一种接触线振动在线监测方法

一种接触线振动在线监测方法

程宏波1,张 伟1,伦 利1,徐学平2,王 勋1

(1.华东交通大学电气与自动化工程学院,南昌 330013； 2.中国铁路武汉局集团襄阳供电段,湖北襄阳 441000)

摘 要：对接触线振动进行监测可判断受电弓当前运行状态,也可为接触网运维提供基础数据。对此提出一种接触线振动在线监测方法,以加速度计为核心设计一套接触线振动无线监测装置,并针对接触线的特点设计一种可靠性的安装结构,可对接触线的振动加速度进行直接采样并利用无线进行上传,利用四元数理论去除监测装置加速度的重力分量误差,以获取的振动加速度数据为基础,应用带滤波的离散频域积分方法求解接触线振动位移,最后利用接触线结构参数波动传播速度的实测值与理论值对比,验证方法的可行有效。通过在简单链型与弹性链型悬挂两种典型结构接触网导线的试验测试,结果表明: 该装置可对接触线振动进行在线监测,接触线波动传播速度实测值与理论值基本一致,验证了该方法的可行性与有效性。

关键词：接触网；接触线；振动；在线监测；四元数；频域积分；波动传播速度；电气化铁道

受电弓的高速滑行会对接触线产生冲击，使接触线振动，影响受电弓的正常取流，进而影响电力机车的正常运行[1]。对接触线的振动情况进行监测可有效判断受电弓的运行状态，可为接触网运行维护的调整提供依据[2]。

接触线的振动测量有接触式与非接触式两种。目前接触式测量主要有模拟测量法和传感器检测法[3]。模拟测量法是通过受电弓的高度与电阻器电压之间的变化关系，达到测量接触线振动的目的[4]。传感器检测法一般将传感器安装在受电弓上，与接触线直接接触来记录其振动位移，目前在检测车上的应用较为广泛。接触式测量对受电弓的结构产生影响，且只能记录弓网接触点处的振动情况。非接触式测量一般在车顶安装高速相机进行测量[5]，检测设备与接触线之间不接触，但由于车体的振动，其误差的补偿关系较难确定，因此测量误差较大。为减小车体振动的影响，文献[6]将高速相机固定于支柱上，其测量精度相对较高，但只适用于特定位置的振动监测，无法满足对接触线大规模监测的需要。

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对PM2.5进行组分分析，如图3所示。结果表明，本站点环境PM2.5中，水溶性离子所占比重最大，且NO3->SO42->NH4+> Cl- > K+ > Na+ >Ca2+ > Mg2+，其中二次无机离子SNA共占总离子浓度的81.5%，这表明了大气二次污染较为严重。

从上面的研究可以看出，目前的监测无法实现接触线振动的全范围实时监测。检测车只能记录该车所在点处接触线的抬升情况，无法测量此时其他位置处接触线的振动，且不能反映实际列车运行时接触线振动的真实情况。支柱上安装相机只能记录有限位置处的接触线振动，对全线其他位置处的接触线振动无法反映。

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因此，开发简单有效的接触线振动监测系统，实现对接触线振动的实时在线监测十分有必要[7]。从接触线的特点出发，提出一种新的接触线振动监测方法，以加速度计为核心设计一套接触线振动监测装置，并设计了监测装置的安装结构，给出了接触线振动信号分析处理的流程及实现方法，通过试验验证了该方法的可行性和有效性，实现了对接触线振动的在线监测。

（5）产业发展扶持项目建设顺利推进。通过实施产业发展扶持项目，建成标准化养殖场（户）14个，养殖示范村5个，养殖小区1个，山地鸡生态养殖示范基地（合作社）2个；努力促成了嘉礼20万t饲料加工项目和煜翔万头种猪扩繁场建设项目2个招商项目的建成投产；完成新增犊牛补贴403.88万元，完成5.67万头能繁母猪投保；完成176.1万亩草原生态保护奖励资金554.37万元的直补工作；通过规模化、标准化建设，2017年底，昌宁县生猪、肉牛、肉羊、家禽规模率分别达47.2%、19.5%、35.7%、37.3%。

1 接触线振动监测系统设计

1.1 振动监测系统功能分析

接触线的振动监测主要是获取架空接触线的振动数据，由于接触线工作条件的特殊性，该振动监测装置不能对接触线下运行的机车受电弓产生影响，因此，考虑采用传感器终端加无线发送的方式来获取接触线的振动数据。

接触线振动监测系统的总体结构如图1所示，主要由无线振动监测器、无线数据接收端以及PC端数据处理软件组成。振动监测器利用加速度计获取接触线的振动加速度值，为节省电量，延长其工作寿命，只有当列车运行，振动数值超过某一设定阈值时才触发无线发送模块，将振动监测数据、时间以及对应的标记信息(监测器位置标号，电池当前电量值)通过无线射频通讯方式发送到数据接收端。当数据接收端处于忙碌状态时，传感器终端会将数据暂时保存到本地存储，处于匹配接收端状态，待匹配成功后发送，发送完毕后清除本地存储信息，释放存储空间。数据接收端利用无线射频通讯接收监测器发送的数据并通过串口通讯将数据导入PC端数据处理软件。PC端数据处理软件将接收的振动加速度信号进行两次积分后得到接触线的振动位移信息。

图1 接触线振动监测系统结构

1.2 接触线振动监测器硬件设计

接触线振动监测器主要由MEMS传感模块、主控MCU模块、电源管理模块、无线通信模块组成。MEMS传感模块实时输出加速度与欧拉角数据用于监测接触线当前的振动状态与运动姿态。主控MCU模块为中央处理器，负责整个系统的逻辑控制，完成无线数据的发送与接收、读取电源状态等功能。锂电池电源管理模块负责提供稳定的电源，同时监测输出端电压，预防电源故障。无线通讯模块负责振动信息的发送与接收，监测器硬件结构如图2所示。

图2 接触线振动监测器硬件结构

MEMS传感模块选用JY901模块，该模块集成高精度的陀螺仪、加速度计、地磁场传感器，同时内部集成姿态解算器，配合卡尔曼滤波算法能快速求解出当前接触导线的运动状态，同时可设置其片上系统时间使各模块同步时程输出。MCU选用LQFP工业级STC89C52RC主控芯片，其特点是体积小、质量轻、功耗低，特别适合用在接触线监测这类对体积和功耗要求严格的场合。无线传输模块选用Nordic nRF24L01+无线射频芯片，发送器加装微型弯头棒状天线，接收器加装2.4G高增益天线以增强传输距离[8]。当前配置下，采样频率为200 Hz，通信稳定传输距离达500 m。接触线在受电弓冲后，接触线振动频率集中1 Hz左右的低频振动状态，一般不超过20 Hz[9-10]，根据香农采样定理，本装置采样频率满足对接触线振动数据采样的要求。

为保证监测装置安装的方便和工作的可靠，采用与接触线外形相适应的结构设计，接触线振动无线监测装置的安装结构如图3所示，其下半部分设计成与接触线截面类似，以便于采用现有接触线线夹进行安装，其上部分设计成半圆环结构，以便于与接触线吊弦结合。这样的设计在保证安装方便的同时，还能确保在列车的高速冲击下不脱落，以确保不会对列车的运行产生危害。

图3 接触线振动监测器安装结构

1.3 接触线振动监测系统软件设计

振动监测系统要将传感器终端中的振动信息无线发送至无线数据接收端，然后控制无线数据接收端接收并传输至PC数据处理软件。

图4 无线数据发送流程

传感器终端无线数据发送流程如图4所示。首先系统初始化时钟，定位器，SPI口等。采用阈值中断方法唤醒MCU，在nRF24L01+的PowerDown模式下初始化配置，MCU通过SPI口把数据写入TX_FIFO缓存，配置PWR_UP=1且MCU控制引脚CE置高大于10 μs后，经过130 μs的晶振稳定时间，nRF24L01+进入TX模式发送数据帧；控制位TX_DS=置位，引脚IRQ产生中断信号，完成一次数据发送，此时应立即使nRF24L01+进入PowerDown模式以节省能量。无线数据接收流程如图5所示。配置方式与发送类似，由于接收端不需要考虑节省能量的因素，因此接收器一直处于接收状态，在接收到振动数据后直接通过串口将振动数据导入PC端数据处理软件中进行处理。

图5 无线数据接收流程

2 接触线振动监测数据的处理方法

2.1 数据预处理

MEMS传感器在实际测量时，一般存在零点漂移与高频噪声两种误差，本文选用零点标定与低频滤波的方法对这两种误差进行预处理，同时，振动监测器在监测振动时，由于加速度计测量的是“比力”，是重力加速度和运动加速度矢量和，而接触线在受电弓的抬升作用下处于姿态的动态变化中，使振动监测器的加速度计产生旋转偏移，导致重力加速度会在各轴产生分量误差，这个分量误差与接触线的运动加速度叠加，使获取的运动加速度产生细微的偏差[11-12]。而最终是获取接触线振动位移信号，这个细微的偏差在经过两次积分运算累计后，会导致较大的位移误差。因此，求得并去除重力加速度在各轴的分量误差就显得极为重要。

本文采用的传感模块能够以欧拉角方式自动输出被测物体的姿态角度，因此以欧拉中的俯仰角θ、横滚角ω、偏航角φ表示振动监测装置在接触线上的动态旋转偏移变化，建立振动监测装置空间位置的3D笛卡尔坐标，应用接触线在动态变化中的四元数参数进行坐标转换，将地理坐标系上重力值经过四元数旋转分解到载体坐标轴，进而求出重力在各轴的分量误差。如图6所示X、Y、Z表示地理坐标系，X1、Y1、Z1表示载体坐标系，G表示两种坐标系下的重力，表示重力G在载体坐标系中各轴的分量误差。由图6可知，列车在运行过程中接触线俯仰角θ、横滚角ω、偏航角φ的动态变化，给定一个欧拉旋转则对应的四元数参数的转换由公式(1)求得[13]。

图6 三轴组合旋转动态变化

(1)

得知四元数q后，利用四元数坐标旋转实现振动监测装置载体坐标与地理坐标之间的转换[14-16]

p′=q*pq

(2)

其中，q*是q的共轭四元数；p是地理坐标系重力四元数参数，本文是载体坐标系四元数参数，

得出重力分量误差

(3)

将振动监测装置测得的各轴加速度信号减去对应轴的重力分量误差可得接触线各轴方向上的实际运动加速度信号

(4)

2.2 加速度信号的频域积分运算

由上节可得接触线各轴方向上的实际运动加速度信号，但在弓网运行状态分析过程中一般关注接触线抬升方向上的振动位移情况，因此需对加速度信号进行积分得到位移信号。

加速度时域信号中夹杂着一定的趋势项及高频噪声等干扰误差，即使对信号进行预处理，误差也不可能完全消除，加上时域积分本身所产生的常数项，会使位移曲线产生较大漂移。因此采用频域积分方法，以去除低频趋势项和高频干扰项的影响。

由图2可知，在面包中添加3种改性淀粉后，面包的水分含量随着改性淀粉添加量的增加而增高，当改性淀粉添加量为3.0%时，面包的含水量最高；随这改性淀粉添加量的增大，面包的水分含量逐渐降低。可能是改性淀粉自身较高的黏度，促使面团中面筋的网络间隙中填满了改性淀粉的颗粒，阻止了水分自由流动，从而增大了面包的含水量。同时，需要注意，当改性淀粉添加量过高时，阻止面团中蛋白质颗粒溶胀于水中，从而妨碍到面团形成面筋网络结构，导致面包持水特性的降低。

频域积分是将时域信号Fourier变换转到频域，在频域中实现积分，再通过Fourier逆变换返回时域的过程，在进行频域积分过程中可将低于最小截止频率与高于最大截止频率成分置为零，可有效去除低频趋势项和高频等干扰误差[17，18]。

由于测得接触线运行加速度信号是离散数据，因此将Fourier积分公式离散化得其速度与位移数值的计算公式为

(5)

(6)

其中

(7)

式中，a(k)为实际运动加速度信号采样序列的Fourier变换；v(r)为该序列的速度信号；x(r)为该序列的位移信号；Δf为频率分辨率；fu和fd分别为上、下限截止频率，可根据实际情况设定截止频率，以滤除信号中趋势项及高频干扰的影响。

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3 试验验证与分析

为对设计的接触线振动在线监测装置及其数据处理方法进行验证，在我校轨道技术创新试验基地对不同悬挂形式的接触线进行了测试和分析。

3.1 试验设计

轨道交通技术创新实验基地有高铁、普速各类型线路下的多种典型接触网形式，为验证方法的适用性，对简单链型悬挂与弹性链型悬挂两种典型的接触网结构的接触线进行了振动测试，悬挂基本结构参数如表1所示。

在我国经济发展过程中，土地发挥着巨大作用，工业发展或第三产业发展都离不开土地，对于很多农民来说，土地使用权被交易意味着维持基本生存的方式丧失，在加重他们基本生活困境的同时，造成他们对国家的信任大幅度降低。基于这种情况，国家开始对占用土地的农民进行经济补偿。随着国家对农民土地征收并给予经济补偿的现象增多，商家在发展经济的同时也着眼于对农民土地的使用上，这种现象在经济诱导下日趋严重，大量农民因此获得一时的经济来源，随着时间的推移，造成长久生存发展上的危机。针对此问题，国家应加强控制，通过政策以及具体管理措施来改善。

表1 接触网结构参数

结构参数承力索接触线张力/kN2127线密度/(kg/m)1.11.107截面面积/mm2120每跨长度/m50.2单跨吊弦位置/m4.0,12.4,20.8,29.2,37.6,46.0

为验证测量装置对不同接触网结构的适应性，分别对简单链型悬挂与弹性链型悬挂设计3组测量方案，每组测量方案设置3个监测点，测量方案如图7所示。为确保准确性，消除随机性，试验对每组方案测量3次，取3次测量结果均值为本次测量方案最终结果。

设计的3种方案中，既有测量定位装置处的振动信息，又有测量跨距中心处的振动信息，使获得接触线的振动信息具有一定的代表性。

图7 试验方案设计

3.2 试验结果分析

通过试验分别测得简单链型与弹性链型悬挂下不同方案的测量结果。以方案1的测量结果为例，图8是简单链型悬挂与弹性链型悬挂监测点处的接触线抬升方向上最大振动位移变化曲线。

研究组52例中，治愈36例，显效12例，无效4例，总有效率为92.31%；对照组52例中，治愈16例，显效25例，无效11例，总有效率为78.85%，研究组效果明显优于对照组，两组比较，差异有统计学意义（P＜0.05）。

从图8可以看出，在人工施加外力作用后，监测点1处的接触线振动幅值最大达50 mm，由于弹性链型悬挂接触网张力补偿作用较好，弹性链型悬挂测点2与测点3处的最大振幅明显比简单链型悬挂小。

图8 接触线监测点处振动位移

图9是监测点处接触线振动的起振曲线段。根据图9，采用坐标最大值标定方法，可获得不同监测点处的起振时间差，由监测点之间的距离及起振时间差，可算出该段接触线上的波动传播速度，结果如表2所示。

图9 起振曲线

表2 接触线波动传播速度结果分析

悬挂类型简单链型弹性链型方案编号计算均值/(km/h)1496.22494.33495.91492.12494.63491.4理论值/(km/h)562差异率/%11.7112.0511.7612.4411.9912.56

由表2可以看出，根据装置所获取的振动信号计算出的波动传播速度与理论计算值基本一致，且呈现一定的差异稳定性，可反映出监测装置的有效性与可靠性。差异的原因是由于实验中监测点之间的距离较近，监测装置的采样频率相对较低，而且理论计算公式中没有考虑实际外部环境的干扰以及外部阻尼的影响，也没有考虑实际工况下接触线结构的复杂性[19-20]，造成了实际测量值与理论计算值存在一定的偏差。

4 结语

接触网的工作具有一定的特殊性，利用加速度传感器可以方便获得接触线在不同方向的振动情况，通过四元数旋转可消除重力分量的影响提高振动加速度信号监测的准确性，通过小型化及与吊弦相结合的设计，可提高振动监测装置工作的可靠性。实际接触网上的振动监测试验验证了该系统的可行性与有效性，可为接触线振动监测提供一种新的方法。

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参考文献：

[1] 周勇政.高速铁路共振问题相关标准研究[J].铁道标准设计，2018，62(9):182-186.

[2] 孟祥奎，吴积钦.受电弓和接触网运行状态定点监测装置[J].电气化铁道，2010，21(2):32-34.

[3] 乔立升.基于图像处理技术的接触线振动检测系统的设计及实现[D].成都:西南交通大学，2009.

[4] Stickland M T， Scanlon T J， Craighead I A， et al. An investigation into the mechanical damping characteristics of catenary contact wires and their effect on aerodynamic galloping instability[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part F Journal of Rail & Rapid Transit， 2003，217(2):63-71.

[5] 吴积钦.受电弓与接触网系统[M].成都：西南交通大学出版社，2010：333-337.

[6] 吕青松.接触线波动特性及其传播规律研究[D].成都:西南交通大学，2015.

[7] Nåvik P， Rønnquist A， Stichel S. A wireless railway catenary structural monitoring system: Full-scale case study[J]. Case Studies in Structural Engineering， 2016，6：22-30.

[8] 李泽坤，叶水生.基于nRF24L01无线网络节点的硬件设计[J].仪表技术与传感器，2013(11):95-97.

[9] Nåvik P， Rønnquist A， Stichel S. Identification of system damping in railway catenary wire systems from full-scale measurements[J]. Engineering Structures， 2016，113：71-78.

[10] 刘长利.高速铁路接触网低频振动及零部件防松技术分析[J].铁道标准设计，2014，58(10):113-116.

[11] 韩盈党，李哲.MEMS加速度传感器的数据采集和预处理[J].仪表技术与传感器，2015(2):16-19.

[12] 徐明哲，王殊轶，孙昌英.基于微电子机械加速度传感器的腹腔镜训练评价系统[J].生物医学工程研究，2017，36(2):168-173.

[13] 张帆，曹喜滨，邹经湘.一种新的全角度四元数与欧拉角的转换算法[J].南京理工大学学报(自然科学版)，2002，26(4):376-380.

[14] 宋世泽，郑勇，王鼎蔚.三种坐标转换模型的比较[J].全球定位系统，2016，41(6):110-114.

[15] 赵建军，陈滨，杨利斌.基于四元数的大地坐标转换算法及实现[J].计算机工程与应用，2013，49(4):202-205.

[16] 张捍卫，李明艳，李克昭.四元数理论及其在坐标转换中的应用[J].大地测量与地球动力学，2015，35(5):807-810.

[17] 方新磊，郝伟，陈宏.基于频域滤波的加速度信号处理[J].仪表技术与传感器，2012(4):94-96.

[18] 胡玉梅，周英杰，朱浩，陈先亮，孙吉明，皮阳军.基于趋势项误差控制的频域积分算法研究与应用[J].振动与冲击，2015，34(2):171-175.

[19] 刘志刚，韩志伟，侯运昌，等.计及空气阻尼影响的接触线波动速度修正研究[J].铁道学报，2013，35(1):41-45.

[20] 常丽.考虑接触线零部件影响的接触线波动速度研究[J].铁道学报，2013，35(11):35-38.

A Method for On-line Monitoring of Contact Line Vibration

CHENG Hongbo1, ZHANG Wei1, LUN Li1, XU Xueping2, WANG Xun1

(1.School of Electrical and Automation Engineering, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China; 2.Xiangyang Power Supply Section of China Railway Wuhan Group Co., Ltd., Xiangyang 441000, China)

Abstract： The monitoring of contact line vibration can judge the current running state of pantograph and provide basic data for the operation and maintenance of catenary. A method of on-line monitoring of contact line vibration is proposed in this paper. A wireless monitoring device for contact line vibration is designed with accelerometer as the core and a reliable installation structure is designed according to the characteristics of the contact line, which makes it possible to take direct sampling of the vibration acceleration of the contact line and upload it wirelessly. Quaternion theory is used to remove the gravity component error of the acceleration of the monitoring device, and the vibration displacement of the contact line is solved by using the discrete frequency domain integration method with filtering based on the obtained vibration acceleration data. Finally, the measured value of the wave propagation velocity of the structural parameters of the contact line is compared with the theoretical value to verify the feasibility and effectiveness of the method. The test results of two typical catenary systems with simple chain suspension and elastic chain suspension show that the device can perform on-line monitoring of the vibration of the contact line, and the measured value of the wave propagation velocity of the contact line is basically consistent with the theoretical value, which verifies the feasibility and validity of the method.

Key words： overhead contact system; contact line; vibration; on-line monitoring; quaternion; frequency domain integral; wave propagation velocity; electric railway

收稿日期：2019-01-16;修回日期：2019-04-02

基金项目：江西省杰出青年人才培养项目(20162BCB23046)；江西省教育厅科技计划项目(GJJ160498)；华东交通大学科研资助项目(14DQ07)

作者简介：程宏波(1979—)，男，副教授，博士，主要研究方向为供电设备健康管理及电网智能控制，E-mail：[e-mail]。

通信作者：张 伟(1994—)，男，硕士研究生，主要研究方向为接触网状态监测及检修管理，E-mail：[e-mail]。

文章编号：1004-2954(2019)12-0155-06

中图分类号：U226.8

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.201901160001