弓網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)在全自動(dòng)無(wú)人駕駛地鐵中的應(yīng)用

印禎民 李春廣 曾要爭(zhēng)

(1. 上海地鐵維護(hù)保障有限公司車輛分公司， 200235， 上海； 2. 中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司， 201131， 南京； 3. 中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司， 201131， 南京//第一作者， 高級(jí)工程師)

近年來(lái)，全自動(dòng)無(wú)人駕駛技術(shù)在城市軌道交通領(lǐng)域日漸升溫。全自動(dòng)無(wú)人駕駛地鐵系統(tǒng)具有高度自動(dòng)化、集中管理、節(jié)省人力等優(yōu)勢(shì)，但其全線運(yùn)營(yíng)過程沒有司機(jī)和機(jī)械師隨車維護(hù)，一旦出現(xiàn)故障很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)并維修。部分發(fā)達(dá)國(guó)家已有較為成熟的運(yùn)維管理經(jīng)驗(yàn)。我國(guó)上海率先開始運(yùn)營(yíng)全自動(dòng)無(wú)人駕駛線路，其運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理尚在探索階段。

目前，上海已在全自動(dòng)無(wú)人駕駛線路運(yùn)營(yíng)列車上加裝弓網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)并進(jìn)行試驗(yàn)。該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)弓網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的功能，一方面，通過大數(shù)據(jù)分析可對(duì)安全隱患進(jìn)行預(yù)判，防患于未然；另一方面，能及時(shí)定位弓網(wǎng)事故，并及時(shí)檢修，為智能運(yùn)維提供有效手段和技術(shù)保障。

1 車載弓網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)的功能及組成

1.1 系統(tǒng)功能

車載弓網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)使用圖像智能識(shí)別技術(shù)、紫外探測(cè)技術(shù)、紅外熱成像技術(shù)、激光三角測(cè)量技術(shù)、車底補(bǔ)償技術(shù)及牽引電流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)等前沿技術(shù)，采用非接觸式的檢測(cè)方式，可實(shí)現(xiàn)對(duì)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。實(shí)時(shí)檢測(cè)內(nèi)容包括受電弓結(jié)構(gòu)、羊角的變形和缺失，關(guān)鍵部位的完整性，弓網(wǎng)燃弧強(qiáng)度及持續(xù)時(shí)間，接觸網(wǎng)的拉出值、導(dǎo)高值、跨距內(nèi)接觸線高低差及導(dǎo)線坡度，弓網(wǎng)接觸點(diǎn)溫度等。當(dāng)弓網(wǎng)出現(xiàn)異常狀況時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)能實(shí)時(shí)告警，并能通過車地傳輸通道發(fā)送告警信息及檢測(cè)數(shù)據(jù)到地面的OCC(運(yùn)營(yíng)控制中心)。

相關(guān)工作人員通過OCC監(jiān)控大屏幕推送的報(bào)警信息，查看并確認(rèn)故障數(shù)據(jù)后，根據(jù)故障嚴(yán)重程度選擇控車或安排人員檢修。弓網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)還能同時(shí)監(jiān)測(cè)接觸線橫向偏移量及導(dǎo)高變化量，對(duì)線路趨勢(shì)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，為線路施工質(zhì)量提供評(píng)價(jià)依據(jù)，也為周期性維護(hù)提供數(shù)據(jù)支持和建議，便于維護(hù)決策。

此外，車載弓網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)還具備自動(dòng)化和智能化特點(diǎn)，操作簡(jiǎn)單，便于安裝調(diào)試。其具體功能如下。

(1) 受電弓結(jié)構(gòu)異常檢測(cè)功能。弓網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)控弓網(wǎng)狀態(tài)并保留高清視頻記錄，以便后續(xù)的復(fù)查和分析。弓網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)采用高速高清攝像頭進(jìn)行全線路、全天候工況下的弓網(wǎng)視頻監(jiān)視，且視頻記錄時(shí)間不小于360 h。弓網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)分別從受電弓的開口和閉口方向?qū)κ茈姽M(jìn)行結(jié)構(gòu)異常檢測(cè)，能實(shí)時(shí)檢測(cè)受電弓及羊角變形及缺損，同時(shí)還能對(duì)受電弓關(guān)鍵結(jié)構(gòu)(如上框架、平衡桿、拉桿、下臂桿等)進(jìn)行完整性檢測(cè)，如發(fā)現(xiàn)異?？蓪?shí)時(shí)報(bào)警。

(2) 弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)功能。運(yùn)用紫外探測(cè)技術(shù)可實(shí)時(shí)檢測(cè)車輛運(yùn)行過程中的拉弧現(xiàn)象(燃弧強(qiáng)度、燃弧時(shí)長(zhǎng)、燃弧率等)，并能自動(dòng)報(bào)警。

(3) 弓網(wǎng)溫度檢測(cè)功能?？蓪?shí)時(shí)檢測(cè)弓網(wǎng)接觸點(diǎn)溫度，如溫度超限自動(dòng)告警。

(4) 接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)功能。可檢測(cè)接觸網(wǎng)的拉出值及導(dǎo)高值，如超限時(shí)則自動(dòng)告警。并可精準(zhǔn)檢測(cè)跨距內(nèi)接觸線高低差及導(dǎo)線坡度。

(5) 剛性接觸網(wǎng)懸掛檢測(cè)功能?？蓪?shí)時(shí)檢測(cè)剛性接觸網(wǎng)懸掛結(jié)構(gòu)異常狀態(tài)，關(guān)鍵懸掛結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生變形、破損、移位及螺栓松脫等異常狀況，可及時(shí)報(bào)警。

(6) 數(shù)據(jù)分析功能。弓網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)置了車載及地面服務(wù)器，可對(duì)跟蹤過程中的報(bào)警數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、統(tǒng)計(jì)、分析及管理，能獨(dú)立實(shí)現(xiàn)全程實(shí)時(shí)錄像、檢索回放、錄像查詢及下載等功能，可顯示系統(tǒng)報(bào)警事件發(fā)生的準(zhǔn)確地點(diǎn)及時(shí)間，能自動(dòng)記錄事件發(fā)生前后的視頻?？赏ㄟ^網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)調(diào)用查看受電弓監(jiān)控實(shí)時(shí)視頻及故障信息等。

1.2 系統(tǒng)組成

弓網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)主要由車頂數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備、牽引電流監(jiān)測(cè)設(shè)備、剛性接觸網(wǎng)懸掛檢測(cè)設(shè)備、車內(nèi)分析服務(wù)器、車底補(bǔ)償設(shè)備及地面數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)組成。所有的受電弓狀態(tài)視頻監(jiān)控裝置共用1套地面服務(wù)器。弓網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1所示，設(shè)備安裝分布圖如圖2所示。

圖1 受電弓狀態(tài)視頻監(jiān)控裝置拓?fù)鋱D

車頂數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備按功能劃分為高清視頻采集模塊、結(jié)構(gòu)異常采集模塊、紫外檢測(cè)模塊、紅外熱成像模塊和幾何參數(shù)檢測(cè)模塊。所有模塊采集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)線傳輸?shù)杰噧?nèi)分析服務(wù)器內(nèi)。牽引電流檢測(cè)設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)線傳輸?shù)杰噧?nèi)分析服務(wù)器。車底補(bǔ)償設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)線傳輸?shù)杰噧?nèi)分析服務(wù)器。

車內(nèi)分析服務(wù)器對(duì)各設(shè)備傳來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并與車內(nèi)TCMS(列車監(jiān)控管理系統(tǒng))、地面OCC系統(tǒng)進(jìn)行通信。車內(nèi)分析服務(wù)器分為6大模塊：TCMS通信模塊、燃弧率檢測(cè)模塊、幾何參數(shù)檢測(cè)模塊、結(jié)構(gòu)異常檢測(cè)模塊、視頻處理模塊、溫度處理模塊和剛性懸掛處理模塊。

圖2 系統(tǒng)設(shè)備安裝分布示意圖

2 弓網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)的創(chuàng)新技術(shù)

2.1 受電弓結(jié)構(gòu)異常檢測(cè)技術(shù)

受電弓結(jié)構(gòu)異常檢測(cè)技術(shù)采用2組高清工業(yè)相機(jī)分別從受電弓開口和閉口方向，對(duì)受電弓結(jié)構(gòu)進(jìn)行高清拍攝。通過對(duì)采集到的圖像與標(biāo)準(zhǔn)模板進(jìn)行比對(duì)分析，自動(dòng)識(shí)別判斷是否有碳滑板、羊角異常或丟失、異物入侵等異常狀態(tài)。其中，開口方向的檢測(cè)相機(jī)集成在車頂采集與傳輸設(shè)備內(nèi)，閉口方向的檢測(cè)設(shè)備用來(lái)拍攝受電弓其他關(guān)鍵部位結(jié)構(gòu)，可提高對(duì)受電弓結(jié)構(gòu)異常檢測(cè)的完整性。

2.2 燃弧檢測(cè)技術(shù)

燃弧檢測(cè)技術(shù)主要檢測(cè)燃弧強(qiáng)度、時(shí)長(zhǎng)，以及牽引電流值，并計(jì)算燃弧率。燃弧率為接觸網(wǎng)工況質(zhì)量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)EN 50317—2002標(biāo)準(zhǔn)有：

式中：

NQ——燃弧率；

tarc——持續(xù)時(shí)間超過1 ms的拉弧時(shí)長(zhǎng)；

ttotal——測(cè)量時(shí)段內(nèi)牽引電流超過額定電流 30%的時(shí)間總和。

燃弧率檢測(cè)需分別對(duì)牽引電流和燃弧持續(xù)時(shí)間進(jìn)行監(jiān)測(cè)。對(duì)受電弓牽引電流的監(jiān)測(cè)利用霍爾效應(yīng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，將霍爾直流電流傳感器包覆在受流電纜外部，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)受流電纜中的電流值變化。弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)采用紫外探測(cè)器對(duì)燃弧主要輻射方向的220～329 nm范圍內(nèi)的紫外光線進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可測(cè)得燃弧強(qiáng)度及持續(xù)時(shí)長(zhǎng)等參數(shù)。

2.2.1 牽引電流監(jiān)測(cè)技術(shù)

牽引電流監(jiān)測(cè)裝置內(nèi)置1臺(tái)霍爾電流傳感器。其檢測(cè)原理主要基于霍爾效用，當(dāng)電流通過1根長(zhǎng)導(dǎo)線時(shí)，在導(dǎo)線周圍將產(chǎn)生磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)的大小與流過導(dǎo)線的電流成正比，可通過磁芯聚集感應(yīng)到霍爾器件上并使其有1個(gè)信號(hào)輸出。信號(hào)經(jīng)信號(hào)放大器放大后直接輸出。

2.2.2 燃弧紫外探測(cè)技術(shù)

燃弧紫外探測(cè)基于金屬的光電發(fā)射效應(yīng)和電子繁流理論。

燃弧紫外探測(cè)模塊由高感光紫外探測(cè)器和信號(hào)處理模塊組成。燃弧發(fā)生時(shí)會(huì)釋放大量的紫外光線。紫外探測(cè)器接收到紫外光線時(shí)發(fā)出脈沖信號(hào)。信號(hào)處理模塊處理脈沖信號(hào)后可得到燃弧發(fā)生持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度。

只需將受流電纜穿過霍爾電流傳感器的檢測(cè)口即可實(shí)時(shí)檢測(cè)電流值。根據(jù)受流電纜的排布情況及設(shè)備安裝位置，霍爾電流傳感器可選擇圓形、方形或矩形檢測(cè)口。

2.3 弓網(wǎng)溫度異常檢測(cè)技術(shù)

弓網(wǎng)溫度異常檢測(cè)技術(shù)主要檢測(cè)弓網(wǎng)接觸區(qū)域的高溫異常點(diǎn)，其檢測(cè)設(shè)備集成在車頂數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備中。檢測(cè)設(shè)備內(nèi)置1臺(tái)全局高清高速紅外熱像儀，可對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行全畫幅高清拍攝掃描。

獲取接觸網(wǎng)-受電弓運(yùn)行受流溫度場(chǎng)的熱像圖像，同時(shí)提供準(zhǔn)確的熱像圖像中的高溫點(diǎn)和分布圖；通過紅外熱像儀的圖像識(shí)別技術(shù)，可自動(dòng)框選標(biāo)注受電弓以及接觸網(wǎng)的溫度情況，并且進(jìn)行實(shí)時(shí)的溫度分析；計(jì)算當(dāng)前弓、網(wǎng)接觸點(diǎn)處的溫度，與其他定位信息一并寫入數(shù)據(jù)庫(kù)，以便用戶查找分析。通過檢測(cè)溫度，可發(fā)現(xiàn)沿線架空接觸網(wǎng)和受電弓的溫度異常，及時(shí)阻止事故的發(fā)生，將風(fēng)險(xiǎn)降到最低。

2.4 接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)技術(shù)

接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)技術(shù)主要檢測(cè)接觸網(wǎng)幾何參數(shù)，包括拉出值、導(dǎo)高、跨距內(nèi)接觸線高低差、導(dǎo)線坡度等。其檢測(cè)設(shè)備主要由幾何參數(shù)測(cè)量模塊和車底補(bǔ)償模塊組成，前者集成在車頂數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備中，后者安裝在車底，并采用專用安裝支架和封裝。

2.4.1 幾何參數(shù)測(cè)量技術(shù)

幾何參數(shù)測(cè)量技術(shù)采用2組工業(yè)相機(jī)和1組線狀激光器作為主要視覺檢測(cè)器件，利用激光三角測(cè)量法對(duì)接觸線進(jìn)行識(shí)別追蹤，測(cè)量接觸線的拉出值和導(dǎo)高值。當(dāng)列車前行時(shí)，激光器發(fā)射線性激光照射在接觸線上，形成明亮的光斑(見圖3)。隨著接觸線空間位置的不同，圖像中激光光斑的位置相應(yīng)變化。通過對(duì)光斑的定位即可測(cè)算出接觸線的導(dǎo)高和拉出值。在不考慮軌面高度變化的前提下，光斑距離圖像底端的距離可反映導(dǎo)高值，光斑偏離圖像中心的距離可反映拉出值的變化量。

圖3 剛性接觸網(wǎng)實(shí)拍圖像

2.4.2 車底補(bǔ)償技術(shù)

車底補(bǔ)償技術(shù)利用高清工業(yè)相機(jī)和激光器，測(cè)量列車相對(duì)于左右軌道的偏移量和列車運(yùn)行過程中傾斜程度，可修正拉出檢測(cè)值及導(dǎo)高檢測(cè)值，有效提高測(cè)量精準(zhǔn)度。

當(dāng)車體發(fā)生上下振動(dòng)時(shí)，導(dǎo)高值隨車體振動(dòng)發(fā)生變化，拉出值不變。車體向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)高測(cè)量值H增加，向下運(yùn)動(dòng)時(shí)H減小，即可得到導(dǎo)高偏移量ΔH；將ΔH補(bǔ)償?shù)杰図敎y(cè)量值中，即可得出實(shí)際導(dǎo)高值。當(dāng)車體發(fā)生左右偏移時(shí)，導(dǎo)高值不變，拉出值隨車體擺動(dòng)發(fā)生變化。根據(jù)拉出測(cè)量值，即可得出拉出值的偏移量ΔL；將ΔL補(bǔ)償?shù)杰図敎y(cè)量值中，即可得出實(shí)際的拉出值。

當(dāng)車體發(fā)生傾斜時(shí)，拉出值和導(dǎo)高值隨車體傾斜同時(shí)發(fā)生變化。通過拉出測(cè)量值及導(dǎo)高測(cè)量值，即可得出拉出值的偏移量ΔL和導(dǎo)高偏移量ΔH；將ΔL和ΔH補(bǔ)償?shù)杰図敎y(cè)量值中，即可得出實(shí)際的拉出值和導(dǎo)高值。

當(dāng)列車發(fā)生蛇形偏轉(zhuǎn)時(shí)，導(dǎo)高值不變，拉出值隨車體蛇形偏轉(zhuǎn)同時(shí)增大。根據(jù)拉出值增大前后的測(cè)量值，以及左右激光裝置之間的距離，可計(jì)算出車體蛇形偏轉(zhuǎn)的角度θ，進(jìn)而即可換算出實(shí)際拉出值。

2.5 剛性接觸網(wǎng)關(guān)鍵懸掛檢測(cè)技術(shù)

剛性接觸網(wǎng)關(guān)鍵懸掛檢測(cè)裝置(其分布示意圖見圖4)配置了2組可見光高清工業(yè)相機(jī)，分別對(duì)剛性接觸網(wǎng)匯流排、中間接頭、膨脹接頭、懸吊安裝底座、分段絕緣器、剛性懸掛絕緣子、線岔狀態(tài)等關(guān)鍵部位拍攝高清圖像，同時(shí)拍攝區(qū)域可覆蓋地鐵剛性懸掛接觸網(wǎng)的零部件區(qū)域。每組相機(jī)分別從被測(cè)物的正反兩面進(jìn)行拍攝，確保全方位、全角度覆蓋被測(cè)區(qū)域所有可視部件。

弓網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)利用圖像處理技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，可通過智能分析自動(dòng)識(shí)別絕緣子傾斜及破損、中間接頭螺母脫落、接觸線脫槽、匯流排損傷、中間接頭松動(dòng)、膨脹接頭零件松脫等接觸網(wǎng)關(guān)鍵懸掛部件的異?，F(xiàn)象，還可監(jiān)控并自動(dòng)識(shí)別線岔區(qū)域狀態(tài)。

圖4 剛性接觸網(wǎng)關(guān)鍵懸掛檢測(cè)裝置分布示意圖

由于剛性接觸網(wǎng)的關(guān)鍵懸掛主要集中在接觸線(匯流排)的兩側(cè)，所以在車體中線兩側(cè)各布置了1套接觸網(wǎng)采集裝置，其采用定幀率(25幀/s)進(jìn)行拍攝，可適應(yīng)120 km/h的最高車速。

2.6 OCC全局監(jiān)控技術(shù)

OCC全局監(jiān)控技術(shù)主要通過大量數(shù)據(jù)的不斷積累，構(gòu)建基于云的弓網(wǎng)檢測(cè)智能運(yùn)維及安全監(jiān)測(cè)分析管理平臺(tái)，逐步形成弓網(wǎng)的智能檢修。

(1) 發(fā)生故障時(shí)，云平臺(tái)根據(jù)聯(lián)動(dòng)數(shù)據(jù)和類似處理結(jié)果，及時(shí)給出應(yīng)急處理意見。

(2) 根據(jù)各線路和車輛狀態(tài)，制定檢修計(jì)劃和檢修內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)修。

(3) 綜合運(yùn)營(yíng)和檢修情況，對(duì)運(yùn)營(yíng)線路和車輛進(jìn)行評(píng)價(jià)，為新建線路提供指導(dǎo)。

車載弓網(wǎng)檢測(cè)設(shè)備通過車地網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)反饋報(bào)警信息和故障數(shù)據(jù)，并將報(bào)警信息推送至OCC監(jiān)控大屏。維護(hù)管理人員可通過報(bào)警信息查看相應(yīng)故障數(shù)據(jù)，確認(rèn)后執(zhí)行對(duì)應(yīng)操作。

OCC能利用碼流技術(shù)調(diào)取每列車每個(gè)受電弓的實(shí)時(shí)監(jiān)控視頻，實(shí)現(xiàn)全局監(jiān)控。

3 結(jié)語(yǔ)

弓網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)通過融合多項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)無(wú)人駕駛列車的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能自動(dòng)識(shí)別并檢測(cè)絕大部分弓網(wǎng)運(yùn)行的異常狀態(tài)，能利用車地通信網(wǎng)絡(luò)向OCC推送報(bào)警信息和故障數(shù)據(jù)，再由OCC對(duì)全線列車進(jìn)行集中管控。這極大提高了城市軌道交通運(yùn)營(yíng)安全監(jiān)測(cè)和管理維護(hù)效率。實(shí)踐證明，利用前沿技術(shù)進(jìn)行技術(shù)革新，從而促進(jìn)城市軌道交通行業(yè)發(fā)展和完善是十分可行的。通過長(zhǎng)期數(shù)據(jù)積累和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)，未來(lái)可真正實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛、無(wú)人監(jiān)管的智能列車自動(dòng)化運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)。

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