城市轨道交通弓网动态检测技术及其参考标准*

王会丰 魏志恒 马志鹏 周于翔

(1. 北京城市快轨建设管理有限公司, 100027, 北京;2. 中国铁道科学研究院集团有限公司城市轨道交通中心, 100081, 北京;3. 中国铁道科学研究院, 100081, 北京∥第一作者, 高级工程师)

0 引言

弓网动态检测技术在我国铁路领域应用较为成熟,已形成了较为完善的评价标准体系。近年来,随着我国城市轨道交通(以下简称“城轨”)的快速发展,采用弓网动态检测技术实现对弓网动态性能及其匹配关系等的测试,已成为城轨发展趋势之一[1]。目前,我国城轨弓网动态检测的评价主要参考铁路领域相关标准,但考虑到城轨普遍采用低净空的刚性接触网悬挂方式,以柔性接触网为主的评价标准并不完全适用于城轨弓网动态检测。

与城轨弓网检测相关的国外标准包括EN标准和IEC标准,如EN 50206:2010Railwayapplications-Rollingstock-Pantographs:Characteristicsandtests、EN 50317:2012Railwayapplications-Currentcollectionsystems-Requirementsforandvalidationofmeasurementsofthedynamicinteractionbetweenpantographandoverheadcontactline、EN 50367:2012Railwayapplications-Currentcollectionsystems-Technicalcriteriafortheinteractionbetweenpantographandoverheadline(toachievefreeaccess)、EN 50119:2020Railwayapplications-Fixedinstallations-Electrictractionoverheadcontactlines、IEC 62486:2017Railwayapplications-Currentcollectionsystems-Technicalcriteriafortheinteractionbetweenpantographandoverheadcontactline(toachievefreeaccess)、IEC 60494:2013Railwayapplications-Rollingstock-Pantographs-Characteristicsandtests等;国内弓网评价标准包括GB/T 32592—2016《轨道交通 受流系统 受电弓与接触网动态相互作用测量的要求和验证》、GB/T 21561—2018《轨道交通机车车辆受电弓特性和试验》、GB/T 1402—2010《轨道交通牵引供电系统电压》、GB/T 32578—2016《轨道交通 地面装置 电力牵引架空接触网》、TB/T 3271—2011《轨道交通 受流系统 受电弓与接触网相互作用准则》等。除上述标准外,国内还依据TB 10761—2013《高速铁路工程动态验收技术规范》、TG/GD 124—2015《高速铁路接触网运行维修规则》等开展弓网关系在内的高速铁路工程验收及运营检测。但城轨领域除交办运[2019]17号《城市轨道交通初期运营前安全评估技术规范第1部分:地铁和轻轨》、DB 11/T 1714—2020《城市轨道交通工程动态验收技术规范》之外,在验收及运营阶段缺乏明确的技术规范,因此亟需研发适用于城轨线路条件的弓网检测技术,以及颁布面向城轨领域弓网动态检测的评价标准。

根据交办运[2019]17号的要求,城轨弓网动态检测内容包括接触网动态几何参数、弓网燃弧指标、弓网动态接触压力及受电弓垂向加速度(硬点)检测。除上述标准规定的参数外,非标准检测内容还包括受电弓气动特性、接触线及滑板磨耗、受电弓温度分布及动应力等。本文仅研究标准规定的城轨弓网动态检测项目,通过分析现有检测标准,提出城轨弓网动态各检测项目的优化意见,并结合国内外先进成果开展城轨弓网检测技术研究。

1 弓网接触压力检测

1.1 检测标准

1.1.1 检测手段

弓网接触压力是表征弓网动态相互作用性能的重要参数。EN 50317:2012推荐采用力传感器进行弓网接触压力检测。弓网接触压力FC的计算公式为:

(1)

式中:

kf——压力传感器数量;

Fsens,i——第i个压力传感器所测得的压力;

mab——受电弓的归算质量;

ka——加速度传感器数量;

asens,i——通过加速度传感器检测得到的加速度值;

Fcorr,aero——空气动力。

式(1)为目前国内普遍采用的弓网接触压力计算公式。但在该种接触式压力检测方式下,压力与加速度传感器的加装会导致测量误差的产生,且未明确说明惯性力和空气动力的修正方式。

1.1.2 检测指标

城轨一般采用DC 1.5 kV及AC 25 kV供电制式,设计速度普遍在160 km/h以下。从各规范摘录出与城轨相关的弓网接触压力检测指标(见表1),其特点如下:

表1 弓网接触压力指标

1) 上述规范或标准对于弓网接触压力的评价指标并不统一,如弓网最小接触压力的规定及平均接触压力的限定范围。

2) 部分现行规范未考虑城轨弓网动态特性的影响,仅考虑静态接触压力。除此以外,目前被行业接受的城轨DC 1.5 kVFm取值介于0.000 97v2+140与0.001 12v2+70之间,适用于柔性接触网;而刚性接触网跨距与锚段长度远远小于柔性接触网,且相邻定位点间隔较短,在1个跨距内有相当数量的检测定位点过于靠近锚段关节,导致弓网接触压力测量值较大,容易造成Fm检测超限的问题。

3) 现行规范或标准对于弓网接触压力的计算不够明确,如Fm计算中v的取值方法。这导致在实际线路检测中,为了使弓网接触压力符合要求,人为扩大v取值、强行放大弓网接触压力限值的现象较为常见。

因此,现有的弓网接触压力评价标准不太适应于城轨刚性接触网的检测现状,对于弓网接触压力具体参数的选择较为模糊,因此,需对刚性接触网检测数据进行统计分析,在现有规范的基础上审视弓网接触压力的合理范围,明确计算公式,统一计算参数。

1.2 检测技术

弓网接触压力检测大多以力的平衡(平衡法)为基础对弓网接触压力进行检测,可大致分为接触式压力检测与非接触式压力检测。相对于平衡法,逆向法(非平衡法)是将受电弓视为一个线性系统,通过测量系统输出结果反推弓网接触压力,且弓网接触压力等于传感器输出信号与系统传导函数的比值[2]。该方法于21世纪初日本铁路技术研究所提出,其测定频率范围更广,对传感器的设置制约较少,但该方法目前并未获得实际的工程应用。

1.2.1 接触式压力检测技术

常用的接触式压力检测技术需将4个力传感器分别安装于2列滑板与底座之间,各个力传感器显示的数值与惯性力、气动力测量结果叠加得到最终的弓网动态接触压力。

然而,城轨采用的刚性接触网相较于柔性接触网波磨现象更为突出。文献[3]证实高频振动对接触线磨耗具有重要影响,惯性力精准计算的实现有必要考虑弓网之间的高频振动范围。上述惯性力的计算将整个弓头滑板视为一个整体,适用于低频条件下的运动分析,尽管采用4个测点对加速度进行求取,但仍然忽略了高频条件下滑板的柔性形变,因此,采用传统的惯性补偿计算公式存在一定的误差。为此,文献[4]将3个加速度传感器对称布置于单个滑板上,经过计算得到各传感器对应滑板的等效质量,求取各部分惯性力并进行叠加,以此得到更加准确的惯性力。该方法综合考虑了柔性体惯性补偿的理论推导与工程的实践需求,为惯性力的计算提供了一种新的思路。

受电弓滑板长期工作于高磁场和高电压环境中,相比常用的压电式传感器,光纤式力传感器无需额外的电气隔离措施,能够有效避免电磁干扰。光纤式力传感器可以嵌入安装于受电弓滑板内,通过建立受电弓滑板的梁体模型,依据传感器算得的应变推导出弓网接触压力。文献[5]分析了滑板的梁体模型及其检测的数学原理,通过试验验证了此种方式的可行性。

文献[6]将嵌入式光纤传感器应用于列车高速运行时弓网系统的实时接触测量。文献[7]详细比较了光纤式与电气式弓网接触压力检测方式,证明了光纤传感器作为电气式弓网接触压力检测替代方案的可行性。光纤式压力传感器也可布置于滑板与滑板底座之间,直接测量滑板的接触压力,如德国HBM传感器公司开发的光纤式压力传感器[8]。弓网接触压力FC的计算公式如下:

FC=A(s2-s1)

(2)

式中:

A——传感器的灵敏度系数;

s1、s2——单列滑板下两传感器的应变。

项目组还配套了对应的光纤式加速度传感器用于惯性力补偿,并通过试验验证了该系统的可行性及实用性。目前,光纤式压力传感器已经获得了实践应用,如北京鼎汉技术集团股份有限公司已将光纤式压力传感器应用于轨道交通弓网关系检测。

1.2.2 非接触式压力检测技术

采用接触式压力检测技术测量弓网接触压力会不可避免地影响受电弓的动态性能,基于计算机视觉处理的非接触式压力检测技术可以有效克服接触式压力检测技术的缺点。国内外有很多关于图像处理技术的研究,文献[9]率先将图像处理技术应用于弓网接触压力检测,通过将图像处理传感器安装于列车顶部,采集弓头和弹簧的位移来间接计算弓网接触压力。文献[10]采用图像处理技术对弓网接触压力进行非接触式检测,验证了该技术的可行性。基于图像处理技术的弓网接触压力计算方法见表2。

表2 基于图像处理技术的弓网接触压力计算方法

依据视觉处理技术开展弓网接触压力的检测需要系统具有较高的精准度、可靠性和鲁棒性,但刚性接触网一般位于地下隧道,所处的复杂环境相对较少,视觉处理技术具有较好的应用条件。

2 燃弧检测

2.1 检测标准

EN 50317:2012、GB/T 32592—2016对燃弧检测方式进行了详细说明,且EN 50317:2012对燃弧功率密度限值的规定更为详细,并规定了多个连续电弧判定的最短间隔时间为100 μs。

从各规范中摘录出适用于城轨线路的燃弧评定指标,如表3所示。经分析,得到如下结论:

表3 燃弧评定指标

1) 目前大多数规范将燃弧率定义为时间的比值,EN 50317:2012、GB/T 32592—2016提出了通过燃弧数目来统计燃弧率的计算方式,然而在该种方式下相关评定参数并不明确。

2) 不同标准对燃弧率的评定限值并不统一,国外标准规定燃弧率在0.1%以下,而国内标准规定其一般为0.1%或5.0%,两者差异较大。

3) 最小间隔时间的设定将影响燃弧次数和燃弧时间的检测结果,然而目前仅有EN 50317:2012对多个连续电弧的间隔时间进行了限定。

综上所述,现有燃弧检测标准还需结合城轨燃弧的实测现状,明确燃弧判定及燃弧率的计算公式,同时规定适应于城轨行业的燃弧评价指标。

2.2 检测技术

铁路行业主要基于图像处理、紫外光燃弧传感器及电磁辐射等技术开展弓网燃弧检测。

2.2.1 基于图像处理技术的燃弧检测

EN 50317:2012对燃弧检测装置提出了光谱波段的灵敏度要求,而紫外光能够很好地避免灯光及太阳光对测试结果的干扰,具有较高的准确度,因此,搭配紫外照相机的图像处理技术获得了普遍应用。在此基础上,文献[11]还将紫外照相机搭配高灵敏度的火焰探测器实现燃弧图像的采集,进一步提高了燃弧捕捉的精准度。

利用红外热像仪搭配可见光图像实现燃弧检测也是一种可行的方式。文献[12]提出了一种改进的大律法分割算法,将红外图像区域分割,并进行灰度化、二值化处理,通过红外图像和可见光图像的自动融合实现燃弧的筛选,兼顾快速性与精准性。

除上述方式外,结合先进控制算法,基于可见光图像实现燃弧检测是目前很多学者研究的热点。文献[13]提出了一种基于卷积神经网络算法的CNN电弧检测模型,并通过视频验证了该方法的有效性,但该方法对一些极端情况下的电弧识别存在误差,需要更多的训练样本进行完善。文献[14]设计了一种基于深度神经网络算法的适用于燃弧检测的实例分割模型ArcMask(见图1),该模型对骨干网络、特征金字塔进行了改进,为基于可见光图像的燃弧检测提供了参考。

注:BiFPN为加权双向特征金字塔网络;ABMSFF为基于视觉的多尺度特征融合;FCN为全卷积网络。

2.2.2 基于紫外光燃弧传感器的燃弧检测

图像采集容易受到强光、雨雪等情况的干扰,而直接采用对燃弧光谱较为敏感的采集装置进行检测是一种简单可靠的方式。目前,中国铁道科学研究院集团有限公司采用TC-ZA型燃弧传感器进行城轨线路的周期性燃弧检测,且准确识别有效燃弧及其时长,以及通过传输、显示模块准确无误地显示与记录,是该技术需要克服的技术难题。

2.2.3 基于电磁辐射的燃弧检测

通过电磁辐射信号进行燃弧检测是一种能够替代传统电压、电流检测的方式。文献[15]设计了一种四阶Hilbert 曲线分形天线用于捕获电弧的电磁辐射信号,通过时域、频域、时频域分析证明了电磁辐射脉冲与产生电弧过程中电压的对应关系,该种方式能够较为方便地得到燃弧的相关参数,并可用于弓网状态及受流性能的评价。

3 弓网硬点检测

3.1 检测标准

弓网“硬点”一般是指列车高速运行中,导致受电弓相对接触线出现局部空间位置、速度或加速度突然变化的点,是一种有害的物理现象。国内一般通过一跨内弓头的最大垂向加速度来判断硬点,详见TB 10761—2013、TB 10461—2019、TG/GD 124—2015等标准。对于城轨领域,交办运[2019]17号与DB 11/T 1714—2020等将受电弓垂向加速度作为硬点的检测标准,并将490 m/s2作为垂向加速度的检测限值。

然而相关学者对上述基于受电弓垂向加速度的评判标准提出了质疑。文献[16]通过实测结果指出,依据加速度最大值判断硬点的方式存在误判的现象,提出了将一跨内受电弓的最大垂向加速度、峰值因子及标准偏差作为硬点的评判准则,并通过在京哈线上开展的实际检测验证了该评价准则的优越性。文献[17]提出了利用弓网接触压力来判定硬点的设想。另外,也有相关学者提出了硬点检测的其他评价标准。

3.2 检测技术

工程应用中一般依据受电弓垂向加速度开展硬点检测。目前具有代表性的弓网硬点检测方式见表4。

表4 弓网硬点检测方式

随着城轨线路设计速度的提高,其安全性愈发受到重视,仅依据受电弓垂向加速度评价硬点显现出其局限性。与此同时,基于图像处理的非接触式检测技术能够克服接触式检测技术的不足,也能够实现弓网状态监测设备的最大化利用,有望成为弓网硬点检测的一种有效手段。

4 弓网动态几何参数检测

4.1 检测标准

依据DB 11/T 1714—2020,弓网动态几何参数检测的内容包括接触线高度、拉出值、定位线间的高差和接触线动态抬升量。现有标准对弓网动态几何参数的规定如下:

1) EN 50367:2012、IEC 62486:2017等规定了各设计速度下城轨线路采用的接触线高度,其制定的5.00～5.75 m接触线高度的标准基于柔性接触网,并不适用于刚性接触网的导高检测。在实际检测中,城轨弓网动态抬升量、导高等参数与普速、高速铁路存在较大差异,需要探究适应于城轨线路的几何参数标准。图2为城轨刚性接触线导高与速度随里程变化曲线。

图2 城轨刚性接触线导高与速度随里程变化曲线

2) TB 10461—2019建议将综合检测列车作为接触网几何参数的检测装备。交办运[2019]17号也提出了在列车上安装几何参数检测装置的测量方法。然而,城轨搭载式检测设备及综合检测列车的应用仍未得到普及,阻碍了城轨接触网动态几何参数检测标准的制定,也在一定程度上限制了弓网动态几何参数检测技术的实践应用[23]。

4.2 检测技术

目前,基于图像处理和激光雷达扫描的非接触式检测技术将逐步取代接触式检测技术,成为弓网动态几何参数检测的主要手段。对于图像处理技术,一般基于计算机视觉方法,根据转换矩阵和图像匹配方法得到实际几何参数,不同之处在于对于图像识别的算法不同。相对于图像处理技术,弓网动态几何参数检测对激光扫描雷达提出了更高的要求,为此,文献[24]利用最小二乘数据拟合方法提高系统的检测精度,以实现对接触线动态高度、拉出值的测量。此外,文献[25]基于机器学习算法,通过弓头的惯性测量结果来预测接触线的几何特征,为弓网的动态检测提供了一种思路。综上所述,弓网动态几何参数检测技术的研究本质上是对计算机处理算法的改进和设备精度的优化,可满足列车高速运行下的检测需求。

5 结语

1) 依据现有标准开展弓网动态检测,存在适用性不强、实施性差等问题。通过研究发现:国内标准与国外标准存在诸多差异,如对燃弧率的限值规定不一;城轨采用的刚性接触网与铁路采用的柔性接触网差距较大,现有弓网动态检测标准并不太适用于城轨领域的弓网动态检测;部分弓网动态检测指标的计算较为模糊,如弓网接触压力与燃弧率等。

2) 目前,弓网燃弧检测、动态几何参数检测等已经实现非接触式检测。非接触式检测比接触式检测方式对弓网系统的影响要小,无需采取高压隔离措施;非接触式检测方式可以依托弓网巡检等照相机设备,充分利用检测资源,因此,非接触式检测技术有望取代接触式检测技术,成为未来弓网动态检测的主要手段。