基于我國接觸網(wǎng)動態(tài)檢測系統(tǒng)探討

李加鑫 王富國 劉業(yè)洋

（1.濟南鐵路局供電處，山東 濟南 250000；2.濟南鐵路局供電段，山東 濟南 250000）

0 引言

高速電氣化鐵路中，接觸網(wǎng)的無備用特性決定了它在鐵路運輸中舉足輕重的地位，受電弓和接觸網(wǎng)組成的二元能量傳輸系統(tǒng)中，受電弓和接觸網(wǎng)彼此約束，相互依存，它是動與靜、剛與柔的矛盾統(tǒng)一體。在弓網(wǎng)的多重（幾、機、電、材）耦合之中，合理的幾何耦合是弓網(wǎng)穩(wěn)定受流的基礎，而接觸網(wǎng)和電力機車受電弓的弓網(wǎng)關系，不能簡單的通過接觸線的導高、拉出值等幾何尺寸和抬升力等指標來評估，要利用接觸網(wǎng)動態(tài)檢測車模擬受電弓的實際運行，通過接觸網(wǎng)的動態(tài)監(jiān)測評價接觸網(wǎng)和電力機車的弓網(wǎng)關系。

目前我國根據(jù)檢測設備是否與接觸線接觸，將動態(tài)檢測設備分為接觸式和非接觸式兩種，接觸式設備一般是在受電弓上安裝相應傳感器來實現(xiàn)對硬點、導高和拉出值參數(shù)的測量；非接觸式設備一般是通過雷達、激光、線陣相機對接觸網(wǎng)幾何參數(shù)進行測量。

本文對我國現(xiàn)階段幾種接觸網(wǎng)動態(tài)監(jiān)測的方法、原理、優(yōu)缺點進行探討，從而對以后的接觸網(wǎng)動態(tài)監(jiān)測技術改進提供一些合理建議。

1 各種方式檢測原理

1.1 接觸式檢測方法

圖1

圖2

接觸式檢測方法就是利用在受電弓兩滑板下兩端四個位置安裝壓力傳感器和速度傳感器，如圖1，利用接觸線和受電弓滑板間的作用力和反作用力。在靜止狀態(tài)下，檢測出滑板上四個壓力傳感器上的合力，F(xiàn)1+F2+F3+F4-FJ=0，從而得到FJ=F1+F2+F3+F4，F(xiàn)J即為接觸線和受電弓之間的壓力。

在檢測車運行過程中，會產(chǎn)生垂直滑板方向的加速度，a=a1+a2+a3+a4/4,從而得到 FJ=F1+F2+F3+F4±m(xù)a－W0。W 和 m 是固定數(shù)值，不需測量，只要測出四個傳感器的 F1、F2、F3、F4，用加速度計測出 a，則接觸力FJ就可計算出來，圖2是實現(xiàn)檢測的方框圖。

導高的測量相對件簡單，只需選一基準高度，采用高精度傾角傳感器通過拉桿與受電弓轉(zhuǎn)軸連接，受電弓升降時轉(zhuǎn)軸帶動傳感器變化，從而計算出相應的高度值。

網(wǎng)壓檢測由隔離變壓器變低電壓（0～5V）后，輸入計算機采集卡，進行換算。

1.2 非接觸式檢測

我國常用非接觸式檢測方式，激光雷達和線陣相機。

1.2.1 雷達檢測

采用激光雷達來檢測拉出值及其導線高度等參數(shù)。激光雷達安裝于車頂上，測得激光雷達中心于車體頂面的中心的偏離值為C（大小區(qū)分方向性，一般規(guī)定左為負，右為正）。激光雷達測量系統(tǒng)為非接觸的光學測量系統(tǒng)，通過連續(xù)發(fā)射激光束的方式對被測物體或背景進行二維平面測量。激光雷達以角分辨率0.25°對背景做扇面掃描，得到以安裝平面為橫軸的距離輪廓曲線。安裝于車頂?shù)募す饫走_可以很容易的獲得包括接觸懸掛在內(nèi)的距離信息，由于激光雷達將超出測量范圍的距離設為FF，因而只要再加上距離、角度限定，便可獲得接觸懸掛的位置信息，從而獲得所需要的接觸網(wǎng)幾何參數(shù)。激光雷達輸出數(shù)據(jù)格式為：每一個角度值對應一個距離值。所以我們只要能判斷出哪個距離值或角度值是被測物體所產(chǎn)生的，即可能得到導高及計算出相對應的拉出值。如下圖3所示：

圖3

1.2.1 線陣相機檢測

該檢測系統(tǒng)由多個線陣相機組成，利用三角法原理獲取三維信息，即由兩個相機的圖像平面（或單相機在不同位置的圖像平面）和被測物體之間構(gòu)成一個三角形。已知兩個相機之間的位置關系，便可以獲取兩個相機公共視場內(nèi)物體的三維尺寸及空間物體特征點的三維坐標。

根據(jù)相機的相互位置關系與成像位置,計算出目標在建立的坐標系中的位置,如圖4所示：

圖4 線陣相機三角測量原理圖

式中：α、β為線陣相機透鏡主軸與相機安裝平面夾角；h為目標與相機安裝平面的距離；h0為相機安裝平面與軌面距離；L為兩相機安裝間距離；a為檢測目標在相機安裝平面的投影與相機A的距離；da、db分別為成像平面 Sa、Sb上目標物體像點與光心投影的距離；fa、fb為兩相機焦距；α1、β1分別為連接檢測目標及其像點的直線與主軸相交的夾角；H為接觸線高度；Z為拉出值。

2 接觸式和非接觸式動態(tài)檢測方法的優(yōu)缺點

2.1 接觸式檢測方式優(yōu)缺點

接觸式檢測是接觸線和受電弓直接接觸后得出的數(shù)據(jù)，最能體現(xiàn)弓網(wǎng)的動態(tài)特性，而且不會受到雨、雪、大風天氣的影響，對設備的日常維護和檢查直觀簡單。

但接觸式檢測方式同樣存在很多缺點：（1）存在機械磨損，在更換受電弓滑板的同時，傳感器也要重新安裝。（2）存在高低壓絕緣問題，絕緣老化和大霧、雨、雪等惡略天氣下有可能與車頂絕緣擊穿，造成弓網(wǎng)事故的隱患。（3）接觸式檢測系統(tǒng)的標定是在列車靜止時進行的標定，在運行中的列車存在震和晃動，導致與真實的數(shù)據(jù)存在一定差距。

2.2 非接觸式檢測優(yōu)缺點

非接觸式檢測方式由于不和接觸線直接接觸，因此不存在高壓擊穿的危險，線陣傳感器攝像機具有較高的分辨率和很好的實時輸出特性。高速線陣相機傳感器攝像機每掃描一次，可立即將掃描結(jié)果進行一次視頻輸出，很容易做出連續(xù)處理，非常適合對被測圖像信息進行快速采樣、存儲及數(shù)據(jù)處理。又由于線陣相機測量精度和掃描頻率非常高，對高速運動的物體也能得到高分辨率的圖像，所以備受青睞。

非接觸式檢測方式同樣有非常明顯的缺點：（1）在大霧、雨、雪等天氣下，由于光線的折射測得數(shù)據(jù)會失真，尤其在大雪期間尤為嚴重。（2）在渡線和錨段較多的戰(zhàn)場和分相區(qū)段，由于接觸線較多，經(jīng)常出現(xiàn)把非工作支當成工作支參數(shù)。

［1］蔡學敬，陳唐龍，牛大鵬.基于onuris線陣列CCD攝像技術的高速電氣化鐵路接觸網(wǎng)動態(tài)檢測系統(tǒng)[M].北京：中國鐵道出版社，2007.

［2］吳積欽，董昭德.鐵道部客運專線接觸網(wǎng)培訓教材[M].成都：西南交通大學出版社，2007.