接触网刚性悬挂检测系统在城市轨道交通牵引供电系统中的应用

芮 晨，陈善乐，杜海源，李晓飞，李 轶

（1.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京100055；2.石家庄市轨道交通有限责任公司，河北 石家庄050035；3.天津凯发电气股份有限公司，天津300392）

0 引 言

随着我国经济的快速发展及城镇化的快速推进，都市拥堵日益严重，常规的公共交通已无法满足城市客运的需求。城市拥堵日益成为阻碍城市发展的主要因素之一，降低了市区人口出行效率。而城市轨道交通具有发车间隔短、运行速度快、站点时间准、运输量大、清洁环保和不会产生拥堵等优势，成为改善城市拥堵的有效途径。近年来，在党和国家政策的引导下，国内一、二线城市均在大力修建城市轨道交通，部分三线城市也开始规划修建城市轨道交通，城市轨道交通进入了史无前例的飞速发展时期。

接触网系统作为连接电力机车和城轨供电系统的关键环节，是地铁列车的主要电力来源[1]。刚性接触网具有诸多优点，如不易断线、易于维护、架构简单等，已广泛应用于地铁行业。但是，由于工作环境恶劣，且长期工作在振动工况下，其支持、定位、悬挂等装置容易出现松动或脱落等问题。如果不及时处理，将引发严重的故障，造成行车事故，甚至带来极大的经济损失[2]。

目前，对接触网悬挂装置的检测主要依赖于人工巡视，不仅耗费人工，且不能及时发现缺陷。针对这种情况，2012年铁总发布《高速铁路供电安全检测监测系统（6C系统）总体技术规范》，并对接触网悬挂状态检测监测装置（4C）做出了明确要求，且于2014年颁布《接触网悬挂状态检测监测装置（4C）暂行技术条件》，对4C做了进一步规范[3]。

本文根据现有的接触网悬挂检测监测技术[4]，详细分析其在城市轨道交通牵引供电领域的应用，并对城市轨道交通接触网悬挂检测监测系统的发展进行展望。

1 接触网刚性悬挂检测系统

接触网刚性悬挂检测监测装置（4C）一般安装在接触网检测车、作业车或其他专用轨道车辆上，通过高清工业相机，对行车沿线的定位装置、支持装置、接触悬挂、附加悬挂、吊柱座等区域进行全覆盖高清成像检测，从而获取零部件细节工况图像，并通过后期图像分析，发现隐蔽缺陷，排除事故隐患[5]。

1.1 基本功能

（1）控制功能。能预置和随时灵活更改检测线路和起始位置；具有启动、暂停、运行、复位功能；预留人工干预功能。

（2）定位功能。采用非接触式技术实现支吊柱的精确定位，并获取行车途中公里标和杆位信息。

（3）巡查功能。对行车途径的接触网定位装置、支持装置，附加悬挂、吊柱座区域进行清晰拍摄，以获取故障信息。

（4）巡视功能。采用高清相机全程记录行车沿线接触悬挂区域工况，并提供采集过程中接触网缺陷的快速分析与复核功能。

（5）输出功能。能保存所有巡线视频和抓拍图像，附加时间、线路、杆位、区域信息于图像数据中，形成可管理的图像存储。

（6）成像监控功能。能实时监控设备各组成部分功能，反映装置工作状态。

（7）接触网图像信息管理功能。支持按照检索检出图像的管理，能够灵活缩放图片，显示其行车定位信息进行查询。

接触网刚性悬挂检测监测装置一般是周期检测和重点检测联合应用。周期检测是指对相关接触网设备的技术状态进行周期性检测，周期一般为每季度不少于1次。而重点检测则是根据历史信息，对故障高发区进行专项检测。

1.2 接触网刚性悬挂检测监测技术设备现状

接触网刚性悬挂检测监测系统一般由车载几何参数测量模块、车载高清图像采集模块、车载控制模块以及非车载的数据分析模块组成。检测模块如图1所示。

图1 检测模块

目前，已有多家公司研发了该装置，但各个公司技术水平不尽相同，市面上暂未有精确的4C装置。羡慕将对各主要厂家的成品进行简单分析。

（1）某厂家使用一种基于图元分类的方法进行悬挂检测。首先，对采集到的图像进行边缘信息提取，得到图像中各连通域的边界曲线，根据其曲率变化率实现杆状物的提取与去除，进而实现图像中各零部件的图元分割。然后，根据SURF算法对提取的每一个图元区域提取其局部不变特征点，并与标准图像进行局部特征点匹配，计算两者之间的仿射变换矩阵，从而识别与定位零部件。利用改进后的随机抽样一致算法RANSAC（RandomSampleConsensus）筛选匹配后的特征点，去除错误点。通过计算模板图像与各图元之间的仿射变换矩阵，实现各零部件的精确定位。根据事前设定好的故障状态，对各零部件的故障状体进行对比检测。

（2）某厂家有基于线阵CCD的非接触式测量导高拉出值，即在车顶安装CCD相机进行图像采集，然后通过图像处理方法计算出导高拉高值。同时，也有接触式测量方法。通过角位移传感器和动态补偿装置，测量受电弓的升弓高度，然后根据压力传感器测量拉出值。由几何算法和电压导高对应查表法计算出导高，通过在弓头安装四个压力传感器测量拉高值。同时，通过激光三角形测量法，根据激光镜头与远、近界面的成像三角形测量支柱的方式，检测定位点。在车辆的轴头位置安装光电编码器，根据车轴的转动测量距离，进而可以测量车速和跨距。然后，运用图像处理技术分析采集到的图像，从而查找出缺陷。

（3）某厂家利用图像处理方法计算导高与拉出值，即预处理CCD拍摄到的图片后，通过迭代阈值定位图像激光光斑中心，并将二维平面上的特征点与三维坐标建立对应关系，由此计算出导高拉高值。预处理包括对图像数据进行灰度化、二值化及除噪等。而根据这种思想检测接触悬挂部件的方法是，通过线阵CCD相机进行图像采集，判断图像是否有预设的激光被遮挡特征，根据存在的特征条件定义为相应的零部件。

2 接触网刚性悬挂检测系统在城市轨道交通牵引供电系统中的应用

目前，根据铁总的文件要求，城轨交通已积极开展4C检测，由专业技术人员进行人工识别。检测报告与历史数据比对分析后，安排专员进行处理。下面将以成都唐源电气公司研发的4C装置在城轨交通牵引供电系统中的应用情况为例进行分析。

2.1 装置组成

本装置硬件结构主要包括车载与非车载两部分。其中，车载硬件结构主要用于对线路数据进行检测和缺陷的在线智能识别，获取原始图像和在线缺陷识别数据；非车载硬件结构主要为数据分析服务器和个人电脑，用于进行图像的离线智能识别、人工查看与处理等工作。数据分析服务器性能高，便于进行离线高效率的缺陷智能识别；个人电脑便于进行人工图像查看分析，不受地点、数量的限制。

车载硬件结构由支吊柱定位装置和支持装置抓拍相机组、附加悬挂及吊柱座抓拍相机组、杆号抓拍相机组、接触悬挂相机组、GPS模块、补偿光源设备、支吊柱识别装置、嵌入式触发控制模块、高性能服务器、装置电源管理模块及显示与操作设备组成。

各相机针对不同的区域进行专门设计，能适应不同区域的高清拍摄。因为覆盖区域足够大，所以可保证图像的无遗漏拍摄。

2.2 实拍图例

接触网高清成像采用2台高清数字相机实现（相机分辨率达到1024×1024）接触网悬挂零部件的高清成像，分辨率达到25fps，成像示意图如图2所示。

图2 接触网零部件高清成像效果图（参考成都地铁1、2号线）

通过采用高清相机对接触网进行高清成像检测，能够获得高清晰度的图像，可清晰分辨汇流排、中间接头、膨胀接头、绝缘子、腕臂、定位器、定位线夹、悬吊安装底座、中心锚节、分段绝缘器、吊弦、线岔状态等部件的细节特征，并能够自动识别绝缘子倾斜及破损、中间接头螺母脱落、接触线脱槽等故障。在隧道低照度环境下，可采用补偿光源，有效照明拍摄目标区域，保证成像效果。

2.2.1 定位装置及支持装置

支吊柱定位装置及支持装置抓拍相机组，由16个分辨率为6576×4384的2900万像素工业相机组成，用于对左侧平腕臂底座、左侧斜腕臂底座、右侧平腕臂底座、右侧斜腕臂底座、承力索座、正定位支座、反定位支座、定位线夹和腕臂底座区域进行高清拍摄。

此外，考虑到装置整体结构的完整性，配置2个500万像素的工业相机进行全景图像的拍摄。实际拍摄图像清晰程度可达到图3、图4所示的效果。

图3 定位管底座实际拍摄效果

图4 线夹实际拍摄效果

2.2.2 附加悬挂及吊柱座

考虑到吊柱座与腕臂顶部的附加悬挂区域基本重合，因此本装置采用4个1600万像素的高清工业相机构成附加悬挂及吊柱座抓拍相机组，用于对附加效果、吊柱座进行拍摄。实际成像效果如图5、图6所示。

图5 附加悬挂相机组成像效果（顶部绝缘子）

图6 吊柱座区域相机图像

2.2.3 杆号抓拍相机

杆号抓拍相机组由2个分辨率为1280×960的130万像素相机组成，成像效果如图7所示。这2个相机分别安装于车体靠近外边缘的两侧，用于对车体车下方的杆号进行拍摄。

图7 杆号抓拍相机组图像

2.2.4 接触悬挂摄像

接触悬挂摄像相机组由3个分辨率为2448×2050的500万像素相机组成。拍摄方式为左右侧对拍，相机拍摄位置如图8（a）所示，拍摄效果如图9（a）所示。另一个500万像素相机用于从下向上对接触悬挂进行连续拍摄，相机拍摄位置如图8（b）所示，拍摄效果如图9（b）所示。

图8 接触悬挂区域摄像机拍摄示意

图9 接触悬挂摄像相机组实际效果

2.3 检测发现典型问题

缺陷1：绝缘瓷瓶破损，如图10所示。

图10 绝缘瓷瓶破损

缺陷2：腕臂底座开口销开口过小，如图11所示。

图11 腕臂底座开口销开口过小

从现场及各厂家的设备情况来看，目前市面上的4C设备已基本满足现场初步需求，但依然存在一些问题，如高清成像效果一般、接触悬挂的几何参数测量不够精确等。

3 结 论

为保障电客车的正常运行，对城市轨道交通接触网的故障及时预警和快速维修提出了需求。接触网刚性悬挂状态检测在设备维护中具有极其重要的作用，是确认设备状态、提供维修依据的关键。本文通过介绍现有的接触网悬挂检测装置，针对其在城市轨道牵引供电系统的应用进行分析。通过分析可以看出，接触网刚性悬挂检测监测系统使工作人员在动态巡查过程中即可直接查看接触网悬挂设施的现场细节工况。装置以查阅图片方式、智能识别的方式取代人员现场检查，可及时发现接触网相应部位的隐蔽缺陷，减轻其劳动强度，提高作业效率和质量，对预防安全故障、保障供电安全发挥了重要作用。但是，接触网悬挂状态的智能识别还存在一些问题，其在零部件变形、部件脱落等缺陷识别方面识别率还不够高。随着新的高铁接触网维修规则的下发与试用，接触网悬挂状态检测必然还需要在技术、设备、管理模式上进行完善提高，而这也将是下一步的研究重点。

参考文献：

[1] 吴积钦.受电弓与接触网系统[M].成都：西南交通大学出版社，2010.

[2] 于万聚.高速电气化铁路接触网[M].成都：西南交通大学出版社，2003.

[3] 中国铁路总公司运输局供电部.接触网悬挂状态检测监测装置（4C）运用管理指导意见[Z].2014.

[4] 陈唐龙.高速铁路接触网检测若干关键技术研究[D].成都：西南交通大学，2006.

[5] 拜虎啸.高速铁路接触网悬挂状态检测研究[D].北京：中国铁道科学院，2016.