浅析车用接触网主导电回路的状态检测系统

主导电回路自牵引变电所引入接触网系统，在接触网系统内由承力索、接触网、电联接线、吊弦等诸多环节构成静态电接触导电回路，经过受电弓与接触网动态电接触环节将电能输送到车内动力环节。由于接触网悬挂结构复杂，器件种类繁多、形式多样，使得主导电回路电接触状态十分复杂。高速和重载铁路牵引电流具有富谐波、多变化特点，对于电接触环节中不良作用点影响巨大，长时间作用会导致器件温度升高并丧失机械强度，严重时造成承力索断股、接触网电腐蚀磨耗、联接点断裂、线夹脱落等，造成牵引供电故障或弓网事故[1]。因此，基于红外成像技术的接触网主导电回路状态检测技术的研究具有十分重要的意义。

1 车载接触网主导电回路状态检测系统总体设计

系统安装于高速综合检测列车上，随高速综合检测列车的运行，通过实时的红外热像成像和可见光成像，及时检测接触网主导电回路温度场分布，并将其与可见光视频同步。通过对主导电回路温度场的实时分析，基于接触网设备的安装方式、结构以及供电方式，可实现主导电回路电接触不良点自动诊断，系统最高检测速度为350 km/h。

1.1 硬件设计及安装技术方案

系统主要由红外相机、可见光相机、图像采集设备、工业控制计算机和图像分析处理软件等组成。其中，红外相机与可将光相机均安装在列车顶部，用于获取接触网红外视频图像与可见光将视频图像。两相机平行安装，保证相机视野基本一致。红外相机能够采集接触网部件红外视频图像，反映部件温度等信息;可见光相机用于采集接触网可见光视频图像，与红外视频图像形成互补，更有利于进行接触网部件的识别及状态评定。为了获得较好的视场，在车顶安装定制了系统安装座，红外相机与可见光相机经过封装固定后安装在安装座上。

1.2 系统软件模块设计

系统软件基于可见光视频与红外视频的智能融合和实时同步，可利用可见光视频与红外视频的互补特征，有效地发现接触网主导电回路状态异常及弓网运行环境异常因素。两者结合，能够有效地对接触网故障点进行查找及诊断，及时找到影响接触网运行安全的相关因素。系统采用开发平台为VisualStudio 2010，开发语言为C++。系统软件采用模块化设计，主要由数据融合分发模块、实时显示模块、存储温度检测模块和自动曝光模块组成。总体设计采用观察者设计模式，数据融合分发模块融合行车信息、红外数据和可见光视频数据，将融合后的内容分发给观察此内容的模块;实时显示模块接收到的信息以合适的频率显示，以便使用者了解系统的状态、当前接触网的温度场和行车情况;存储温度检测模块将接收到的数据进行分析检测并与数据一同进行存储;自动曝光模块是为了增强可见光视频显示效果，快速适应隧道等多种外部环境，根据预设效果值进行的动态调整画面功能。

1.3 系统数据交互

本检测系统采集接触网主导电回路温度场数据和可见光视频，通过反射内存卡接收综合里程系统的里程信息、通过网络接收同步预处理系统的线路信息，实现了自动接收行车信息、分类保存检测数据，自动化程度高、人工干预少。

2 接触网主导电回路状态检测系统关键技术

2.1 系统温度检测

温度测量是本系统最为关键和重要的部分。由于车顶设备的特殊性，需要密闭封装，根据红外热像仪对封装材料的温度敏感性特征，采用了特殊材料作为红外热像仪镜头部分的透视材料，不仅封装牢固密闭性好，而且透视效果好，具有极好的光学透过性、折射率并且色散热变化小。在1~14 m范围内，无热散焦。该封装结构不仅实现了设备的密闭性防止风雨雪等环境对设备造成损坏和干扰，不影响温度测量，而且视场的角度可以调整，适应多种位置安装，便于调整增强设备的维护性和可扩展性。

2.2 红外视频数据的存储

红外热像仪的数据不同于可见光视频的数据可以进行直接压缩处理。根据其应用场景还要求能够还原回测量的温度值。红外温度数据的显示考虑了工作人员对红外视频的显示效果直观需求，将温度值动态映射到彩色空间。根据温度的变化范围，将最低温度映射到最暗，最高温度映射到最亮，中间值离散映射到对应的颜色，这种红外增强显示的方法可以改善显示效果。如果存储的为颜色的索引值、该幅图像的最大温度值和最小温度值，将红外图像转换为索引图像后，对索引图像利用图像的压缩算法进行压缩，压缩后减少了占用的存储空间，而且也可以还原回原始测量温度。

2.3 实时回放技术

在检测的过程中，检测出缺陷需要及时地查看缺陷数据和邻近位置的数据，对缺陷进行分析，实时查看红外视频数据和可见光数据，同时也不影响检测和数据存储，是能够提高数据分析实效的重要功能。系统软件设计为实时数据源和回放数据源抽象出相同的关键操作，从逻辑上归纳出数据源抽象类。模块关键类设计为回放数据源类和实时数据源类继承数据源抽象类，实时显示模块调用数据源抽象类的数据接口，回放数据源和实时数据源分别实现各自的操作接口。

2.4 自动曝光算法

由于检测线路环境复杂桥梁隧道众多，可见光相机能够适应多种环境，清晰可靠地记录检测的环境为分析缺陷提供稳定的参考，需要可见光相机能够自动调整曝光值，但是由于相机的自动曝光曝光速度慢而且会出现闪烁的现象，这些都不可避免的影响了可见光视频的参考性。为此提出了二分法自动曝光算法，该算法将图像灰度值对应到曝光值范围，通过调整曝光值把图像的灰度值调整到预设的可以接受的范围内。通过实际应用该算法曝光速度快，适用于多种接触网检测环境。

3 试验分析

在实际进行的动态检测中，发现了较为明显的接触网温度异常点，最高温度为149C。通过检测数据分析，在本次运行检测过程中，系统同时识别出明显的弓网燃弧，燃弧位置位于分段绝缘器附件，主要由于分段绝缘器过度不平滑导致。通过本例分析，对系统的功能进行了验证，表明系统接触网主导电回路状态检测功能正常，缺陷位置识别正确，且红外视频数据和可见光视频数据同步精确。

4 结束语

通过大量的在高速综合检测列车上的检测试验，车载接触网主导电回路状态检测系统能够稳定地将可见光视频与红外视频智能融合和实时同步，利用可见光视频与红外视频的互补特征，可以有效发现接触网主导电回路状态异常及弓网运行环境异常，准确对接触网故障点进行查找及诊断，及时找到影响接触网运行安全的相关因素。采用红外成像技术研究的车载接触网主导电回路状态检测系统应用在高速综合检测列车进行周期性检测，能够为接触网运营管理单位提供准确的接触网电气连接状态异常信息、接触网部件缺陷信息及检修建议，指导其进行设备维修维护，保证接触网设备安全稳定运行。