线磨耗检测模块：由一组线阵相机和光源组成。采用图像处理技术，能够对接触导线进行高精度动态线性扫描。通过扫描的图片能准确测量、分析、记录全线接触线的磨损高度、残存直径等状况，并记录其位置输出数据及影像。

弓网燃弧检测模块：采用紫外光电检测技术实现弓网燃弧检测，检测频率达5000Hz。测量燃弧波段为220nm～225nm或323～329nm。

受电弓状态监测模块：采用1 台高清数字摄像机（不低于200 万像素），在车辆运行过程中实时监视弓网运行状态，能够对弓网运行实时录像及查看。

（2）车内设备硬件。供电管理模块：本模块用于将车辆提供的DC110V 转成受电弓状态视频监控装置中各模块所需要的工作的电源，如DC12V，DC24V 等。

综合定位模块：采用MVB 总线技术从机车获取速度信息，并结合RFID 无线射频技术获取的电子标签数据实现综合定位，当检测到弓网燃弧或接触网几何参数超限时，精确定位出异常点位置。

数据处理模块：用于对各模块数据的采集、处理、存储、数据融合等操作。

（3）车底设备。车底设备主要由振动补偿设备和RFID 标签模块组成。振动补偿设备采用2 组2D 传感器实现振动补偿。

4.技术特点。

（1）基于机器视觉的非接触式接触网几何参数检测技术。基于机器视觉的非接触式接触网几何参数检测技术，主要采用结构光检测技术，实现接触网几何参数高精度、实时检测。实现方法：激光器与面阵相机安装于车顶中央同一水平面内，构成一个2D 传感器。激光器垂直向上补光，相机以一定角度倾斜安装并捕获接触线。激光平面与接触线截面相交后，会在接触线（汇流排）上形成一条高亮的接触线激光轮廓曲线。面阵相机与激光平面呈一定角度，拍摄接触线激光轮廓图像，并将其传输给数据处理模块（主机），完成接触线轮廓图像中激光光条中心提取，借助图像识别、分析、处理等技术进一步提取接触线在图像位置坐标，并通过查表法（标定数据）将接触线图像位置坐标还原为目标所成像对应的位置坐标，进而计算接触线导线高度及拉出值。①双支接触线垂直距离。通过双线导高进行几何计算，从而计算双线（工作支与非支、柔性双线）接触线垂直距离。②双支接触线水平距离。通过双线拉出值进行几何计算，从而计算双线（工作支与非支、柔性双线）接触线水平距离。

（2）基于机器视觉的接触网磨耗检测技术。全新未磨损导线与磨损导线的切面示图区分明显，新导线的下半部分呈完整圆弧状，而磨损导线低端呈直线状，本方案最终磨耗测量数据值以切面磨损直径长度d 的数据形式呈现。

（3）基于紫外光电原理的弓网燃弧检测技术。依靠弓网燃弧光物理特性，综合应用光学和图像技术，提出了一种非接触式紫外相机检测弓网燃弧的实时在线检测方法，精确地获取了表征弓网燃弧的特征指标（特征波段220nm～225nm 或323nm～329nm，），本方法克服了日照光源、太阳光等干扰因素，能在全天候实现在线检测。

实现方法：基于受电弓的抬升高度以及拉出值的变化范围选定拍摄范围，用于捕捉弓网燃弧辐射出特定谱段的紫外光，进而达到准确检测弓网燃弧的目的。

5.装置功能。

（1）软件功能。①检测监测功能：实时、在线、高精度非接触式检测接触网几何参数（拉出值、导线高度、线间距等）、接触线磨耗参数、弓网燃弧参数（检测燃弧持续时间、燃弧次数及燃弧率）、实现接触网定位悬挂装置（观察接触网的悬挂支架是否偏位，绝缘子及汇流排的状态是否正常，螺栓是否松动脱落）、受电弓状态高清成像（在车辆运行过程中实时监视弓网运行状态，能够对弓网运行实时录像及查看）以及接触网温度（温度过高自动告警）功能。

②控制功能：可实现全程无人工干预，具备上电自启动功能；预留人工干预功能。

③数据传输功能：具有数据无线传输功能，能够通过车地通信设备将报警数据传输到车辆段或监测终端。

④数据管理功能：可对跟踪过程中的报警数据进行查询、统计、分析、管理；能独立实时录像，检索回放，录像查询、下载等功能；

⑤数据输出功能：可线下全程回放弓网运行状态监测过程，并输出数据及影像，最后生成统计报表及分析报告。

三、核心模块日常维护

1.图像数据采集模块激光器修理与更换后测试。（1）设备通电、启动设备；（2）启动弓网在线检测软件；（3）打开相机主程序；（4）打开监视程序，查看相机图像；（5）用单根模拟导线（铁棒）在激光器正上方400mm 以上来回缓慢滑动；（6）软件显示的相机图像，在外界无干扰的情况下，导高曲线平滑，拉出值曲线呈现“之”字形；（7）若图像显示如上图，则判定为正常。

2.振动补偿检测模块激光器修理与更换后测试。（1）设备通电、启动设备；（2）启动弓网在线检测软件；（3）打开MVGESDK，选择BIN64 文件夹；打开其中相机演示程序；（4）分别先后选择连个相机，打开设备-打开采集，即可分别查看2D 相机的图像；（5）查看2D 相机图像，若显示类似下图，则修理及更换后相机正常。