摘要：接觸網(wǎng)補償器是一種自動調(diào)節(jié)接觸線和承力索張力的重要裝置，其是否正常運行對鐵路交通安全運行具有重要意義。首先，以鐵路接觸網(wǎng)使用的滑輪補償器為對象介紹了補償器的工作原理及其異常狀態(tài)的判定方法。其次，講述了當(dāng)前接觸網(wǎng)補償器異常狀態(tài)各種檢測手段。再次，詳細(xì)介紹了基于深度學(xué)習(xí)的接觸網(wǎng)補償器異常狀態(tài)檢測技術(shù)。最后，總結(jié)了目前接觸網(wǎng)補償器檢測技術(shù)的優(yōu)勢和不足，并對其未來的發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：接觸網(wǎng)補償器異常狀態(tài)深度學(xué)習(xí)檢測技術(shù)

中圖分類號：U298

StateDetectionTechnologyandFutureProspectsofRailroadCatenaryCompensator

QIUQiyuanCAIZhengdaCHENYue

XihuaUniversity，ChengduCity，SichuanProvince，610039China

Abstract：Acatenarycompensatorisanimportantdevicethatautomaticallyadjuststhetensionofcontactwiresandload-bearingcables，anditsnormaloperationisofgreatsignificanceforthesafeoperationofrailwaytraffic.Firstly，takingthepulleycompensatorusedinrailwayoverheadcontactlineastheobject，thearticleintroducestheworkingprincipleofcatenarycompensatoranditsabnormalstatedeterminationmethod.Secondly，itdescribesvariousdetectionmethodsforabnormalstatesofcatenarycompensators.Then，itintroducesindetailthetechnologyofdetectingabnormalstatesincatenarycompensatorsbasedondeeplearning.Finally，theadvantagesandshortcomingsofthecurrentdetectiontechnologyofcatenarycompensatoraresummarized，anditsfuturedevelopmentisoutlooked.

KeyWords：Catenarycompensator;Abnormalstate;Deeplearning;Detectiontechnology

鐵路運輸是現(xiàn)代運輸行業(yè)中最受人們歡迎的方式之一。方便了人們的出行和貨物的運輸，但也引發(fā)了人們對防災(zāi)問題的關(guān)注[1]。由于列車環(huán)境封閉、客貨量大等因素，鐵路交通事故造成的人員死傷和經(jīng)濟(jì)損失更為嚴(yán)重。于是，鐵路災(zāi)害預(yù)防成為鐵路部門的關(guān)注焦點。在此背景下，鐵路供電系統(tǒng)的安全預(yù)防成為防災(zāi)工作的重要方向之一。

作為鐵路牽引供電系統(tǒng)的重要組成部分，接觸網(wǎng)的運行狀態(tài)直接關(guān)系整個電氣化鐵路的安全運行。接觸網(wǎng)張力是決定接觸網(wǎng)是否安全運行的重要參數(shù)之一。接觸網(wǎng)需要有足夠的張力，以確保良好的弓網(wǎng)關(guān)系，實現(xiàn)電力機(jī)車通過受電弓穩(wěn)定取流。接觸網(wǎng)張力是否穩(wěn)定與補償裝置的工作狀態(tài)密切相關(guān)，若補償裝置的部件發(fā)生卡滯、墜砣丟失、墜砣觸底等情況，可能導(dǎo)致接觸網(wǎng)張力異常變化，從而影響列車受電弓的滑動，降低取流質(zhì)量，嚴(yán)重時還會引起打弓、斷線等重大事故[2]，對電氣化鐵路的安全運行構(gòu)成威脅。因此，如何設(shè)計一套補償裝置在線監(jiān)測系統(tǒng)，用以高效、準(zhǔn)確地監(jiān)測補償裝置的運行狀態(tài)，成為亟待解決的列車安全行駛問題。

1接觸網(wǎng)補償器的原理和異常狀態(tài)的判定

鐵路接觸網(wǎng)補償器一般使用滑輪補償器，是一種自動調(diào)節(jié)接觸線和承力索張力的裝置，其主要組成部件包括墜砣串、杵環(huán)桿、墜砣桿、補償滑輪等。接觸網(wǎng)補償器安裝在錨段的兩端，并且串接在接觸線承力索內(nèi)，其主要工作原理是利用接觸網(wǎng)線索墜砣串的重量來維持接觸網(wǎng)線索張力的平衡狀態(tài)。

根據(jù)巡檢發(fā)現(xiàn)的問題種類與問題出現(xiàn)頻率來看，接觸網(wǎng)補償器最主要的失效形式是墜砣串觸底和墜砣桿卡滯[3]。在實際運行中，受外界氣溫變化和外力的影響，補償器線索會發(fā)生伸縮或移動，從而導(dǎo)致墜砣串的高度位置發(fā)生改變。當(dāng)墜砣串位置過高時，墜砣串上方的墜砣桿耳環(huán)孔可能與補償滑輪裝置觸碰，導(dǎo)致補償裝置卡滯；而當(dāng)墜砣串位置過低時，可能因墜砣串底部接觸地面或障礙物而導(dǎo)致補償功能失效。為了約束接觸網(wǎng)補償器墜砣串的升降范圍[4]，由鐵道部頒布的《接觸網(wǎng)運行檢修規(guī)程》引入了接觸網(wǎng)補償器a、b值的概念（見圖1）與a、b值運行時候的限定值。若補償器實際a、b值小于限定值則判斷補償器狀態(tài)異常。通過計算補償器墜砣桿耳環(huán)孔中心到補償滑輪（定滑輪）底部之間的相對高度差，可獲得a值；計算基準(zhǔn)面上表面與墜砣串底部之間的相對高度差，可獲得b值，a、b值的限定值要求任何情況下不得低于200mm。綜上所述，若a、b值低于界限值，則可判定接觸網(wǎng)補償器狀態(tài)異常。

2接觸網(wǎng)補償器異常狀態(tài)的各檢測形式概述

目前，根據(jù)《普速鐵路接觸網(wǎng)運行維修規(guī)則》《重載鐵路接觸網(wǎng)運行維修細(xì)則》的規(guī)定，接觸網(wǎng)補償器的檢測形式大致可以分為三類，分別為人工巡檢、接觸式自動檢測以及非接觸式自動檢測。

2.1人工巡檢

鐵路部門安排工作人員對接觸網(wǎng)進(jìn)行定期巡檢，巡檢周期根據(jù)線路的實際情況有所不同，重載路段、高速路段以及不能被自動檢測的路段人工檢測周期短。人工巡檢檢測自由度高、可記錄問題種類多，并且能立刻對簡單問題進(jìn)行處理。然而，人工巡檢存在一定問題：一是每位巡檢人員能夠巡檢的補償器數(shù)量有限；二是部分列車線路處于低氧、風(fēng)沙、高寒等惡劣環(huán)境[5]，檢測人員的安全問題得不到有效保證；三是人工巡檢補償器主觀因素較大，對巡檢人員的專業(yè)素養(yǎng)有較高要求。因此，人工巡檢存在效率低、成本高、安全性低以及對工作人員經(jīng)驗要求較高的問題。

2.2接觸式自動檢測

鐵路研究人員研究了接觸式自動檢測方法對補償器進(jìn)行靜態(tài)自動檢測以改進(jìn)人工巡檢存在的問題。接觸式自動檢測是利用硬件檢測終端實時收集補償器的各項數(shù)據(jù)，并利用無線傳輸將數(shù)據(jù)信息發(fā)送到服務(wù)器，由此建立一套接觸網(wǎng)補償裝置的在線監(jiān)測系統(tǒng)[6]。而檢測的方式則是利用各種傳感器對接觸網(wǎng)張力、溫度等數(shù)據(jù)進(jìn)行直接測量[7]。相較于人工巡檢，接觸式檢測具有較高的時效性和準(zhǔn)確性，但其成本較高且需要的設(shè)備量較大，導(dǎo)致前期建設(shè)和后期維護(hù)較為困難。

2.3非接觸式自動檢測方面

中國國家鐵路集團(tuán)有限公司為實現(xiàn)接觸網(wǎng)的自動巡檢和弓網(wǎng)實時監(jiān)測主持開發(fā)并實現(xiàn)了6C系統(tǒng)（用供電安全檢測監(jiān)測系統(tǒng)）[8]。其中的2C裝置更是專門為接觸網(wǎng)安全設(shè)置的移動檢測裝置。通過安裝在運行車輛的視頻采集設(shè)備，結(jié)合深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測、目標(biāo)跟蹤等技術(shù)，可以更快速、更準(zhǔn)確地判斷接觸網(wǎng)張力補償器的運行狀態(tài)是否異常，從而實現(xiàn)對接觸網(wǎng)補償器異常狀態(tài)的檢測。圖像檢測技術(shù)對行車干擾小的特點[9]，不會對列車正常運行造成影響。此外，相較于接觸式檢測，基于圖像處理的非接觸式檢測技術(shù)具有較低的前期應(yīng)用成本。并且，非接觸式檢測后期維護(hù)效率高、成本低，僅需對各車頭光學(xué)檢測設(shè)備進(jìn)行檢修和優(yōu)化。因此，如何利用基于圖像處理的非接觸式檢測手段自動、快速、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)張力補償器的異常狀態(tài)，成為接觸網(wǎng)補償器運行狀態(tài)檢測的重點研究方向。

3非接觸式自動檢測技術(shù)原理概述

目前，接觸網(wǎng)補償器的非接觸式自動檢測主要是采取基于深度學(xué)習(xí)的補償器a、b值檢測?；谏疃葘W(xué)習(xí)的接觸網(wǎng)補償器a、b值檢測主要包括圖像采集和圖像處理兩個方面。

3.1圖像采集

2C裝置提供了非接觸式的檢測手段，而將2C裝置的傳統(tǒng)單目攝像機(jī)改為雙目AI攝像機(jī)則提供了便捷的測高方法。測量接觸網(wǎng)補償器的a、b值需要知道與a、b值相關(guān)的待測物體的相對高度。但傳統(tǒng)單目攝像機(jī)測高需要標(biāo)定刻度尺并確定攝像機(jī)參數(shù)、攝像機(jī)與待測量物體的位置關(guān)系，才能最終計算出物體的實際高度。然而，在鐵路接觸網(wǎng)補償器實際檢測中，由于鐵路環(huán)境復(fù)雜，標(biāo)定刻度尺和確定攝像機(jī)與被測量物體的位置關(guān)系相對困難。因此，只能采用時差、光流等復(fù)雜計算方法計算a、b值的大小。而使用雙目AI攝像機(jī)則能夠簡單直接地測量各待檢測目標(biāo)的相對高度。雙目AI攝像機(jī)是一種智能視覺系統(tǒng)，它由兩個攝像頭組成，模擬了人類的雙眼視覺。雙目攝像機(jī)關(guān)鍵的原理是視差，即同一物體在兩個圖像中的位置差異。當(dāng)物體距離攝像機(jī)較近時，兩個圖像中的物體位置差異較大，而當(dāng)物體距離攝像機(jī)較遠(yuǎn)時，差異較小。這種差異可以用來估計物體到攝像機(jī)的距離。結(jié)合已知的攝像頭間距離，可以利用三角測量原理計算出物體的實際高度。

3.2圖像處理

首先，需要使用目標(biāo)檢測算法準(zhǔn)確找到接觸網(wǎng)補償器a、b值所需的相關(guān)物體，包括同一支柱上的基準(zhǔn)面、墜砣、接觸桿耳環(huán)孔和補償滑輪4個部分。其次，使用雙目攝像機(jī)測算出a、b值相關(guān)物體的空間坐標(biāo)。最后，根據(jù)坐標(biāo)計算物體之間的相對高度差，進(jìn)而確定補償器的a、b值，與限定值比較后即可確定補償器張力狀態(tài)是否異常。在目標(biāo)檢測手段上，傳統(tǒng)視覺技術(shù)雖然已經(jīng)取得了一定的成果，但在復(fù)雜場景下的目標(biāo)檢測和跟蹤仍然存在一些挑戰(zhàn)，如光照變化、遮擋、復(fù)雜背景等。這些復(fù)雜環(huán)境情況在鐵路線路中屢見不鮮。而深度學(xué)習(xí)算法能夠從大量數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)到更加復(fù)雜、高級的特征，并且具有更強的泛化能力。因此，基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測在復(fù)雜環(huán)境中通常表現(xiàn)出比傳統(tǒng)方法更優(yōu)越的性能。而在深度學(xué)習(xí)算法的目標(biāo)檢測算法中，數(shù)據(jù)集數(shù)量越多，則訓(xùn)練的準(zhǔn)確率可能越高。由于高鐵線路環(huán)境復(fù)雜加上可獲取的接觸網(wǎng)補償器圖像數(shù)量龐大，故這類算法尤其適用。

4非接觸式自動檢測技術(shù)的未來改進(jìn)方向

雖然非接觸式自動檢測技術(shù)目前表現(xiàn)出色，但是仍有很多方向值得探討和研究。

4.1復(fù)雜環(huán)境路面

由于鐵路環(huán)境的復(fù)雜性，某些場景可能有待測目標(biāo)被遮擋導(dǎo)致檢測結(jié)果不準(zhǔn)確。因此，針對這類場景，可以考慮采用小型數(shù)據(jù)集的目標(biāo)檢測方法。這種方法利用在大型數(shù)據(jù)集上預(yù)先訓(xùn)練的模型作為基礎(chǔ)，在小型數(shù)據(jù)集上進(jìn)行微調(diào)，可應(yīng)對少數(shù)極端環(huán)境的檢測。

4.2自動標(biāo)注數(shù)據(jù)集

由于接觸網(wǎng)補償器數(shù)量眾多、子集種類繁多，因此在目標(biāo)檢測方面需要進(jìn)行人工抽幀和人工標(biāo)注。這一過程需要耗費大量的時間成本，并且容易出現(xiàn)漏標(biāo)和錯標(biāo)的情況。因此，有必要研究一種自動標(biāo)注技術(shù)，以實現(xiàn)對待檢測物的自動標(biāo)注[10]。

4.3惡劣天氣與低光強度監(jiān)測

目前的非接觸式光學(xué)檢測主要在日間非雨雪風(fēng)沙等環(huán)境下進(jìn)行。因此，在夜間以及一些惡劣天氣（如風(fēng)、雨、雪）條件下，對補償器異常狀態(tài)的判定效率會顯著降低。為提高在惡劣天氣和地光強度條件下的檢測效率，可以考慮從硬件方面著手，更新檢測設(shè)備。

5結(jié)語

總體而言，人工巡檢能巡檢到自動巡檢無法覆蓋的極端環(huán)境，但局限性較大。接觸式的硬件檢測在檢測接觸網(wǎng)補償器張力異常狀態(tài)方面具有時效性和高準(zhǔn)確率。然而，由于接觸網(wǎng)補償器數(shù)量龐大，導(dǎo)致檢測硬件設(shè)備需求較大且后期維護(hù)困難。因此，非接觸式的自動檢測手段成為日后接觸網(wǎng)張力異常狀態(tài)檢測的發(fā)展趨勢。其中，基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測和雙目AI攝像機(jī)測距結(jié)合的檢測方法在檢測精度和速度方面表現(xiàn)優(yōu)異。此外，相對于接觸式自動檢測，非接觸式自動檢測在前期成本和后期維護(hù)成本都明顯降低。

參考文獻(xiàn)

• 郭棟鴻.基于機(jī)器視覺的鐵路軌道異物入侵檢測算法研究[D].蘭州：蘭州交通大學(xué)，2020.
• 白思寧.基于Cox模型的接觸網(wǎng)缺陷致因分析與風(fēng)險評估[D].成都：西南交通大學(xué)，2022.
• 李曉旭.重載鐵路接觸網(wǎng)補償裝置b值在線檢測裝置研究[J].電氣化鐵道，2022，33（S1）：121-124，128.
• 陳志濤.高寒鐵路電氣化接觸網(wǎng)補償器b值研究[J].哈爾濱鐵道科技，2018（3）：7-11，22.
• 王文聰，趙國棟，張彩霞，等.青藏鐵路高鐵接觸網(wǎng)檢測車[J].機(jī)車電傳動，2019（2）：133-138.
• 劉光棟.基于NB-IoT的接觸網(wǎng)補償裝置在線監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)及數(shù)據(jù)分析[D].北京：北京交通大學(xué)，2021.
• 譚平，李裕智，劉志健，等.接觸網(wǎng)張力檢測系統(tǒng)研究與設(shè)計[J].電氣化鐵道，2020，31（1）：1-4.
• 李耀云，高英杰，張文雍.高速鐵路供電安全檢測監(jiān)測系統(tǒng)（6C系統(tǒng)）分析方法探討[J].電氣化鐵道，2019，30（S1）：205-208.
• 劉建仁，劉衛(wèi)，陳滔.高速鐵路弓網(wǎng)動態(tài)圖像檢測技術(shù)研究綜述[J].裝備制造技術(shù)，2019（2）：186-190.
• 郭慶梅，劉寧波，王中訓(xùn)，等.基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測算法綜述[J].探測與控制學(xué)報，2023，45（6）：10-20，26.