基于雷达成像接触网摆动状态监测系统

摘要

本发明提供了一种基于雷达成像接触网摆动状态监测系统，风速传感器采集到的数据经过中央控制单元的处理，与预制好的风速阀值进行比较，如果风速值超过阀值，将启动激光雷达予以响应，激光雷达对接触网进行俯视测量，将每一次扫描得到的接触网测量数据与标准值进行比较，当接触网的摆动的幅度超过预设的阀值时，中央控制器将启动预警装置发出报警，无线通讯单元会将风速传感器测得的风速数据和雷达检测到的接触网的方位数据全部封装，通过无线通讯单元发送到监控中心。本发明不仅可以实现对接触网摆动状态的实时可视化监测，还能够实现监测数据的可度量化，更加精确，敏感性更高。

说明书

技术领域

本发明涉及电气化铁路接触网线的监测领域，具体应用于大风天气下电气化铁路 接触网摆动状态监测。

背景技术

电气化铁路接触网是为电力机车的运行提供电力支持的一种特殊输电线路。其布 置方位的准确与否将直接关系到机车受电质量，进而影响机车的安全运行。尽管每一 段接触线的两端都有特定的补偿装置将其紧绷固定，但是仍然比较容易受到大风天气 的影响产生摆动和弯曲变形，导致与机车的受电弓接触不良，引发弓网事故。

尽管目前我国已针对接触网的布置和养护建立了一套严格的标准，但是鉴于没有 一套完善的监测手段，检测工作仍然停留在巡视抽检阶段。传统的检测方法是将检测 设备放置在检测车的顶部，随着检测车的前进检测和记录接触网的各项状态指标，这 种方法可以准确的检测出在被检测时环境下接触网的导高和拉出值等电气技术参数。 然而，这种测量方法一方面占用了正常机车行驶的通道，可能影响其他机车的正常通 行；另一方面它不能监测出接触网在一段时间内的连续测量数据，尤其在大风等极端 天气，无法提供接触网在恶劣条件下摆动状态的描述。

现已申请的“电气化铁路接触网无线监测系统”发明专利能够实现对远程接触网 无线可视化监测，但是监测的结果为视频图像等数据，不可量化，且对于接触网细小 的摆动变化反应不明显，最终还是需要通过人为观测判断接触网是否发生故障。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于雷达成像接触网摆动状态监测系 统，解决大风极端条件下实时对接触摆动状态检测的问题，既能够对接触网摆动状态 进行实时监测，又可以对监测结果进行量化。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括多个监测终端和一个监测中心。 每个监测终端都具有唯一的标识编码，能够确定监测地点的准确位置；所述的监测终 端包括太阳能电池、风速传感器，激光雷达、中央控制器和无线通讯单元；

太阳能电池给风速传感器、激光雷达、中央控制器和无线通讯单元供电；风速传 感器负责监测当前风速的大小，采集到的数据经由中央控制器进行模数转换，并周期 性对得到的数字信号采样，得到风速值，与预制好的风速阀值进行比较，如果风速值 超过阀值则启动激光雷达；激光雷达位于两条铁轨中心位置的正上方，固定在悬挂接 触线的杆塔侧臂，位置高于接触网且低于承力索，对接触网进行俯视测量；激光雷达 周期性发出一组由单个频率脉冲组成的脉冲群信号，其中每个单个脉冲频率都比前一 个高，且各个单个脉冲的频率差值相同，从其所在的杆塔开始，朝铁轨的一端，到与 其所在杆塔相邻的下一个杆塔为止，沿着两杆塔之间的接触线扫描一次；一个脉冲群 发射过后，将直接返回一组接触网各个点到激光雷达的直线距离和角度测量数值，经 过几何关系推导得到各点距地面的高度和其偏离铁轨中心的位置的距离，即导高和拉 出值；将每一次扫描得到的接触网测量数据与标准值进行比较，得到的差值可以描述 当前接触线摆幅的大小，当接触网的摆动的幅度超过预设的阀值时，中央控制器将启 动预警装置发出报警，无线通讯单元会将风速传感器测得的风速数据和雷达检测到的 接触网的方位数据全部封装，通过无线通讯单元发送到监控中心；监测中心通过接收 到来自监测终端传来的警报，了解在监测终端接触网的大致情况，通过接收来自监测 终端传来的数据，使用数据解码和成像技术在计算机上再现监测终端接触网摆动的模 拟场景。

本发明的有益效果是：系统不仅可以实现对接触网摆动状态的实时可视化监测， 还能够实现监测数据的可度量化，无需加入人为经验判断，结果更加精确，敏感性更 高；安装在杆塔上接触网上方的监测系统，可以在不影响机车正常通行的情况下对接 触网进行检测，实时判断接触网是否布置在正确的区域；采用的是二级预警方式，增 加设备使用率，减少人为操作，可靠性更强。

附图说明

图1为本发明激光雷达测量接触网的导高和拉出值原理图；

图2为本发明监测终端的原理结构图；

图3为本发明二级预警模式流程图；

图4为本发明安装示意图；

图中，1-接触网，2-风速传感器，3-激光雷达，4-电柜，5-杆塔，6-铁轨，7-通过 铁轨中心线并与地面垂直的平面。

具体实施方式

本系统采用二级预警模式：第一级预警为风速达到阀值时启动雷达；第二级预警 为检测到的摆动数据达到阀值时发出警报。其监测过程如图3所示，当现场风速达到 一定强度，可以对接触网的安全运行造成威胁时，一级预警启动，激光雷达开启监测 接触网的实时摆动情况；通过跟踪和记录经雷达探测得到的接触网空间方位信息，时 刻监控这些数据的变化，实现对接触网摆动状态的实时监测。当实时数据与无风标准 状况下的正常数据差距达到预定阀值时，证明接触网摆动幅度过大，威胁到机车的安 全正常行驶。这时，二级预警开启，向监控中心发出报警并传输相应雷达检测数据， 通知工作人员提前做好调度防范工作，以减少事故的发生。

本发明以雷达测距原理为基础，利用雷达成像技术；采用二级预警模式，分别以 风速、接触网摆动幅度为警报依据，最高限度的利用能源和降低人为干预；采用多点 监测技术，包含多个监测终端和一个监测中心。每个监测终端都具有唯一的标识编码， 能够确定监测地点的准确位置；监测终端用于检测现场一定风速条件下的接触网摆动 状态，监测中心用于管理和呈现监控终端采集来的监测数据。

系统的技术方案如下：

太阳能电池给风速传感器，激光雷达、中央控制器的嵌入式系统和无线通讯单元 供电。风速传感器负责监测现在风速的大小。采集到的数据经过中央控制单元的处理， 将模拟信号转换为计算机能够识别的数字信号。中央控制器周期性对将得到的数字信 号采样，并与预制好的风速阀值进行比较，如果风速值超过阀值，将启动激光雷达予 以响应。

激光雷达放置在固定接触线的杆塔上，两条铁轨中心位置正上方，与地面垂直距 离H的位置上，如图1所示。已知电磁波的传播速度是c，Δt时间后收到发射返回的 信号。根据雷达测距的原理雷达到被测物体之间的距离为当激光雷达与水 平成θ的俯角对一段接触线进行非接触式测量，脉冲遇到接触线上某样本点返回的电 磁波与铁轨的夹角记作δ，则可以推导出接触线上该样本点的导高h和拉出值a分别 是：

$h=H-\frac{s}{\sin \theta }$

$\sqrt[2]{{\left(\frac{s}{\sin \sigma }\right)}^2-h^2}$

雷达每间隔一段时间T（T越小，实时性越高）发射一群脉冲信号，从其所在的 杆塔开始，到面向其天线位置、并与其相邻的下一个杆塔为止，沿着两杆塔所支撑的 接触线扫描一次。扫描结果被传输到中央控制器中进行转化运算，得到导高和拉出值 数据。再将每一次扫描结束后的最终得到的一次完整的接触网测量数据与标准值进行 比较，得到的差值可以描述当前接触线摆幅的大小。即，差值越大，接触线的摆动越 剧烈。当接触网的摆动的幅度或频率超过预设的阀值时，中央控制器将启动预警装置 发出报警。

无线通讯单元会将风速传感器采集到的风速数据和激光雷达测得的接触网样本点 方位数据全部封装，通过3G网络发送到监控中心。监测中心接收到来自监测终端传 来的警报，启动应用程序，接收来自监测终端传来的数据，通过数据解码和成像技术， 按照时间顺序还原，将激光雷达每次扫描到的接触网样本信息进行连接，可以在计算 机上再现监测终端接触网摆动的模拟场景。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图2所示，本发明监测终端包括：供电模块、风速传感器、激光雷达、中央控 制器、预警器和无线通讯设备构成。整个系统安放在铁路两侧的杆塔上方，如图4所 示。其中激光雷达3放置在铁轨上方的正中央，固定高度高于接触线1的地方，并以 与水平成一定的俯角对一段接触线进行扫描式非接触式测量。其由两端杆塔支撑固定， 防止大风引起雷达摆动影响测量精度。供电模块的蓄电池、电源控制器、无线通讯设 备、中心控制器的嵌入式系统和预警设备被放置在一个电柜4中。太阳能电池板，风 速传感器2放置在电柜外部。

供电模块由太阳能板、蓄电池和电源控制器构成。将监控终端的风速传感器、中 央控制器，激光雷达和无线通讯设备以外挂的方式连接在电源控制器的负载端。

风速传感器用于检测现场风速情况。其接收到的风速模拟信号经过放电、滤波、 采样保持等一系列调理电路后进入中央控制器完成模数转换，变成计算机可以识别的 信号。

激光雷达通过天线向外输出电磁波并接受遇到接触网等固体反射回来的电磁波信 号，此信号是距离时间的函数，通过对回波信号分析可以判断物体与雷达直接的距离 S和角度信息（与铁轨的夹角σ），以此来确定接触网的空间位置。激光雷达在没有遇 到大风天气时处于关闭状态一方面可以降低对电能的需求；另一方面减少中央控制单 元的运算量，减少发热，从而使中央控制单元长时间保持相对良好的工作状态。

中央控制器采用嵌入式系统结构，具有能够记录监测终端所处的具体位置信息的 唯一标识符。它主要的功能有：负责控制风速传感器、激光雷达、预警单元和无线通 讯设备的工作状态；负责将风速传感器和激光雷达采集到的数据转换、运算、传输到 无线通讯设备发射到3G网络；负责通知预警设备对运算结果超过阀值的现场情况发 出报警。

具体的，中央控制器周期性在风速传感器采集来的信号进行采样并，与预制的风 速阀值进行比较，如果没有超过阀值，证明现场天气状况良好；如果风速超过阀值， 证明现场的大风天气可能威胁到接触网的安全运行，此时，中央控制器控制激光雷达 启动运行。

激光雷达每间隔一段时间发射一群脉冲信号扫描其监测的接触网。每个脉冲群中， 每个脉冲的频率都比它前一个脉冲的频率大Δf，以此区分接触线上不同点的距离和方 位。每个脉冲被雷达的接收器接受都存在时间差Δt_i和返回波的角度δ_i。经过放大、解 调、正交混频、模数转换等处理后被传输到中央控制器。中央控制器将回波信号进行 预处理，并通过运算推导出接触网上各个样本点的导高和拉出值长度 每一次脉冲群发射并返回后，采集到的所有样本点的集合就是一个 接触线空间位置的样本。

中央控制器将每一个这样的样本与无风状态下标准的样本进行比较，如果偏差大 于预定的阀值，则证明接触网的瞬时摆幅过大，偏离正常位置已经威胁到电力机车的 安全通行，需要采取措施加以修整。这时，中央控制器开启内置预警装置，将发生的 故障的类型和地理信息发送到监测中心。

中央控制器会将编辑好的所有接触网样本点数据和风速数据进行封装压缩，通过 无线通讯设备发送到无线网络中去。

监测中心通过Web服务向监测终端请求数据。接收到雷达采集到的接触网位置的 样本信息后，按照时间顺序还原，并对收集到的数据进行图像处理，并最终得到一个 接触网实时动态的剖面图像。