高铁受电弓智能检测监测红外热像应用解决方案

一、行业背景资料

去年“五一”假期首日，也就是疫情以来可以正常出行的假期首日，很多人却“崩溃”了：他们被堵在了北京西站，“五一”假期被迫结束。因为北京铁路交通重要枢的北京西站瘫痪至深夜，数万名乘客被迫滞留在车站两个广场达10多个小时。

据官方通报，5月1日，京广高铁定州市境内因大风天气吹扬地膜（农民用来覆盖农地的塑胶薄膜），致接触网（向动车供电的输电线路）故障停电，造成京广高铁动车晚点到达北京西站。 高铁接触网近年来因天气或异物搭挂导致故障停电的事故，并不少见，如今年4月清明假期，沪宁高铁接触网因挂了风筝导致晚点。

受电弓/接触网关系是高速电气化铁路安全运行的核心关系之一，弓网系统较好的服役性能是保障高速列车可靠、安全运行的基本条件。

2012年之后铁道部先后印发了6C系统统一技术规范等多项规范，要求提升接触网和受电弓的检测监测手段和技术水平，实现对接触网和受电弓的全覆盖检查。

二、方案分析

为了实现铁路管理信息化、智能化的目标，我们提出了高铁受电弓智能检测监测红外热像应用解决方案；

该方案采用安装在电力机车上的网络型在线式红外热成像仪，在电力机车运行时对接触网电气设备关键节点进行连续不间断的温度状态监测，并将监测数据实时记录在存储器中，通过对实时监测到的目标温度数据进行分析处理，生成数据报告，定位接触网电气设备的故障点。实际运行情况表明，系统输出的温度异常信息可以为预先排除接触网电气设备故障隐患提供依据，实现了接触网检测电气设备管理从维护运行到状态运行的很大的提升。

选型产品环境适应性需求

铁路弓网为电力机车输送电能，其质量和工作状态直接影响铁路的运输能力和安全。作为露天设置的接触网，常年暴露在室外，易受污染、腐蚀、摩擦等影响，品质下降，进而影响机车电力输送及引发相关安全问题。在高铁上增加视频监控设备中，视频监控对前端采集设备性能要求较高，且由于有长期震动，地域跨度大，经历严寒酷暑，以及体积等局限，要求设备必须抗震、大范围温差内工作，具备较强适应能力及24小时监控能力。

系统设备为工业级产品，能满足室外防水，防潮，防尘防震的要求，能够适应恶劣气候条件，露天设备应有防雷措施。

监测系统功能要求

对受电弓部件缺失，弓网关系异常等状态进行监测.具有对检测出的数据和图像进行记录,分析,判断，整理的功能， 及时发现受电弓滑板的异常状态以指导接触网维修。

三、方案目标

智能监测方案要达到的目标：

将目前的计划修+故障修的模式逐步向状态修模式的转变，以大数据技术与智能图像识别分析技术+热成像技术结合  

红外热成像温测技术通过在车辆运行过程中，24小时实时观测受电弓表面热状态分布，每秒钟可采集高达百幅的红外热图，定位和诊断受电弓异常，具有不停运、不接触、快速、直观的特点，配合后端的智能分析算法，实时监控受电弓的当前工作状态，通过对电气设备表面的热像图分析，判断和诊断设备状态及其隐患和缺陷并对潜在的故障和发热进行提前报警，这对于及时发现、处理、避免潜在事故的发生起到关键而有效的作用。

方案产品选型要求：

检测效率较高：采用在线测温检测方式，检测效率高；选型红外热像仪能做到测温速度快、日夜监控、安全、方便的测温。

自动化程度高；检测过程和监控录像自动执行;

具有视频采集、离线拉弧检测、高温异常点检测、受电弓电流实时采集、数据分析与报警功能，报警界面；

全天候检测：无论雨、雪等恶劣天气均可检测，不受气候条件影响：技术可靠:采用非接触的图像测量技术在体现技术的同时，提高了系统的可靠性。大屏幕显示技术，实现了受电弓车顶状况的室内可视化观测。

24小时全天候监测，低照度、透烟雾、透水雾监测；IP66高防护等级，可在恶劣天气下正常运行。系统能在恶劣的气候环境中正常工作，具有较强的低温环境防护，以及抗高温、高湿度的性能。无论是刮风下雨，酷热潮湿，还是低温寒冷，都可以实现不间断自动监测，在北方严寒地区以及南方的高温酷热地区的关键设备工作状态监测正常进行。

红外智能在线实时监测系统是集可见光、红外热成像和嵌入式处理技术于一体的实时监控、监测系统，系统可对受电弓进行自动巡检、实时监测、自动预警、实时获取设备故障状态的热信息，并融入大数据技术与智能图像识别分析技术，具有不停电、远距离、安全可靠等特点，实现在线监测和设备状态检修有效的方法。

FC-R 特性优势分析：

• 内置视频分析器，具备识别计算能力；测温快速，均匀性好，在随着场景的变换过程中，系统总是在瞬间就能得到观察到的场景所有温度，图像均匀性高，不会因为场景的变化而产生测温的差异。

• 校正测温功能适用于火灾探测、安全监控和设备热温监控

• 多种告警通知选择，包括电子邮件、数字输出或VMS报警

• 适合与第三方分析设备配合使用

具有较好的标准性、开放性、集成性、安全性、可扩充性及可维护性

• 可通过web或手机应用配置热像仪

• 宽动态范围热成像，适用于威胁侦测   

• 实时在线监测，实时图像，图像无延时现象

图像帧率为每秒25帧，实时图像，不会出现图像停顿、图像滞后以及跳跃感。避免了在操作人员进行云台转动控制和镜头焦距调节过程中，出现图像滞后导致调节及观测困难的情况。

四、方案应用

采用在线测温功能的红外热成像仪FLIR FC-R ，可实现在线监测+智能分析两个功能。

在线监测

只有在系统还未出现故障时就要把故障检测出来，并采取有效应对措施，实现提前预判决故障至关重要。预防检测就成了一个手段，电力系统故障最初表现就是发热，不正常的发热现象就是故障的直接表现。通过高速红外热像仪实时进行观测，每秒钟可采集达百幅的红外热图，再配合后端的智能分析算法，就能实时监控受电弓的当前工作状态，对潜在的故障和发热进行提前报警，从而有效的避免了潜在事故的发生。

红外热成像仪不受光线影响的特点，适合在隧道等光线不足的情况下使用，采用红外热成像仪，对受电弓与接触网之间的接触不良所产生火花、电弧，接触网故障、电弓损坏故障等，都能了如指掌，让故障点、高温点无所遁形，为列车的安全平稳运行的保障。

系统检测包括以下几个方面
高架接触网悬链检测

碳滑块磨耗检测
碳滑块断裂监测
受电弓部件缺失监测

偏移量异常监测(弓网关系)
倾斜度异常监测(弓网关系)

系统应具有超限报警的功能:对碳滑板磨耗超限，碳滑板断裂缺损，弓网关系异常(倾斜度及偏移量超出正常范围)及部件缺失等受电弓异常工作状态进行报警。

高架接触网悬链检测

高架接触网悬链该系统悬浮或桥塔之上，易受机械张力的影响，交通线路过于繁忙时，主高架接触网悬链通常容易过热产生连接故障，导致接触线受热延伸甚至失去张力变得松弛，接触线围绕集电弓蜷曲的可能性变大，甚至导致列车高出轨道电线堵塞等，这将使得电线维修耗费大量的时间，会出现安全隐患等后果。

高架接触网悬链是一种为列车头或列车供电的悬浮线系统，通过集电弓导电。悬链系统至少使用两条线：一条悬缆线或悬链，通过高度差或连接线为接触线提供支持。该系统悬浮在桥塔之上，易受机械张力的影响。

如下图所示为两条电缆的接合点。

弓网系统在高速列车牵引供电系统中的位置（图片来源于网络）

FC-R 对每个测点的地理位置、测量值或工作状态进行连续采集，如出现异常，系统会自动生成报警（声光报警、短信报警、邮件报警可选），通知到相关人员，将可能出现的险情消灭在萌芽状态。

接触网检测

接触网连接件发生过热的主要原因有：

（1）氧化腐蚀。由于外部热缺陷的导体接头部位长期裸露在大气中，长年受到日晒、雨淋、风尘结露及化学活性气体的侵蚀，造成连接件导体接触表面严重锈蚀或氧化，氧化层都会使金属接触面的电阻率增加几十倍甚至上百倍。

（2）连接件接头松动。导体连接部位在长期遭受机械振动、抖动或在风力作用下摆动，使导体压接螺丝松动。

接触网有很多接头、回流线等，牵引变电有变压器、熔断器、断路器及所有配电线等。使用红外热像仪可以发现接头松动或接触不良（抽头变换器）、套管过热、过载、三相负载不平衡等隐患（见图）。其影响为产生电弧、短路、烧毁、起火。接触网连接件容易受到外界因素的影响发生过热，严重时造成供电中断，引发列车停运事故。

地面监测，要严控关键设备，通过红外测温及地面固定监测装置，实现对关键设备的实时监控、故障预判。同时，结合高铁高压电缆屏铠在线监测装置，为高铁关键设备安全提供保障。

弓网监测

铁路系统很早就将热像仪运用于设备的安全检修上，通过其对电气设备和线路的热缺陷进行探测，这对于及时发现、处理、预防大事故的发生可以起到关键而有效的作用。

以上图片来源于网络

火车头部顶部热成像图 

可将红外热成像设备安装于车顶，对受电弓和接触网的连接处进行温度探测，实时监测接触网故障点，如果在列车行进中发现故障点，将产生瞬间高温，热像仪可以记录该时刻高温值和故障点位置，以便检修人员及时进行修复。

通过螺栓压力的大小，能够对其是否松动进行实时监控，避免了紧固件脱落而造成的安全隐患。

利用固定在机车顶部的“可见光”和“红外热像”双镜头，对机车运行中的弓网接触状态进行红外成像和几何参数采集，并通过无线通讯传送至终端服务器和发出阈值告警。

 

固定在机车顶部的“可见光”和“红外热像”双镜头（图片来源于网络）

FC-R 系列红外热像仪可用于监测具体区域的温度。当监测温值达到或超出预设值温度时，将会收到以电子邮件、数字输出或VMS报警等形式发出的通知。

五、智能监测应用

采用测温功能的FLIR-R固定式红外热成像仪 ，通过红外热像仪24小时实时进行观测，每秒钟可采集达百幅的红外热图，再配合后端的智能分析算法，能实时监控受电弓的当前工作状态，对潜在的故障和发热进行提前报警，从而避免了潜在事故的发生。智能分析系统装置实现了对列车车顶图像的完整采集，既可通过激光定位技术定位列车升起受电弓图像，也可采用图像定位法提取整列车未升起受电弓的高清图像；具有对检测出的数据进行分析、判断、整理的能力。

智能监控方案优势分析：

设备自动识别管理

采用算法对与系统采集的热图进行自动识别，通过图像配准的方法识别出该热图有效的设备目标，保证温度检测的有效性。

防误报识别系统

所有温度测量都基于有效的目标识别，根据巡查策略可以只测量标记过的设备，对于外界的干扰热源自动剔除，有效减少误报的产生。

自动预警

发现目标设备温度异常自动报警，报警信息有文字信息和声音信息，提示运行人员具体的报警位置状况信息，以便跟踪故障点，确认告警情况并排除故障。

自动生成报表

系统软件可自动生成单幅红外图像的设备接点温度分析报表或综合报表，即系统可自动记录每次测温时的温度值，并生成温度报表，以反应该接点在某一时间段内的温度变化情况。

数据具有可对比性

系统可以给出所有处于巡检策略的设备在一段时间内每天同一时间的温度变化趋势，该温度变化趋势结合其他在线检测系统的数据（如该设备的电流变化趋势），可以方便对本设备的工作状态给出判断。

自动位置校准功能。

采用图象识别技术，自动对运行误差进行校正，保证能采集到设备部件温度状态。

红外热像智能监测方案案例

通过车顶设备记录受电弓和接触网的工作状态，并传输到电子柜中的各单项采集装置内生成数据，再输送到电脑的分析软件中进行分析和对比，查看采集到的数据是否超标。智能识别技术能有效地克服系统生成大量图片，人工检索劳动强度大、工作效率低、检索准确性不能得到保证的弊端。

装置检测数据通过无线方式进行传输，装置终端软件实现对图像等数据的综合管理，支持图片局部放大、图像质量增强以供用户进去缺陷确认；    

红外热成像，智能分析，接触网动态几何参数：如接触线高度、拉出值，接触线相互位置等，测量弓网燃弧次数、燃弧时间和燃弧率。

远程监测原理

系统中红外热像仪采集红外热图，由前端热像仪测温工作，将红外图像及原始测温数据传输到信息中心或现场工作站，无信号压缩、信号无损失、抗干扰性较强，保证测温数据的准确性、稳定性。    

并实时测量监控设备的表面温度，通过PAL视频接口、RJ45接口将红外热图及温度数据传输到监控主机，用户可在监控主机上实时观测现场设备的运行情况，同时监控主机可将图像、温度数据压缩，通过网络设备向局域网发送，实现网络实时监控。

配管理软件

通过配置相应的传感器及报警器，将监测信号从过工业环网传输到监控中心，再通过配套的综合管理软件对数据进行分析。

管理软件对每个测点的地理位置、测量值或工作状态进行连续采集，如出现异常，系统会自动生成报警（声光报警、短信报警、邮件报警可选），通知到相关人员，将可能出现的险情消灭在萌芽状态，避免造成大的经济损失及影响铁路的正常工作。

六、人工智能分析

在大数据时代，融入快速的人工智能解决方案是行业发展趋势，尤其红外热成像技术结合深度学习分析，智能感知监控领域的应用。

在线监测系统与人工智能分析的结合 

目前，分析室已经实现了每旬随车添乘对高铁、城际数据的全下载，通过弓网关系的及时分析为接触网精检细修提供参考数据。通过智能图像识别技术分析识别车顶和车侧状态，进行异常识别和报警。同时配备高速、较高分辨率图像分析测量技术和现代传感技术，实现受电弓关键特性参数的在线动态自动检测和车顶关键部件、车顶异物的室内可视化观测，用于动车组的受电弓和车顶设备检测。

进行高清图像采集，确保列车在快速通过时形成清晰无拖影的图像，再通过图像智能识别算法提取图像，从而实现对故障定位。通过在轨旁安装磁钢传感器，计量轮轴轴数，从而判断弓位，定位故障弓。

海量数据实现精细分析

有了大数据的平台就很明了，在平台上我们可以很清晰地查看到每个站的每个设备的所有信息，而且它们的每个实时状态都及时地显示在平台上，我们知道每个设备的状态和去向，这也更有助于我们分析故障的原因，从而较快地解决每个故障。 

对列车发生的实时故障以及基于运营经验设置的预警条件产生的异常状态实时报警，根据报警的相关变量进行快速分析，定位故障原因，提供预定义的故障处置指导。同时系统能够结合根据运营经验、易产生故障的工况，在大数据积累的过程中，可灵活根据运营情况，设置模式条件及报警内容实现对列车预警信息的灵活性配置功能，当配置完成后，提前预判故障的发生，并发出提示，提醒地面监控人员重点关注，减少列车故障发生。

系统基于大量历史数据的深度挖掘，达到列车故障的预测，已经相关故障处置准确的智能指导，检修相关工单、物料及人员的自动安排，实现系统未保存故障的自动学习，不断自动完善专家系统。

根据系统建议达到优化完善整个地铁网络运维管理规程策略的目的，实现复杂装备的系统级故障预测，即在装备可能多故障并发的情况下，确定可能的故障部件，并提前预测故障时间，列车及关键复杂装备系统级故障预测。

测温预警方案其他领域
其它主要应用领域包括：油田--监控输油管道是否漏油；煤堆--温度过高是否有自燃现象等等 ，发电及配电，变电监控站，关键设备监控，天然气处理，输送及存储，存储区防火，火焰检测，煤堆场防火，木材存放区防火，废料存放区防火。

审核编辑 ：李倩