一种城市轨道接触网节点故障预警方法及装置与流程

本发明涉及城市轨道交通牵引供电系统领域，尤其是涉及一种城市轨道接触网节点故障预警方法及装置。

背景技术：

随着经济的快速发展，城市化的脚步逐渐的加快，城市的交通也越来越值得思考。地铁作为一种现代化、速度快的交通工具，对城市的发展起着很重要的作用。其中供电系统是城市轨道交通的重要组成部分，供电系统的可靠与安全供电，保障地铁正常运行。地铁供电系统包含两个部分：一部分为高压供电系统(外部电源)，即城市电网，常有集中式、分散式和混合式三种供电方式；一部分为地铁内部供电系统，由牵引供电系统和动力照明供电系统共同组成，将牵引变电所提供的三相高压交流整流成适合地铁车辆应用的低压直流电，馈电线再将直流电送到地铁接触网上以供地铁车辆使用，同时，还要提供车站和区间各类照明、扶梯、风机、水泵等动力机械设备电源和通信、信号、自动化等设备电源。另外，负责供电设备的运行状态监视、控制和数据采集的电力监控系统(SCADA)也属于地铁供电系统范畴。

城市轨道交通供电系统是地铁所有用电用户的电能来源，是地铁列车和机电系统运行的动力保障，其可靠性直接关系到地铁系统的安全与稳定。随着我国城市轨道线路的不断增加，其供电系统复杂程度也越来越高，地铁出现事故的概率和故障波及的范围、造成的损失也在不断增多。地铁接触网一旦发生故障，会导致地铁运营中断，产生重大的经济损失。因此对接触网关键节点的实时检测非常有必要。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种城市轨道接触网节点故障预警方法及装置，能及时发现节点故障和隐患，并准确判断出节点故障和隐患地点，从而减少寻找故障点时间，有效保障地铁安全运营。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种城市轨道接触网节点故障预警方法包括以下步骤：

1)对经过接触网节点的列车进行计数，当列车计数达到设定的计数阈值后，开启红外热成像仪，红外热成像仪采集列车经过后接触网关键节点的红外热像图和温度数据，采集结束后，列车计数清零且关闭红外热成像仪；

2)根据红外热像图和温度数据获取节点内部缺陷面积；

3)根据节点内部缺陷面积占节点总面积的占比进行节点故障预警。

所述步骤2)具体为：

21)针对某一节点，选取连续获取若干个红外热像图和温度数据，且该若干个红外热像图和温度数据与其均值的差值小于设定的差值阈值，则将该若干个红外热像图和温度数据的均值作为参考值；

22)将当前获取的红外热像图和温度数据与参考值进行对比，获取两者差值大于设定的缺陷阈值对应的区域，该区域即为节点内部缺陷区域；

23)根据节点内部缺陷区域获取节点内部缺陷面积。

所述所述步骤3)具体为：

当节点内部缺陷面积占节点总面积的占比γ为10％≤γ＜30％时，发出随时注意监测的预警，令经过节点的列车速度降低为正常速度的90％，且利用夜间空窗期进行节点检修；

当节点内部缺陷面积占节点总面积的占比γ为30％≤γ＜50％时，发出随时注意监测的预警，令经过节点的列车速度降低为正常速度的60％，且利用夜间空窗期进行节点检修；

当节点内部缺陷面积占节点总面积的占比γ为50％≤γ＜70％时，蜂鸣器报警，令经过节点的列车速度降低为正常速度的30％，且立即进行节点维修；

当节点内部缺陷面积占节点总面积的占比γ为70％≤γ时，蜂鸣器报警，令经过节点的列车速度降低为正常速度的10％，且立即进行节点维修。

所述随时注意监测的预警还令计数阈值减小，直至预警解除后，计数阈值恢复到原设定数值。

所述步骤2)中对红外热成像仪采集的红外热像图采用小波阈值理论进行图像的降噪处理。

所述接触网关键节点包括接触网分段绝缘器、绝缘棒、定位线夹处的节点。

一种实现上述方法的城市轨道接触网节点故障预警装置包括红外检测模块和故障预警模块，所述红外检测模块采集列车经过后接触网关键节点的红外热像图和温度数据，所述故障预警模块接收红外检测模无线发送的红外热像图和温度数据，并进行故障预警。

所述红外检测模块包括红外热成像仪、列车计数器、固定柱、检测处理器和第一无线传输器，所述红外热成像仪、列车计数器上下设于固定柱上，所述检测处理器分别连接红外热成像仪、列车计数器和第一无线传输器，所述第一无线传输器无线连接故障预警模块。

所述红外热成像仪为360度自由旋转的红外热成像仪。

所述故障预警模块包括第二无线传输器、故障识别处理器、报警器和显示与操作装置，所述第二无线传输器无线连接红外检测模块，所述故障识别处理器分别连接第二无线传输器、报警器和显示与操作装置。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明利用多个红外热成像仪实时检测接触网关键节点内部缺陷和断裂情况，并将检测结果实时反馈到故障识别处理器，故障识别处理器根据缺陷与无缺陷区的热扩散系数不同，其表面相应位置的温度就会有差异，利用表面的温度异常变化，确定内部缺陷的性质、形状、大小和深度，能及时发现节点故障和隐患，并准确判断出节点故障和隐患地点，从而减少寻找故障点时间，有效保障地铁安全运营。

2、本发明选择当地铁快速通过相应节点后立即开启红外热成像仪进行数据采集，由受电弓快速摩擦了相应节点，节点温度较高利于红外热成像仪拍摄，从而更加准确的反应故障信息。

3、本发明提出节点内部缺陷面积的获取方法，合理设计故障判断标准，获取可以反应节点内部情况的节点内部缺陷区域，并利用节点内部缺陷面积占节点总面积的占比，实现行之有效的关键节点故障预警。

4、本发明针对不同的故障节点，合理设计不同的预警措施，利用递进关系的预警措施来迅速恢复地铁正常运营，减少经济损失。

5、本发明经过设定数量的列车后再启动红外热成像仪，一旦拍摄完成，及关闭热成像仪重新计数，再次达到设定的数目后启动。如此循环往复，可以减少用电，以达到节约能源目的。

6、本发明将拍摄到的图像进行处理，由于红外热成像仪拍摄时可能遇到大风天气和列车运行的不平稳产生振动导致红外镜头拍摄不稳，所拍摄图片不够精确，应对热成像图像信号进行噪音信号的纠正处理，从而更精确判断接触网内部缺陷情况。

7、本发明使用简单方便、有利于推广应用，能够有效的实时检测接触网关键节点内部缺陷或节点是否断裂等故障，有显著性的市场应用价值。

附图说明

图1为城市轨道接触网节点故障预警方法流程图；

图2为红外检测模块内部结构示意图；

图3为故障预警模块内部结构示意图。

图中：1、红外热成像仪，2、列车计数器，3、固定柱，4、检测处理器，5、第一无线传输器，6、第二无线传输器，7、故障识别处理器，8、报警器，9、显示与操作装置，10、轨道，11、接触网关键节点。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一种城市轨道接触网节点故障预警装置包括红外检测模块和故障预警模块，红外检测模块采集列车经过后接触网关键节点11的红外热像图和温度数据，故障预警模块接收红外检测模无线发送的红外热像图和温度数据，并进行故障预警。接触网关键节点11包括接触网分段绝缘器、绝缘棒、定位线夹处等接触网的节点。

如图2所示，红外检测模块包括红外热成像仪1、列车计数器2、固定柱3、检测处理器4和第一无线传输器5，如图3所示，障预警模块包括第二无线传输器6、故障识别处理器7、报警器8和显示与操作装置9，整套装置应不侵入地铁界限，不影响列车正常运营，在以安全运营为基础的前提下进行安装，高架和地面加装一根固定柱3，红外热成像仪1、列车计数器2上下设于固定柱3上(地下站可利用隧道壁将红外检测模块固定)，检测处理器4和第一无线传输器5放置在线路的一个车站内，检测处理器4分别连接红外热成像仪1、列车计数器2和第一无线传输器5，第一无线传输器5无线连接第二无线传输器6，障预警模块设置在运营公司的电调中心，故障识别处理器7分别连接第二无线传输器6、报警器8和显示与操作装置9。整套装置简易，耗能低，信号传输方便快捷，从而有利于整套装置大范围商业推广。

红外热成像仪1中红外探测器与光学成像物镜接受接触网关键节点11的红外辐射能量分布图形，并反映到红外探测器的光敏元件上，从而获得红外热像图，这种热像图与物体表面的热分布场相对应。即红外热成像仪1将物体发出的不可见红外能量转变为可见的热图像。热图像的上面的不同颜色代表不同温度。本实施例中，红外热成像仪1为360度自由旋转的红外热成像仪1，对相近的节点进行扫射。第一无线传输器5采用4G无线信号传输，便于快速实时检测接触网关键节点11。

因缺陷与无缺陷区的热扩散系数不同，接触网节点表面相应位置的温度就会有差异。高性能计算机迅速判断出节点内部是否有缺陷或节点是否断裂。此装置可进行接触网节点故障预判和节点故障迅速定位的功能。从而可减少应接触网节点故障导致地铁中断运营的时间。

如图1所示，一种城市轨道接触网节点故障预警方法包括以下步骤：

1)对经过接触网节点的列车进行计数，当列车计数达到设定的计数阈值后，开启红外热成像仪1，红外热成像仪1采集列车经过后接触网关键节点11的红外热像图和温度数据，采集结束后，列车计数清零且关闭红外热成像仪1，节约能源；

红外热成像仪1由红外镜头、红外探测器组件、信号过滤放大电路、红外图像处理器构成，红外热成像仪1开始拍照，首先红外镜头接收并汇聚接触网关键节点11发射的红外辐射；其次红外探测器组件将接触网节点热辐射信号变成电信号；然后信号过滤放大电路对电信号进行处理；接着红外图像处理器将电信号转变成可见光图像，再采集温度数据，最终实现将采集信号转换成温度读数和图像。

2)根据红外热像图和温度数据获取节点内部缺陷面积，具体为：

21)针对某一节点，选取连续获取若干个红外热像图和温度数据，且该若干个红外热像图和温度数据与其均值的差值小于设定的差值阈值，则将该若干个红外热像图和温度数据的均值作为参考值；

22)将当前获取的红外热像图和温度数据与参考值进行对比，获取两者差值大于设定的缺陷阈值对应的区域，该区域即为节点内部缺陷区域；

23)根据节点内部缺陷区域获取节点内部缺陷面积。

由于红外热成像仪1拍摄时可能遇到大风天气和列车运行的不平稳产生振动导致红外镜头拍摄不稳，所拍摄图片不够精确，因此应对热成像图像信号进行噪音信号的纠正处理。步骤2)中对红外热成像仪1采集的红外热像图采用小波阈值理论进行图像的降噪处理，阈值降噪方法的思想很简单，就是对小波分解后的各层系数模大于和小于阈值的系数分别进行处理，然后利用处理后的小波系数重构出降噪后的图像。从而更精确判断接触网内部缺陷情况。

本实施例中，利用MATLAB中wdencmp函数，进行图像处理。具体步骤如下：

第一步：

[XC,CXC,LXC,PERF0,PERFL2]＝wdencmp(‘gbl’,X,wname’,N,THR,SORH,KEEPAPP)

第二步：

[XC,CXC,LXC,PERF0,PERFL2]＝wdencmp(‘gbl’,X,’wname’,N,THR,SORH)

第三步：

[XC,CXC,LXC,PERF0,PERFL2]＝wdencmp(‘gbl’,C,L,’wname’,N,THR,SORH)

wdencmp是二维小波降噪和压缩的导向函数。它使用小波，对信号或图像执行降噪或压缩过程。

Wname是所用的小波函数。Gbl表示每层都采用同一个阈值进行处理。Lvd表示每层用不同的阈值进行处理。N表示小波分解得层数。THR为阈值向量，对于第一步和第二步每层都要求有一个阈值，因此阈值向量THR的长度为N。SORH表示选择软阈值或硬阈值(分别取值为’s’和’h’)。参数KEEPAPP取值为1时，则低频系数不进行阈值量化，反之，则低频系数要进行阈值量化。XC是降噪或压缩后的信号，[CXC,LXC]是XC的小波分解结构，PERF0和PERFL2是恢复和压缩L平方的范数百分比。

3)根据节点内部缺陷面积占节点总面积的占比γ进行节点故障预警。接触网关键节点状态监测与措施的关系如下表所示：

表1接触网关键节点状态监测与措施关系

随时注意监测的预警还令计数阈值减小，直至预警解除后，计数阈值恢复到原设定数值。

通过上述装置和方法不仅可以预判接触网关键及节点故障，还可以及时定位节点故障位置，为地铁高效运营提供一定的保障。