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研究与探索Research and Exploration ·智能检测与诊断 中国设备工程 2021.06 (上)
1 概述
近年来，随着国民经济的快速发展，城市轨道交通成为一种较为普遍的交通方式。2019年年底之前，我国内地已开通城轨运营的城市达到40个。共包含线路208条，总计里程达6736.2公里。特别是在一些城轨交通发展较快的城市，已经形成了线路网的运营格局。列车在接触网线供电制式的线路运行时，列车的受电弓与接触网配合完成列车的牵引供电，是列车运行的基础条件之一。接触网状态检测及维修技术也是轨道交通基础设施检测领域的研究热点。 目前，对于接触网检测技术已经有了较系统的研究。主要可以分为接触网各类型故障的自动识别技术和基于接触状态的维修策略制定两部分。其中在接触网状态识别领域，高速铁路接触网状态检测已经形成了主要以高速铁路供电安全检测监测系统(6C 系统)为基础的检测体系。6C 系统能够通过一系列性能指标有效地确定接触网状态，为维修养护提供依据，已经成为保障接触网安全可靠的重要途径。在接触网检测新技术中自动化和智能化已经是主要的发展趋势。西南交通大学刘舒康等利用自能数据增强技术和 改进的yolo-v3算法实现了对接触网吊弦和支架的实时定位。康高强等为实现接触网支持装置中旋转双耳开口销钉缺失故障的检测，提出一种基于深度卷积神经网络和集成学习的故障检测方法。
接触网状态检测的最终目的在于指导及时、有效、科学地进行检修。基于设备服役状态的维修方式也逐渐成为各行业维修策略改进的发展方向。我国接触网设备已经从状态检测、监测、诊断、评价以及维修分级等方面形成了较为完整的体系。接触网检测技术在城市轨道交通上的应用尚处于起步阶段，党晓勇等提出基于物联网的多线路共用接触网监测管理系统方案和功能架构，为轨道交通接触网检修提供技术支撑。检修的智能决策也是接触网检修的重要发展方向，刘家军等，针对目前接触网检修方案的不足，提出了基于ID3决策树算法接触网检修方案，提高了接触网检修作业的科学高效性和智能化水平。
2 接触网检测及健康管理系统总体方案
接触网检测及健康管理系统包括接触网检测和接触网故障预测与健康管理两个子系统，其中接触网检测子系统又包括弓网检测和接触网悬挂状态检测监测两个功能模块，相应的设备均以指定列车为载体，进行检测工作机动性、灵活性较强。
弓网检测系统主要采用了图像识别、红外成像、紫外探
城市轨道交通接触网状态
检测及健康管理系统研究
朱贺，齐胜，张悦斌
（中铁信（北京）网络技术研究院有限公司，北京 100044）
废液处理
摘要：接触网供电是城市轨道交通列车的一种重要供电方式，在接触网线供电制式的城轨线路中，良好的接触网悬挂状态和弓网受流性能是保证列车正常运行的基础条件。及时有效地对接触网状态进行检测并及时有效的采取维修措施，是保障列车安全运行的重要途经。本文结合现有的接触网检测技术，构建了一套完整的适用于城市轨道交通的接触网状态检测及基于检测数据的接触网故障预测与健康管理系统，并介绍了系统中各子系统的功能和原理。
关键词：接触网；受电弓；故障预测；健康管理
中图分类号：U226.8 文献标识码：A 文章编号：1671-0711（2021）06（上）-0180-02
测、激光测量以及牵引电流试验检测等技术，能够实现以非接触的方式对弓网性能、状态进行检测。主要的检测范围涵盖受电弓是否具有完整的结构，羊角是否出现变形以及缺失等情况，燃弧强度和时间，接触网几何参数包括拉出值、导高、高低差、坡度，接触点的温度。
接触网悬挂状态检测监测系统具有在线检测、自动分析、缺陷分类、历史结果对比的成像监测设备，基于图像精确拍摄及缺陷自动识别技术、复杂环境下激光高精度动态测量技术，运用接触网悬挂状态成像监测设备对高速、普速接触网设备及零部件采用数字图像处理技术进行外观检测与几何参数髙精度测量，并对其结构异常（包括完整性、移位、裂损、松脱、异物等）实现缺陷自动识别与分类，通过输出分析结果与缺陷报表，为接触网的质量鉴定和维修提供依据。
接触网故障预测与健康管理系统的作用是基于弓网检测系统和接触网悬挂状态监测系统的检测数据，根据相应的数据分析算法，得出接触网服役状态的预测情况和检修指导，并能够实现不同业务方面的展示。3 弓网检测系统
受电弓是机车和接触网之间完成能量传输的关键设备，并且弓网之间相互作用关系和受流情况也能反映接触网的状态。弓网检测系统通过车载检测模块、传感器、检测主机以及数据服务器等组成一套自动化的设备，实现对弓网的异常监测。3.1 系统建设架构
软件打包弓网检测系统的构成包括数据采集层、数据传输层、数据处理层及应用层。
数据采集层包括受电弓检测功能模块、受电弓燃弧功能模块、接触网参数检测功能模块、定位功能模块、电流传感器、振动补偿模块。
数据传输层采用系统内部组网的方式，通过数字通信的
方式将采集层信息传递到系统处理层，由处理层对信息进行
图1 接触网检测及健康管理系统总体方案
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中国设备工程C h i n a P l a n t E n g i n e e r i n
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中国设备工程 2021.06 （上）存储、对比和分析。螺钉输送机
数据处理层为系统的中枢，将采集的信息通过与设定阀值对比分析、趋势推演等方式，做出异常判断并实现告警功能。
应用层主要面对系统用户，具备人机操作功能，系统界面能实现故障程度、告警级别的显示，同时，能追溯定期连续保存的数据信息。弓网检测系统带信息采集层详细拓扑图如图
2。
图2 弓网检测系统拓扑结构图示意图
3.2 系统功能架构
弓网检测系统在功能上主要可以分为数据采集层、数据分析层和应用层三个层面。受电弓检测系统通过对检测的信息与设定的等级阈值进行综合比对分析，实现弓网的状态信息反馈及故障预警，并能以图像及数据报表的形式输出，用户能通过系统进行检测结果查询、统计、综合分析、打印、网络共享管理等。
（1）数据采集功能。数据采集层综合燃弧检测技术、弓网温度检测技术、受电弓状态检测技术、接触网几何参数检测技术、定位技术等对牵引供电弓网的信息进行数据化采集，作为弓网检测子系统的输入条件。
（2）数据处理层功能。通过对弓网检测的数据进行分析，对受电弓实时状态及状态趋势进行判断，处理层应具备自学习功能，保证系统有更高的可靠性，同时，考虑系统为实验室子系统，需具备离线信息输入的功能。
（3）应用层功能。系统具备终端设备基本的操作功能，并实现系统报警、数据存储、可视化、统计
、打印等功能。同时预留接口，实现与线路工程安全检测系统的信息共享。4 接触网悬挂状态检测监测系统
尽管列车车辆检测系统中安装了受电弓检测系统，但其针对弓网的监测主要以受电弓状态监测为主，并能针对弓网燃弧、拉伸值、导高值、高低差、弓网接触点温度等进行监测。因此，针对接触网设备状态进一步的监测则通过接触网悬挂状态检测监测系统装置来实现，该系统采用数字图像处理技术对接触网悬挂系统中的结构装置进行检测，通过系统中的故障自动识别与数据自动分析等功能得到检测结果。在此基础上，系统能够根据发现的故障情况，以及检测数据发展趋势，给出相应的维修建议，从而消除故障隐患。4.1 系统建设架构挑战者360
接触网悬挂状态检测监测子系统装置主要有几何参数测量、高清成像检测、数据分析处理等模块组成。各个模块的主要功能如下：
（1）几何参数测量模块：得到静态情况下接触网各项几何参数的测量值。
（2）高清成像检测模块：采用高清成像和数字图像处理技术进行悬挂、支持装置中的常见故障自动识别。
（3）数据分析模块：分析处理采集到的检测数据，并对历史检测结果进行对比，及时做出故障预警、报警。4.2 系统功能架构
接触网悬挂状态检测监测子系统设备相应的功能包括：
①几何参数连续测量；②接触网碗臂安装支柱的位置准确定
位；③两侧拍摄支持装置图像；④接触悬挂图像拍摄；⑤附加悬挂区域图像拍摄；⑥拍摄吊柱座区域图像；⑦记录接触悬挂的连续视频；⑧对成像区域的缺陷进行识别；⑨分析和存储缺陷数据，并提供分类汇总报告；⑩形成一杆一档的数据库，能对同一位置的历史数据检测结果（图像、几何参数等）进行对比分析。
5 接触网故障预测与健康管理系统
伏秒特性的绘制方法和含义虽然线路工程检测子系统中设置了接触网悬挂状态检测监测系统，但考虑到接触网故障的影响大、范围广、处理难度大等实际因素，有必要通过建设相对独立的接触网故障预测与健康管理（PHM）子系统。接触网故障预警与健康管理系统物理结构搭建主要分为数据采集感知层、基础网络层、
基础设施层、运维管理层、应用展示层。详细如下：
图3 接触网故障预测与健康管理系统层级结构示意图
数据采集层及基础网络层主要实现接触网PHM 系统的基
础信息收集功能，实验室阶段可以采用离线输入的方式采集展示及验证所需数据。
基础设施层主要是系统的服务器和存储设备，系统依托服务器进行相关数据分析，并达成关键信息的输出和展示。
运维管理层通过数据预处理、特征分析、人工智能挖掘等，达到故障诊断、性能预测、监管管理、维修决策的目的。
应用展示层完成系统可视化呈现，形成综合诊断报告等。6 结语
接触网检测及健康管理在城市轨道交通上的应用尚处于起步阶段，本文根据现有的接触网检测技术特别是高速铁路接触网检测的相关经验，结合城轨的特点构建了一套城市轨道交通接触网状态检测及健康管理系统，能够为城市轨道交通接触网实现基于服役状态的检修模式提供指导。
参考文献：
[1]刘舒康，唐鹏，金炜东.基于智能数据增强和改进YOLO-V3算法的接触网吊弦及支架检测研究[J].计算机科学，2020,47(S2):178-182.
[2]康高强，高仕斌，于龙，陈健雄.基于深度学习的高铁接触网旋转双耳开口销钉缺失故障检测[J].铁道学报,2020,42(10):45-51.[3]党晓勇，王佳.基于物联网的多线路共用接触网监测管理系统研究[J].电气化铁道,2020,31(05):66-68+78.
bdav
[4]刘家军，刘俊玲，杨瀚鹏.基于ID3决策树算法接触网检修方案的研究[J].电气工程学报,2020,15(02):78-84.
[5]李耀云，高英杰，张文雍.高速铁路供电安全检测监测系统（6C 系统）分析方法探讨[J].电气化铁道,2019,30(S1):205-208.
[6]张润宝，杨志鹏.接触网运行状态检测监测系统研究与实践[J].中国铁路,2019(09):64-70.
[7]刘再民.电气化铁路接触网修程修制改革的思考与实践[J].中国铁路,2017(04):38-42.
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