我國地鐵接觸網檢測現狀及發展趨勢

馬金芳 于 龍

(1.廣州地下鐵道總公司 廣州 510310;2.西南交通大學電氣工程學院 成都 610031)

1 接觸網檢測概述

近年來，我國城市經濟高速發展，同時伴隨著城市人口數量劇增。地鐵作為解決城市軌道交通的主要手段，在緩解城市交通壓力方面發揮著巨大的作用。一直以來，地鐵牽引供電系統設備的可靠性、運行過程的安全性和故障處理的及時性是整個地鐵系統安全運行的重要保障。

接觸網和牽引變電所是地鐵牽引供電系統的重要組成部分，其中接觸網是牽引供電系統向電客車提供電能的最直接環節。因此，接觸網的狀態直接影響著電客車的受流質量，接觸網的檢測也成為地鐵公司最重要的日常檢修維護工作之一。目前，我國各個城市的地鐵公司都采取各自的接觸網維修措施，但由于其技術起源不同、運營模式存在差異，使接觸網參數的檢測具有一定的片面性，無法為現場檢修工作提供真實有力的客觀依據。

為形成系統的接觸網檢測、維修、評價體系，筆者從技術層面上綜述了我國地鐵接觸網檢測的一些技術手段和方式，并指出其存在的問題，展望了地鐵接觸網檢測的趨勢，提出打造接觸網檢測車與電客車一體化聯合檢測平臺的新思路，充分利用其所提供的檢測和運營兩方面信息，建立接觸網幾何參數和弓網動態相互作用參數的綜合指標，為指導我國地鐵接觸網維護提供理論幫助和客觀依據。

2 接觸網檢測方法

接觸網檢測是保證城市軌道交通安全運行的必要手段。目前，城市軌道交通接觸網檢測主要依靠人工現場測量和接觸網檢測車兩種檢測手段，由此獲得接觸網的幾何參數和弓網相互作用的動態參數，從而為運營維修部門提供客觀的檢修依據。在我國地鐵接觸網人工現場測量中，主要采用山東藍棟DDJ-8型和唐源電氣TDJ-6型的手持式接觸網參數檢測儀。然而，人工現場測量的方式主要用于接觸網維修復核，效率低，強度大，不適于全線的接觸網檢測。下面將論述目前采用的剛性接觸網檢測方法，這些方法主要是指車載式的動態檢測方法。

2.1 接觸網幾何參數檢測

接觸網幾何參數通常是指接觸網導線高度，即導高、拉出值以及錨段關節兩線間距等。我國最早的地鐵接觸網幾何參數檢測，是西南交通大學在廣州地鐵1號線采用的接觸式檢測方式［3］。拉出值的檢測原理是:在受電弓上安裝接近開關(見圖1)，通過開關輸出的開關信號，判斷接觸線的位置，從而計算拉出值。導高的檢測原理是:通過在受電弓上安裝反射板，利用電客車頂部的測距激光傳感器，測量受電弓與電客車頂部的距離，通過相應的標定和計算，便可以測量接觸線動態導高。日本也采用類似的思想進行導高的測量［4］:在受電弓上安裝具有圖像標志的標簽(見圖2)，通過線陣相機的高速掃描，從而記錄受電弓的狀態，再用標定換算成導高。但是，這種接觸式的檢測方法存在較大的缺陷:一是接近開關的可靠性較差，容易損壞，并且檢測結果受安裝方式的影響較大，精度不高;二是導高的測量是在默認受電弓與接觸線良好接觸的先決條件下進行的，但實際運行中，受電弓自身處于高頻的振動中，因此導高的檢測受到較大的噪聲干擾，影響了測量精度。可見，這種接觸式的方法無法測量錨段關節以及線岔等關鍵區域的幾何參數(如兩線水平間距和抬高等)，因此有一定的局限性。

圖1 接觸式接觸網檢測方式

圖2 日本利用標簽方式檢測導高

為克服上述檢測方法存在的問題，國內國鐵精工、唐源科技、弓網科技等公司采用了基于激光雷達的非接觸式檢測方式(見圖3)，曾應用于我國蘇州地鐵、西安地鐵及上海地鐵的接觸網檢測。該方法將激光雷達安裝于檢測車車頂中心，激光雷達通過連續發射激光束的方式，對被測接觸線進行二維平面測量，再通過三角幾何原理換算接觸網拉出值和導高的幾何參數。由于利用了二維的平面測量手段，很好地解決了錨段關節以及線岔等關鍵區域的幾何參數測量問題。但是，受激光雷達本身測量精度的影響(一般激光雷達的精度只能達到3～5 mm)，這種接觸網幾何參數檢測方式并未在地鐵的剛性接觸網檢測中廣泛應用。

圖3 基于激光雷達的接觸網檢測方式

圖4 基于面陣相機的接觸網檢測方式

近年來，隨著圖像處理技術、計算機視覺技術的發展，基于計算機視覺的接觸網檢測方式被成功應用。弓網科技在國內率先采用了基于面陣相機的計算機視覺檢測方式，成功應用于廣州地鐵2號線的剛性接觸網檢測，取得了較好的應用效果，導高的測量精度可以提高到5 mm，如圖4所示。但是，由于受面陣相機本身CCD靶面的限制，使得該檢測方法的測量范圍有限，對于地鐵柔性接觸網的檢測具有一定的局限性。此外，由于面陣相機本身的特性，其幀率無法做到很高，從而也使得接觸網幾何參數檢測的密度不會很高，造成采樣間隔較大。為克服這一缺陷，德國、日本及意大利采用了基于線陣相機的計算機視覺檢測方式［4］，用于接觸網的檢測。該方法采用兩臺線陣相機，每臺相機分別獲取接觸網位置狀態，并以灰度值形態呈現;借助圖像識別、分析、處理等技術，將相機獲取的灰度值還原為目標成像所對應的位置坐標;通過三角測量法，計算接觸網幾何參數，實現接觸網幾何參數的高精度檢測。線陣相機的掃描頻率可達上千幀，并且不會受測量范圍的限制。唐源電氣公司采用了相似的技術，成功應用于我國上海地鐵的接觸網檢測，如圖5所示。

圖5 上海地鐵接觸網綜合檢測車

上述接觸式或非接觸式的接觸網檢測都是車載式的檢測方式。由于機車在行駛過程中本身會產生振動，使檢測所獲得的接觸網幾何參數具有較大的不確定性，因此為提高幾何參數的檢測精度，必須對車體的振動進行補償。唐源電氣公司在國內率先引入了針對走行軌特征的補償方式，如圖6所示。利用計算機視覺原理，識別走行軌的特征，實時判斷車體的振動狀態;結合線陣相機的計算機視覺檢測方式，將接觸網幾何參數歸算到走行軌中心，大大降低了由于車體振動所造成的接觸網幾何參數的隨機性。該檢測方式成功應用于重慶地鐵，取得了較好的效果，克服了車體振動以及測量范圍等問題。實踐表明:這種方法將成為我國地鐵接觸網幾何參數檢測的主要方法。

2.2 弓網相互作用動態參數檢測

圖6 接觸網檢測車振動補償系統

弓網動態受流性能是弓網系統運行服役性能的實質性體現，主要通過評價弓網動態受流性能的優劣來反映弓網系統的運行服役性能。弓網系統受到許多因素的影響，諸如接觸懸掛類型、接觸線材質、受電弓型號、弓網動態接觸壓力以及列車運行狀態等。目前，我國地鐵主要將弓網接觸壓力［2-3］作為弓網相互作用的動態參數，通過分析接觸壓力的均值、方差來評判弓網受流質量。

在弓頭滑板的兩端分別安裝4個壓力傳感器來檢測弓網接觸壓力(見圖7)，同時安裝加速度傳感器來測量受電弓的加速狀態，應用牛頓第一和第二定律并考慮受電弓本身的質量，便可測量和計算弓網接觸壓力。德國、日本等國的地鐵都采用與實際運營型號相同的電客車作為接觸網檢測車，通過在受電弓上安裝傳感器來測量弓網接觸壓力［4］。雖然，大部分壓力傳感器采用輕型合金材料，但其畢竟更改了受電弓的物理結構，弓網接觸壓力檢測的數值并沒有考慮這一部分所帶來的影響。受經濟條件的限制，國內地鐵并無專門電客車形式的綜合檢測車;同時，考慮到運營安全，也沒有在電客車受電弓上安裝壓力傳感器。目前，檢測地鐵弓網接觸壓力，主要是利用我國襄樊金鷹、寶雞南車時代等廠生產的綜合檢測車，利用檢測受電弓來進行弓網接觸壓力檢測。但是，弓網接觸壓力是相互作用動態參數，受列車類型、受電弓型號、列車速度等諸多因素的影響，因此基于綜合檢測車的這種檢測方式所獲得的接觸壓力不具有一定的客觀性。

圖7 電客車壓力檢測安裝

日本將弓網燃弧作為弓網相互作用動態參數，通過非接觸的檢測方式，在運營的電客車上檢測弓網燃弧(見圖8)［7］，獲取相應的指標，從而評價弓網受流質量，從根本上反映弓網的動態關系。在我國，唐源電氣公司率先應用了這一技術，成功檢測了廣州地鐵3號線運營電客車的弓網燃弧狀態(見圖9)，為弓網受流質量的評價提供了一系列客觀數據指標(如燃弧率、最大燃弧時間、燃弧強度等)［8］。

圖8 日本電客車的弓網燃弧檢測裝置

圖9 唐源電氣的電客車弓網燃弧檢測裝置

3 接觸網檢測新模式

接觸網幾何參數屬于接觸網的靜態特性，可為提升接觸網維修的精準度及質量提供客觀依據;而弓網相互作用動態參數屬于弓網的動態特性，可確保弓網系統的安全服役性能。因此，要堅持“預防為主、重檢甚修”的方針，必須有機地結合這兩方面的檢測信息，兩者相輔相成，缺一不可，不全面或單一的檢測方式很難為維修部門提供客觀的維修依據。

從目前我國既有地鐵接觸網檢測現狀的分析可知，所有的接觸網檢測都是通過接觸網檢測車來實現的，這勢必造成所檢測的弓網相互作用動態參數不能反映實際弓網關系。因此，只有從電客車實際運營的角度出發，獲取弓網相互作用動態參數，才能反映實際的弓網關系。基于這一點，應該充分利用電客車所提供的運營信息和接觸網檢測車提供的檢測信息，通過從整體到局部、從粗檢到細檢的高效率檢測模式，打造接觸網檢測車與電客車的一體化聯合檢測平臺，融合接觸網幾何參數和弓網相互作用動態參數，從上述兩方面建立統一的接觸網維修評價體系。

首先，利用在電客車上安裝的弓網燃弧檢測裝置，獲取全線路的燃弧信息，實時監控全線路的燃弧率及狀態，重點關注燃弧變化較大的區段，使接觸網維修部門的維修維護工作具有針對性;其次，結合車體振動補償技術，基于線陣相機的計算機視覺檢測方式，利用接觸網檢測車，對所關心的區域進行接觸網幾何參數的反復檢測，獲取導高和拉出值數據，得到相應的參數曲線，驗證曲線的重復性和異常情況;最后，結合接觸網幾何參數和弓網相互作用動態參數，針對異常數值進行人工復查維修。采用這種新型的檢測維修模式，可以真正從電客車運行的安全性出發，做到從整體評價線路、從局部查找問題，大大提高地鐵接觸網檢修維護的效率，為我國地鐵接觸網的運營維護提供新的思路。

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