（系统工程专业论文）刚性接触网参数检测与评价系统研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着城市轨道交通的发展和电气化改造中低净空隧道接触网的架设刚性 接触网得到愈来愈广泛的运用，对其参数的检测与评价是接触网参数检测系统 开发和研究中的一个新热点。对刚性接触网的检测和评价，目前国内关于这方 面的研究并不多，本课题的研究具有明显的实践意义。 本论文以现有的柔性接触网参数检测系统为基础，结合刚性接触网的特点， 给出了刚性接触网检测项目和实现方法，并设计了参数检测与评价系统的软硬 件组成方案。在硬件方面，对模拟量信号采集采用v f 变换方式，易于实现光 纤传输，简化了传输通道的隔离设计；采用c a n 总线作为模块间数据传输的 总线协议提高了数据传输速率；采取多种措施来提高系统的抗干扰能力，使系 统能够在强电场和强磁场的环境下可靠地运行。在软件方面，基于模块化设计 思想和专家系统原理，对参数检测与评价系统各部分进行了详细的功能分析， 主要包括实时检测数据的采集、波形分析和异常信息的提取，根据所测参数来 评价剐性接触网并给出维修参考等。 通过面向对象的w i n d o w s 编程，界面友好，操作简单、易懂，具有一定的 使用价值。经过现场实际运行，所采用的方案能够对有关参数进行实时检测 满足现场要求，可以为刚性接触网参数检测与评价系统的进一步研究和设计提 供参考。 关键词：刚性接触网；参数检测；c a n 总线；评价系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fr a i lt r a n s i ti nm o d e mc i t i e sa n dt h ec o n s t r u c t i o no f o c si nt h et u n n e l 丽ml o w h e a d r o o m ，r i g i dc a t e n a r ys y s t e ma r eu s e di nb r o a d n o w p a r a m e t e r si n s p e c t i o na n de v a l u a t i o na b o u ti th a v eb e c o m ean e wh o tf o c u si n e x p l o i t a t i o na n ds t u d yo fc a t e n a r yp a r a m e t e r si n s p e c t i o ns y s t e m b e c a u s et h es t u d y o f r i g i dc a t e n a r ys y s t e m sp a r a m e t e r si n s p e c t i o na n de v a l u a t i o ni sd e f i c i e n c y ，m y s t u d yi nt h i sp a p e r h a so b v i o u s s i g n i f i c a n c e b a s i n g o nf l e x i b l e c a t e n a r ys y s t e m sp a r a m e t e r si n s p e c t i o n s y s t e m a n d a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i c so f r i g i dc a t e n a r ys y s t e m ，t h ei n s p e c t i o ni t e m sa n d a p p r o a c ha r eg i v e ni nt h ep a p e r a n dt h e n ，o n ea v a i l a b l ep r o j e c to ft h es y s t e m s h a r d w a r ea n ds o f h v a r ed e s i g n sa r eg i v e na n da n a l y z e di nt h i sp a p e ni nt h eh a r d w a r e s t r u c t u r e ，t h ed a t aa c q u i s i t i o no f s i g n a l su s ev 佰c o n v e r t o r w h i c hc a i lm a k et h ed a t a t r a n s m i tb yf i b e rm o r ee a s i l ya n ds i m p l i f yt h ed e s i g no ft r a n s m i tc h a n n e l ；t h eb u s p r o t o c o li sc a nb u sw h i c hc a l li m p r o v et h et r a n s m i s s i o nr a t e i na d d i t i o n ，s o m e m e a n sh a v eb e e na p p l i e dt ob a r r a g e j a m m i n g i nt h es y s t e m ，s ot h a tt h es y s t e mc a n w o r ks t a b l yu n d e rt h ep o w e r f u le l e c t r i ca n d m a g n e t i cf i e l d i nt h es o f t w a r ea s p e c t ， t h ed e t a i l e df u n c t i o n sa t ea n a l y z e d ，b a s e do nm o d u l ed e s i g n t h e o r ya n de x p e r t s y s t e m ，i n c l u d e sr e a lt i m ed a t aa c q u i s i t i o n ，w a v e f 0 1 t na n a l y s i s ，a b n o r m a li n f o r m a t i o n a c q u i r i n g ，m a i n t e n a n c er e f e r e n c e sa n d s oo i l w i n d o w s p r o g r a m m i n ga d o p t i n go o p t e c h n o l o g yh a sag o o dg u i ，v e r ys i m p l e a n d e a s y t ou n d e r s t a n dt ot h e o p e r a t o r s f u r t h e r m o r e i th a ss o m e i m p o r t a n t s i g n i f i c a n c e a f t e rr u n n i n go nt h es i t e ，t h es y s t e mi sp r o v e dt ob ep r a c t i c a l t h e m e t h o dc a nb er e f e r e n c et ot h ed e s i g na n ds t u d yi nt h ep a r a m e t e r si n s p e c t i o na n d e v a l u a t i o ns y s t e m o f r i g i dc a t e n a r ys y s t e m k e y w o r d s ：r i g i dc a t e n a r ys y s t e m ；p a r a m e t e r si n s p e c t i o n ；c a nb u s ；e v a l u a t i o n s y s t e m 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 第一章绪论 1 1 课题的提出及其意义 刚性接触网在国内是最近几年来才兴起的主要运用于轨道交通的新型技 术，广州地铁2 号线、3 号线在国内率先使用刚性接触网口l ，随后还有南京地 铁1 号线、上海地铁8 号线采用了刚性接触网，重庆跨座式单轨交通中也采用 了位于p c 梁中部的t 型刚性接触网l 。刚性接触网不仅可在城市轨道交通中 应用，在铁路系统电气化铁道改造中也不失为一个好的解决方案：宝( 鸡) 兰( 州) 复线十里岗、新东岗隧道，兰( 州) 武( 威) 二线乌鞘岭隧道( 长2 0 km ) 和焦柳铁路 石门西至怀化段扩能工程中的6 座隧道都采用了刚性接触网。 在国外刚性接触网已经得到非常广泛的应用，大致分为如下范围：( 1 ) a c 1 5 k v a c 2 5 k v 低净空隧道；( 2 ) a c l 5 k v a c 2 5 k v 提速隧道，最大速度已到 1 6 0 k m h ；( 3 ) a c l 5 k v 有复式交分道龠或车站的隧道；( 4 ) d c 6 0 0 v 、d c 7 5 0 v 、 d c l 5 0 0 v 低净空或小断面隧道；( 5 ) d c 6 0 0 v 、d c 7 5 0 v 、d c l 5 0 0 v 新建地铁隧道 ( 净空不受限制) ；( 6 ) d c 6 0 0 v 、d c 7 5 0 v 、d c l 5 0 0 v 车辆段维修车问库内维修线， 既有固定式刚性接触网，也有由电机驱动的移动式刚性接触网；( 7 ) 隧道防淹门对 接触网有移动处”1 1 6 川。 刚性接触网与柔性接触网相比，有以下3 个特点：一是接触网载流面积大， 可为机车提供更稳定的电能；二是结构简单、安装方便、维护简便，与柔性接 触网相比维修量大幅度减少，甚至可以实现免维护：三是可减少隧道净空，由 于刚性接触网直接安装在隧道顶部，不仅安装方便，也不需要占用更多空间， 使隧道净空降低。因此该悬挂方式非常适合在城市地铁中和低净空既有隧道的 电气化改造中使用o 】。 随着我国城市化的不断发展，为了缓解各大城市的交通压力，城市地铁交 通必将在大城市中得到越来越大的发展，刚性接触网由于较其它方式更适合于 城市地铁，必将得到愈来愈广泛的运用。同时随着国内进一步提高电气化铁路 的运营里程，刚性接触网在解决低净空隧道接触网设计和长大隧道接触网运行 维修上都有应用价值j 。 虽然目前对柔性接触网的参数检测技术已经非常成熟，但对刚性接触网的 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 实时检测和评价，目前国内关于这方面的研究还不是很多。希望通过本课题的 研究，可为今后的刚性接触网运营维护和设计施工提供一定的参考。 1 2 接触网参数检测系统的现状 接触网其功用是通过它与受电弓的直接接触，将电能传送给电力机车，保 证对电力机车可靠地不间断地供应电流，接触线和受电弓之间接触良好与否， 是保证电力机车取流质量好坏的关键。为保证电气化铁路的安全运行，保证可 靠供电，需要对接触网的运行情况经常进行系列的检测工作，以便及时发现 隐忠，解决接触悬挂在某些环节中存在的问题，保证接触网处于良好工作状态， 检测结果能正确反映接触网的运行状态，为接触网的维护、调整提供科学依据 l ：1 2 】1 1 = 1 。 接触网参数检测技术是随着铁道电气化的发展而产生的，发展技术较早的 是前联邦德国，早在1 9 5 1 年就在线路上进行了包括空气动力，受电弓特性、质 量，接触悬挂的振动及受流在内的试验。其后，法国也进行了实际线路的受流 试验。日本和奥地利等国家也做了大量的研究和试验，并取得了一定进展。国 外对接触网参数的检测一般都是根据本国实际情况，选择合适的侧重点进行的。 例如德国把弓网间的接触压力作为检测重点，而日本则突出检测弓网离线和接 触网磨耗，法国突出弓网动态弹性，奥地利突出非接触检测。 我国的接触网参数检测技术起步于上世纪6 0 年代，西南交通大学于8 0 年 代开始研究接触网检测技术，并陆续开发出各型接触网检测设备，在现场实际 使用中取得了较好的效果。j j c 1 型安装在不带动力客车内：j j c 2 型 安装在不带动力的简易客车内；j j c 3 型安装在自带动力的轨道车内；j j c 4 型安装在接触网作业车内；便携式检测装嚣。多功能的检测设备可以安装 在专用车辆上成为接触网检测车，简单的检测设备也可以人工携带。 刚性接触网参数检测技术在国外已经比较成熟，但该技术在固内还处于起 步发展阶段，目前还没有实际工程应用的参数检测设备和完善的评价标准。 1 3 论文的主要工作 本文在传统柔性接触网参数检测系统的基础上，结合地铁刚性接触网的特 点，提出了刚性接触网参数检测与评价系统的设计与实现方法，根据所测的三 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 项主要参数来评价刚性接触网下的弓网关系，作为运营检修部门维护工作的依 据。这种便携式检测系统根据检测需要临时安装在接触网作业车上，适应各地 铁公司刚性接触网检修由“周期修”过渡到“状态修”的要求，不必占用紧张 的行车区间和行车时间，也无需专用的检测车。本检测系统采用笔记本电脑进 行数据实时采集、处理分析，不再局限于专用的工控机，根据用户检测需求灵 活安装检测，大大方便了用户的操作，因此该检测系统不仅具有良好的适应性、 开放性和可扩展性，还具有灵活控制、节约成本和设备便携化等优点，有着相 当重要的实用价值。 本论文的主要内容共分为5 章：第一章绪论，主要阐述课题的提出背景、 技术现状及研究意义等内容；第二章介绍了传统柔性接触网参数检测与评价系 统的组成( 内容包括系统涉及到的检测项目、检测方法和数据评价常用的原理 方法等) ，以及专家系统的基本原理，为刚性接触嗣参数检测与评价系统提供了 参考和理论依据：第三章讲述刚性接触网的结构特点，并以此为依据制定了刚 性接触网需要检测的主要项目和方法。分析地铁公司现有的检修方式，设计了 专家评价系统的整体结构；第四章具体的设计了参数检测与评价系统的硬件设 计。内容包括各个单元的硬件设计与实现，单元间通信通道的设计等：第五章 主要讨论了系统软件各模块的设计方法，包括系统底层软件模块、实时检测模 块和基于专家系统的评价模块的软件设计：最后是结论部分，对本文提出的刚 性接触网参数检测与评价系统进行了总结，提出了本系统的不足和完善方向。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第二章检测与评价系统概述 2 1 检测系统 接触网检测系统在我国投入使用十多年来，经过反复的理论研究和现场试 验，针对我国电气化铁道坡度大、运行速度低的特点，研制出了检测项目全面、 精度较高、作业时间长的接触网检测系统。虽然主要应用于柔性接触网检测， 但检测系统产品的多样化：铁路局使用，供电段使用，接触网工区使用，工程 施工单位使用，人工便携式，其它( 安装于电力机车内) 等，较好地满足了我 国铁路运营的要求【1 2 1 1 1 4 1 。 2 1 1 检测参数分类 检测的接触网参数，按其分布来分，可以分为高压侧数据和低压侧数据， 例如拉出值、弓网接触压力等信号的采集传感器处于高压环境，属于高压侧数 据，而水平补偿、速度等信号的采集传感器处于低压环境，属于低压侧信号： 按其信号类型来分，可以分为数字量和模拟量，例如拉出值信号的采集是由接 近传感器完成的，传输的是开关信号，因此属于数字量，而弓网接触压力等信 号的采集数据是电压信号，属于模拟量；按其测量方式来分，可以分为次参 数和二次参数，拉出值、导线高度，弓网接触压力等参数直接由传感器检测得 到，属于一次参数，而平行线间距，接触线高度差等参数是通过对一次参数进 行二次运算得出的，所以属于二次参数”3 i 。 2 1 2 检测系统构成 接触网检测系统主要由信号采集传输设备、实时数据采集系统、事后数据 处理系统、图像摄采系统等组成。接触网检测实际上是在列车运行中检测接触 网自身结构及受流系统的各项机械和电气参数，借以评价接触悬挂性能、受电 弓性能，检查接触网工程和运营质量，具有微机处理系统的般接触网综合检 测系统如图2 - 1 所示1 1 3 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 图2 1 检测系统构成 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 2 1 3 检测项目 一个完整的接触网检测系统一般能对下面的检测项目进行检测，如表2 一l 所示： 1 定位信息检测：接触网是沿线路架设的，接触网检测的结果无论检 测的是正常状态还是非正常的状态，都要给出当前检测的坐标位置，才能给出 正确的检修指导和分析弓网关系。如果定位信号检测不准或误差太大，即使其 他参数检测结果很准确，这个检测结果也没有实际意义。 接触网的定位信息一般有两种形式：其一是公里标信息，在线路上每一公 里或者每1 0 0 m 都有一个公里标，知道了每一个检测点的公里标信息，就可以 将检测结果和实际线路位景对应起来：其二是定位号码信息，电气化铁道接触 网支柱和隧道定位都是有编号的。因此只要检测出每个定位信息，结合距离 信息，也可以把检测结果和实际线路位置对应起来。 2 接触线拉出值检测：在电气化线路上，为了延长受电弓的使用寿命， 使滑板磨耗均匀，接触线在线路的直线段布置成之字形，在曲线段布置成折线 的形式。而且此折线一般与受电弓中心的行迹相割或相切。这种折线在定位点 处接触线距受电弓中心线行迹的距离称为拉出值：在直线区段上，接触线在定 位点处相对于线路中心的偏移距离称为之字值。为方便起见，统称为接触线拉 出值。 如果接触线拉出值设置得太小，则达不到均匀滑板磨耗、延长受电弓寿命 的目的。如果拉出值设置得太大，在某些情况下接触网容易因为超出受电弓的 有效工作范围而造成弓网事故。为了避免这些现象的发生，要经常检测拉出值 的大小及其变化。 3 接触线高度检测：接触线高度是指接触线到轨面的距离，对它的测量 有两个方面的意义。首先是在静止状态下，测量接触线保持的应有高度，接触 线的高度应在规定的范围内。静止测量是为工程和维修单位提供参考数据。其 次是在运行状态下，即在列车运行中测量受电弓沿接触线的运行轨迹，为研究 接触悬挂的质量和受电弓的性能以及受流状态提供依据。 4 悬挂硬点冲击加速度检测：当接触网上有吊弦脱落、线夹偏斜、分段、 分相等设备安装不当，造成接触线局部弹性变差，在列车高速运行情况下，这 些部位都会出现不正常抬高，甚至出现打弓现象，形成这种现象的本征状态称 为硬点。硬点是一种结构的本征欠缺，并且是相对的，列车速度越高硬点表现 越明显。硬点是一种有害的物理现象，它会加速接触线和受电弓滑板的异常磨 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 耗和撞击性损害，同时破坏弓网间的正常接触和受流，常在这些部位造成火花 或拉弧，影响弓网受流和弓网寿命，情况比较严重的硬点还会危及行车安全。 表2 1 主要检测项目及其检测目的 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 正常情况下受电弓在短时间内可以认为是匀速运动，受电弓加速度较小。 当遭到硬点打击后，受电弓瞬间会受到一个很大的冲击力，并产生与受到的冲 击力大小成正比的加速度。可见硬点是造成受电弓加速度突变的主要因素，检 测受电弓的加速度即可确定受电弓所受冲击大小及对受电弓的影响程度。 5 弓网接触压力检测： 受电弓和接触线在工作状态下是一个共生体，只 有它们互相接触和作用时才能完成电力机车获取电能的目标。在受电弓和接触 线的接触中，其压力过大时，会增加受电弓和接触线的磨损，缩短其使用寿命： 当接触压力过小时，会使弓网之间接触不良，使供电时断时续，甚至引起火花 和电弧，烧伤接触线和受电弓滑板，进一步造成接触不良，以致发生弓网事故。 在接触网运行过程中，要经常了解接触悬挂的工作状态，以保持良好，安全运 行，所以经常检测受电弓和接触线的接触压力，查找接触压力曲线的异常点， 即压力曲线表现出来的异常情况，如出现过大的峰值，或者出现极限谷值，或 者不均匀程度特别明显，这些地方定是隐患点或不良状态点。同时，接触线 与受电弓之间的动态接触压力及其变化分布情况是弓网受流特性的评价标准之 【1 7 】i i 州19 1 。 6 定位器坡度检测：定位器是支持和确定接触线相对于线路中心线横向 位置的装置。接触线拉出值就是靠定位器的支持( 拉、压) 来实现的。为了避 免受电弓通过定位器的时候因抬起接触线造成受电弓滑板撞击定位器，定位器 安装后应有倾斜度，即定位器根部在安装后要适当抬高些，其倾斜度要求在1 6 1 1 0 之间。在长时间的运行过程中，很有可能定位器的倾斜角度会由于零件 的松动等原因发生变化，为了避免发生故障，应当经常检测定位器坡度是否超 限。 7 接触线磨耗测量： 接触线磨耗是指接触线由于长期与受电弓滑动接触 取流，从而产生的接触线磨损程度。磨耗主要出离线火花烧损和机械磨损产生， 当磨耗超过一定的限度时，接触线难于维持张力，将会导致断线的恶性事故发 生。因此很有必要对接触线磨耗状况进行检测，杜绝隐患。 8 线岔非支抬高测量：在两条电气化铁路交叉的上空，由两组汇交的接 触线用限制管连接并固定的装置称为线岔。受电弓由一股道向岔尖方向通过线 岔时，必须先接触另一组接触悬挂，当刚接触另一组接触悬挂时，往往会因为 两组悬挂交角太小或其他原因，在组悬挂被抬高后，另一组悬挂不能相应抬 高，而造成钻弓。所以必须经常检测线翁处受电弓对另一组接触线的始触状态， 即在始触点处两组接触线是否等高。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 9 接触网电压测量：电力机车牵引运行，对接触网电压有一定的要求， 在供电臂末端，如果接触网电压过低，就会影响机车正常运行，我国规定，接 触网电压不得低于1 9 k v 。 l o 离线测量：离线是电力机车在运行中受电弓与接触线的机械脱开。受 电弓和接触悬挂都是具有一定弹性的设备，受电弓随着机车的高速运行而在接 触线上高速滑行，由于接触悬挂弹性沿跨距周期波动的特性、接触线上的硬点、 受电弓自身的重量、风力等因素的影响，会使受电弓在沿接触线滑动过程中产 生垂直方向的加速度，从而引起接触悬挂的振动，受电弓与接触网的良好接触 状态受到破坏，造成弓网脱离。 离线是一种不正常的现象，是判断接触网受流质量恶化的重要指标。体现 这一特征的的指标是离线率，可表示为 、 c s = 擎枷 。：刊 式中。s 离线率： r 在测量区间内受电弓通过的时间； f 个 厶1 s 在测量时间t 内，滑板从接触线上脱开的时间总和。 1 1 环境温度：由于物体的热胀冷缩特点，当环境温度发生变化时，接触 网的线索就会由一种状态变为另一种状态，从而造成接触线的拉出值、高度等 参数也相应的发生变化，因此在给出检测结果的同时，也给出检测过程中的环 境温度，检测结果才更有意义旧f 2 0 。 2 1 4 检测方式 多种检测方式并存：接触式检测：在受电弓上安装很多传感器以检测拉出 值、定位信息、冲击等；非接触式检测：不在受电弓上安装传感器，采用图像 处理等方法实现接触网几何参数的检测，在国外有意大利，在国内有北京师范 大学模糊技术国家专业实验室做的电气化铁道接触网视觉检测系统：接触网与 非接触相结合，如德国的接触网检测车。检测结果多种方式输出：曲线，表格， 评价等。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第l o 页 2 2 评价系统 现有的接触网的数据评价系统实际上就是对实时数据采集系统所采集保存 的原始检测数据进行的二次处理，按照接触网本身的特点和用户所关心的问题 进行处理结果的显示、存储、报表和打印等。 2 2 1 评价意义 接触网检测设备对接触网相关参数进行检测，其目的是为了给接触网的维 护和调整提供科学依据。为了达到这个目的，其检测结果应该能比较准确地、 具体地反映接触网的运行状态，一方面，它可以准确地发现接触网的故障隐患， 为接触网检修和维护提供技术依据；另一方面能对区段接触网的状况给出一个 直观的结果，以利于运营维修部门掌握管内接触网的实际状况，并采取相应措施， 保证安全运行。 2 2 2 实现的功能 1 检测结果能按照不同的检测同期进行报表。 2 检测结果能按照不同的检测区段进行报表，包括按照站区进行报表、按 照供电段进行报表、按照领工区进行报表、按照网工区进行报表。 3 结合以上两点，检测结果能按照不同日期的不同区段进行报表。 4 能只对符合关键参数拉出值、导线高度、冲击、接触压力、平行线间距 的特定取值范围的参数检测结果进行报表，这些参数的取值范围都可以设置上 限和下限，能处理一个参数有取值范围设置或几个参数都有取值范围设置的情 况。 5 能让用户选择对所有参数的检测结果进行报表或者只对部分参数的检 测结果进行报表。 6 在进行上述报表时，能按照接触网参数本身的特点进行关键参数拉出 值、导线高度、冲击、接触压力进行分布统计。 7 能对不同检测日期的不同区段的同一参数拉出值、导线高度、冲击、接 触压力的分布情况进行对比。 8 所有上述报表都要求可以保存、打印。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 1 页 2 2 3 报表方式 结果报表一般由数值报表+ 图形报表+ 混合报表构成： 1 数值报表：对二次结果数据库里满足用户条件的数据以数值形式进行 的报表； 2 图形报表；曲线图+ 分布图+ 对比图： 曲线图：对某个或某几个接触网参数以曲线形式进行的报表； 分布图：对某个接触网参数按一定的取值范围进行分别统计的报表： 对比图：对某个接触网参数几次不同的检测情况的取值分布的对比： 3 混合报表：对某个接触网参数进行曲线和分布情况统计的报表。 2 2 4 数据分析的方法 检测车实时检测过程中，将各类检测信号、定位信号、补偿信号，以二进 制格式存放在数据文件中，这些数据包含的是最原始、最基本的信息( 为了不 遗漏任何可能的有用数据信息，实时检测中尽量存储了足够多的数据量) ，它们 既相互独立又彼此存在着或多或少的内在联系。但目前的数据评价系统只是对 单项检测参数的统计分析：接触网架设过程中，各参数都有一定的设计标准， 随着运营时间的加长、环境条件的变化，检测值与设计值之间会产生一定的偏 差，偏差值一旦超出规定范围就会危害到行车安全。为此，利用统计的方法。 从检测数据在数量上的表现去推断接触网的超限、超标状况，并予以准确定位， 以评价接触网的性能状态和指导现场的维护工作【1 ”。 2 2 5 评价系统的发展方向 工程项目中，重要的是对检测数据进行分析，找出问题存在的地方、产生 的原因，针对性地提出问题的解决方案和处理措施，指导现场对设备进行维护 或更换，以便及时对事故的隐患点进行处理保障铁路的安全运营。因此，对 检测数据采取更有效的分析处理方法，提出针对性的专家意见，指导现场人员 对接触网进行维护，已成为评价系统新的改进方向。 2 2 5 1 参数关联分析 在知识发现中，关联是描述一种在一个事务中事件之间同时出现的规律的 知识模式，更确切地说，关联通过量化的数字描述事件甲的出现对事件乙出现 一 亘塑壅壅查兰堡圭堡窒皇兰竺笙奎 兰! 兰要 的影响程度。 接触网检测参数较多，各项参数都单独体现着接触悬挂某一方面的性能特 征，同时，参数相互之间并非完全孤立，而存在着这样、那样的内在联系。接 触悬挂的某参数检测值出现超限、超标后，必然引起相关参数检测值对等地发 生变化。检测过程中，受电弓与接触线若相互脱离，在产生离线的同时，弓网 之间的接触压力会骤然降低、导线高度检测值的波动幅度会因此而增大、网压 相应地减小：硬点存在的地方，通常是离线多发地带或离线隐患地带。此外， 接触网各参数的检测数值受行车速度影响较大，低速时性能良好的接触悬挂， 在高速时往往会发生离线或硬点等影响行车安全的事故。同时，随着运行速度 的提高，车体的振动幅度加大，使拉出值、导线高度等参数的检测值产生的偏 差也随之增大。 2 2 5 2 专家评价系统 评价系统进一步发展方向是专家评价系统。近年来，随着专家系统在工程 应用中不断深入和完善，借用专家系统( e x p e r ts y s t e m ) 的设计思想，利用保 证弓网之间良好受流关系的相关理论知识、实践经验对检测数据进行分析处理， 除了评价出线路存在的具体问题外，还需要对所存在的问题，提出针对性的专 家解决方案和处理措施。 2 3 专家系统 2 3 1 专家系统 专家系统是对传统人工智能程序设计的一个非常成功的近似解决方法，是 一种模拟( e m u l a t e ) 专家决策能力的计算机系统，它利用大量专业知识解决只 有专家( e x p e r t ) 才能解决的问题。专家系统内部包括两个主要部分：知识库 和推理机。知识库包含有为推理机( i n f e r e n c ee n g i n e ) 所使用而得出结论的知 识，这些结论是专家系统对用户询问的响应1 1 2 i 。 专家系统包括以下三个方面的含义嵋- i j ： 1 专家系统是一种程序系统，但具有智能，有别于一般的程序系统，而是 一种能运用专家知识和经验进行推理的启发式程序系统； 2 专家系统的智能来源于领域专家的知识、经验和解决问题的诀窍。为此， 专家系统内部必须含有大量专家水平的领域知识与经验： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 3 专家系统所要解决的问题一般是那些本来应该由领域专家才能解决的 问题。 2 3 2 专家系统的要素结构 典型的专家系统由以下要素组成【2 “： 1 知识库：它是专家系统的重要组成部分，存储从专家那罩得到的、关于 某个领域的专门知识； 2 推理机：它也是专家系统的重要组成部分，具有依据一定策略进行推理 的能力，即能够根据知识推导出结论，而不是简单地去搜索现成地答案； 3 综合数据库：用来存放系统运行过程中所需要和产生的所以信息，包括 问题的描述、中间结果、解题过程的记录等信息； 4 解释机：负责回答用户提出的各种问题，包括与系统运行有关的问题和 与运行无关的关于系统本身的一些问题，是实现系统透明的主要部件； 5 知识获取机：负责管理知识库中的知识，包括根据需要修改、删除或添 加知识及由此引起的一切必要的改动，维持知识库的一致性、完整性等，是实 现系统灵活性的主要部件。 相应的，专家系统一般由五个部分组成：知识库、推理子系统、综合数据 库、解释子系统和知识获取子系统，如图2 2 所示。入机接口蕴含在各要素中。 它负责把用户输入的信息转换成内部表示形式，然后把这些表示形式交给相应 部件去处理，另外它还把系统输出的内部信息转换成易于理解的外部表示形式 显示给用户。 2 3 3 专家系统的优点 近十年来，专家系统获得迅速发展，应用领域越来越广，解决实际问题的 能力越来越强，这是专家系统本身的优良性能决定的，主要包括以下几个方面： 1 专家系统能够高效率、准确、周到、迅速和不知疲倦地进行工作： 2 专家系统解决实际问题时不受周围环境的影响，也不可能遗漏忘记： 3 人类专家的领域知识突破了时空的限制，专家系统程序可以永久保存， 并可复制任意多的副本或在网上供不同地区或不同部门的人们使用： 4 专家系统能够汇集多个领域专家的知识和经验以及他们协作解决重大 问题的能力，它拥有更渊博的知识、更丰富的经验和更强的工作能力： 5 专家系统的研制和应用，具有巨大的经济效益和社会效益： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 4 页 领域专家与知 识工程师 图2 2 专家系统的结构 6 研究专家系统能够促进整个科学技术的发展。专家系统对人工智能的各 个领域的发展起了很大促进作用，并将对科技、经济、国防、教育、社会和人 民生活产生极其深远的影响。 2 4 初步结论 由于接触式检测比较成熟、可靠和易维护，以及非接触式检测可最大化的 减少对弓头的影响、保证测量精度，所以可采用这两种方式的混合检测方式来 设计刚性接触网参数检测系统，结合地铁检测的实际需要对检测项目进行优化， 提出对弓网关系进行评价的具体要求，并设计一套安装在地铁维修车辆上的对 刚性接触网相关技术参数进行测量的装置，最后根据所测参数来评价刚性接触 网下的弓网关系。作为运营检修部门维护工作的依据，以及提出对刚性接触网 的安装方式和受电弓相关技术条件的建议。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 5 页 第三章刚性接触网检测与评价系统分析 3 1 地铁接触网构成 接触网是电气化轨道交通( 电气化铁路、地铁、轻轨等) 的重要组成部分、 是沿轨道布置、专为电力牵引机车提供电能的电气设施。布置方式上有第三轨 和架空式两大类。架空式接触网又可分成柔性悬挂和刚性悬挂两类。第三轨和 刚性悬挂主要用于轻轨和地铁，架空式柔性悬挂主要用于电气化铁路接触网， 当然，地铁也大量采用这种形式f 2 5 1 1 2 州f ”1 。 1 地铁第三轨 地铁第三轨主要由接触轨、绝缘子、端部弯头、防爬器、防护罩和隔离开 关等设备组成。接触轨通常设在列车前进方向的左侧。绝缘子通常采用额定电 压为3 k v 的瓷质绝缘子。端部弯头设置在接触轨断1 2 1 的端部，便于车辆受流器 能平滑顺利地过渡。为了避免因温度变化及受流器作用引起接触轨窜动，在每 一段接触轨中部均设置有防爬器。为引线方便，隔离开关均靠近地面设罱，从 安全方面考虑，通常将隔离开关安装于柜子中。第三轨有上磨式和下磨式两种 形式，如图3 1 所示1 2 。 图3 1第三轨断面示意图 2 地铁柔性架空式接触网 地铁柔性悬挂接触网系统的基本构造如图3 2 所示。它主要由各类线材、 绝缘子、下锚装置、支持结构、分段绝缘器和隔离开关等组成。对于d c l 5 0 0 v 地铁接触网，常用的线材有：1 2 0 m m 2 ( a g c u l 2 0 ) 银铜合金接触线和( t j l 2 0 ) 铜绞架空地线、1 5 0 m m 2 ( t j l 5 0 ) 铜绞承力索和辅助馈线。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 图3 2 地铁柔性架空式接触网断面图 正线通常采用由七根导线组成的全补偿双接触线单链形悬挂，七根导线包 括两根a g c u l 2 0 电车线、四根t j l 5 0 硬铜绞线( 载流承力索和辅助馈线) 和一 根架空地线。对于d c l 5 0 0 v 地铁接触网，常用的绝缘子有：腕臂棒式绝缘子、 馈线支撑绝缘子、下锚悬式绝缘子等。爬电距离均不应小于2 6 0 m m 。 3 地铁刚性架空式接触网 6 0 年代初期，日本在解决市郊架空接触网供电的电气化铁路和第三轨供电 的地下铁道之间的直通联运时，采用了将第三轨由轨旁移至隧道顶部安装的方 式。经过多年的不断改进和发展，渐渐演变成目前的刚性悬挂。刚性悬挂是将 铝合金汇流排安装于隧道顶部的绝缘支持装置上，再将接触导线夹装在铝合金 汇流排上，如图3 3 所示。它有t 形和形两种结构形式。刚性悬挂的主要 器材有：铝合金汇流排、铜或银铜合金接触线、绝缘子、电动隔离丌关以及由 铝合金汇流排加工而成的线龠、分段绝缘器和刚性连接段等，如图3 4 所示。 图3 3 刚性悬挂结构示意图 雕性分段拍绦器刚性交叉i 雠电分段 图3 4 刚性悬挂使用的分段绝缘器和线俞 西南交通大学硕士研究生学位论文 第17 页 3 2 刚性接触网的特点 广州地铁2 号线在国内率先使用n 形刚性接触悬挂方式，刚性接触悬挂由 n 型汇流排、接触线、绝缘予以及悬挂定位装置等组成，但列车在刚性悬挂接 触网下运行时的弓网关系目前国内关于这方面的研究并不多，且还无相应的检 测设备。与柔性悬挂相比架空刚性接触悬挂无论是结构形式还是维护和检修有 许多的不同处【8 【2 9 】【3 0 】 3 1 3 2 1 ： 它的总优点是：结构简单、安全可靠、占用空间小、受力条件好、无断线 之虞、维修工作量小、弓网受流特性好等诸多的优点，造价比传统的柔性接触 网降低1 5 左右，维修人员的配备可减少5 0 以上，每年的维修费用仅为柔性 接触网的1 9 ，在此后国内地铁新线的设计中被广泛的采用，已经取得了重大 的经济效益和社会效益。 1 虽然目前以周期修为主，但其各参数变化小，易于实旅状态修。 2 悬挂本身不存在负荷集中点和硬点，当悬挂与受电弓接触时，悬挂的抬 升量很小，相应的弓网之间的接触压力变化量也很小。 3 架空刚性接触悬挂锚段和跨距较小，跨距与速度关系密切，型汇流排 一般长度为1 0 m 或1 2 m ，锚段架设长度一般不超过2 5 0 m ，2 个锚段构成一个 完整周期的正弦波。其“z ”字值没有明显的拐点，其拉出值呈周期变化，最 大拉出值一般不超过2 0 0 m m 。 4 锚段关节、线岔结构简单。锚段关节采用两段接触悬挂侧向相互平行且 错开，线岔采用无交叉线岔结构。 5 安装精度要求高，架空刚性接触悬挂的接触线高度误差为5 m m ，锚段关 节和线岔处两悬挂的高差为o l m m ，且两悬挂的中心线要与受电弓的中心重 合。在曲线地段，为了保证接触线不出现偏磨现象，汇流排横断面的中心线要 与孰面垂直。这几个参数与轨道参数关系密切。 6 磨耗可达三分之二，没有断线之虞，因此一般是点故障，范围很小。 在某些方面，刚性悬挂和柔性悬挂类似： 1 虽然是整体道床，但相关参数也易受轨道、受电弓等外在因素的影响。 2 对较大的压力突变反映明显，易引起接触线的杌械和电气上的损伤。 3 锚段关节、线岔等处为避免拉弧、钻弓、打弓等现象对两支接触线的间 距和高差要求较高。 4 电分段、刚柔过渡处、汇流排间的连接处等易产生硬点，引起电弧、损 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 伤受电弓等。 5 中心锚结处的负驰度易产生离弓拉弧现象。 综上所述：为了保证地铁的安全运行，及时的了解工作运营状态，消灭事 故隐患，进一步减少工作量以便从周期修过渡到状态修，需要对其进行预防性 检测。 3 3 刚性悬挂动力学研究 列车通过受电弓与接触网的运动接触取得电能，弓网接触相互作用的好坏 直接决定着取流质量、行车安全和设备的经济寿命。弓网关系是一个复杂的系 统。接触网由多个零部件组成，且在线路直线、曲线段、接触网的锚段、道岔、 隧道区等处的结构特点完全不同；受电弓滑板、框架、阻尼器等结构对于不同的 受电弓差异较大，它们之间的相互作用还受到随机的空气气流扰动、集中硬点的 干扰叠加等影响而产生非周期性的振动，这种振动过程从理论上完全真实反映 是不可能的。 从力学角度看，接触网是一个广泛存在非线性因素和复杂的约束条件的连 续体系，给精确模拟其物理属性带来困难，因此由实际结构到建立力学模型的过 程中需根据不同的分析目的作不同的简化和假设，其关键在于求解过程中的简 化步骤是否合理和足够精确地反映被分解单元之间的关系。由于数学理论上对 振动方程是无法直接求得其解的，通常的研究方法是通过对中间关系的适当简 化和假设后计算数值解。对此各国作了大量的深入研究，并已经提出了近似的较 为公认的振动方程和初步的有限元模型f 3 引。 由文献 3 4 ，2 4 2 9 可知，刚性悬挂方式为了增大刚性悬挂接触网接触线的 抗弯刚度，将接触线安罱在型结构梁上，每隔一定距离通过特殊的夹具将其固 定在洞壁上，如图3 5 所示。考虑到接触线自重大，且无张力的特点，为使接触 线在跨距内的刚度尽量均匀，其悬挂机构布簧较密，跨距相对较短。为了计算方便 将其简化为：把悬挂机构考虑为有自重的弹簧，n 型结构梁与接触线一起考虑 为梁单元。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 9 页 图3 5 刚性接触网的安装结构 1 悬挂机构的等效模型： 悬挂机构包括地脚螺栓及槽钢。左右螺栓的长度及抗拉刚度分别为，、e ， a j ，岛、e 2 a 2 ；把它们考虑为杆单元，将其简化为线密度、刚度分别为j 。，、k z ， p 2 ，幻的弹簧。与之相连的槽钢的长度及抗弯刚度分别为f 、尉，将其考虑为 梁单元，简化为线密度、阿0 度分别为p 、白。力学模型见下图3 6 ，设作用力 q 的作用点c 离a 、b 点距离分别为a 、b ，在该力作用下，c 点的位移为j ， 弹簧与梁各自伸长量分别为6 ，、占，、6 j 。 图3 6 悬挂的力学模型 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 0 页 悬挂机构的等效刚度 ， k l k 2 k 3 1 2 庀曲2 = _ = 1 k l k 3 a 2 + 哎如6 2 + k l k z l 2 悬挂机构的等效质量： = 譬墨2 + 譬r 2 z + p a a l r i 2 坞r 2 + 局2 一c t 4 r i 足+ r 马+ 蜀b + 加 届墨2 + 屈恐2 + 屈恐2 一屈墨马+ 屈足玛+ f 1 6 r i r 3 式中， i n r 一 生垒竺! l 1 一k l k 3 a 2 + k 2 k 3 b 2 + 七k j 2 恐2 丽石面k l k 驴3 a l 五万； r = 瓦万面k = k 驴2 1 2i 万； a 。 a ，28 a l2 3 a 22 a 。 q 刘+ 矿；a ：2 矿；2 万一丽+ 而萨；口。2 矿； 2 a ( 5 l 一4 a )6 0 1 2 8 5 a l + 3 2 a 2 6 2 2 矿；2 丽厂；t 2 3 - 7 ； 6 2 = 1 + 蒡；屈= 争器+ 丽2 3 b 2 ；, 0 4 = 矿2 b 2 ； 屈= 6 0 1 2 _ - 8 而5 b l + 3 2 一b 2 ；孱= 2 b ( 丽5 1 - 一4 b ) ； ( 3 1 ) ( 3 - 2 ) 2 刚性接触网模型： 根据以上对悬挂机构的简化以及把n 型结构与接触线一起看作为简支梁 这样就可以把刚性接触网的计算模型简化为如图3 7 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 ，蠢峰 豆盗蔓盔噩2 卜一l 一 图3 7 刚性接触网计算模型 根据假设模态法，梁的垂向位移y 阮砂的表达式为 m y ( x ，f ) = 庐，( x ) g ( f )( 3 3 ) f = l 式中，x 、r 分别为位移变量和时间变量；毋，俐为模态函数；吼例为广义坐 标m 为模态截断的阶数。 这样可以得到剐性接触网的振动微分方程： 乏( m ，