CN105403242A - 一种机车弓网硬点光电振动综合检测与gps定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机车弓网硬点光电振动综合检测与GPS定位方法，该方法步骤流程包括将弧光转变为电信号、对电信号分析处理、对振动信号进行分析、计算得到硬点值、GPS精确定位；一种机车弓网硬点光电振动综合检测与GPS定位系统，该系统主要包括：光电传感器、加速度传感器、信号调理装置、隔离变压器、采集卡、控制计算机、显示器、存储器、GPS定位器。本发明将加速度检测硬点与光电检测硬点有效结合起来，通过双重判别，能够对硬点做出更加准确判别；利用先进的GPS定位模块，实现了对接触网硬点的精确定位，查找和维修故障简单，避免了无法适应高速铁路发展需要和误判、漏判。

Description

一种机车弓网硬点光电振动综合检测与GPS定位方法及系统

技术领域

本发明属于机车弓网硬点检测技术领域，尤其涉及一种机车弓网硬点光电振动综合检测与GPS定位方法及系统。

背景技术

高速铁路大规模的发展，使得具有功率大、过载能力强和速度快等优势的电力牵引机车成为了发展的必然趋势，这对列车的弓网特性提出了更高的要求，而硬点是影响弓网关系的主要因素之一，它的发生会对受电弓、接触网、机车电器、牵引电机、牵引变压器以及整个机车供电系统都造成伤害。在铁运〔2007〕69号文件《接触网运行检修规程》的通知附录中规定了接触网动态检测项目暂行评定标准,规程中明确对160km/h等级线路和200km/h等级线路的硬点做了等级划分，250km/h等级线路的评定标准暂比照200km/h等级线路，具体如表1-1所示：表1-1硬点类别划分

为全国铁路第6次提速及动车组的试运行做准备，2007年初铁道部对京广线安阳-孟庙、陇海线虞城-太要间1828km接触网线路进行了检测,一共发现50g及50g以上的硬点多达2941处,平均每公里1.609处。以上大量硬点的存在直接暴露出现有的接触网质量远不能满足开行200km/h及以上动车组的要求，铁道部当即在要提速线路范围内广泛开展了接触网硬点大治理工作。同年4月18日，全国铁路大范围的进行了第6次提速，事后总结铁路第6次成功提速的经验表明,准确检测并治理硬点以及加强高速电气化铁路弓网施工及日常检修工作,是列车能够安全、高速运行的重要保障。

弓网硬点造成的严重损伤后果是电力机车受电弓翻弓使得弓头羊角钻网、刮断接触网吊弦、严重破坏接触网固定件及几何尺寸、甚至造成接触网接地或机车受电弓接地烧断接触网，最严重的损害结果将影响到铁路干线的行车安全和运输秩序，不能简单用损失金额来衡量。电气化铁路列车质量大、速度快，一旦弓网事故发生，不可能立即停车，因而事故对接触网和受电弓的破坏都比较大，维修、恢复供电需要较长时间，造成的直接和间接损失都是非常严重的，而诱发弓网事故的原因又比较多，既可能由受电弓引起，又可能由接触网引起，还可能是其他原因引起(线路、自然灾害等)。以往对铁路接触网弓网系统的弓网参数检测主要是由接触网检测车定期检测完成的，但随着铁路的提速,运营线路的增长以及行车密度的越大，使用检测车检测硬点的不便更加凸显，但由于其成本高，一个路局只有一台或几台，检测时可能会占道影响其他机车运行，接触网检测车虽检测全面，数据准确但对于硬点的检测只有数据而不能很好区分是受电弓的原因还是接触网的原因。由接触网引、受电弓引起的事故占到整个弓网事故总数的绝大部分(90％左右)。由于机车和接触网归属路局不同部门管理，机车归机务部门而接触网归供电部门，以往出现弓网事故后，它们又都无法提供各自设备状态的证据，所以在事故的责任划分存在困难。

目前我国正在研究时速到多达600公里的列车，被命名为更高速度的试验列车，轮轨技术、空气动力学性能和弓网关系是更高速列车三大核心技术。南车四方机车技术中心设计主审梁建英在指挥试验更高速列车现场说：“一直以来“双弓受流”技术是困扰工程师的技术难题，因为车辆在高速运行时，前弓在取流滑过接触网时，会形成一个激扰波，导致后弓的离线可能性加大，影响车辆的牵引性能。”机车的运行速度越快，硬点对机车的安全运行影响就越大，由此我们可以推断，硬点也必将成为今后制约机车高速安全运行的难题而长期存在。

接触网硬点是在弓网施工、检修中经常碰到的问题，可以说是弓网接触的固有属性，我们无法完全杜绝它的发生，只能减少其发生的次数和减少其发生带来的危害。接触网硬点产生的原因复杂，有设计、施工、检修、弓网材质、线路质量等原因，最常用的检测方式是从产生硬点的机械机理研究出发，通过检测机车受电弓与接触线的接触力以及接触力的突然变化(即加速度)来检测硬点。其原理是：a＝(P+G-T-N)/m，式中a为受电弓滑板质心垂向加速度；m为受电弓滑板归算质量；P为弓网接触压力；G为受电弓滑板重力；T为受电弓滑板受到的弹簧支撑力；N为受电弓滑板受到的空气抬升力。在忽略不考虑G、T、N的影响下，可以看出加速度a与接触压力P呈线性正比关系,由此检测硬点。但这种方法在现场中仍有不少漏检误检现象出现，弓网故障时有发生，尤其在机车大幅度提速后提出的“分档量化测量加速度思路”，这种方法的弊端更加明显。

意大利，日本，德国等国家作为世界上高速铁路比较发达的国家，很早就开始对接触网硬点进行研究和检测，但多数检测装置并不单纯检测硬点，同时还检测拉出值(接触线偏离受电弓中心位置)、接触线高度(导线距离轨面的距离)、离线(受电弓和接触网的脱离)等参数，用来评价弓网受流性能和线路质量。检测装置从系统结构可分为非接触式和接触式，意大利和奥地利的检测设备主要强调接触网检测几何参数，称为非接触检测，而日本、德国、法国的接触网检测设备相近，主要用来测试弓网动力学参数，称为接触式检测。

意大利TECNocRAMM公司开发的接触网检测设备，主要采用激光照射，伺服跟踪和图像处理技术，该检测装置的摄像机由直线马达拉动，依靠直线马达的速度和摄像机本生的定位精度来保证摄像机与接触线的对中，该设备对拉出值和导线高度测量较准，对硬点、接触压力等参数的分析需要更高图像技术，且计算复杂而且精度也不高。

德国的接触网动态检测系统是使用了专门的检测受电弓，分别在距离两滑块中心500mm处水平方向和垂直线路方向装有两个接触压力传感器以及一个垂直方向冲击加速度传感器，该受电弓弓头上还装有坡度传感器、导线接近传感器，受电弓底座上装有测量接触线高度的传感器以及测量机车速度的光电传感器，主要用于检测弓网间的接触压力、导线高度、冲击加速度(硬点)、车体振动等信息，系统提供两套数据自动分析方案：一套能自动分析接触压力和线岔缺陷，另一套需要人工输入检测参数(拉出值、冲击加速度、导线高度、网压等)的阀门值，系统会对超出阀门值的上、下限的数据进行自动分析，以找出故障，能够实时显示或打印接触网参数曲线图，根据显示的接触压力、拉出值、冲击加速度等曲线，能够分析判断出锚段关节、分相、吊弦、线岔、定位点等处的缺陷，并且以线路公里标的形式显示缺陷的位置，该检测系统检测参数的准确性、合理性被很多国家的接触网专家所认同。

德国BB公司研制的接触网非接触式检测装置，主要采用了伺服跟踪和图像处理技术。具体做法是在车顶并排安装4个CCD摄像机和3个聚光灯，通过伺服跟踪移动，使接触线在CCD摄像机中成像，然后通过实时图像处理，计算出接触线高度和拉出值。该装置不具有直接检测硬点的功能，但通过观察图像中出现弧光，可以发现接触网硬点存在的位置，但此方法不具有定量分析硬点的能力。

日本研制的接触力检测装备，需要在弓头的滑板和基板之间安装3个力传感器，导线和受电弓间接触力的改变会使电阻应变片变形，从而引起电桥的平衡发生变化，测出接触力，接触力大的地方作为硬点检出，又由于滑板、基板的质量大，使的检出有误差，并且使用的力传感器频率响应也跟不上接触力的变化，该装备有待改进。其研制的时速275kmEast—i高速检测列车在检测硬点、受电弓冲击使用的是加速度仪。

随着超声波、激光等技术的发展，非接触式检测方法在弓网系统检测方面的应用也越来越多，主要用于测量拉出值、导高以及接触线磨损，能够检测硬点的较少，将光电二极管放置在透镜系统的焦点处，透镜系统中装有能够独立输出的光接收器，将离线电火花转换为放大的电信号输出，从而实现对弓网离线电火花最基本的检测。但该系统不稳定，易受周围环境的影响。

传统的弓网硬点检测方法是在受电弓头上安装加速度传感器，通过检测受电弓和接触网在机车运行过程中耦合受流时的撞击加速度来检测硬点，但分析和检测结果都表明只测试了受电弓滑板的垂向加速度，不考虑滑板自重、受电弓支架的支撑力和空气气动应力来分析硬点的方法，的确可以消除了不少弓网故障隐患，但也容易误报和漏报。国际上先进的检测硬点的方法是通过检测弓网的接触压力计算得到的，因为接触压力的突然变化才是导致硬点产生的根本原因。接触压力不但可以反映接触网硬点撞击的程度，还可以从接触力的波形变化以及频域特性深入研究弓网问题；上世纪60年代，我国才开始对弓网系统安全的研究，那时候机车运行速度较低(均速40km/h)，研究和检测的主要对象是接触网静态结构参数，如拉出值、线岔、接触线高度等，因为这些参数不达标是造成机车运行故障的主要原因，上世纪80年代，我国自行研究的接触网检测车，主要检测运营的80km/h接触网的离线、高度、偏移值。

随着机车性能的不断提升，速度的显著提高，开始更多关注反应接触网运营质量问题的主要动态参数：接触压力、导线高度、硬点等，如西南交通大学电气工程学院在1998年研制成功的JJC-1型接触网检测装置，利用滑板上安装有检测接触压力、加速度、拉出值等多种传感器的受电弓，在机车运行过程中对接触网进行检测，该装置能够满足时速160km/h线路对接触网要求的检测，时至今日我国在弓网系统安全以及硬点的治理都有了不菲的成就。

周忠良等人设计的弓网硬点检测装置原理为：在受电弓弓头的两侧各安装一个双向加速度传感器，分别检测受电弓沿线路方向和垂向方向上受到的冲击情况。在高电压端，传感器信号经信号处理、多路A/D转换，变成数字信号，再经过微处理器编码和校验处理，由无线发射模块发送。在低压端，无线接收模块接收到数据，并通过串口把数据送往PC机进行数据保存、显示和报警等，进行进一步处理。经过在SS4型机车上进行的多次试验结果表明，上述机车受电弓硬点冲击检测及数据传输的方案切实可行。

高晓蓉等人设计的检测弓网硬点的装置同样是在弓头上安装2个应变式加速度传感器,不同于周忠良等人设计的硬点检测装置的地方在于信号的高低电压隔离传输方式，传感器信号首先通过编码,然后由光发射机将其转变为红外光信号，接着发送出去，最后由安装在机车车顶低电压侧的光接收机接收并将其还原为电信号,从而实现高低压的隔离传输。该装置另一别具匠心的地方在于还原的加速度传感器信号没有立即传入上位机进行分析，而是储存在机车的设备内，等到机车入库后,将检测数据通过串口转储到地面计算机中进行离线数据分析，从而找出硬点；该装置在成都铁路局内江机务段电力机车上的检测试验表明：采用应变式加速度传感器测量受电弓的冲击加速度,反映接触导线硬点的大小,所获数据准确性高，整个测量系统抗干扰能力强、可靠性高。

目前，国内研制或已经在机车上安装过很多种弓网硬点故障诊断的装置。基于加速度传感器测量硬点的各种装置在采集信号的方法上都基本相似，都是在机车受电弓弓头上安装加速度传感器，但由于弓网冲击处于27.5KV的高压环境，必须采取措施将高压侧的检测装置与低压侧的测量装置进行高电气隔离，所以在信号的隔离传输上出现很多不同，概况的讲主要有无线电发送接收方式、光通讯方式和隔离变压器方式这三种方式。

卓红俞在电力机车受电弓的压力检测装置中对弓网接触压力检测信号使用无线电传输的原理示意图，压力传感器检测到受电弓受到的压力后，将力信号转变成电信号输出，经电路放大、V/I变换电路后，电压信号变成了对应电流信号(4-20mA)输出到高压PLC，由高压PLC完成数据采集，再将采集到的数据经A/D转换后由无线MODEM发送出去，工控机与MODEM进行无线通信，从而实现数据由高压到低压传送，该检测装置已在成都、长沙、北京西、大同西等多个机务段安装运用，取得了很好的检测效果，但这种方法的缺点是转换设备较多，安装和维护比较复杂。

昆明理工大学肖虎涛设计的接触网检测系统对加速度信号的处理过程，加速度传感器的输出的电压信号，首先通入由两片OP07A芯片组成的差分放大电路进行信号放大，接着将信号通入由低漂移输入放大器、精密振荡器系统和大电流输出级组成的压频转换器中，电压频率转换器将模拟电压量变换为脉冲信号输出，输出的脉冲信号频率与输入电压的大小成正比，脉冲信号再通过光纤传入能够满足中低频信号传输，并且能够隔离前端干扰的TLP181光耦器中，再由单片机对信号进行采样，光纤传送可以较好地把高压侧(27.5KV)的信号传送到低压数据处理侧，因为光纤可以承受几万乃至几十万伏的电压，因而安全，这种传送方式的特点是信号不受电磁干扰和雷电干抚，绝缘性好，可靠性高，频带宽，重量轻，耐久性好，可以在任何气象条件下使用，从而完全实现了输入端与输出端的电气隔离。

西南交大刘波在总结国外离线电弧研究经验后，开始利用光电传感器采集硬点产生的电弧光的检测研究，设计了离线电弧检测系统的组成结构，在实验室内实现了对离线电弧进行实时采集、通信和存储等功能，他还系统的研究了我国离线电弧的波长分布，给出了准确的光谱分布图，这为以后利用光电传感器检测弓网故障的研究提供了重要的参考依据；另外西南交通大学、铁科院等单位结合受电弓滑板磨耗的检测也有很多理论研究，如用光纤、工业CCD摄像、激光位移传感器、超声波测距等多种检测方法。西南交通大学研发的JJC系列接触网检测车拥有自主知识产权，该系列检测车是基于CRH5型动车组技术主要用于检测标准时速在250km/h的机车接触线高度、拉出值、压力、硬点等参数，输出的数据报表、测试数据曲线样式适合中国国情，而且价格低。

康熊、刘全朝在深入研究受电弓弓头垂向加速度波形特征之后，提出利用受电弓弓头垂直冲击加速度的最大值、峰值因子、标准偏差三参数来诊断一跨内接触网硬点的评判准则。这一评判标准能够更有效的排除机车过分相以及高压高空环境中随机因素对硬点检测的影响。作者在京哈线沈阳铁路局管内进行了实测，很好的论证这一检测评判标准比传统检测受电弓弓头垂直冲击加速度最大值诊断接触网硬点的方法更有效、更科学。

国内现有的弓网硬点检测研究大都还是围绕检测受电弓滑板撞击加速度和弓网间接触力来识别硬点，但也需要采用特制的受电弓弓头，或对电力机车受电弓改造，利用应变片、加速度传感器来检测受电弓滑板受力情况，借以判别接触网线有无硬点。此类设备具有数据记录功能，可实时记录受电弓运行中的各项参数，但只是“写实”性的全程记录，因而数据文件比较庞大，不利于对异常数据的甄别和分析；使用光电传感技术检测弓网硬点还多处在实验阶段，而且在利用光电检测技术对硬点的等级划分还不明朗；在对弓网硬点所处线路实际位置的定位通常都采用车体距离传感器配合线路数据库定位杆位测量，优点是简单实用，缺点在于因车轮打滑、检测速度、运算过程以及其累计误差等因素会使杆位定位产生较大偏差，方法单一，很难精确地标定出测量参数的具体位置，给查找和维修故障增加了困难。

目前，传统的机车弓网硬点检测方法及系统存在杆位定位产生较大偏差，硬点检测方法单一，很难精确地标定出测量参数的具体位置，查找和维修故障困难的问题。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种机车弓网硬点光电振动综合检测与GPS定位方法及系统，旨在解决传统的机车弓网硬点检测方法及系统存在杆位定位产生较大偏差，硬点检测方法单一，很难精确地标定出测量参数的具体位置，查找和维修故障困难的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种机车弓网硬点光电振动综合检测与GPS定位方法，该方法步骤流程包括将弧光转变为电信号、对电信号分析处理、对振动信号进行分析、计算得到硬点值、GPS精确定位；

所述的将弧光转变为电信号是指利用光电传感器把非合理范围内的弓网硬点产生的弧光转变为电信号，建立弓-网力学模型，对静态和动态接触压力进行分析，依据模型得到各自的运动微分方程，建立弓网系统动力学模型和弓网动力学微分方程，利用计算机仿真技术对铁路弓网接触力进行分析研究，对电弧放电产生的弧光光谱进行分析，对弓网燃弧过程的电压、电流信息进行同步采集，分析电弧的伏安特性；

所述的对电信号分析处理是指由于传感器测量得到的信号微弱并带有噪声，需要信号调理装置对信号进行放大、滤波的处理，测量装置处于高压环境，为了避免信号的相互干扰，保证检测装置和弓网系统的安全，协调检测装置和弓网系统之间的电位差,同时为了降低共模信号对信号采集精度的影响，在进行信号的传输过程中须采取隔离措施，避免系统直接接入高压，采用隔离变压的方式对信号进行隔离传输，再利用高速A/D采集卡将采集到的信号模数转换后传入计算机进行分析，通过对电信号的分析处理，当信号值超过提前预设的阀门值，认为发生硬点并通过计算得到硬点值；

所述的对振动信号进行分析是指首先设定振动信号的采样率、采样模式差分或单端等对振动信号通道和光电信号通道进行数据采集，对加速度传感器检测到的振动信号进行分析；

所述的计算得到硬点值是指如果检测到的受电弓滑板的冲击加速度超过提前预设的阀门值，认为发生硬点并通过计算得到硬点值，硬点值数据将被存储到flashROM单元，并可被IBM兼容型计算机所读取；

所述的GPS精确定位是指利用GPS定位模块记录硬点发生位置，通过串口将当时时刻的定位信息传输到IBM兼容机，实现硬点信息的报警、显示、存储、打印等功能，配合电子地图，可以准确标注出硬点的具体位置，提供有关部门以便及时维修，以防故障扩大。

进一步，所述的机车弓网硬点光电振动综合检测与GPS定位方法利用光电传感器检测硬点产生的电弧情况和加速度传感器测量硬点发生时受电弓受到的冲击来双重判别硬点是否发生，确定硬点后，由CPU记录该时刻的物理坐标和卫星授时，采用新型GPS模块，配合电子地图，利用labVIEW软件平台，设计GPS卫星接收系统及硬点坐标位置计算系统，对硬点物理坐标及机车行驶速度进行测量，利用特定算法对测量结果进行修正，准确测出硬点发生位置，采用nextkit_nanoUSB数据采集卡对Model4610型加速度传感器和TP-6型紫外光电传感器输出的电压信号进行高频A/D采集，nextkit_nanoUSB数据采集卡与LabVIEW兼容，提供了丰富的数据采集控件，利于控件编程可以实现与DAQAssistant同样的功能，对采集卡工作参数如采集通道、采样频率、采样模式等的设置，制成命名为NanoAIExpress子VI，其中采集通道、采样频率、采样模式设置为输入，输出为波形图，数据采集模块包括两部分，一部分由数据采集卡读取弓网振动信号和硬点发生时的弧光信号，另一部分由串口读取机车上安装的GPS模块定位信号，LabVIEW使用标准的输入/输出应用程序编程接口(VISA)完成仪器的控制。

进一步，所述的对电信号分析处理中对采集卡采集到的振动信号、光电信号进行滤波,并对振动信号进行频谱分析为硬点的判别提供依据，对串口输入的GPS定位信息进行解析，提取机车运行的经度、纬度、速度等，为硬点的定位提供数据，采集卡输出经传感器转换后的电压信号中夹杂很多干扰信号，只有通过滤波、时域分析、频域分析、整理、计算才能用于对硬点的分析及其大小的测量，在消除干扰的选择上，通过模拟滤波器对信号实现频率滤波，也可以通过软件的方法消除影响，类似于模拟滤波器功能的数字滤波，通过一定的计算或者判断程序减少干扰在信号中的比率，加速度信号处理主要是对采集到的信号进行低通滤波，滤掉信号中的高频干扰成分，滤波器截止频率是系统程序通过全局变量发送过来的，在对模拟信号进行离散化时，采样频率的设置必须遵循“奈奎斯特采样定律”采样频率fs至少为信号中最高频率fmax的2倍，即fs≥fmax，否则原始信号中的信息不能完整保留，LabVIEW自带滤波工具包，使用时直接调用，X连接输入信号，将滤波器类型值设为0(0为低通滤波器，1为高通滤波器)、采样频率和高频截止频率设置成数值输入控件，方便在系统工作中调节，加速度信号频谱分析法是振动故障诊断的常用方法，弓网发生硬点属于弓网振动故障，利用频谱技术将受电弓时域振动信号转换为频域振动信号，这样不但可以将振动信号自身的各种频率成分离出来，而且可以有效的与干扰信号(高频)分离出来，有助于设置数字滤波参数和分析硬点；

弓网的振动是一种非平稳的随机振动，振动信号的频率、幅值、相位都是随机变化的，不符合在无限区域内可积的条件，所以不能直接采用傅里叶变换进行频谱分析，采用具有统计特性的功率谱密度进行谱分析可以很好的了解受电弓振动信号中的频域结构，信号x(t)的平均功率ψx可用均方值表示，即：

${{\mathrm{\ψ}}_x}^2=\underset{T\→\mathrm{\∞}}{\lim }\frac{1}{T}{\∫}_{-\frac{T}{2}}^{\frac{T}{2}}{x}^2\left(t\right)dt---(5-1)$

x(t)的傅里叶变换公式：

$X\left(f\right)={\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{+\mathrm{\∞}}x\left(t\right)e^{-j2\mathrm{\π}ft}dt---(5-2)$

则：

$\underset{T\→\mathrm{\∞}}{\lim }\frac{1}{T}{\∫}_{-\frac{T}{2}}^{\frac{T}{2}}{x}^2\left(t\right)dt=\underset{T\→\mathrm{\∞}}{\lim }\frac{1}{2\mathrm{\π}T}{{\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{\mathrm{\∞}}\left|X\left(f\right)\right|}^{2}df=\frac{1}{2\mathrm{\π}}{\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{\mathrm{\∞}}\underset{T\→\mathrm{\∞}}{\lim }{\frac{\left|X\left(f\right)\right|}{T}}^{2}df---(5-3)$

令：

$\underset{T\→\mathrm{\∞}}{\lim }{\frac{\left|X\left(f\right)\right|}{T}}^2=S_x\left(f\right)---(5-4)$

则：

${{\mathrm{\ψ}}_x}^2=\frac{1}{2T}{\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{\mathrm{\∞}}{S}_x\left(f\right)df---(5-5)$

Sx(f)就是功率谱密度函数。

功率谱表示振动功率随振动频率的变化分布，由式(5-4)看出功率谱等于幅值谱平方的平均值,比幅值谱更能明显区分振动信号中强弱频率成分，在LabVIEW使用功率谱密度对振动信号谱分析非常简便，调用频谱测量VI，选择功率谱密度同时可以“加窗”来更好分析测量采集卡采集到振动信号的频率成分。

进一步，所述的计算得到硬点值中对故障进行诊断，将处理后的数据与提前设定的阀门值对比，以对硬点的存在与否做出分析判别，Model4610型压电式加速度传感器将弓网冲击力转换为微电压信号输出，经过电荷放大，采集卡采样，最后进入计算机，硬点值G大小如下式：

$G=\frac{V_1}{k}=\frac{V_2}{bk}---(5-1)$

式k为加速度传感器的灵敏度，b为电荷放大电路放大倍数(具体大小经实测放大电路求出)，V₁为传感器输出电压，V₂为经电荷放大、滤波后的输出电压，

机车行驶过程中，若某处受电弓滑板垂向加速度a满足式(5-2)且弧光强度值b满足式(5-3),则认为该处为接触网硬点；

a≥δ

(5-2)

b≥ζ

(5-3)

式中：δ为受电弓垂向加速度的预设值，ξ为弧光强度预设值，δ和ξ可以根据相关标准和实际工况来设定，检测车在检测硬点动车组大于45g，普通车大于20g，我们在此将δ默认设置为30g，紫外线指数变化范围用0－15的数字来表示，通常，夜间的紫外线指数为0，热带、高原地区、晴天时的紫外线指数为15(相当于275mW/m2)，将ζ默认设置为500mW/m2；

系统虽为光电振动综合检测，但为了减轻计算机运行负荷，在软件编程中对振动和光电信号分析顺序结构做出了调整，首先检测紫外光信号，只有在紫外光强度超限后即b≥ζ才会对振动信号做出分析，一旦a≥δ也成立，系统立即报警，并由b计算出硬点值G，在b<ζ时，不会对振动信号做任何分析，只通过监控界面上波形图显示振动信号电压变化波形，因为紫外光信号的传播要快于弓网振动信号的传播，为此我们可以通过定时器设定，在检测到紫外光强度超限后，分析此后3s内的振动信号，因硬点值和弧光强度是通过传感器输出的电压计算出来的，并且这种关系是线性关系，因此可以通过比较系统检测输出的电压值与硬点发生所需的电压值进行比较，做出判断，减少计算量。

进一步，所述的GPS精确定位中对数据进行存储，将硬点信息包括时间、硬点值、经纬度等存储在指定的位置，以便查看使用，实时采集的数据只能做出简单的时域、频域分析，不能得到弓网冲击信号中更深层次的信息，为此可以根据需要将采集到的振动或光电信号数据单独存储，以便后续离线深层次分析，还可以将GPS定位数据单独存储，如再结合铁路机车行车数据记录系统，可以建立弓网硬点线路坐标数据库系统，方便维修定位，采用LabVIEW虚拟仪器开发平台，采用图形化的编程语言和数据流的编程方式，源程序没有文本代码完全是图形化框图，程序的逻辑与执行顺序是由后面板程序框图中节点之间的数据流向决定，图标表示指令及其含义，数据流向由连线表示，拥有大量的控件、函数和工具，用于数据的采集、分析、显示与存储等操作，LabVIEW软件不仅可以编写出功能强大的程序而且界面同样很美观，GPS模块发送的数据遵循固定的格式，如RMC样例数据：$GPRMC,161229.48,A,3723.24757,N,12158.34167,W,0.13,309.62,120598,*10，本系统需要的经度、纬度等数据信息需要通过字符串检索查找从模块输出，类似输出纬度信息一样，将系统需要的经度、速度、日期、时间等信息分别编程，用连线板连接输入和输出端，做成子VI，再集合成一个VI，方便调用。

进一步，所述的机车弓网硬点光电振动综合检测与GPS定位方法中的监控信号包括弓网的振动、离线电弧和机车行驶位置，监测值超标由报警提示操作人员处理，监视数据按一定要求进行记录，硬点状况信息随时流入企业实时数据库，供有关部门调用，采样原始数据保存成固定格式存入数据库，供设备和技术部门分析与诊断调用，信息显示主要是用户界面控制，检测到的振动信号、光电信号用波形图实时显示，当硬点发生时，报警灯红色闪烁并进行声音报警，同时用表格的形式显示硬点发生的时间、硬点值、机车速度、机车该时刻的经纬度等信息，信息管理包括以下几个环节：

1)网络传输

利用LabVIEW独特DataSocket技术，可以将原始的振动信号和光电信号点对点的传输设备和技术管理部门，以供它需；

2)信息发布

信息发布模块可以将本系统前面板以网页形式发布，供其他管理人员浏览；

3)数据存储

弓网的振动和光电信息定时存入监控主机的Access数据库，发生故障时，用LabVIEW的TDMS文件自动保存弓网硬点信息；

4)报表打印

按照提前设置好的时间和格式，从监控主机的Access数据库调出数据打印弓网硬点检测结果报表。

进一步，所述的机车弓网硬点光电振动综合检测与GPS定位方法中加速度传感器的安装不得改变受电弓的结构，同时也不能对受电弓的升弓压力、受流性能和空气动力学性能有太大影响，Model4610型压电式加速度传感器体积小、重量轻，外部包裹坚固的铝制外壳，不需要额外的保护，为了准确检测受电弓滑板所受冲击振动，传感器的安装位置应尽量靠近受电弓滑板，安装在受电弓滑板支架侧面的中心位置，采用浮地型安装方式，先在传感器下面垫绝缘垫与弓头绝缘，然后用绝缘螺钉穿过安装孔将加速度传感器固定。

进一步，所述的机车弓网硬点光电振动综合检测与GPS定位方法中光电传感器采用TP-6半导体紫外线传感器安装在受电弓后方机车车顶上，对准受电弓即可，为了减少其他干扰和保护传感器，在外面安装一个聚光筒，聚光筒的安装具有特殊要求，不论受电弓处在最大工作高度还是最小工作高度，都不能遮蔽传感器对弧光的检测。

进一步，所述的机车弓网硬点光电振动综合检测与GPS定位方法中对蓄电池、信号处理器及高低电压隔离数据的隔离变压器都安装在车顶低电压侧，由于电力机车一般为单弓行驶，将蓄电池和信号调理、隔离变压装置安装在车顶机车行驶方向前端受电弓绝缘瓷瓶托架上，高电压侧电源采用的是25AH可充电免维护蓄电池，并配有5V稳压转换器，在受电弓弓架上装有行程开关是用来控制高压侧电源的开关，只有当机车开始工作升起受电弓时，蓄电池才能接通为高压侧的设备供电，从而启动节能和保护作用，为避免影响机车车顶维修作业，信号线缆在机车天窗等大盖处使用可拆卸的接头，高电压侧传感器供电线，采用四芯专用屏蔽电缆线，再在外面套上聚四氟乙烯绝缘管，用来增强电缆线抗高温和防老化的能力。

一种机车弓网硬点光电振动综合检测与GPS定位系统，该系统主要包括：光电传感器、加速度传感器、信号调理装置、隔离变压器、采集卡、控制计算机、显示器、存储器、GPS定位器；

所述的光电传感器连接在信号调理装置的下端，所述的加速度传感器连接在信号调理装置的上端，所述的信号调理装置连接在隔离变压器的上侧，所述的隔离变压器连接在信号调理装置和采集卡之间，所述的采集卡连接在隔离变压器和控制计算机之间，所述的控制计算机连接在采集卡和存储器之间，所述的显示器连接在控制计算机的后侧，所述的存储器连接在控制计算机的一侧，所述的GPS定位器连接在控制计算机的前侧。

进一步，所述的信号调理装置具体采用电荷放大电路和滤波电路组成。

进一步，所述的采集卡具体采用A/D采集卡。

进一步，所述的加速度传感器具体采用Model4610型压电式加速度传感器，采用第三代硅MEMS封装技术，集成温度补偿和专用的抗干扰屏蔽线，外部包裹坚固的铝制外壳并配有安装孔便于安装和固定，输出范围±200g，敏感度10mv/g，具有很高过载能力(5000g静态)，输入电压8-36V低功耗质量轻，非常适合机车顶部恶劣的室外条件。

进一步，所述的光电传感器具体采用TP-6贴片式半导体紫外线传感器，采用陶瓷衬底、金属电极、聚乙烯封装盖、金属键合引线和紫外线传感器构成。

进一步，所述的GPS定位器具体采用NEO-6MGPS+有源天线一体模块，GPS模块集成RF射频芯片、基带芯片、核心CPU和添加相关外围电路，像“收音机”一样接收、解调卫星的广播C/A码信号，GPS模块的通道数量参数表示该模块最大可以同时和几颗卫星建立通讯，通过运算与每个卫星的伪距离，然后运用距离交会法求出接收机的经度、纬度、高度和时间修正量这四个参数，通讯的卫星颗数越多，模块就能越快越准确地获得定位数据，设置CPU物理坐标和卫星授时，配合电子地图，能准确地反映出产生硬点的接触网的具体地理坐标，采用lebview编程软件设计GPS卫星接收系统及硬点坐标位置计算系统，对硬点物理坐标及机车行驶速度进行测量，利用特定算法对测量结果进行修正，实时记录硬点发生位置，提供离线的数据包，便于数据分析和共享。

进一步，所述的机车弓网硬点光电振动综合检测与GPS定位系统可以拆分为三个子系统：硬点光电检测系统、硬点振动检测系统和硬点GPS定位系统，根据所需的不同功能分别编程实现，将每个子系统创建成子VI，设置好输入和输出端，再由主系统调用，集成一个完整的系统，可以简化编程，为以后的程序升级和维护提供方便，整个检测系统可生成脱离LabVIEW而独立运行的可执行工具包，在没有安装LabVIEW软件的计算机上直接安装此工具包来运行此系统，如果将系统程序的源程序传输到指定的网站上进行发布，发布后如果检测系统计算机可以上网，则任何地方能上网的计算机都可以访问发布的网页，可以实现远程操作和在线监测。

进一步，所述的机车弓网硬点光电振动综合检测与GPS定位系统的整个硬件系统分为两部分，一部分是高压端的采集，另一部分是车内基于计算机的信号处理显示终端；高压端部分主要完成振动信号和光电信号的采集和预处理，车内部分主要是接收从车顶传下来的信号并将其与车内GPS定位模块的信号对应，进行显示和分析，由隔离变压器进行连接。

效果汇总

本发明提供的机车弓网硬点光电振动综合检测与GPS定位系统，设置加速度传感器和光电传感器，实现了把非合理范围内的弓网硬点产生的弧光转变为电信号；设置采集卡，实现了同时采集振动信号和光电信号。机车弓网硬点光电振动综合检测与GPS定位方法将加速度检测硬点与光电检测硬点有效的结合起来，通过双重判别，能够对硬点做出更加准确判别；在硬点定位的方法上利用先进的GPS定位模块，实现了对接触网硬点的准确定位。机车弓网硬点光电振动综合检测与GPS定位方法及系统将加速度检测硬点与光电检测硬点有效结合，通过双重判别实现了杆位精确定位，查找和维修故障简单，避免了传统动态检测方法因安装于受电弓上的多个传感器所增加的质量和对受电弓外形改造造成的空气动力性能的改变从而直接影响弓网动态跟随性导致无法适应高速铁路发展需要这一缺点，同时还可以避免单独使用加速度传感器检测硬点因受到外界干扰造成弓头垂直冲击加速度的最大值大于正常值的情况误认为是硬点发生的情况，造成误判和漏判。

附图说明

图1是本发明实施例提供的机车弓网硬点光电振动综合检测与GPS定位方法步骤流程图；

图2是本发明实施例提供的机车弓网硬点光电振动综合检测与GPS定位系统的结构示意图；

图中：1、光电传感器；2、加速度传感器；3、信号调理装置；4、隔离变压器；5、采集卡；6、控制计算机；7、显示器；8、存储器；9、GPS定位器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

如图1所示，本发明实施例是这样实现的，一种机车弓网硬点光电振动综合检测与GPS定位方法，该方法步骤流程包括将弧光转变为电信号S101、对电信号分析处理S102、对振动信号进行分析S103、计算得到硬点值S104、GPS精确定位S105；

所述的将弧光转变为电信号S101是指利用光电传感器把非合理范围内的弓网硬点产生的弧光转变为电信号，建立弓-网力学模型，对静态和动态接触压力进行分析，依据模型得到各自的运动微分方程，建立弓网系统动力学模型和弓网动力学微分方程，利用计算机仿真技术对铁路弓网接触力进行分析研究，对电弧放电产生的弧光光谱进行分析，对弓网燃弧过程的电压、电流信息进行同步采集，分析电弧的伏安特性；

所述的对电信号分析处理S102是指由于传感器测量得到的信号微弱并带有噪声，需要信号调理装置对信号进行放大、滤波的处理，测量装置处于高压环境，为了避免信号的相互干扰，保证检测装置和弓网系统的安全，协调检测装置和弓网系统之间的电位差,同时为了降低共模信号对信号采集精度的影响，在进行信号的传输过程中须采取隔离措施，避免系统直接接入高压，采用隔离变压的方式对信号进行隔离传输，再利用高速A/D采集卡将采集到的信号模数转换后传入计算机进行分析，通过对电信号的分析处理，当信号值超过提前预设的阀门值，认为发生硬点并通过计算得到硬点值；

所述的对振动信号进行分析S103是指首先设定振动信号的采样率、采样模式差分或单端等对振动信号通道和光电信号通道进行数据采集，对加速度传感器检测到的振动信号进行分析；

所述的计算得到硬点值S104是指如果检测到的受电弓滑板的冲击加速度超过提前预设的阀门值，认为发生硬点并通过计算得到硬点值，硬点值数据将被存储到flashROM单元，并可被IBM兼容型计算机所读取；

所述的GPS精确定位S105是指利用GPS定位模块记录硬点发生位置，通过串口将当时时刻的定位信息传输到IBM兼容机，实现硬点信息的报警、显示、存储、打印等功能，配合电子地图，可以准确标注出硬点的具体位置，提供有关部门以便及时维修，以防故障扩大。

进一步，所述的机车弓网硬点光电振动综合检测与GPS定位方法利用光电传感器检测硬点产生的电弧情况和加速度传感器测量硬点发生时受电弓受到的冲击来双重判别硬点是否发生，确定硬点后，由CPU记录该时刻的物理坐标和卫星授时，采用新型GPS模块，配合电子地图，利用labVIEW软件平台，设计GPS卫星接收系统及硬点坐标位置计算系统，对硬点物理坐标及机车行驶速度进行测量，利用特定算法对测量结果进行修正，准确测出硬点发生位置，采用nextkit_nanoUSB数据采集卡对Model4610型加速度传感器和TP-6型紫外光电传感器输出的电压信号进行高频A/D采集，nextkit_nanoUSB数据采集卡与LabVIEW兼容，提供了丰富的数据采集控件，利于控件编程可以实现与DAQAssistant同样的功能，对采集卡工作参数如采集通道、采样频率、采样模式等的设置，制成命名为NanoAIExpress子VI，其中采集通道、采样频率、采样模式设置为输入，输出为波形图，数据采集模块包括两部分，一部分由数据采集卡读取弓网振动信号和硬点发生时的弧光信号，另一部分由串口读取机车上安装的GPS模块定位信号，LabVIEW使用标准的输入/输出应用程序编程接口(VISA)完成仪器的控制。

进一步，所述的对电信号分析处理S102中对采集卡采集到的振动信号、光电信号进行滤波,并对振动信号进行频谱分析为硬点的判别提供依据，对串口输入的GPS定位信息进行解析，提取机车运行的经度、纬度、速度等，为硬点的定位提供数据，采集卡输出经传感器转换后的电压信号中夹杂很多干扰信号，只有通过滤波、时域分析、频域分析、整理、计算才能用于对硬点的分析及其大小的测量，在消除干扰的选择上，通过模拟滤波器对信号实现频率滤波，也可以通过软件的方法消除影响，类似于模拟滤波器功能的数字滤波，通过一定的计算或者判断程序减少干扰在信号中的比率，加速度信号处理主要是对采集到的信号进行低通滤波，滤掉信号中的高频干扰成分，滤波器截止频率是系统程序通过全局变量发送过来的，在对模拟信号进行离散化时，采样频率的设置必须遵循“奈奎斯特采样定律”采样频率fs至少为信号中最高频率fmax的2倍，即fs≥fmax，否则原始信号中的信息不能完整保留，LabVIEW自带滤波工具包，使用时直接调用，X连接输入信号，将滤波器类型值设为0(0为低通滤波器，1为高通滤波器)、采样频率和高频截止频率设置成数值输入控件，方便在系统工作中调节，加速度信号频谱分析法是振动故障诊断的常用方法，弓网发生硬点属于弓网振动故障，利用频谱技术将受电弓时域振动信号转换为频域振动信号，这样不但可以将振动信号自身的各种频率成分离出来，而且可以有效的与干扰信号(高频)分离出来，有助于设置数字滤波参数和分析硬点；

弓网的振动是一种非平稳的随机振动，振动信号的频率、幅值、相位都是随机变化的，不符合在无限区域内可积的条件，所以不能直接采用傅里叶变换进行频谱分析，采用具有统计特性的功率谱密度进行谱分析可以很好的了解受电弓振动信号中的频域结构，信号x(t)的平均功率ψx可用均方值表示，即：

${{\mathrm{\&psi;}}_x}^2=\underset{T\&RightArrow;\mathrm{\&infin;}}{\lim }\frac{1}{T}{\&Integral;}_{-\frac{T}{2}}^{\frac{T}{2}}{x}^2\left(t\right)dt---(5-1)$

x(t)的傅里叶变换公式：

$X\left(f\right)={\&Integral;}_{-\mathrm{\&infin;}}^{+\mathrm{\&infin;}}x\left(t\right)e^{-j2\mathrm{\&pi;}ft}dt---(5-2)$

则：

$\underset{T\&RightArrow;\mathrm{\&infin;}}{\lim }\frac{1}{T}{\&Integral;}_{-\frac{T}{2}}^{\frac{T}{2}}{x}^2\left(t\right)dt=\underset{T\&RightArrow;\mathrm{\&infin;}}{\lim }\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}T}{{\&Integral;}_{-\mathrm{\&infin;}}^{\mathrm{\&infin;}}\left|X\left(f\right)\right|}^{2}df=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}}{\&Integral;}_{-\mathrm{\&infin;}}^{\mathrm{\&infin;}}\underset{T\&RightArrow;\mathrm{\&infin;}}{\lim }{\frac{\left|X\left(f\right)\right|}{T}}^{2}df---(5-3)$

令：

$\underset{T\&RightArrow;\mathrm{\&infin;}}{\lim }{\frac{\left|X\left(f\right)\right|}{T}}^2=S_x\left(f\right)---(5-4)$

则：

${{\mathrm{\&psi;}}_x}^2=\frac{1}{2T}{\&Integral;}_{-\mathrm{\&infin;}}^{\mathrm{\&infin;}}{S}_x\left(f\right)df---(5-5)$

Sx(f)就是功率谱密度函数。

功率谱表示振动功率随振动频率的变化分布，由式(5-4)看出功率谱等于幅值谱平方的平均值,比幅值谱更能明显区分振动信号中强弱频率成分，在LabVIEW使用功率谱密度对振动信号谱分析非常简便，调用频谱测量VI，选择功率谱密度同时可以“加窗”来更好分析测量采集卡采集到振动信号的频率成分。

进一步，所述的计算得到硬点值S104中对故障进行诊断，将处理后的数据与提前设定的阀门值对比，以对硬点的存在与否做出分析判别，Model4610型压电式加速度传感器将弓网冲击力转换为微电压信号输出，经过电荷放大，采集卡采样，最后进入计算机，硬点值G大小如下式：

$G=\frac{V_1}{k}=\frac{V_2}{bk}---(5-1)$

式k为加速度传感器的灵敏度，b为电荷放大电路放大倍数(具体大小经实测放大电路求出)，V₁为传感器输出电压，V₂为经电荷放大、滤波后的输出电压，

机车行驶过程中，若某处受电弓滑板垂向加速度a满足式(5-2)且弧光强度值b满足式(5-3),则认为该处为接触网硬点；

a≥δ

(5-2)

b≥ζ

(5-3)

式中：δ为受电弓垂向加速度的预设值，ξ为弧光强度预设值，δ和ξ可以根据相关标准和实际工况来设定，检测车在检测硬点动车组大于45g，普通车大于20g，我们在此将δ默认设置为30g，紫外线指数变化范围用0－15的数字来表示，通常，夜间的紫外线指数为0，热带、高原地区、晴天时的紫外线指数为15(相当于275mW/m2)，将ζ默认设置为500mW/m2；

系统虽为光电振动综合检测，但为了减轻计算机运行负荷，在软件编程中对振动和光电信号分析顺序结构做出了调整，首先检测紫外光信号，只有在紫外光强度超限后即b≥ζ才会对振动信号做出分析，一旦a≥δ也成立，系统立即报警，并由b计算出硬点值G，在b<ζ时，不会对振动信号做任何分析，只通过监控界面上波形图显示振动信号电压变化波形，因为紫外光信号的传播要快于弓网振动信号的传播，为此我们可以通过定时器设定，在检测到紫外光强度超限后，分析此后3s内的振动信号，因硬点值和弧光强度是通过传感器输出的电压计算出来的，并且这种关系是线性关系，因此可以通过比较系统检测输出的电压值与硬点发生所需的电压值进行比较，做出判断，减少计算量。

进一步，所述的GPS精确定位S105中对数据进行存储，将硬点信息包括时间、硬点值、经纬度等存储在指定的位置，以便查看使用，实时采集的数据只能做出简单的时域、频域分析，不能得到弓网冲击信号中更深层次的信息，为此可以根据需要将采集到的振动或光电信号数据单独存储，以便后续离线深层次分析，还可以将GPS定位数据单独存储，如再结合铁路机车行车数据记录系统，可以建立弓网硬点线路坐标数据库系统，方便维修定位，采用LabVIEW虚拟仪器开发平台，采用图形化的编程语言和数据流的编程方式，源程序没有文本代码完全是图形化框图，程序的逻辑与执行顺序是由后面板程序框图中节点之间的数据流向决定，图标表示指令及其含义，数据流向由连线表示，拥有大量的控件、函数和工具，用于数据的采集、分析、显示与存储等操作，LabVIEW软件不仅可以编写出功能强大的程序而且界面同样很美观，GPS模块发送的数据遵循固定的格式，如RMC样例数据：$GPRMC,161229.48,A,3723.24757,N,12158.34167,W,0.13,309.62,120598,*10，本系统需要的经度、纬度等数据信息需要通过字符串检索查找从模块输出，类似输出纬度信息一样，将系统需要的经度、速度、日期、时间等信息分别编程，用连线板连接输入和输出端，做成子VI，再集合成一个VI，方便调用。

进一步，所述的机车弓网硬点光电振动综合检测与GPS定位方法中的监控信号包括弓网的振动、离线电弧和机车行驶位置，监测值超标由报警提示操作人员处理，监视数据按一定要求进行记录，硬点状况信息随时流入企业实时数据库，供有关部门调用，采样原始数据保存成固定格式存入数据库，供设备和技术部门分析与诊断调用，信息显示主要是用户界面控制，检测到的振动信号、光电信号用波形图实时显示，当硬点发生时，报警灯红色闪烁并进行声音报警，同时用表格的形式显示硬点发生的时间、硬点值、机车速度、机车该时刻的经纬度等信息，信息管理包括以下几个环节：

1)网络传输

利用LabVIEW独特DataSocket技术，可以将原始的振动信号和光电信号点对点的传输设备和技术管理部门，以供它需；

2)信息发布

信息发布模块可以将本系统前面板以网页形式发布，供其他管理人员浏览；

3)数据存储

弓网的振动和光电信息定时存入监控主机的Access数据库，发生故障时，用LabVIEW的TDMS文件自动保存弓网硬点信息；

4)报表打印

按照提前设置好的时间和格式，从监控主机的Access数据库调出数据打印弓网硬点检测结果报表。

进一步，所述的所述的机车弓网硬点光电振动综合检测与GPS定位方法中加速度传感器的安装不得改变受电弓的结构，同时也不能对受电弓的升弓压力、受流性能和空气动力学性能有太大影响，Model4610型压电式加速度传感器体积小、重量轻，外部包裹坚固的铝制外壳，不需要额外的保护，为了准确检测受电弓滑板所受冲击振动，传感器的安装位置应尽量靠近受电弓滑板，安装在受电弓滑板支架侧面的中心位置，采用浮地型安装方式，先在传感器下面垫绝缘垫与弓头绝缘，然后用绝缘螺钉穿过安装孔将加速度传感器固定。

进一步，所述的机车弓网硬点光电振动综合检测与GPS定位方法中光电传感器采用TP-6半导体紫外线传感器安装在受电弓后方机车车顶上，对准受电弓即可，为了减少其他干扰和保护传感器，在外面安装一个聚光筒，聚光筒的安装具有特殊要求，不论受电弓处在最大工作高度还是最小工作高度，都不能遮蔽传感器对弧光的检测。

进一步，所述的机车弓网硬点光电振动综合检测与GPS定位方法中对蓄电池、信号处理器及高低电压隔离数据的隔离变压器都安装在车顶低电压侧，由于电力机车一般为单弓行驶，将蓄电池和信号调理、隔离变压装置安装在车顶机车行驶方向前端受电弓绝缘瓷瓶托架上，高电压侧电源采用的是25AH可充电免维护蓄电池，并配有5V稳压转换器，在受电弓弓架上装有行程开关是用来控制高压侧电源的开关，只有当机车开始工作升起受电弓时，蓄电池才能接通为高压侧的设备供电，从而启动节能和保护作用，为避免影响机车车顶维修作业，信号线缆在机车天窗等大盖处使用可拆卸的接头，高电压侧传感器供电线，采用四芯专用屏蔽电缆线，再在外面套上聚四氟乙烯绝缘管，用来增强电缆线抗高温和防老化的能力。

如图2所示，一种机车弓网硬点光电振动综合检测与GPS定位系统，该系统主要包括：光电传感器1、加速度传感器2、信号调理装置3、隔离变压器4、采集卡5、控制计算机6、显示器7、存储器8、GPS定位器9；

所述的光电传感器1连接在信号调理装置3的下端，所述的加速度传感器2连接在信号调理装置3的上端，所述的信号调理装置3连接在隔离变压器4的上侧，所述的隔离变压器4连接在信号调理装置3和采集卡5之间，所述的采集卡5连接在隔离变压器4和控制计算机6之间，所述的控制计算机6连接在采集卡5和存储器8之间，所述的显示器7连接在控制计算机6的后侧，所述的存储器8连接在控制计算机6的一侧，所述的GPS定位器9连接在控制计算机6的前侧。

进一步，所述的信号调理装置3具体采用电荷放大电路和滤波电路组成。

进一步，所述的采集卡5具体采用A/D采集卡。

进一步，所述的加速度传感器2具体采用Model4610型压电式加速度传感器，采用第三代硅MEMS封装技术，集成温度补偿和专用的抗干扰屏蔽线，外部包裹坚固的铝制外壳并配有安装孔便于安装和固定，输出范围±200g，敏感度10mv/g，具有很高过载能力(5000g静态)，输入电压8-36V低功耗质量轻，非常适合机车顶部恶劣的室外条件。

进一步，所述的光电传感器1具体采用TP-6贴片式半导体紫外线传感器，采用陶瓷衬底、金属电极、聚乙烯封装盖、金属键合引线和紫外线传感器构成。

进一步，所述的GPS定位器9具体采用NEO-6MGPS+有源天线一体模块，GPS模块集成RF射频芯片、基带芯片、核心CPU和添加相关外围电路，像“收音机”一样接收、解调卫星的广播C/A码信号，GPS模块的通道数量参数表示该模块最大可以同时和几颗卫星建立通讯，通过运算与每个卫星的伪距离，然后运用距离交会法求出接收机的经度、纬度、高度和时间修正量这四个参数，通讯的卫星颗数越多，模块就能越快越准确地获得定位数据，设置CPU物理坐标和卫星授时，配合电子地图，能准确地反映出产生硬点的接触网的具体地理坐标，采用lebview编程软件设计GPS卫星接收系统及硬点坐标位置计算系统，对硬点物理坐标及机车行驶速度进行测量，利用特定算法对测量结果进行修正，实时记录硬点发生位置，提供离线的数据包，便于数据分析和共享。

进一步，所述的机车弓网硬点光电振动综合检测与GPS定位系统可以拆分为三个子系统：硬点光电检测系统、硬点振动检测系统和硬点GPS定位系统，根据所需的不同功能分别编程实现，将每个子系统创建成子VI，设置好输入和输出端，再由主系统调用，集成一个完整的系统，可以简化编程，为以后的程序升级和维护提供方便，整个检测系统可生成脱离LabVIEW而独立运行的可执行工具包，在没有安装LabVIEW软件的计算机上直接安装此工具包来运行此系统，如果将系统程序的源程序传输到指定的网站上进行发布，发布后如果检测系统计算机可以上网，则任何地方能上网的计算机都可以访问发布的网页，可以实现远程操作和在线监测。

进一步，所述的机车弓网硬点光电振动综合检测与GPS定位系统的整个硬件系统分为两部分，一部分是高压端的采集，另一部分是车内基于计算机的信号处理显示终端；高压端部分主要完成振动信号和光电信号的采集和预处理，车内部分主要是接收从车顶传下来的信号并将其与车内GPS定位模块的信号对应，进行显示和分析，由隔离变压器4进行连接。

工作原理

如图1所示，机车弓网硬点光电振动综合检测与GPS定位系统主要包括：光电传感器1、加速度传感器2、信号调理装置3、隔离变压器4、采集卡5、控制计算机6、显示器7、存储器8、GPS定位器9；工作时，加速度传感器2用于检测受电弓垂直方向受到的冲击，光电传感器1用于检测非合理硬点产生的弧光，由于光电传感器1、加速度传感器2输出的电信号都很弱小并且含有噪声，不能被采集卡5直接采集，需要通过信号调理装置3对信号进行放大、过滤处理，由于受电弓的工作电压极高(27.5Kv左右)，检测到的振动、紫外光信号在传入低压的机车内部之前，必须要经过隔离变压器4进行高低压信号隔离，以保障位于地面的计算机及测试人员的安全，由于经光电传感器1、加速度传感器2采集的电流信号被电路放大、滤波后，输出的依旧是模拟电信号，但是控制计算机6只能识别数字化、离散化的信号，采集卡5是用来将信号由模拟量转换为数字量的装置，控制计算机6将传输接收的振动信号数据、光电信号数据与时间对应，以曲线的方式予以显示，同时利用软件对信号分析处理，对硬点做出判断，发现硬点时，读取GPS定位器9串口GPS信息，将定位信息与分析数据形成一条有效的记录作为硬点故障以报表的方式通过显示器7反应出来，同时可以利用存储器8对数据进行存储，利用打印机进行打印；机车弓网硬点光电振动综合检测与GPS定位方法由工业计算机对采集的两路信号同步分析，当加速度和光强都超过提前设置的门限值，认定存在硬点，将加速度检测硬点与光电检测硬点有效的结合起来，通过双重判别，能够对硬点做出更加准确判别，在硬点定位的方法上利用先进的GPS定位模块，通过串口实时将机车运行的的经度、纬度等信息传输到工业计算机，由软件读取和记录硬点发生的经纬度等信息，从而实现对接触网硬点的准确定位。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种机车弓网硬点光电振动综合检测与GPS定位方法，其特征在于，所述机车弓网硬点光电振动综合检测与GPS定位方法包括将弧光转变为电信号、对信号分析处理、对振动信号进行分析、计算得到硬点值、GPS精确定位；

所述将弧光转变为电信号是先对电弧放电产生的弧光光谱进行分析，选择满足检测波长范围的紫外光电传感器；根据传感器的输出电压信号与紫外线照射强度的变化关系，把非合理范围内的弓网硬点产生的弧光转变为电信号，并进行电信号的分析处理；

所述的对振动信号进行分析是建立弓-网力学模型，对静态和动态接触压力进行分析，依据模型得到各自的运动微分方程，建立弓网系统动力学模型和弓网动力学微分方程，利用计算机仿真技术对铁路弓网接触力和加速度进行分析；通过加速度传感器检测弓网振动信号，并与理论研究结果进行比较；设定振动信号的采样率、采样模式参数，对振动信号通道进行数据采集和分析处理；

所述的对信号分析处理是指对弓网硬点的光电和振动信息进行同步采集，由于传感器测量得到的信号微弱并带有噪声，需要信号调理装置对信号进行放大、滤波的处理；在进行信号的传输过程中须采取隔离变压的方式对信号进行隔离传输，再利用高速A/D采集卡将采集到的信号进行模数转换后，传入计算机进行分析；

所述计算得到硬点值是指首先通过对光电信号的分析处理，值超过提前预设的阈门值，开始对加速度传感器检测到的振动信号进行分析；如果检测到的受电弓滑板的冲击加速度也超过提前预设的阀门值，则认为发生硬点并通过计算得到硬点值；硬点值数据将被存储到flashROM单元，并被IBM兼容型计算机所读取；

所述GPS精确定位是指利用GPS定位模块记录硬点发生位置，通过串口将当时时刻的定位信息传输到IBM兼容机，实现硬点信息的报警、显示、存储、打印等功能，配合电子地图，准确标注出硬点的具体位置，提供有关部门以便及时维修。

2.如权利要求1所述的机车弓网硬点光电振动综合检测与GPS定位方法，其特征在于，所述的机车弓网硬点光电振动综合检测与GPS定位方法利用光电传感器检测硬点产生的电弧情况和加速度传感器测量硬点发生时受电弓受到的冲击来双重判别硬点是否发生，确定硬点后，由CPU记录该时刻的物理坐标和卫星授时，采用新型GPS模块，配合电子地图，利用labVIEW软件平台，设计GPS卫星接收系统及硬点坐标位置计算系统，对硬点物理坐标及机车行驶速度进行测量，利用特定算法对测量结果进行修正，准确测出硬点发生位置，采用nextkit_nanoUSB数据采集卡对Model4610型加速度传感器和TP-6型紫外光电传感器输出的电压信号进行高频A/D采集，采集通道、采样频率、采样模式设置为输入，输出为波形图，数据采集模块包括两部分，一部分由数据采集卡读取弓网振动信号和硬点发生时的弧光信号，另一部分由串口读取机车上安装的GPS模块定位信号，LabVIEW使用标准的输入/输出应用程序编程接口完成仪器的控制。

3.如权利要求1所述的机车弓网硬点光电振动综合检测与GPS定位方法，其特征在于，所述对信号分析处理中对采集卡采集到的振动信号、光电信号进行滤波,并对振动信号进行频谱分析为硬点的判别提供依据，对串口输入的GPS定位信息进行解析，提取机车运行的经度、纬度、速度，为硬点的定位提供数据，采集卡输出经传感器转换后的电压信号中夹杂很多干扰信号，只有通过滤波、时域分析、频域分析、整理、计算才能用于对硬点的分析及大小的测量，在消除干扰的选择上，通过模拟滤波器对信号实现频率滤波，通过软件的方法消除影响，通过一定的计算或者判断程序减少干扰在信号中的比率，加速度信号处理是对采集到的信号进行低通滤波，滤掉信号中的高频干扰成分；

采用具有统计特性的功率谱密度进行谱分析电弓振动信号中的频域结构，信号x(t)的平均功率ψx用均方值表示，即：

${{\mathrm{\&psi;}}_x}^2=\underset{T\&RightArrow;\&infin;}{\lim }\frac{1}{T}{\&Integral;}_{-\frac{T}{2}}^{\frac{T}{2}}{x}^2\left(t\right)\mathrm{dt}---(5-1)$

x(t)的傅里叶变换公式：

$X\left(f\right)={\&Integral;}_{-\&infin;}^{+\&infin;}x\left(t\right)e^{-j2\mathrm{\&pi;ft}}\mathrm{dt}---(5-2)$

则：

$\underset{T\&RightArrow;\&infin;}{\min }\frac{1}{T}{\&Integral;}_{-\frac{T}{2}}^{\frac{T}{2}}{x}^2\left(t\right)\mathrm{dt}=\underset{T\&RightArrow;\&infin;}{\lim }\frac{1}{2\mathrm{\&pi;T}}{\&Integral;}_{-\&infin;}^{\&infin;}{\left|X\left(f\right)\right|}^2\mathrm{df}=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}}{\&Integral;}_{-\&infin;}^{\&infin;}\underset{T\&RightArrow;\&infin;}{\lim }\frac{{\left|X\left(f\right)\right|}^2}{T}\mathrm{df}---(5-3)$

令：

$\underset{T\&RightArrow;\&infin;}{\lim }\frac{{\left|X\left(f\right)\right|}^2}{T}=S_x\left(f\right)---(5-4)$

则：

${{\mathrm{\&psi;}}_x}^2=\frac{1}{2T}{\&Integral;}_{-\&infin;}^{\&infin;}{S}_x\left(f\right)\mathrm{df}---(5-5)$

Sx(f)就是功率谱密度函数；

功率谱表示振动功率随振动频率的变化分布，由式(5-4)看出功率谱等于幅值谱平方的平均值,比幅值谱更能明显区分振动信号中强弱频率成分，在LabVIEW使用功率谱密度调用频谱测量VI，选择功率谱密度同时加窗分析测量采集卡采集到振动信号的频率成分。

4.如权利要求1所述的机车弓网硬点光电振动综合检测与GPS定位方法，其特征在于，所述计算得到硬点值中对故障进行诊断，将处理后的数据与提前设定的阀门值对比，以对硬点的存在与否做出分析判别，Model4610型压电式加速度传感器将弓网冲击力转换为微电压信号输出，经过电荷放大，采集卡采样，最后进入计算机，硬点值G大小如下式：

$G=\frac{V_1}{k}=\frac{V_2}{\mathrm{bk}}---(5-1)$

式k为加速度传感器的灵敏度，b为电荷放大电路放大倍数，V₁为传感器输出电压，V₂为经电荷放大、滤波后的输出电压；

机车行驶过程中，某处受电弓滑板垂向加速度a满足式(5-2)且弧光强度值b满足式(5-3),则认为该处为接触网硬点；

a≥δ(5-2)

b≥ζ(5-3)

式中：δ为受电弓垂向加速度的预设值，ξ为弧光强度预设值，δ和ξ根据相关标准和实际工况来设定，检测车在检测硬点动车组大于45g，普通车大于20g，将δ默认设置为30g，紫外线指数变化范围用0－15的数字来表示，夜间的紫外线指数为0，热带、高原地区、晴天时的紫外线指数为15，将ζ默认设置为500mW/m²；

在对振动和光电信号分析顺序，首先检测紫外光信号，在紫外光强度超限后即b≥ζ才会对振动信号做出分析，一旦a≥δ也成立，系统立即报警，并由b计算出硬点值G，在b<ζ时，不会对振动信号做任何分析，只通过监控界面上波形图显示振动信号电压变化波形，因为紫外光信号的传播要快于弓网振动信号的传播，通过定时器设定，在检测到紫外光强度超限后，分析此后3s内的振动信号。

5.如权利要求1所述的机车弓网硬点光电振动综合检测与GPS定位方法，其特征在于，所述GPS精确定位中对数据进行存储，将硬点信息包括时间、硬点值、经纬度存储在指定的位置，根据需要将采集到的振动或光电信号数据单独存储。

6.如权利要求1所述的机车弓网硬点光电振动综合检测与GPS定位方法，其特征在于，所述机车弓网硬点光电振动综合检测与GPS定位方法中的监控信号包括弓网的振动、离线电弧和机车行驶位置，监测值超标由报警提示操作人员处理，监视数据进行记录，硬点状况信息随时流入企业实时数据库，供有关部门调用，采样原始数据保存成固定格式存入数据库，供设备和技术部门分析与诊断调用，信息显示是用户界面控制，检测到的振动信号、光电信号用波形图实时显示，当硬点发生时，报警灯红色闪烁并进行声音报警，同时用表格的形式显示硬点发生的时间、硬点值、机车速度、机车该时刻的经纬度信息。

7.如权利要求1所述的机车弓网硬点光电振动综合检测与GPS定位方法，其特征在于，所述机车弓网硬点光电振动综合检测与GPS定位方法中加速度传感器的安装位置靠近受电弓滑板，安装在受电弓滑板支架侧面的中心位置，采用浮地型安装方式，先在传感器下面垫绝缘垫与弓头绝缘，然后用绝缘螺钉穿过安装孔将加速度传感器固定。

8.如权利要求1所述的机车弓网硬点光电振动综合检测与GPS定位方法，其特征在于，所述机车弓网硬点光电振动综合检测与GPS定位方法中光电传感器采用TP-6半导体紫外线传感器安装在受电弓后方机车车顶上，对准受电弓即可，在外面安装一个聚光筒。

9.如权利要求1所述的机车弓网硬点光电振动综合检测与GPS定位方法，其特征在于，所述机车弓网硬点光电振动综合检测与GPS定位方法中对蓄电池、信号处理器及高低电压隔离数据的隔离变压器都安装在车顶低电压侧，将蓄电池和信号调理、隔离变压装置安装在车顶机车行驶方向前端受电弓绝缘瓷瓶托架上，高电压侧电源采用的是25AH可充电免维护蓄电池，并配有5V稳压转换器，在受电弓弓架上装有行程开关是用来控制高压侧电源的开关，信号线缆在机车天窗等大盖处使用可拆卸的接头，高电压侧传感器供电线，采用四芯专用屏蔽电缆线，再在外面套上聚四氟乙烯绝缘管。

10.一种机车弓网硬点光电振动综合检测与GPS定位系统，其特征在于，该机车弓网硬点光电振动综合检测与GPS定位系统包括：光电传感器、加速度传感器、信号调理装置、隔离变压器、采集卡、控制计算机、显示器、存储器、GPS定位器；

所述的光电传感器连接在信号调理装置的下端，所述的加速度传感器连接在信号调理装置的上端，所述的信号调理装置连接在隔离变压器的上侧，所述的隔离变压器连接在信号调理装置和采集卡之间，所述的采集卡连接在隔离变压器和控制计算机之间，所述的控制计算机连接在采集卡和存储器之间，所述的显示器连接在控制计算机的后侧，所述的存储器连接在控制计算机的一侧，所述的GPS定位器连接在控制计算机的前侧；

所述信号调理装置具体采用电荷放大电路和滤波电路组成；

所述采集卡具体采用A/D采集卡；

所述加速度传感器具体采用Model4610型压电式加速度传感器，采用第三代硅MEMS封装技术，集成温度补偿和专用的抗干扰屏蔽线，外部包裹坚固的铝制外壳并配有安装孔，输出范围±200g，敏感度10mv/g，输入电压8-36V；

所述光电传感器具体采用TP-6贴片式半导体紫外线传感器，采用陶瓷衬底、金属电极、聚乙烯封装盖、金属键合引线和紫外线传感器构成；

所述GPS定位器具体采用NEO-6MGPS+有源天线一体模块，GPS模块集成RF射频芯片、基带芯片、核心CPU和添加相关外围电路，设置CPU物理坐标和卫星授时，配合电子地图，采用lebview编程软件设计GPS卫星接收系统及硬点坐标位置计算系统；

所述机车弓网硬点光电振动综合检测与GPS定位系统拆分为三个子系统：硬点光电检测系统、硬点振动检测系统和硬点GPS定位系统，将每个子系统创建成子VI，设置好输入和输出端，再由主系统调用，集成一个完整的系统；

所述机车弓网硬点光电振动综合检测与GPS定位系统的整个硬件系统分为两部分，一部分是高压端的采集，另一部分是车内基于计算机的信号处理显示终端。