一种非接触式弓网监测系统功能原理及框架组成

来源: 发布时间:2019-11-22 09:09:02

  摘 要:本文介绍了一种非接触式弓网监测系统,采用基于机器视觉以及紫外光电转换的非接触式检测以及数字图像智能分析处理等技术,对弓网系统运行中常出现的弓网燃弧问题给出一种技术监测方案,并将检测结果用于用户评估弓网受流质量以及指导接触网和受电弓的维护工作。

  关键词:弓网监测;燃弧;接触网;非接触式

  0 引言

  受电弓-接触网系统(简称弓网系统)是城市轨道交通牵引供电系统最重要的关键环节之一。近年来,随着城市轨道交通快速发展,运营要求降低设备故障率、缩短维修间隔时间,而由于之前缺乏合理的检测手段,导致弓网系统运行故障诊断及事后维护问题一直未能得到有效解决。因此,采取弓网监测措施,保障弓网系统的运行正常才能最终保障铁路的可靠安全运营。

  根据相关资料调研得出,弓网系统的主要故障原因是弓网燃弧,故障后果主要表现在两个方面。

  Ø 弓网燃弧的发生,会影响弓网受流质量。

  Ø 弓网燃弧的发生,会磨损接触线和碳滑板,影响弓网运行关系。

  本文介绍的一种非接触式紫外弓网燃弧装置,采用基于机器视觉以及紫外光电转换的非接触式检测、数字图像智能分析处理、自适应抗强电磁干扰等先进技术,对弓网运行关系进行监测。

  1 系统工作原理

  本弓网检测装置的基本原理是,通过检测弓网燃弧紫外特征光来实现弓网关系的监测。

  首先,通过光学采集系统采集弓网燃弧的紫外光特征量;采用红外热像仪实现对弓网运行状态的全程实时监控;同时检测弓网接触点以及受电弓弓头、绝缘部件等区域的红外图像和温度。

  其次,将燃弧光信号传输至紫外光电传感系统,通过紫外光电传感器将光信号转换成电信号送入数据处理系统。同时,利用相应的传感模块同步测量列车辅助电气量,如牵引电流信号,并通过电缆将信号传输至数据处理系统。

  最后,数据处理系统进行数据预处理和综合处理。检测结果可通过无线方式发送至地面终端。

  2 技术指标

  本弓网监测系统主要技术参数如下表。

  表1 非接触式紫外弓网燃弧检测装置主要技术参数

  指标参数

  弓网燃弧率范围:0~100%,精度±0.1%

  燃弧时间范围:0~3s,精度±1ms

  最大燃弧持续时间范围:0~3s,精度±1ms

  燃弧次数范围:0~999,精度:±1

  牵引电流±3000A,≤±2%

  红外测温检测对象受电弓弓头受流区域和接触线区域

  像素384*288

  帧频50HZ

  温度范围范围:-20℃~150℃(可扩展到1600℃),精度:±2℃或小于2%

  工作温度车内温度-10℃~+40℃

  车顶温度-25℃~+50℃

  天气条件室内室外全天候检测

  3 设备组成

  本弓网监测系统主要组成如下表。

  表2 装置组成表

  序号组成主要部件

  1车顶测量设备光学采集系统

  2红外热像仪

  3车内数据处理设备供电UPS(锂电池)

  4数据处理板

  5嵌入式处理机

  6无线发送模组

  7无线路由器

  8交换机

  10定位设备车载通讯端口

  11牵引电流测量设备电流传感器

  3.1 光学采集系统

  光学采集系统的功能:高效的捕捉弓网燃弧发出的特定谱段的紫外光,并滤除多余的杂散光,进而达到提取弓网燃弧特征光的作用。

  3.2 紫外光电传感系统

  紫外光电传感系统集成了紫外光电传感器、信号处理电路、电源模块以及光纤适配器。

  紫外光电传感系统的测量原理是:当进行弓网燃弧检测时,选择合理的紫外光电传感器,使输出的信号形式为模拟脉冲形式,并对燃弧模拟信号进行高速AD采样,实现对弓网燃弧信息的量化处理。

  3.3 红外测温系统

  红外热成像仪的成像波段在8~14um,属于能很好反映物体温度的远红外波段。在其紧凑的内部集成了高速的DSP数据处理芯片和TCP/IP网络接口,能够实时的传递出前端采集到的并经过相应数据处理的数字信号。该热像仪可实现弓网燃弧的温度测量,并将温度值返回。若出现温度超过阈值时,自动报警并将弓网燃弧信息存储下来。

  表3 红外热成像仪技术参数

  指标参数

  探测器类型非制冷焦平面

  像素384×288

  工作波长8~14um

  视场角36°×27°(f=15mm)

  最大帧频50Hz

  温度精度±2℃ or ±2% @(-20~150℃)

  测温范围-20~+150℃,可扩展到1600℃

  工作温度-30℃~+60℃

  储存温度-40℃~+80℃

  湿度相对湿度≤85%(非冷凝)

  网络接口100M以太网

  视频接口PAL/NTSC

  3.4 辅助电气参量测量

  通过采集车辆速度、电流等信号,实时监测列车运行时的运行速度以及机车牵引电流等参数。通过对牵引电流的检测,可有效的发现当燃弧发生时牵引电流的变化情况,并将数据记录下来。

  3.5 综合定位系统

  检测装置速度里程信息通过车辆通讯端口提供,信号协议中的主要信号如表4所示。

  表4 车载通讯端口提供的信息列表

  信号格式描述

  DMA_CabActiveint0: 司机室1未占用

  1: 司机室1已占用

  DMB_CabActiveint0: 司机室2未占用

  1: 司机室2已占用

  Dateint日期时间(从MVB网获取当前日期时间)(仅能显示1970.1.1 00:00:00以后时间)

  DoorOpenint0: 门已关闭

  1: 门已打开

  StandStillint0: 列车运行中

  1: 列车停止

  StartStationIDint始发站ID

  NextStationIDint下一站ID

  EndStationIDint终点站ID

  Distanceint实时距离信号

  Speedint实时速度信号

  3.6 数据无线传输设备

  设备通过车载无线传输装置将检测的异常点信息发送至无线终端监控中心(DCC调度中心)。检测异常信息如表5所示。

  表5 无线发送的异常信息列表

  信号格式描述

  nGmtTimeint发生燃弧时的时间(精确到秒)

  nTickTimeint发生燃弧时的tick值(精确到毫秒)

  nLineIDint线路ID

  nnextStationIDint当前站区ID

  nmilesint当前公里标整数位

  nMilesDotint当前公里标小数位(实际值*1000)

  nSpeedint当前速度(实际值*100)

  nVoltint燃弧强度,实际值*1000

  nCurrentint当前电流值(实际值*100)

  nSparkDurationint燃弧持续时间

  3.7 数据分析处理系统

  3.7.1 硬件电路

  数据处理系统主要由小信号调理电路、AD转换及发送电路、弓网监控图像采集四部分构成。AD转换及发送电路主要由小信号调理电路、AD采集电路、FPGA模块电路构成。

  3.7.2 软件系统

  装置软件系统主要包括四个方面,分别为曲线显示窗口,弓网监控显示窗口、参数显示窗口以及工作状态显示窗口。曲线显示窗口主要实时显示燃弧分布曲线。弓网监控显示窗口主要实现实时显示弓网运行状态以及回放监控画面。参数显示窗口主要实现各参数的显示,如燃弧率、燃弧时间、牵引电流等。工作状态显示窗口主要实现每个传感器的工作状态。

  4 技术特性

  本弓网检测装置运用非接触式的检测技术,具有以下主要技术特性和功能:

  Ø 实时在线检测弓网燃弧状态功能

  Ø 对受电弓和接触网拍摄区域的测温功能

  Ø 实时检测机车牵引电流信息

  Ø 实时定位弓网燃弧发生点

  Ø 实时定位接触网或受电弓发热点

  Ø 数据存储功能(基于检测日期进行循环保存,用户可以通过离线拷贝到移动硬盘中)

  Ø 上电自启动功能

  Ø 全程回放弓网运行状态监测过程功能

  Ø 将检测结果通知调度或运营工程师

  Ø 检测结果方便用户用于评估弓网受流质量以及指导接触网和受电弓的维护作业

  5 结束语

  通过本弓网检测装置,可以确保受电弓与接触网的良好匹配性,减少弓网故障率的发生,有效保证受电弓及接触网设备使用周期。

  参考文献:

  [1] 鄂永. 基于图像处理的铁路接触网检测系统的研究[D]. 辽宁:大连理工大学,2009.

  [2] 蔡学敬. 基于图像处理技术的高速接触网动态检测系统研究[D]. 四川:西南交通大学,2008.

  [3] 张韬. 基于图像处理的接触网检测系统研究[D]. 四川:西南交通大学,2008.

  [4] 吴积钦. 受电弓——接触网系统电接触特性研究[D]. 四川:西南交通大学,2009.

  [5] GB/T 20908. 城市轨道交通接触网检测车通用技术条件[S]. 2007

  [6] EN 50317. 铁路应用—受流系统—弓网关系测试要求及确认[S]. 2012

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