高速铁路接触网状态监测

工程2（2016）360研究铁路运输-回顾400 km·h- 1接触网监测新技术Chul Jin Choa，Young Parkb，*a韩国大学，首尔02841，韩国b韩国京畿道义旺市韩国铁路研究院，邮编16105ARt i clEINf oA b s tRAC t文章历史记录：2016年7月3日收到修订表2016年8月19日2016年9月8日接受2016年9月21日在线发布保留字：高速铁路接触网状态监测图像处理测量近年来，为了将高速铁路的商业运营速度从300 km·h-1提高到400 km·h-1，人们开发了各种高速铁路技术在这些技术中，本文介绍了韩国已开发并示范的400 km·h详细介绍了在不直接接触供电系统任何部件的情况下，采用视频监测技术对400 km·h-1接触网部件的稳定性进行监测的方法与传统的OCL监测系统不同，该系统使用激光传感器或线阵摄像机检测接触线位置，所开发的系统通过视频数据测量活动状态下的参数。根据在一条商业线路上建立的现场测试站的实验结果，该测量系统能够有效地测量OCL参数。© 2016 The Bottoms.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版这是CCBY-NC-ND下的开放获取文章许可证（http：//creati v ecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍在现代电气化铁路中，各国都把重点放在提高商业线的速度限制上。由于车辆、轨道、电力和信号技术的快速发展，在商业运营之前对列车及其基础设施的性能进行评估和监测是必要的。换句话说，为了保证乘客的安全，必须正确地评估速度提高到400km·h-1的影响因此，高效的检测技术也受到关注，以克服由复杂结构和长操作间隔造成的人力限制[1，2]。在高速电气化铁路的众多组成部分中，接触网（OCL）是向运行列车持续供电的接口之一然而，由于OCL的物理结构，该系统暴露于各种机械和电气效应[3]。这些影响反映了受流质量，可以归纳为接触力和受电弓、损耗、接触率、电弧百分比和接触线隆起[4，5]。最近，韩国铁路研究院（KRRI）成功地在一条商业线（湖南快线，56 km）上全面开发了400 km·h然而，由于受电弓与接触网之间的相互作用在波的传播和反射方面，为了保证向车辆稳定供电，必须对OCL的性能进行广泛而严格的评估。本文介绍了新研制的400 km·h-1级接触网性能评定所采用的技术然后，本文介绍了一种间接接触式导线动态交错/高度测量系统，该系统由一个简单的电荷耦合器件（CCD）相机[7]实现。论文的其余部分组织如下：在第2节，de-提供了已建立的实地试验场的尾部规格在第3节中，详细介绍了所开发的非接触式视频* 通讯作者。电子邮件地址：ypark@krri.re.krhttp://dx.doi.org/10.1016/J.ENG.2016.03.0162095-8099/© 2016 THE COVERORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。 这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http：//creati v ecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect工程杂志主页：www.elsevier.com/locate/engC.J. 周，Y。公园/工程2（2016）360361提供了测量系统。最后，结果和结论在其余部分进行了组织。2. 材料和方法如前所述，必须仔细配置OCL参数，以确保商业操作的安全性。因此，根据以前的研究结果确定了现场试验场地的核心部件配置[2，6]。表1列出了韩国铁路研究所开发的400 km·h-1级接触网的设计参数现场试验场地采用由超高张力接触线组成的简单型接触网。考虑到接触线的张力和重量是保证高质量电流收集的最重要的影响因素，接触网由改进的轻质CuMg 150mm2合金接触线（34 kN）和绞合CuMg 116mm2合金接触线（23 kN）组成。400 km·h-1级OCL组件性能评价试验是通过部署HEMU-430 X（代表高速电力动车组430 km·h-1试验）[1]以从60 km·h-1增加到410 km·h-1的速度进行的 图 1显示了所考虑的OCL组件以及在现场测试现场拍摄的照片。如表2所示，通过监测受电弓接触力、接触损失率、接触线的动态高度/交错、应变、张力和电流等数值，对核心OCL组件的性能这些参数可以表1韩国洪南快线400 km·h-1级接触网设计参数参数值接触线张力34 kN承力索张力23 kN标准跨距50/55 m预下垂N/A系统高度1400 mm接触线高度5.1 m通过进行轨道侧测试获得，该测试获取测试车辆通过目标位置的时刻的测量值。如果表2中的所有参数满足所有考虑的试验运行和速度的允许范围，则确定OCL是可靠的。3. 理论介绍了基于视频的动态错位/高度测量系统。请注意，本文中包含的一些细节与其他性能评估措施不同，动态交错和高度只能通过观察接触线位置相对于受电弓中心的位移来测量。因此，动态交错和高度只能通过捕获集电弓和接触线两者的图像的非接触式接口来测量，如图2所示。动态交错/高度测量系统与基于电弧传感器的接触损失率测量系统共享接口，该电弧传感器能够检测可见波长范围之外的电子波。图3显示了基于视频的测量系统，在-停在HEMU-430 X上，HEMU-430 X是用于评估400 km·h-1级基础设施的测试车辆如图3所示，视频采集系统安装在受电弓方向，以便同时记录OCL的图像通过图1所示的视频采集接口，图2和图3，动态位移（即，从缩放仪的中心到接触面的距离）。图4 [2，7，8]提供了获得动态交错和高度的程序。由于动位移是根据距离受电弓中心的距离计算的，因此必须找到受电弓和接触网的精确位置。因此，从获取的图像序列中，首先获得受电弓的位置及其中心。然后，假设接触条可能不垂直对准相机的角度，则以线的形式检测接触条。类似地，应用线检测方法来检测图1.一、 400 km·h-1级接触网部件和现场试验现场安装[2，6]。362C.J. 周，Y。公园/工程2（2016）360表2400 km·h组件规范值接触线拉伸强度≥ 541 MPa电线纵轴上的微波0.1 mm电导率≥ 70% IACS滴管夹最大滴管疲劳试验300 N（EN 50119）张紧装置张拉变化≤ 3%断裂负荷≥ 120 kN稳定臂断裂负荷拉伸和错动下的疲劳试验≥ 7.5 kN≥ 2 × 106端接夹断裂载荷（抗拉强度载荷）80千牛断裂负荷130千牛电弧传感器输出范围–5 V to +5采样10 μsCCD相机决议720 × 480最大帧32 fps（全分辨率）IACS：国际退火铜标准; CCD：电荷耦合器件。允许的接触损失率大于测量数据的1%图二. 接触丢失率和动态错位/高度测量系统的共享结构。OCL：架空接触网; DAQ：数据采集; GigE：千兆以太网; PoE：以太网供电; SMPS：开关电源; UPS：不间断电源。图3.第三章。在HEMU-430X的顶部安装基于视频的测量系统。接触线。最后，求出接触导线与平面图的交点，并将其转换为动态交错距和高度。所实施的OCL动态交错/高度测量程序是通过离线处理记录在大容量存储设备上的视频数据来进行的。然而，在实际操作中，C.J. 周，Y。公园/工程2（2016）360363在某些情况下，必须考虑额外的程序，以对应可能的性能下降。如图5 [2，7]所示，实用的动态交错/高度测量系统可以概括为四个步骤。图5显示了误差的实际来源。错误的第一个实际条件是OCL组件之间的相似性，不能自动区分与来自单个图像的信息。第二种实际情况是由于太阳光而快速在诸如横截面的截面中，可以观察到一个或多个接触线，并且可能是误差的来源快速移动的接触位置是由低采样率引起的，这是简单的CCD相机在高速下的限制。最后，在隧道或复杂场景（如山脉或火车站）中，必须调整参数。该程序的细节如下。第一步是环境识别，确定搜索条件和参数. 在所提出的系统中，环境被广泛地分为三种不同的情况：正常、背景干扰和隧道。如图6 [9]的右侧所示，箱子内的几个固定区域具有不同的照明。收集的图像。例如，与隧道情况相比，正常情况在区域1中具有更亮的值。同样，区域2有不同的价值观。通过从多个图像收集平均强度值，可以设置边界以识别适当的情况。这个边界被称为在第二步骤中，发生受电弓/接触线检测，如图7所示。将前一步骤中选择的环境情况移交给检测步骤。目的该第二步骤的目的是找到缩放仪的最合适的位置，该位置由在搜索范围内具有最高相似性分数的位置确定。在第三步中，进行数据关联，以过滤掉在实际条件下可能获得的不准确测量值（图8）。在图像序列之间，由于图像样本之间的时间与接触线的位置之间的关系，该有限范围被定义为验证区域，并且这些区域之外的检测结果作为噪声被丢弃4. 结果表3显示了从开发的视频中获得的结果图四、 OCL动态交错/高度测量程序[2，7，8]。图五. 实际动态交错/高度测量程序[2，7]。364C.J. 周，Y。公园/工程2（2016）360图六、 环境保护法[9]。（a）不同的环境条件;（b）图像的特征向量见图7。介绍了受电弓图像检测和接触网图像检测的过程。见图8。数据关联的过程。(a)横截面中的接触线检测;（b）数据关联的应用。该测量系统安装在湖南快线的HEMU-430 X上。结果包括与实验条件相关的参数，例如测量间隔、最大速度、持续时间和样品数量请注意，每个结果集都是从单独的测试运行中获得的，这些测试运行仅考虑最小测量速度和最大速度之间的测量。5. 讨论图 9示出了所实现的动态交错/高度测量系统的软件平台。该图的左侧显示了用于电弧测量的运行系统的显示，而右侧显示了所提出的基于图像的监测系统。如图9所示，测量系统能够同时检测电弧和测量OCL的动态位移。根据上一节中提到的所获得的测量结果，声称在所有考虑的采样时间内，动态错开在250 mm的范围内。如预期，受高位运行影响在400 km·h虽然传统的方法，测量接触线的静态位置，而不接触受电弓是无法监测运行的铁路车辆，基于视频的方法有效地测量的OCL的动态。如在系统配置的描述中所提到的，从附接到韩国400 km·h-1级HEMU-430 X的屋顶的图像获取设备获得图像集为了评估所提出的系统的性能，在三天内从三次测试运行中选择了300个帧评价结果提供于下表4中。实验结果表明，该系统的误差约为8mm，对于一幅720 × 480的图像，误差约为4个像素。由于图像采集硬件的限制，在非常高的速度下快速变化的图像之间可能发生模糊，也会导致这种误差。因此，可以预期，通过采用具有更好规格的硬件可以改善误差C.J. 周，Y。公园/工程2（2016）360365表3370 ~400km·h-1时的动态错位测量结果。组件最小测量速度图9.第九条。（a）HEMU-430 X在400 km·h-1时的电弧测量结果;（b）HEMU-430 X在400 km·h-1时的动态交错/高度测量结果。表4业绩评估结果。数据集分辨率平均误差平均误差遵守道德操守准则Chul Jin Cho和Young Park声明他们没有利益冲突或财务冲突需要披露。引用6. 结论本文介绍了韩国铁路研究所开发的400 km·h-1级高速铁路投入商业运营前，用于评价轨道交通接触网性能的监测技术根据由受电弓接触力、接触损失率和接触线隆起表示的受流性能评估结果，观察到测量值在部件规范规定的限制范围内。一个基于视频的系统，这是为了改善传统的监测技术，需要人力，然后应用，以进行非接触式评估的电流收集性能的动态交错和高度。基于广泛开展的性能评价技术，认为即使在400 km·h因此，本文提出的监测方法的组合可以提供定量的代表OCL的性能。确认这项研究得到了韩国铁路研究所研发计划的资助。[1]Kwon SY，Park CM，Park Y，Lee K，Cho YH，Eum KT，等.在韩国新高速列车试运行期间，通过同时测量接触力和电弧，对接触网和受电弓的受流质量参数进行了比较在：第10届世界铁路研究大会论文集; 2013年11月25日[2]Cho YH，Kwon YJ，Lee K，Park Y，Park CM，Ryoo H.采用超高强度接触线的 创 新 型 高 速 接 触 网 。 In ： Proceedings of the 11th World Congress onRailway Research; 2016 May 29[3]Borromeo S，Aparicio JL.铁路接触线磨耗自动测量系统In：Proceedings ofthe 2002 28th Annual Conference of the IEEE Industrial ElectronicsSociety，Volume 4/4; 2002 Nov 5Piscataway：IEEE; 2002. p. 2700−5。[4]李凯，朴永，朴俊英，崔文胜。多功能接触网状态监测系统的实现。韩国电气工程研究所2015;64（9）：1406−10。韩国人[5]张文忠，张文忠.利用图像处理技术测量受电弓接触力。于：Brebbia CA，Tomii N，Mera JM，Ning B，Tzieropoulos P，第十三届铁路工程设计与运营国际会议论文集编辑; 2012年9月11-13日;英国新森林。出版社：WIT Press; 2012.第189 - 198页。[6]Cho YH，Ryoo HB，Kang SH，Jung HS，Cho HR，Lee KS，et al.提高速度的架空接触网系统开发的最终项目京畿道：韩国铁路研究所; 2015年。韩国人[7]Cho CJ，Cho YH，Kwon SY，Lee K，Jang S，Ryoo H.开发了一种基于图像JKorean Soc Rail 2011;（5）：1336−41.韩国人[8]Cho CJ，Ko H.基于旋转不变特征匹配的铁路架空电力线视频动态错动测量。IEEE Trans Intell Transport Syst 2015;16（3）：1294−1304.[9]Cho CJ，Park Y，Ku B，Ko H.一种用于增强基于先进视频的铁路检查车检测模块的环境识别的实现科学高级材料。在出版社。370km·h390 km·h400 km·h测量间隔（km）18.735.793.07最高车速（km·h394.4394.4404.0实验持续时间（s）1755628实验样品（帧）42141280711平均动态错开（mm）-15.41-4.86-6.47动态错距标准差（mm）80.3874.8193.11动态错开范围±250 mm±250 mm±250 mm帧（毫米）（像素）集1720 × 4801007.03.48集合2720 × 4801008.44.17组3720 × 4801008.64.27平均--8.03.97