高鐵受電弓智能檢測監(jiān)測紅外熱像應用解決方案

一、行業(yè)背景資料

去年“五一”假期首日，也就是疫情以來可以正常出行的假期首日，很多人卻“崩潰”了：他們被堵在了北京西站，“五一”假期被迫結束。因為北京鐵路交通重要樞的北京西站癱瘓至深夜，數(shù)萬名乘客被迫滯留在車站兩個廣場達10多個小時。

據(jù)官方通報，5月1日，京廣高鐵定州市境內因大風天氣吹揚地膜（農民用來覆蓋農地的塑膠薄膜），致接觸網(wǎng)（向動車供電的輸電線路）故障停電，造成京廣高鐵動車晚點到達北京西站。高鐵接觸網(wǎng)近年來因天氣或異物搭掛導致故障停電的事故，并不少見，如今年4月清明假期，滬寧高鐵接觸網(wǎng)因掛了風箏導致晚點。

受電弓/接觸網(wǎng)關系是高速電氣化鐵路安全運行的核心關系之一，弓網(wǎng)系統(tǒng)較好的服役性能是保障高速列車可靠、安全運行的基本條件。

2012年之后鐵道部先后印發(fā)了6C系統(tǒng)統(tǒng)一技術規(guī)范等多項規(guī)范，要求提升接觸網(wǎng)和受電弓的檢測監(jiān)測手段和技術水平，實現(xiàn)對接觸網(wǎng)和受電弓的全覆蓋檢查。

二、方案分析

為了實現(xiàn)鐵路管理信息化、智能化的目標，我們提出了高鐵受電弓智能檢測監(jiān)測紅外熱像應用解決方案；

該方案采用安裝在電力機車上的網(wǎng)絡型在線式紅外熱成像儀，在電力機車運行時對接觸網(wǎng)電氣設備關鍵節(jié)點進行連續(xù)不間斷的溫度狀態(tài)監(jiān)測，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)實時記錄在存儲器中，通過對實時監(jiān)測到的目標溫度數(shù)據(jù)進行分析處理，生成數(shù)據(jù)報告，定位接觸網(wǎng)電氣設備的故障點。實際運行情況表明，系統(tǒng)輸出的溫度異常信息可以為預先排除接觸網(wǎng)電氣設備故障隱患提供依據(jù)，實現(xiàn)了接觸網(wǎng)檢測電氣設備管理從維護運行到狀態(tài)運行的很大的提升。

選型產(chǎn)品環(huán)境適應性需求

鐵路弓網(wǎng)為電力機車輸送電能，其質量和工作狀態(tài)直接影響鐵路的運輸能力和安全。作為露天設置的接觸網(wǎng)，常年暴露在室外，易受污染、腐蝕、摩擦等影響，品質下降，進而影響機車電力輸送及引發(fā)相關安全問題。在高鐵上增加視頻監(jiān)控設備中，視頻監(jiān)控對前端采集設備性能要求較高，且由于有長期震動，地域跨度大，經(jīng)歷嚴寒酷暑，以及體積等局限，要求設備必須抗震、大范圍溫差內工作，具備較強適應能力及24小時監(jiān)控能力。

系統(tǒng)設備為工業(yè)級產(chǎn)品，能滿足室外防水，防潮，防塵防震的要求，能夠適應惡劣氣候條件，露天設備應有防雷措施。

監(jiān)測系統(tǒng)功能要求

對受電弓部件缺失，弓網(wǎng)關系異常等狀態(tài)進行監(jiān)測.具有對檢測出的數(shù)據(jù)和圖像進行記錄,分析,判斷，整理的功能，及時發(fā)現(xiàn)受電弓滑板的異常狀態(tài)以指導接觸網(wǎng)維修。

三、方案目標

智能監(jiān)測方案要達到的目標：

將目前的計劃修+故障修的模式逐步向狀態(tài)修模式的轉變，以大數(shù)據(jù)技術與智能圖像識別分析技術+熱成像技術結合

紅外熱成像溫測技術通過在車輛運行過程中，24小時實時觀測受電弓表面熱狀態(tài)分布，每秒鐘可采集高達百幅的紅外熱圖，定位和診斷受電弓異常，具有不停運、不接觸、快速、直觀的特點，配合后端的智能分析算法，實時監(jiān)控受電弓的當前工作狀態(tài)，通過對電氣設備表面的熱像圖分析，判斷和診斷設備狀態(tài)及其隱患和缺陷并對潛在的故障和發(fā)熱進行提前報警，這對于及時發(fā)現(xiàn)、處理、避免潛在事故的發(fā)生起到關鍵而有效的作用。

方案產(chǎn)品選型要求：

檢測效率較高：采用在線測溫檢測方式，檢測效率高；選型紅外熱像儀能做到測溫速度快、日夜監(jiān)控、安全、方便的測溫。

自動化程度高；檢測過程和監(jiān)控錄像自動執(zhí)行;

具有視頻采集、離線拉弧檢測、高溫異常點檢測、受電弓電流實時采集、數(shù)據(jù)分析與報警功能，報警界面；

全天候檢測：無論雨、雪等惡劣天氣均可檢測，不受氣候條件影響：技術可靠:采用非接觸的圖像測量技術在體現(xiàn)技術的同時，提高了系統(tǒng)的可靠性。大屏幕顯示技術，實現(xiàn)了受電弓車頂狀況的室內可視化觀測。

24小時全天候監(jiān)測，低照度、透煙霧、透水霧監(jiān)測；IP66高防護等級，可在惡劣天氣下正常運行。系統(tǒng)能在惡劣的氣候環(huán)境中正常工作，具有較強的低溫環(huán)境防護，以及抗高溫、高濕度的性能。無論是刮風下雨，酷熱潮濕，還是低溫寒冷，都可以實現(xiàn)不間斷自動監(jiān)測，在北方嚴寒地區(qū)以及南方的高溫酷熱地區(qū)的關鍵設備工作狀態(tài)監(jiān)測正常進行。

紅外智能在線實時監(jiān)測系統(tǒng)是集可見光、紅外熱成像和嵌入式處理技術于一體的實時監(jiān)控、監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)可對受電弓進行自動巡檢、實時監(jiān)測、自動預警、實時獲取設備故障狀態(tài)的熱信息，并融入大數(shù)據(jù)技術與智能圖像識別分析技術，具有不停電、遠距離、安全可靠等特點，實現(xiàn)在線監(jiān)測和設備狀態(tài)檢修有效的方法。

FC-R特性優(yōu)勢分析：

? 內置視頻分析器，具備識別計算能力；測溫快速，均勻性好，在隨著場景的變換過程中，系統(tǒng)總是在瞬間就能得到觀察到的場景所有溫度，圖像均勻性高，不會因為場景的變化而產(chǎn)生測溫的差異。

? 校正測溫功能適用于火災探測、安全監(jiān)控和設備熱溫監(jiān)控

? 多種告警通知選擇，包括電子郵件、數(shù)字輸出或VMS報警

? 適合與第三方分析設備配合使用

具有較好的標準性、開放性、集成性、安全性、可擴充性及可維護性

? 可通過web或手機應用配置熱像儀

? 寬動態(tài)范圍熱成像，適用于威脅偵測

?實時在線監(jiān)測，實時圖像，圖像無延時現(xiàn)象

圖像幀率為每秒25幀，實時圖像，不會出現(xiàn)圖像停頓、圖像滯后以及跳躍感。避免了在操作人員進行云臺轉動控制和鏡頭焦距調節(jié)過程中，出現(xiàn)圖像滯后導致調節(jié)及觀測困難的情況。

四、方案應用

采用在線測溫功能的紅外熱成像儀FLIR FC-R，可實現(xiàn)在線監(jiān)測+智能分析兩個功能。

在線監(jiān)測

只有在系統(tǒng)還未出現(xiàn)故障時就要把故障檢測出來，并采取有效應對措施，實現(xiàn)提前預判決故障至關重要。預防檢測就成了一個手段，電力系統(tǒng)故障最初表現(xiàn)就是發(fā)熱，不正常的發(fā)熱現(xiàn)象就是故障的直接表現(xiàn)。通過高速紅外熱像儀實時進行觀測，每秒鐘可采集達百幅的紅外熱圖，再配合后端的智能分析算法，就能實時監(jiān)控受電弓的當前工作狀態(tài)，對潛在的故障和發(fā)熱進行提前報警，從而有效的避免了潛在事故的發(fā)生。

紅外熱成像儀不受光線影響的特點，適合在隧道等光線不足的情況下使用，采用紅外熱成像儀，對受電弓與接觸網(wǎng)之間的接觸不良所產(chǎn)生火花、電弧，接觸網(wǎng)故障、電弓損壞故障等，都能了如指掌，讓故障點、高溫點無所遁形，為列車的安全平穩(wěn)運行的保障。

系統(tǒng)檢測包括以下幾個方面
高架接觸網(wǎng)懸鏈檢測

碳滑塊磨耗檢測
碳滑塊斷裂監(jiān)測
受電弓部件缺失監(jiān)測

偏移量異常監(jiān)測(弓網(wǎng)關系)
傾斜度異常監(jiān)測(弓網(wǎng)關系)

系統(tǒng)應具有超限報警的功能:對碳滑板磨耗超限，碳滑板斷裂缺損，弓網(wǎng)關系異常(傾斜度及偏移量超出正常范圍)及部件缺失等受電弓異常工作狀態(tài)進行報警。

高架接觸網(wǎng)懸鏈檢測

高架接觸網(wǎng)懸鏈該系統(tǒng)懸浮或橋塔之上，易受機械張力的影響，交通線路過于繁忙時，主高架接觸網(wǎng)懸鏈通常容易過熱產(chǎn)生連接故障，導致接觸線受熱延伸甚至失去張力變得松弛，接觸線圍繞集電弓蜷曲的可能性變大，甚至導致列車高出軌道電線堵塞等，這將使得電線維修耗費大量的時間，會出現(xiàn)安全隱患等后果。

高架接觸網(wǎng)懸鏈是一種為列車頭或列車供電的懸浮線系統(tǒng)，通過集電弓導電。懸鏈系統(tǒng)至少使用兩條線：一條懸纜線或懸鏈，通過高度差或連接線為接觸線提供支持。該系統(tǒng)懸浮在橋塔之上，易受機械張力的影響。

如下圖所示為兩條電纜的接合點。

弓網(wǎng)系統(tǒng)在高速列車牽引供電系統(tǒng)中的位置（圖片來源于網(wǎng)絡）

FC-R 對每個測點的地理位置、測量值或工作狀態(tài)進行連續(xù)采集，如出現(xiàn)異常，系統(tǒng)會自動生成報警（聲光報警、短信報警、郵件報警可選），通知到相關人員，將可能出現(xiàn)的險情消滅在萌芽狀態(tài)。

接觸網(wǎng)檢測

接觸網(wǎng)連接件發(fā)生過熱的主要原因有：

（1）氧化腐蝕。由于外部熱缺陷的導體接頭部位長期裸露在大氣中，長年受到日曬、雨淋、風塵結露及化學活性氣體的侵蝕，造成連接件導體接觸表面嚴重銹蝕或氧化，氧化層都會使金屬接觸面的電阻率增加幾十倍甚至上百倍。

（2）連接件接頭松動。導體連接部位在長期遭受機械振動、抖動或在風力作用下擺動，使導體壓接螺絲松動。

接觸網(wǎng)有很多接頭、回流線等，牽引變電有變壓器、熔斷器、斷路器及所有配電線等。使用紅外熱像儀可以發(fā)現(xiàn)接頭松動或接觸不良（抽頭變換器）、套管過熱、過載、三相負載不平衡等隱患（見圖）。其影響為產(chǎn)生電弧、短路、燒毀、起火。接觸網(wǎng)連接件容易受到外界因素的影響發(fā)生過熱，嚴重時造成供電中斷，引發(fā)列車停運事故。

地面監(jiān)測，要嚴控關鍵設備，通過紅外測溫及地面固定監(jiān)測裝置，實現(xiàn)對關鍵設備的實時監(jiān)控、故障預判。同時，結合高鐵高壓電纜屏鎧在線監(jiān)測裝置，為高鐵關鍵設備安全提供保障。

弓網(wǎng)監(jiān)測

鐵路系統(tǒng)很早就將熱像儀運用于設備的安全檢修上，通過其對電氣設備和線路的熱缺陷進行探測，這對于及時發(fā)現(xiàn)、處理、預防大事故的發(fā)生可以起到關鍵而有效的作用。

以上圖片來源于網(wǎng)絡

火車頭部頂部熱成像圖

可將紅外熱成像設備安裝于車頂，對受電弓和接觸網(wǎng)的連接處進行溫度探測，實時監(jiān)測接觸網(wǎng)故障點，如果在列車行進中發(fā)現(xiàn)故障點，將產(chǎn)生瞬間高溫，熱像儀可以記錄該時刻高溫值和故障點位置，以便檢修人員及時進行修復。

通過螺栓壓力的大小，能夠對其是否松動進行實時監(jiān)控，避免了緊固件脫落而造成的安全隱患。

利用固定在機車頂部的“可見光”和“紅外熱像”雙鏡頭，對機車運行中的弓網(wǎng)接觸狀態(tài)進行紅外成像和幾何參數(shù)采集，并通過無線通訊傳送至終端服務器和發(fā)出閾值告警。

固定在機車頂部的“可見光”和“紅外熱像”雙鏡頭（圖片來源于網(wǎng)絡）

FC-R 系列紅外熱像儀可用于監(jiān)測具體區(qū)域的溫度。當監(jiān)測溫值達到或超出預設值溫度時，將會收到以電子郵件、數(shù)字輸出或VMS報警等形式發(fā)出的通知。

五、智能監(jiān)測應用

采用測溫功能的FLIR-R固定式紅外熱成像儀，通過紅外熱像儀24小時實時進行觀測，每秒鐘可采集達百幅的紅外熱圖，再配合后端的智能分析算法，能實時監(jiān)控受電弓的當前工作狀態(tài)，對潛在的故障和發(fā)熱進行提前報警，從而避免了潛在事故的發(fā)生。智能分析系統(tǒng)裝置實現(xiàn)了對列車車頂圖像的完整采集，既可通過激光定位技術定位列車升起受電弓圖像，也可采用圖像定位法提取整列車未升起受電弓的高清圖像；具有對檢測出的數(shù)據(jù)進行分析、判斷、整理的能力。

智能監(jiān)控方案優(yōu)勢分析：

設備自動識別管理

采用算法對與系統(tǒng)采集的熱圖進行自動識別，通過圖像配準的方法識別出該熱圖有效的設備目標，保證溫度檢測的有效性。

防誤報識別系統(tǒng)

所有溫度測量都基于有效的目標識別，根據(jù)巡查策略可以只測量標記過的設備，對于外界的干擾熱源自動剔除，有效減少誤報的產(chǎn)生。

自動預警

發(fā)現(xiàn)目標設備溫度異常自動報警，報警信息有文字信息和聲音信息，提示運行人員具體的報警位置狀況信息，以便跟蹤故障點，確認告警情況并排除故障。

自動生成報表

系統(tǒng)軟件可自動生成單幅紅外圖像的設備接點溫度分析報表或綜合報表，即系統(tǒng)可自動記錄每次測溫時的溫度值，并生成溫度報表，以反應該接點在某一時間段內的溫度變化情況。

數(shù)據(jù)具有可對比性

系統(tǒng)可以給出所有處于巡檢策略的設備在一段時間內每天同一時間的溫度變化趨勢，該溫度變化趨勢結合其他在線檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)（如該設備的電流變化趨勢），可以方便對本設備的工作狀態(tài)給出判斷。

自動位置校準功能。

采用圖象識別技術，自動對運行誤差進行校正，保證能采集到設備部件溫度狀態(tài)。

紅外熱像智能監(jiān)測方案案例

通過車頂設備記錄受電弓和接觸網(wǎng)的工作狀態(tài)，并傳輸?shù)诫娮庸裰械母鲉雾棽杉b置內生成數(shù)據(jù)，再輸送到電腦的分析軟件中進行分析和對比，查看采集到的數(shù)據(jù)是否超標。智能識別技術能有效地克服系統(tǒng)生成大量圖片，人工檢索勞動強度大、工作效率低、檢索準確性不能得到保證的弊端。

裝置檢測數(shù)據(jù)通過無線方式進行傳輸，裝置終端軟件實現(xiàn)對圖像等數(shù)據(jù)的綜合管理，支持圖片局部放大、圖像質量增強以供用戶進去缺陷確認；

紅外熱成像，智能分析，接觸網(wǎng)動態(tài)幾何參數(shù)：如接觸線高度、拉出值，接觸線相互位置等，測量弓網(wǎng)燃弧次數(shù)、燃弧時間和燃弧率。

遠程監(jiān)測原理

系統(tǒng)中紅外熱像儀采集紅外熱圖，由前端熱像儀測溫工作，將紅外圖像及原始測溫數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫畔?a target="_blank">中心或現(xiàn)場工作站，無信號壓縮、信號無損失、抗干擾性較強，保證測溫數(shù)據(jù)的準確性、穩(wěn)定性。

并實時測量監(jiān)控設備的表面溫度，通過PAL視頻接口、RJ45接口將紅外熱圖及溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控主機，用戶可在監(jiān)控主機上實時觀測現(xiàn)場設備的運行情況，同時監(jiān)控主機可將圖像、溫度數(shù)據(jù)壓縮，通過網(wǎng)絡設備向局域網(wǎng)發(fā)送，實現(xiàn)網(wǎng)絡實時監(jiān)控。

配管理軟件

通過配置相應的傳感器及報警器，將監(jiān)測信號從過工業(yè)環(huán)網(wǎng)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，再通過配套的綜合管理軟件對數(shù)據(jù)進行分析。

管理軟件對每個測點的地理位置、測量值或工作狀態(tài)進行連續(xù)采集，如出現(xiàn)異常，系統(tǒng)會自動生成報警（聲光報警、短信報警、郵件報警可選），通知到相關人員，將可能出現(xiàn)的險情消滅在萌芽狀態(tài)，避免造成大的經(jīng)濟損失及影響鐵路的正常工作。

六、人工智能分析

在大數(shù)據(jù)時代，融入快速的人工智能解決方案是行業(yè)發(fā)展趨勢，尤其紅外熱成像技術結合深度學習分析，智能感知監(jiān)控領域的應用。

在線監(jiān)測系統(tǒng)與人工智能分析的結合

目前，分析室已經(jīng)實現(xiàn)了每旬隨車添乘對高鐵、城際數(shù)據(jù)的全下載，通過弓網(wǎng)關系的及時分析為接觸網(wǎng)精檢細修提供參考數(shù)據(jù)。通過智能圖像識別技術分析識別車頂和車側狀態(tài)，進行異常識別和報警。同時配備高速、較高分辨率圖像分析測量技術和現(xiàn)代傳感技術，實現(xiàn)受電弓關鍵特性參數(shù)的在線動態(tài)自動檢測和車頂關鍵部件、車頂異物的室內可視化觀測，用于動車組的受電弓和車頂設備檢測。

進行高清圖像采集，確保列車在快速通過時形成清晰無拖影的圖像，再通過圖像智能識別算法提取圖像，從而實現(xiàn)對故障定位。通過在軌旁安裝磁鋼傳感器，計量輪軸軸數(shù)，從而判斷弓位，定位故障弓。

海量數(shù)據(jù)實現(xiàn)精細分析

有了大數(shù)據(jù)的平臺就很明了，在平臺上我們可以很清晰地查看到每個站的每個設備的所有信息，而且它們的每個實時狀態(tài)都及時地顯示在平臺上，我們知道每個設備的狀態(tài)和去向，這也更有助于我們分析故障的原因，從而較快地解決每個故障。

對列車發(fā)生的實時故障以及基于運營經(jīng)驗設置的預警條件產(chǎn)生的異常狀態(tài)實時報警，根據(jù)報警的相關變量進行快速分析，定位故障原因，提供預定義的故障處置指導。同時系統(tǒng)能夠結合根據(jù)運營經(jīng)驗、易產(chǎn)生故障的工況，在大數(shù)據(jù)積累的過程中，可靈活根據(jù)運營情況，設置模式條件及報警內容實現(xiàn)對列車預警信息的靈活性配置功能，當配置完成后，提前預判故障的發(fā)生，并發(fā)出提示，提醒地面監(jiān)控人員重點關注，減少列車故障發(fā)生。

系統(tǒng)基于大量歷史數(shù)據(jù)的深度挖掘，達到列車故障的預測，已經(jīng)相關故障處置準確的智能指導，檢修相關工單、物料及人員的自動安排，實現(xiàn)系統(tǒng)未保存故障的自動學習，不斷自動完善專家系統(tǒng)。

根據(jù)系統(tǒng)建議達到優(yōu)化完善整個地鐵網(wǎng)絡運維管理規(guī)程策略的目的，實現(xiàn)復雜裝備的系統(tǒng)級故障預測，即在裝備可能多故障并發(fā)的情況下，確定可能的故障部件，并提前預測故障時間，列車及關鍵復雜裝備系統(tǒng)級故障預測。

測溫預警方案其他領域
其它主要應用領域包括：油田--監(jiān)控輸油管道是否漏油；煤堆--溫度過高是否有自燃現(xiàn)象等等，發(fā)電及配電，變電監(jiān)控站，關鍵設備監(jiān)控，天然氣處理，輸送及存儲，存儲區(qū)防火，火焰檢測，煤堆場防火，木材存放區(qū)防火，廢料存放區(qū)防火。

審核編輯 ：李倩