新型國產軌道交通接觸網檢測系統研究

朱 挺

(上海鐵路局科學技術研究所 上海 200071)

隨著中國城市化進程的不斷深入，現代城市軌道交通運轉日趨網絡化和集成化。運營維護部門在做好既有線路接觸網日常維護保養工作的同時，大量的新線建設、接管工作接踵而來，這也給今后的維護管理提出了新的要求。在軌道交通大發展的前提下，可以預見，現有的檢測技術已無法滿足日常運營檢測的需要。因此，這就需要運用更先進的檢測技術和更科學的分析方法，從檢測技術、檢測精度等方面來提高日常檢修的效率。本課題研究的目標是建立接觸網安全狀態的監測系統，為城市軌道交通的安全可靠運行提供更完善保障。課題的研究實施，將大大提高城市軌道交通安全保障關鍵技術和核心裝備國產化水平，首次將高速CCD機器視覺檢測技術引入國內地鐵接觸網的檢測研究，有利于打破國外鐵路發達國家如日本、德國、法國等國家的技術壟斷，提升我國軌道交通產業的國際競爭力，具有巨大的經濟、社會、環境效益及廣闊的應用和產業化前景。

1 接觸網的重要性

架空接觸網的標稱電壓為DC 1500 V，正線采用雙接觸線簡單鏈形懸掛接觸網，站線采用單接觸線簡單懸掛接觸網，見圖1。

在上海地鐵的部分新建線路隧道內，還采用受電弓與架空剛性接觸網(又稱“架空接觸軌”)組成的集電系統向地鐵車輛供電，如圖2所示。剛性接觸網的接觸線直接嵌入在匯流排內(見圖2(b))，不承受沿線路方向的張力作用。為了與剛性接觸網相區別，通常將線索帶有張力的接觸網稱為柔性接觸網。

按照固定周期實行的定期修方式，可以使接觸網保持良好的技術狀態。維修周期這樣規定:即使在最不利的條件下，接觸網設備至下一次計劃維修時間點以前不會達到其極限壽命。這就需要對人員、器械和天窗點進行周密的計劃，投入的費用也相應較高。與定期修同屬于預防性維修方式的還有狀態修，即在指定的時間表內首先對接觸網進行檢測，并依據檢測結果對接觸網的技術狀態進行診斷，以決定接觸網是否修理以及如何修理。時間表是綜合考慮運營經驗、線路等級和接觸網設備狀態等多方面因素后制定的。顯然，狀態修可以有目的且以接觸網的狀態為根據制定必要的修理措施，避免了無效的修理措施。狀態修只限于對接觸網已有的和顯露出故障的部分進行修理，而識別故障又離不開技術診斷。

2 國內外接觸網檢測常用的手段

現在國內外主要采用兩種方法獲取接觸網幾何參數。一種是通過安裝于受電弓滑條或弓架上的傳感器進行接觸式檢測，這種方法有很多弊端:接觸式檢測會影響機車的受流特性;地鐵接觸網供電電壓1500 V，與之直接接觸，安全是考慮的重中之重;接觸式測量方法無法檢測接觸網的靜態值;各種接觸式測量方法都要接觸到接觸網的導線，這必然對導線是一種擾動，將影響到測量的精度，而接觸式測量方式本身也無法達到非常高的精度;測量頻率低，一般最大為1000 Hz，無法細致地描繪出接觸網的連續幾何狀態;無法描繪出線路接觸線坡度的變化過程，特別是在吊弦的設置處;無法檢測定位器坡度;無法測量接觸線的磨耗值等等。

另一種方法則通過對車頂高速攝像機拍攝的圖像進行實時處理，可實現非接觸式檢測。這種方式幾乎克服了以上接觸式檢測的所有缺點，在檢測的同時絲毫不會影響列車的正常運營。同時，檢測設備安裝在受電弓近端，可以實時檢測接觸網的動態幾何參數;安裝在受電弓的遠端，可以檢測接觸網的靜態幾何參數。通過同一段線路對接觸網動、靜態數據的科學比較，還可以分析接觸網安裝的彈性情況，用以直接指導現場的養修維護作業。所以，非接觸式檢測方案成為國外弓網檢測技術的發展趨勢，國內行業專家也都對此有了清醒的認識。

3 城市軌道交通接觸網與鐵路接觸網在檢測方式中的差異

目前，國外鐵路發達國家均針對接觸網的非接觸式檢測開展了深入的研究，并有了相關的檢測設備問世，如日本的黃色醫生檢測列車、德國DB公司的檢測設備、法國的吉斯馬公司的檢測設備等。但是，所有這些知名公司均是針對鐵路的接觸網而開展研究，沒有專門針對城市軌道交通接觸網進行過細化深入研究。

第一，城市軌道交通可以看似大鐵路的一個縮影，其實在接觸網領域與鐵路有著較大的差異。如鐵路接觸網采用的是單線授流，而地鐵采用的是雙線授流，被測目標物增加1倍，在錨段關節處就會出現4個目標，給圖像的自動識別帶來了較大的困難;第二，地鐵的線路建設基本以隧道為主，特別是上海近幾年開通的6號線、8號線、10號線等，這些線路接觸網都是采用剛性連接，與鐵路接觸網的柔性連接完全不同，用機器視覺技術進行識別背景反光干擾過大，而且剛性接觸網的安裝檢測精度要遠遠高于柔性接觸網，另外還要監測槽鋼安裝的水平度，鐵路接觸網無槽鋼布置;第三，剛性接觸網安裝高度很低，在上海地鐵最低安裝要求是距離 3970 mm，最高 5000 mm，而車輛高度為3800 mm，車頂無法安裝設備，其他地方空間有限，即使相機的視角能勉強兼顧接觸網的拉出值范圍，景深問題也難以滿足;第四，鐵路接觸網相距大約50 m左右有一個定位桿，按“之”字形設計，而地鐵每隔7～8 m設一個定位桿，之間并不是按照“之”字形設計，對于用拐點來判斷定位桿的位置就無法實現，給定位桿的識別判斷帶來干擾;第五，因地鐵線路都是隧道為主，無法接受GPS信號，鐵路GPS輔助定位桿的里程定位方式無法照搬，需要專門開發一個圖像識別軟件，利用拍攝的定位桿圖像，準確實時識別判斷桿號的存在來輔助里程定位;第六，鐵路設計的接觸線安裝坡度不大于3‰，高鐵線路要求不大于1‰，而地鐵柔性接觸線的安裝要求是不大于15‰，對于利用被測物體的反射原理來實現的檢測手段，對于光源的發射角度設計更加復雜與苛刻。

4 檢測原理

4.1 接觸網幾何參數及磨耗的檢測原理

如圖3所示，用2臺高速線陣列CCD相機安裝在車頂中心位置兩側，使其光軸在車頂相機視角重疊部分即構成光幕靶(圖中陰影部分)。設相機光軸和車頂的夾角為α0和β0，相機光軸所在的平面和車頂平面成60°夾角，基線長度為d0，相機的視場角為ω，焦距為f，CCD線陣列的長度為l，則場角為當接觸線出現在靶面上，相機獲得接觸線圖像，經過計算得到接觸線的角坐標φ和φ，根據系統參數(α，d0，f)和接觸線的角坐標φ和φ，便可得到接觸線的坐標值。

圖像處理軟件根據接觸線在相機上的成像高度，像素的灰度變化，P點的坐標等諸參數，可計算出接觸線幾何參數和磨耗。由于接觸網出現的高度范圍為3900～5000 mm范圍內，相機因為安裝距離過近，景深無法滿足，只能采取模糊算法來提取圖像的邊緣，犧牲了部分檢測精度。所以，要滿足課題檢測精度的要求，需要建立更加精確的實驗室靜態數學模型。

4.2 接觸網定位器坡度及槽鋼水平度的檢測原理

Radon變換法直線檢測原理是:在圖像領域，Radon是計算圖像在某一指定角度射線方向上投影的變換。二維平面函數I(x，y)的Radon變換為

式中，D為整個圖像平面，I(x，y)為圖像上點的灰度值，ρ為I(x，y)上的點在投影線上的投影點到中心點的距離，θ為投影線與水平軸的夾角。Radon變換將圖像從灰度平面I(x，y)映射到參數(ρ，θ)平面，對圖像函數求出各個θ值的投影，從而對圖像全角度觀察。若圖像中存在直線，直線在法線方向投影最大，在參數平面(ρ，θ)形成一個峰值，通過提取峰值對應的(ρ0，θ0)，可以得到圖像平面中直線的斜率和偏移量。檢測到兩直線粗略的角度t后，在［t－2，t+2］區間用 Radon變換，搜索間隔為 0.1 ，將像素空間(x，y)點映射到參數(ρ，θ)空間。在空間(ρ，θ)中按10像素間隔，去除最大點周圍的虛點，求取兩直線并計算夾角，結果顯示可以達到0.1°的精度。效果如圖4～圖5所示。

5 實施過程

設備配置圖如圖6所示。在車廂的頂端、受電弓安裝位置附近的側面端墻上安裝車頂檢測裝置。檢測裝置含兩個高速CCD線陣列相機、LED輔助照明光源、機械安裝支架。兩臺相機連接到下方車廂內的控制機柜，圖像實時采集處理速度6000幀/s，若地鐵車輛運行速度最高為120 km/h，間距6 mm拍攝處理一張接觸線橫截面圖像，以滿足檢測要求。

定制LED光源模塊以一定的角度兩側對稱安裝，產生碗狀的布局效果，使產生的光照度均勻且集中地在接觸線可能出現的區域形成光幕靶，根據背景光的強度變化由光源控制卡控制光源的照度。

圖6 設備配置

接觸網幾何參數及磨耗檢測裝置在車廂內配置1個專用檢測柜、2臺工業服務器，前臺服務器協調2臺攝像機的同步攝像，以6000幀/s的速度采集接觸線圖像，控制攝像照明光源照度和照明區域，將采集到的數據通過以太網傳送到后臺處理服務器。后臺服務器計算圖像的背景光照度、用背景光照度補償接觸線磨損處圖像的灰度以及接觸線未磨損處圖像的灰度，實時確定接觸線兩處圖像的灰度差，根據背景光照度、接觸線兩處圖像的灰度差和接觸線橫截面寬度濾除背景圖像，找出接觸線的真實圖像。利用檢測原理中描述的方法計算出接觸線的幾何位置;建立接觸線圖像的灰度曲線、找出灰度曲線的拐點和極值點，精確計算出接觸線圖像邊緣和磨損面的棱，最終計算出接觸線的各類幾何參數和磨耗值。由于高頻度(6000幀/s以上)采集接觸線的圖像，每個圖像又由4 k像素點組成，這些海量的數據以及圖像處理軟件的復雜性、圖像處理的實時性，造成圖像處理完成后的數據比原始圖像數據成數量級地減少，最終經過仿真試驗后采用兩臺服務器的技術方案，以前后臺的形式完成圖像的采集和處理。

檢測梁內還以一定角度安裝有一個CCD面陣列相機，采用背光原理，拍攝列車前進方向接觸網定位器或者槽鋼的圖像，并實時解析。首先，判斷圖像中是否存在定位器或者槽鋼目標物，同時根據編碼器提供的信息確定與前一個目標物的對應距離是否在合理范圍內，根據該線路預先建立的桿號或槽鋼的安裝編碼規則確定當前目標物對于線路的實際里程，起到精確定位作用。同時，根據Radon變換法直線檢測原理計算出當前目標物與鋼軌面形成的水平夾角。

由于車輛在運動狀態下可有多種姿態并存，包含車廂相對于車輛轉向架發生的平移、俯仰、側滾等，對于地鐵剛性接觸網，導高檢測如果誤差大于3 mm，那么檢測的目的將變得毫無意義。因此，迫切需要引入高頻率的車輛姿態檢測識別技術用以修正接觸網檢測設備的測量值，整個檢測系統才有真正的實用性和強大的生命力。對此，需要在車輛底部兩側各安裝一個CCD相機及激光位移傳感器，輔助以圖像實時識別技術來記錄車輛的運動姿態，如圖7所示。

圖7 車輛姿態檢測設備構成

在車輛兩側轉向架上安裝一平面反光標記，用激光位移傳感器測量車廂與轉向架的垂直位移，同時，利用CCD相機拍攝反光標記，用來測量車廂與轉向架之間的左右水平位移，以達到監測車輛運動姿態的效果。

同時，為了解決受電弓的拉弧檢測以及觀測運營車輛的弓網接觸受流情況，在車頂相關位置安裝數個高分辨率高頻面陣列相機，輔助以合適的LED光源，保存海量現場圖像。兩個系統用同一時鐘驅動，對于上一個系統接觸網幾何參數及磨耗檢測裝置發現的病害缺陷，視頻監控系統可以隨時調取該區段的圖片用以人工輔助判斷。

6 研制過程中應用的技術關鍵及創新性

檢測接觸網各項目的狀態參數，實時獲取其運行狀態，需要根據不同形式的接觸網特點設計、研制。接觸網參數檢測是在列車運行過程中對接觸網自身的幾何位置、磨耗等參數進行動態測量，以此來評價接觸網的運行狀態，及時發現隱患和預警提示，以確保其良好的技術狀態，保證城軌的安全運營。城市軌道交通接觸網的狀態關系到列車的運行動態性能，直接影響到列車的安全運行。

采用共面線陣攝像機的三角法立體測量技術研究，提高接觸線幾何參數和磨耗檢測分辨率;采樣頻率大于5000 Hz，以列車時速100 km運行，平均5 mm就檢測一個點，可以完整地檢測到由于施工等原因對接觸網硬彎造成局部的過度磨耗，預防斷線事故的發生;提供了解決地鐵剛性接觸網槽鋼水平度檢測及柔性接觸網雙定位桿的定位器坡度的檢測手段;實現地鐵接觸網的在線實時監測，把缺陷數據實時通過車載ATP信號發送到整個大系統的安監平臺，由技術人員實時判斷，提供決策依據，提高國內在接觸網監測效率和信息化水平。

安裝在運營車輛上的檢測裝置，在其空間位置基本確定的情況下，接觸線的波狀磨耗成為其運營監測的重點。檢測接觸線磨損、偏磨、導高、拉出值、兩線間距和高差、錨段關節、定位管坡度、槽鋼水平度等相關數據，進而將不同時期、同一區段檢測的歷史數據及波形進行實時對比，對超標和變動量大的參數進行預警提示。在同一條地鐵線路上剛性接觸網和柔性接觸網并存，檢測裝置能自動切換檢測模式和輸出對應的檢測參數，研究適合車載而又能適應兩種類型的接觸網，并自動切換檢測模式的參數檢測設備則是另一個創新點。

移動檢測設備在軌道線路上的具體位置需要與檢測斷面內的接觸網參數相對應，以便確定接觸網缺陷點位置，方便現場技術人員的維護調整，系統采用圖像自動識別技術來判斷定位桿或槽鋼的位置，使故障點的定位精度達到300 mm以內，將采集的故障數據及時傳輸至安監平臺，便于及時處理接觸網的缺陷是系統的另一個創新點。

7 結語

城市軌道交通從單線運營向網絡化運營，對運營和維護管理提出了新的課題。信息化研究與應用將對先進的管理理念和檢測手段提供強有力的支撐，實現從戰略向戰術的成功轉變，可達到世界先進城市的地鐵管理和檢測水平，確保城市軌道交通安全可靠運營;本課題在上海地鐵運營網絡的示范將對整個網絡化管理體系的信息化奠定基礎;對國內其他城市軌道交通信息化起到積極的推進和示范作用，具有深遠的社會效益。通過本課題的研究，可顯著提高維護保障管理效率，降低軌道交通接觸網在線故障率，確保接觸網裝備維修質量，保障地鐵車輛安全可靠地運營，同時可提高裝備維修效率，降低維修成本。

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