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铁道运输与经济RAILW AY TRANSPORT AND ECONOMY第 45 卷 第 11 期基于MEMS光纤传感技术的重载铁路接触线硬点检测方法研究Research on Hard Spot Detection Method of Heavy-Haul Railway Catenary Based on MEMS Fiber Optic Sensing Technology曹熙1，张冰1，孙飞2，王志良1，王军伟1CAO Xi1，ZHANG Bing1，SUN Fei2，WANG Zhiliang1，WANG Junhwei1(1.中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所，北京 100081；2.国能朔黄铁路发展有限责任公司 机辆分公司，河北 沧州 062350)(1.Locomotive&Car Research Institute,China Academy of Railway Sciences Corporation Limited,Beijing 100081,China;2.Locomotive Car Branch,Guoneng Shuohuang Railway Development Co.,Ltd.,Cangzhou 062350,Hebei,China)摘要：作为接触网平顺性检测的主要内容，硬点检测对于保障重载铁路预防恶性弓网事故有着重要作用。相较于传统电学传感器检测技术，MEMS光纤传感技术的硬点检测系统具有不需供电、良好绝缘性能等优势，可以作为替代传统电学类检测设备的检测系统。以神华号运营电力机车为平台，以接触网硬点检测监测为目标，根据朔黄铁路应用特点，研制基于MEMS光纤传感器技术的重载铁路接触网硬点车载监测系统软硬件，其具备重载铁路接触网硬点指标在线监测、故障预警、智能分析、自动上传等功能。神华号运营电力机车已进行朔黄铁路上下行接触网实时硬点检测，获取大量有效硬点监测数据并生成测试结果分析报表，完成了系统设备在朔黄铁路现场的示范应用。关键词：重载铁路；接触网；平顺性；光纤；硬点Abstract:As the main indicator of catenary smoothness detection,hard spot detection plays an important role in preventing malignant pantograph-catenary accidents in heavy haul railways.Compared with traditional electrical sensor detection technology,the hard spot detection system of MEMS fiber optic sensing technology has advantages such as no power supply and good insulation performance,which can be used as a replacement for traditional electrical detection equipment.Taking Shenhua Electric locomotive as the platform,this paper aimed to detect catenary hard spots and developed software and hardware for an on-board monitoring system of heavy-haul railway catenary hard spots based on MEMS optical fiber sensing technology according to the application characteristics of Shuohuang Railway.The software and hardware had the functions of online monitoring of heavy-haul railway catenary hard spot indicators,early fault warning,intelligent analysis,automatic data upload,etc.With Shenhua Electric locomotive in operation,this paper carried out real-time hard spot detection on the up line and down line of Shuohuang Railway,obtained a large number of effective hard spot monitoring data,generated test result analysis reports,and completed the demonstration application of system equipment on the Shuohuang Railway.Keywords:Heavy-Haul Railway;Catenary;Smoothness;Optical Fiber;Hard Spot 文章编号：1003-1421（2023）11-0130-08 中图分类号：U264.3+4 文献标识码：ADOI：10.16668/ki.issn.1003-1421.2023.11.16引用格式：曹熙，张冰，孙飞，等.基于MEMS光纤传感技术的重载铁路接触线硬点检测方法研究J.铁道运输与经济，2023，45(11)：130-137.CAO Xi，ZHANG Bing，SUN Fei，et al.Research on Hard Spot Detection Method of Heavy-Haul Railway Catenary Based on MEMS Fiber Optic Sensing TechnologyJ.Railway Transport and Economy，2023，45(11)：130-137.-130曹熙 等 基于MEMS光纤传感技术的重载铁路接触线硬点检测方法研究0引言重载铁路是我国煤炭运输的大动脉，随着规模化开行万吨、2万吨重载列车的常态化1，给重载铁路基础设施的稳定安全高效运行带来了巨大的挑战。电气化铁路接触网系统作为铁路基础设施的一个易发故障薄弱环节2，本身具有对周围环境的敏感性、无备用性、电气负载波动性等特点，再叠加行车密度大、高粉尘、高牵引负载功率、高轴重带来的耦合振动等重载铁路工况下的不利因素3，因此对重载铁路接触网系统日常保障维护提出了更高的要求，只有加强重载铁路接触网系统全时段的全面检测和评价，及时发现缺陷并指导现场检修，才能更好地保障重载铁路运输服务。接触网平顺性是评价弓网关系的一个重要指标，接触网良好的平顺性是机车运行时受电弓从接触网上持续稳定获取电流的必要条件4。一旦接触网平顺性恶化，极易引发打弓、断线等恶性事故，导致铁路运输中断，带来巨大经济和社会损失。作为接触网平顺性的主要指标，硬点是指接触线底面不平顺或接触线铅垂弹性突变的点，实际测量的是受电弓滑板的垂向振动加速度5，通过受电弓滑板在滑行取流时的振动特性来直接表征接触网平顺性。一直以来，不论是电气化铁路供电安全检测监测系统(6C系统)还是城市轨道交通初期运营前安全评估测试6，硬点检测都是必不可少的，通过实时测量弓网运行时的硬点值为评估接触网状态提供重要依据。1硬点检测现状及MEMS光纤传感器技术的应用优势1.1硬点检测的应用技术现状目前接触网硬点检测主要通过在专用网检车受电弓上安装硬点检测设备来定期测量全线硬点，采用的几乎都是传统的电学类加速度传感器7。由于AC 25 kV供电制式下的绝缘要求，电学类传感器信号无法直接接入车内的采集设备处理，故需在高压绝缘子上方、受电弓框架上安装专用信号处理设备，把传感器电信号调理成光信号，再通过绝缘光纤接入车内进行处理。同时电学类传感器及信号处理设备均需要电源供电，目前专用网检车大量采用车顶加装AC 25 kV隔离变压器对弓上高压侧检测设备进行供电，传统电学类弓网硬点监测设备安装示意图如图1所示。经过多年的运营实践，现有的专用网检车上的硬点检测设备也暴露出一些不足，主要表现为：需要在受电弓框架上安装较大体积的信号高低压隔离处理箱，不仅影响受电弓的气动效应，而且存在很大的设备掉落安全隐患；由于重载铁路沿线煤灰较大，隔离变压器暴露安装在车顶，容易沾染煤灰等污秽，日常维护擦拭又难以及时处理，具有较大的电气绝缘失效风险；网检车的检测频次有限，无法做到全天候全时覆盖检测，难以第一时间发现硬点缺陷指导检修。1.2MEMS光纤传感器技术在硬点检测应用的优势光纤传感器无源、宽温、微型化、宽频、灵敏度高、高精度、抗电磁干扰和免维护8，特别适合于易燃易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境，其中基于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)技术的传感器具备体积小、质量轻、功耗低、精度高、可批量生产等优势，已被广泛应用于多种振动测量场景。MEMS光纤传感技术采用芯片级MEMS光纤传感器，具有MEMS传感器和光纤传感器的共同优点，能够进一步提升光纤传感器的应用性能，非常适合应用到弓网监测测试场景9，光纤传感器与电学传感器对比如表1所示，与传统网检车电学类硬点检测设备相比，具有以下显著优点：MEMS图1传统电学类弓网硬点监测设备安装示意图Fig.1Installation of traditional electrical pantograph-catenary detection equipment for hard spot-131曹熙 等 基于MEMS光纤传感技术的重载铁路接触线硬点检测方法研究光纤传感器作为无源器件，不需要供电，免除车顶隔离变压器，提升设备的安全性；光纤传感器信号无需信号隔离变换，能够直接接入车内光纤解调仪，去除受电弓框架上的信号处理箱，大大简化弓上安装设备，传感器光纤信号不受环境复杂电磁干扰的影响，有利于后续分析处理；MEMS光纤三轴加速度传感器可以同时测量受电弓滑板X-Y-Z方向的加速度，能够更全面地表征受电弓滑板的振动情况10，评估接触网平顺性；MEMS光纤加速度传感器尺寸小，借助于现有螺栓安装孔，可以方便嵌入和集成安装于受电弓滑板下方，不改变受电弓的弓头结构；电学传感器内部的压电晶体对于复杂振动环境下适应性一般，长期使用性能易衰退，需逐年标定，而光纤传感器内部的硅基MEMS芯片采用芯片级整体封装，性能稳定且耐外界复杂 过 载 冲 击，使 用 寿命长。2MEMS 光 纤 传 感技 术 在 朔 黄 铁 路实际应用设计2.1基于MEMS光纤技术的 硬 点 检 测 系 统硬件组成接触网硬点检测样机在朔黄铁路(神池南黄骅港)一台神华号运营电力机车上装车试用，MEMS光纤加速度传感器安装示意图如图2所示，以朔黄铁路接触线平顺性综合监测为目标，建立满足朔黄铁路开行30 t轴重货物列车需求的牵引供电综合检测监测系统。感知端主要由安装于B节车受电弓滑板下方的MEMS三轴光纤加速度传感器构成，实现弓网硬点的高频检测，最高检测频率达到2 kHz。选取受电弓滑板下方弓头支架与滑板连接处螺栓作为安装位置，拆除该连接处螺母，将带有工装的加速度传感器通过原有螺栓安装于此，并恢复螺栓原有紧固状态。光纤式加速度传感器信号线沿导流线固定，将信号传输光纤沿受电弓“上臂杆上下臂杆连接转轴下臂杆下臂杆底座连接转轴底座框架”的路径使用扎带每隔1020 cm对线束进行绑扎固定，信号光纤穿过绝缘白管到达车顶平面，最终通过车顶进线弯管接入车内光纤传感分析仪，进行数据采集、发送和存储，并实时将数据传输至供电综合检测系统数据处理分析中心。从低压电器柜处取DC 110 V直流电源并在导表1光纤传感器与电学传感器对比Tab.1Comparison between fiber optic sensors and electrical sensors传感器供电绝缘处理电磁辐射敏感体积精度寿命/年工作温度/光纤传感器不需供电不需要不敏感小100 g，1%FS10-100200电学传感器需要供电需要敏感大100 g，1%FS2-55125图2MEMS光纤加速度传感器安装示意图Fig.2Installation of MEMS fiber optic acceleration sensor-132曹熙 等 基于MEMS光纤传感技术的重载铁路接触线硬点检测方法研究轨上安装弓网硬点监测断路器来控制供电；从信号柜的TAX2型机车安全信息综合监测装置TAX通信接口处获取LKJ数据用于硬点监测系统里程定位，车内设备安装位置示意图如图3所示。2.2运营机车车载接触网硬点检测监测系统软件架构2.2.1软件总体架构接触网硬点检测监测系统框架如图4所示，由3部分组成。其中车载软件系统位于车端，通过对加速度传感器进行数据采集与处理，得到硬点测量数据及异常告警数据；车地通信系统用于车端与地面进行硬点检测数据传输；地面专家系统接收车端的硬点检测数据并储存在地面数据库并打印输出诊断结果，进行可视化展示。2.2.2车载硬点检测系统软件定义车载硬点检测系统包括车载主软件、TAX2程序、车地通信组件、守护进程共4大部分。车载硬点检测系统各子系统说明如下：车载主软件，实现对MEMS光纤三轴加速度传感器采集数据进行处理，实时计算分析得出测量异常值，最终将形成测量数据与异常告警2类数据；TAX2程序，该程序通过TAX2接口与主软件进行交互，TAX2数据储存在共享内存内，该共享内存将被主软件取用；车地通信车端组件，用于与地面端进行车地数据传输；守护进程，该软件上电开机自启，无人值守自动监控其他程序是否处于运行状态。2.2.3车地通信系统软件定义车地通信根据项目的不同可分为 3 种类型：车端主动模式，在此模式下，车载端主动将数据推送至地面服务；地面主动模式，数据请求由地面发起请求，车载端进行响应；中转模式，在此情况下存在1个私有云服务器，由服务器进行数据中转。2.2.4地面专家系统软件定义地面系统由3部分组成，分别为数据库、车地数据接收、地面专家软件，地面专家系统拓扑图如图5所示。车地数据接收用于接收车端发送过来的数据，并对数据进行处理，最终转储到数据库内；数据库用于储存系统信息，包括3类数据表：列车信息表、测量数据表、告警数据表；地面专家软件实现基于数据库的数据对外提供WEB访问服务，用户可查询列车实时信息、车辆的测量数据及告警数据。3实际线路运营工况检测测试结果分析3.1现场测试情况车载监测软件具有无人值守、自动采集、报警数据自动回传、自动生成缺陷报表等功能，不需要人工介入就能实现硬点数据的实时采集分析处理，图3车内设备安装位置示意图Fig.3Installation position of on-board equipment图4软件系统架构Fig.4Software system architecture图5地面专家系统拓扑图Fig.5Topology of ground expert system-133曹熙 等 基于MEMS光纤传感技术的重载铁路接触线硬点检测方法研究车载检测监测软件平台界面如图 6 所示。2023 年6月21日开始，随神华号运营电力机车进行朔黄铁路上下行接触网实时硬点检测，运营范围为朔黄铁路神池南黄骅港全线上下行区间，运营机车行驶速度不超过80 km/h，对2023年6月21日2023年7月4日检测情况统计，得到神华号机车检测情况如表2所示，对检测的结果进行处理，验证系统数据处理分析功能。3.2受电弓滑板振动加速度动态响应分析系统实时采集安装在受电弓滑板下方的MEMS光纤加速度传感器的三轴方向测量数值，对于三轴加速度方向定义如下：垂向加速度即传统定义上的硬点，与重力加速度同向11；纵向加速度与列车运行方向同向；横向加速度与受电弓滑板长度方向同向。电力机车运行时，受电弓与接触线保持贴合的同时滑动取流，接触线会对滑板带来摩擦与冲击振动12，实时测量受电弓滑板的振动加速度，通过数据处理单元对采集到的数据进行处理和分析，提取出反映接触线平顺性的特征参数，如振动幅度、频率等13。如果接触线上存在质量不均匀点(硬点)，会给滑板带来异常的冲击，产生振动加速度大值，接触网某处所测加速度数值图如图7所示，加速度传感器检测到在该位置上三方向上均存在离群点大值14，能同时有力佐证该处接触网存在硬点大值，其中该处垂向加速度最大值为41 g，纵向加速度最大值为15 g，横向加速度最大值为20 g。3.3测试结果分析对表2所示的朔黄铁路上下行各4趟接触线硬图6车载检测监测软件平台界面Fig.6Interface of on-board detection and monitoring software platform表2神华号机车检测情况Tab.2Inspection report of Shenhua Electric locomotive日期6月21日6月23日6月25日6月26日6月29日7月1日7月3日7月4日检测区段始发站肃宁黄骅港黄骅港黄骅港神池神池神池神池始发时间16：5108：4701：1307：5006：5517：0414：2518：58终到站神池神池神池神池黄骅港黄骅港黄骅港黄骅港终到时间23：5820：5416：2618：0219：1304：4401：3505：59测试线路(上行/下行)下行下行下行下行上行上行上行上行图7接触网某处所测加速度数值图Fig.7Value of acceleration measured at a certain spot in catenary-134曹熙 等 基于MEMS光纤传感技术的重载铁路接触线硬点检测方法研究点测量数据进行分析，得出朔黄铁路上下行全线硬点数据分布，下行线硬点数值如图8所示，上行线硬点数值如图9所示。由于轨道线路不平、机车运行过程中车体晃动等原因，检测中也会检测到硬点15，但这不是接触网的本身原因。但如果同一位置连续3次及以上出现硬点大值，则说明该处接触网确实存在硬点缺陷16，必须进行检查处理。由图8、图9可以看出朔黄铁路上下行正线硬点数值主要分布在0196.0 m/s2范围，通过整理分析6月21日7月4日期间上下行多趟硬点检测数据，发现多处位置的硬点测量大值在多趟检测过程中重复出现，列举了朔黄铁路上下行线的接触网硬点检测数值超过147.0 m/s2的大值点位置，得到上行线部分硬点大值点如表 3 所图8下行线硬点数值Fig.8Down line hard spot value图9上行线硬点数值Fig.9Up line hard spot value-135曹熙 等 基于MEMS光纤传感技术的重载铁路接触线硬点检测方法研究示，下行线部分硬点大值点如表4所示，已建议供电维保部门现场排查。建议接触网维保部门从以下几方面进行现场排查：检查导线是否存在硬弯或者表面损伤；检查现场导线坡度变化以及相邻吊弦间高差是否存在问题；检查中心锚结处线夹安装是否存在异常；检查锚段关节处或电分相处两转换柱之间导线交叉处是否水平，等高部位接触线长短是否合适17；关注小半径曲线处，定位点处导高与第一吊弦处接触线高差是否过大，导致定位点处受力较大而产生硬点。4结束语基于MEMS光纤传感技术的接触线硬点检测监测系统，相比传统的电学类传感检测系统，是一种更高效、简化、精确、安全的车载弓网检测技术手段，通过车载软件的无人值守功能设计，在重载机车运行时，无需人工介入，即可在线自动检测记录接触网硬点参数等信息。经过工程实际运用验证，通过运营机车搭载检测的形式，提升了日常接触网硬点检测的频次，对于及时发现硬点缺陷隐患、监测缺陷劣化趋势提供了数据支撑，契合了当前规模化开行万吨、2万吨重载列车形势下对于牵引供电系统供电设备安全运行监测的高要求。参考文献：1 段宏海，宋丽莉，张进川，等.2万吨列车条件下神池南站到发线运用方案研究J.铁道运输与经济，2022，44(10)：9-18.DUAN Honghai，SONG Lili，ZHANG Jinchuan，et al.Application Scheme of Arrivat-Departure Tracks of Shenchinan Station under the Condition of 20 000-ton TrainsJ.Railway Transport and Economy，2022，44(10)：9-18.2 于万聚高速电气化铁路接触网M.成都：西南交通大学出版社，2003.3 吕阶军，贺宏军，蒋聪健.面向重载机车智能运维的车载弓网检测系统集成研究J.机车电传动，2021，64(4)：105-111.LYU Jiejun，HE Hongjun，JIANG Congjian.Integration Research of Pantograph-Catenary Detection System for Intelligent Operation and Maintenance of Heavy-haul LocomotiveJ.Electric Drive for Locomotives，2021，64(4)：105-111.4 中华人民共和国铁道部.轨道交通受流系统受电弓与接触网相互作用准则：TB/T 32712011S.北京：中国铁道出版社，2012：4-8.5 British Standards Institution.2012 Railway Applications-Current Collection Systems-Requirements for and Validation of Measurements of the Dynamic Interaction between Pantograph and Overhead Contact Line：BS EN 50317S.London：British Standards Institution，2012：5-8.6 戴源廷，姚建伟城市轨道交通初期运营前轮轨及弓网关表3上行线部分硬点大值点Tab.3Positions with high hard spot values on up line上行/下行上行位置代号1234567891011121314157月3日测量硬点值/(m/s2)196.0225.4245.0166.6245.0225.4186.2294.0264.6176.4176.4294.0225.4215.6176.4相同位置硬点大值累计次数444444444444444表4下行线部分硬点大值点Tab.4Positions with high hard spot values on down line上行/下行下行位置代号1234567891011126月25日测量硬点值/(m/s2)245.0441.0392.0205.8196.0245.0205.8264.6264.6156.8147.0245.0相同位置硬点大值累计次数444444444444-136曹熙 等 基于MEMS光纤传感技术的重载铁路接触线硬点检测方法研究系测试J.现代城市轨道交通，2019，16(8)：7-11DAI Yuanting，YAO Jianwei.Testing on Interfaces of Wheel-Rail and Pantograph-Overhead Contact System(OCS)in the Initial Operation of Urban Rail Transit J.Modern Urban Transit，2019，16(8)：7-117 周 宁，蔚 超，谭梦颖，等.弓网系统动态及受流性能测试技术研究及应用J.铁道学报，2020，42(3)：47-54.ZHOU Ning，WEI Chao，TAN Mengying，et al.Investigation on and Application of Measurement Technology of Dynamic Performance and Current Collection Quality of Pantograph-Catenary SystemJ.Journal of the China Railway Society，2020，42(3)：47-54.8 MAURIN L，FERDINAND P，LAFFONT G，et al.High Speed Real-time Contact Measurements Between a Smart Train 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