受电弓轨旁在线检测系统在120km/h地铁快线的应用研究

1研究背景

受电弓为实时运动部件,为保持良好的跟随性,列车运行过程中,受电弓随着接触网的高低起伏、横向偏移通过自身的转动机构、弹簧或气囊等部件进行上下、左右调整,受力较为复杂。基于其结构特性及故障后的影响,行业内普遍比较重视受电弓的日常检查,但因受电弓安装在车顶,日常检查维护保养需高压断送电,风险较高,无法做到每天检查,一般结合双周检、月检、半年检、年检等修程开展,主要靠人工检查实现,传统维护保养模式效率低[1],一般一列车需2人2 h,且检查周期长,一般两周检查1次,导致不能及时发现故障。120km/h地铁快线较传统80 km/h线路速度提高50%,运行环境更加复杂,受电弓出现故障的概率升高,为确保运营安全,120 km/h地铁快线有必要应用受电弓智能检测系统—受电弓轨旁在线检测系统,加强对受电弓的实时检测。

2 受电弓轨旁在线检测系统组成

系统由基本检测单元、现场控制处理单元、远程控制中心三部分组成[2],如图1所示。基本检测单元为系统的神经末梢,负责采集原始数据,是整个系统的基础;现场控制处理单元是整个系统的“大脑”,负责数据的收集、处理及结果输出;远程控制中心是整个系统的终端,负责最终分析结果的呈现[3]。

2.1基本检测单元

基本检测单元由受电弓检测模块、车顶异物监测模块、车号识别模块、系统启动传感器和离车传感器组成,各模块采用高精度相机获取受电弓、车顶及车号图片,通过非接触式图像测量、识别技术,分析受电弓碳滑板磨耗及缺口、中心线偏移、上下偏移、羊角变形、车顶异物、车号等参数,系统启动传感器和离车传感器通过电磁感应原理判断来车和离车,控制各系统的启停。

受电弓检测模块由4个面阵相机和4个闪光灯、4个红外触发装置组成,安装于车辆侧上方的隧道上,所有设备在一个平面上;车顶异物监测模块由2个异物监测模组组成,安装于车辆正上方的隧道上;车号识别模块由1个面阵相机、1个补偿光源、1个触发传感器组成,相机和补偿光源安装于车辆侧方的隧道上,触发传感器安装于轨道上;系统启动传感器和离车传感器安装于轨道上。设备安装布置如图2所示。

2.2 现场控制处理单元

现场控制处理单元由工控机、服务器、电气控制箱、UPS组成,具备对数据实时采集、处理、存储、传输及设备自动控制功能。通过实时采集、处理基本检测单元的图片数据,形成检测结果,并以一定的格式,通过远程传输通道与远程控制中心通信,接收远程控制中心控制命令,向远程控制中心发送状态信息和检测结果。

2.3远程控制中心

远程控制中心能控制系统的运行,由服务器、操作控制台、打印机组成,具备数据综合分析、数据输入/输出接口、数据联网管理、结果打印等功能,一般设置在车辆段控制中心(简称DCC)。通过控制检测系统的启停,监控设备的运行状况,管理最终的检测结果,提供用户访问界面、数据输入/输出接口、数据联网管理。软件易于扩展,并预留网络化端口,具备接入车辆检修作业管理系统、车辆段物联网云平台的条件。

3 受电弓轨旁在线检测系统功能原理

3.1 系统功能

系统功能包括受电弓碳滑板磨耗及缺块检测、中心线偏移检测、上下偏移检测、羊角变形检测及车顶异物监测、车号识别。受电弓检测模块负责受电弓碳滑板磨耗及缺块检测、中心线偏移检测、上下偏移检测、羊角变形检测,车顶异物监测模块负责车顶异物监测,车号识别模块负责车号识别。

3.2 工作原理

3.2.1受电弓碳滑板磨耗及缺口检测

系统采集碳滑板金属底座下边沿连续点坐标形成一条直线,定义为基准线,采集碳滑板上边沿连续点坐标形成一条曲线,定义为磨耗曲线,计算出磨耗曲线每个点到基准线的垂直距离,找出最小值Dm,n ,减去金属底座固定厚度D1,即碳滑板的最小剩余厚度Dm,n—D1。全新的受电弓碳滑板厚度为固定值D,则该碳滑板的磨耗为D—(Dm,n—D1),计算值与预设阈值(可根据实际需要调整,下同)对比,若超过预设阈值则自动触发报警。工作原理如图3所示。

按上述原理,系统计算出磨耗曲线所有点到基准线的垂直距离,然后对相邻点计算值做减法运算,计算结果与预设阈值比较,若超过预设阈值则认为碳滑板存在缺口并自动触发报警。

3.2.2受电弓中心线偏移检测

受电弓碳滑板与安装支架左右连接处有比较明显的特征,将这两个特征点分别定义为左、右特征点,连接左、右特征点做直线,取该直线的中间点作为碳滑板的中心点,坐标为(X1,Y1),两条轨道中线点为基准点(标定时确定),坐标固定为(X2,Y2),则该碳滑板中心偏移值D=X1—X2,按此原理分别计算出前碳滑板中心线偏移值D前和后碳滑板中心线偏移值D后,则MP1车受电弓中心线偏移值为(D后—D前)/2,MP2车受电弓中心线偏移值为(D前—D后)/2,计算结果与预设阈值对比,若超过预设阈值则 自动触发报警。工作原理如图4所示。

3.2.3受电弓上下偏移检测

与中心线偏移检测原理相同,取左、右特征点,坐标分别为(X1,Y1)(X2,Y2),则碳滑板的上下偏移值D=Y1—Y2,按此原理分别计算出前碳滑板上下偏移值D前和后碳滑板上下偏移值D后,则MP1车受电弓上下偏移值为(D后—D前)/2,MP2车受电弓上下偏移值为(D前—D后)/2,计算结果与预设阈值对比,若超过预设阈值则自动触发报警。

3.2.4羊角变形检测

将羊角的末端定义为羊角点,坐标为(X1,Y1),将受电弓碳滑板与安装支架连接处位置定义为特征点,坐标为(X2,Y2),计算羊角点与特征点之间的水平距离(X1—X2)和垂直距离(Y1—Y2),计算值与预设阈值对比,高于预设阈值即判定为羊角变形并报警。工作原理如图5所示(以左羊角为例)。

3.2.5车顶异物监测

车顶异物监测采用基于神经网络深度学习算法的图像识别技术,神经网络是一种模拟人脑的人工智能机器学习技术,按照“学习—记忆—识别”模型进行异物识别。列车经过监测区时,首先由一个神经网络对整车进行识别,输出整车模型,并根据部件特征划分为若干小模型(如受电弓模型、空调模型等),然后使用不同的神经网络对各个小模型进行异物监测,发现异物后计算异物尺寸并与预设阈值对比,若超过预设阈值即判定为存在异物并自动触发报警。检测效果如图6所示(以右侧模组为例)。

3.2.6车号识别

车号信息是系统最基本的信息源,是系统实现按车号对检测数据进行跟踪、统计、分析的基础。车号识别采用智能图像识别方式,当列车轮对经过车号触发传感器时,车号识别模块采集车号相关图片,然后通过光纤通信传输至现场控制处理单元进行分析,分析出车号后将车号数据上传到服务器,供统计、分析使用。

4 受电弓轨旁在线检测系统工作流程

1)列车驶向检测区域,当列车第一个轮对经过系统启动传感器时,启动传感器向系统发出开启信号。

2)系统收到开启信号后,进入接车检测模式,所有检测设备及软件进入接车工作模式。

3)列车进入检测区,检测区内设备开始采集列车原始图像和数据,并通过光纤通信将图片及数据传输至现场控制处理单元。

4)列车最后一个轮对经过离车传感器时,系统进入离车数据处理状态,现场控制处理单元分析处理原始数据和图像并输出相关结果,通过光纤通信传输至远程控制中心,由web展示数据和告警通知。

5)数据处理完成后系统进入待机接车状态。

具体工作流程如图7所示。

5 东莞2号线应用情况

5.1 系统安装及技术参数

东莞2号线为120 km/h地铁快线,列车受电弓为单臂式气囊受电弓,2020年检修时曾发现受电弓羊角断裂故障。基于受电弓的重要性及历史故障情况,东莞2号线于2023年加装了受电弓轨旁在线检测系统,为提高检测频次,将系统前端设备(基本检测单元及现场控制处理单元)安装于正线,为方便控制系统运行及查看检测结果,将终端设备(远程控制中心)安装于DCC。系统主要技术参数如表1所示。

5.2 应用效果

东莞2号线受电弓轨旁在线检测系统投入运用以来,发现多起碳滑板磨耗到限问题,应用效果良好,有效保障了正线运营安全。系统终端检测结果显示界面示意图如图8所示。

6结论

受电弓轨旁在线检测系统采用非接触式图像采集和识别测量技术[2]实现对受电弓关键参数的快速检测,一列车检查用时由传统模式2人2 h缩短为数秒内完成,极大地提高了检查效率;将检测设备安装在正线,列车通过即检测,每天多次检查,相较传统模式两周检查1次,极大地缩短了检查周期,确保了列车运行安全。东莞2号线的成功应用,充分表明系统适用于120 km/h地铁快线,效果良好,可为受电弓修程修制优化提供技术支撑,实现降本增效。

[参考文献]

[1]杨旭生,江现昌,敖斌,等.基于yolov5的轨旁受电弓缺陷在线检测方法研究[J].中国设备工程,2022(22):164—166. 作者简介:宋伟杰(1988—),男,河南太康人,交通运输工

[2]江伟,张宝林.列车受电弓在线自动检测系统的应用研究[J].城市轨道交通研究,2021,24(3):200—202.

[3]朱均,黄丹丹,郑晓飞.列车受电弓轨旁检测系统的应用研究[J].科技与创新,2021(23):170—171.

[1]杨旭生,江现昌,敖斌,等.基于yolov5的轨旁受电弓缺陷 收稿日期:2025—08—26

《机电信息》2025年第23期第3篇