電氣化鐵路接觸網檢測小車應用研究

張 偉 上海鐵路局辦公室

朱 挺 上海鐵路局科研所

電氣化鐵路接觸網檢測小車應用研究

張 偉 上海鐵路局辦公室

朱 挺 上海鐵路局科研所

闡述了應用機器視覺理論研制非接觸式接觸網檢測小車的關鍵技術、技術原理和路線、主要功能和技術指標、現場應用與數據分析等，采用數字成像、光學設計和三角法立體測量等技術和方法，實現了手推式接觸線幾何參數、磨耗和支柱側面限界的連續測量，以及檢測數據分析比對和超限值的自動判斷警示，指導現場養護維修。

機器視覺；線陣列；接觸網；動態檢測；小車

1 前言

高速鐵路的快速發展和運營品質的需求，對鐵路牽引供電系統供電設備的安全運行提出了更高的要求。接觸網是鐵路牽引供電系統中直接與車輛接觸并為之提供持續電能的供電設備。在接觸網日常養護維修中對接觸網幾何參數及磨耗的檢測是一項非常重要的工作，為科學指導接觸網養護維修，保障列車運行安全起著至關重要的作用。電氣化鐵路一般都通過車載式接觸網檢測設備周期性對接觸網進行檢測，比如總公司CRH380等系列綜合動車組檢測列車。然而由于全路接觸網檢測車數量配置少，無法對所有路網進行有效全覆蓋檢測。目前，供電段、維管段各工區現場一般采用傳統的便攜式激光測量設備，在天窗點內對接觸線幾何參數進行靜態點式測量，在接觸線每個定位處利用激光測距儀人工瞄準捕獲接觸線進行參數的抽樣測量，勞動強度大，作業效率低，檢測功能單一。本項目研制的接觸網檢測小車彌補了車載檢測設備缺乏以及檢測頻率低的缺點，并相對于現有的便攜式靜態測量設備，作業效率提高數十倍，操作更便捷、檢測功能更齊全，檢測精度更高。

2 小車檢測原理

2.1 檢測原理

采用國際上前沿的機器視覺技術來實現接觸網幾何參數的檢測，是本項目的核心。檢測小車采用機器視覺系統構成，主要由機器視覺光源，光學鏡頭，工業相機，圖像采集處理模塊等組成的（如圖1所示）。

圖1 機器視覺系統構成示意

各部分具體功能如下：

（1）光源

在目前的機器視覺應用系統中，好的光源與照明方案往往是整個系統成敗的關鍵，光源與照明方案的配合應盡可能地突出物體特征量，在物體需要檢測的部分與那些不重要部分之間應盡可能地產生明顯的區別。其中結構光憑借其輕便和小功耗的優點在本項目中得到了很好的體現。

（2）光學鏡頭

光學鏡頭相當于人眼的晶狀體，在機器視覺系統中非常重要。選擇合適的鏡頭，其主要性能指標有焦距、光圈、倍率、接口等。

（3）相機

相機是機器視覺系統獲取原始信息的最主要部分，目前主要使用的CMOS相機和CCD相機。目前CCD攝像機以其小巧、可靠、清晰度高等特點在商用與工業領域都得到了廣泛地使用，本項目選擇CCD相機。

（4）圖像采集處理模塊

在基于 PC機的機器視覺系統中，圖像采集處理模塊是控制攝像機拍照，完成圖像采集與數字化，協調整個系統的重要設備。

2.2 檢測小車設計

檢測小車應用機器視覺原理，通過高速攝像系統輔助以線型激光發生裝置，實時拍攝接觸網圖像。用兩臺CCD線陣列相機對稱安裝在手推式小車中心兩側，線型激光發生裝置垂直于軌道方向向上發射一條激光光束，使其光軸在與相機共面構成光幕靶。由此可知，無論接觸線導高、拉出值如何變化，激光光束總是能掃描到接觸線。其次利用高速攝像系統沿軌道方向斜向上拍攝，利用線激光與接觸線產生的輪廓有別于圖像其它灰度值，可以方便迅捷的提取出接觸線在整幅圖像中的位置，利用三角法立體測量原理，最后通過數據分析變換處理，可得出接觸線的導高、拉出值等幾何參數值。

設計的測量小車采用彈性隨動設計，保證小車的四個輪緣緊貼鋼軌內側運動，也就是說手推式小車在推動中是左右偏移的。用高精度位移傳感器監測小車主梁的伸縮值，等同于軌道軌距的變化量，用高精度傾角傳感器測量左右鋼軌超高，用來補償檢測的數據值，檢測小車測量出的幾何參數必須通過實時修正補償，才是正確的、有指導意義的數據，確保檢測幾何參數測量的正確性。

系統利用線路上接觸網“之”字型的架設特點，軟件智能判斷拉出值的拐點，同時結合基礎的桿距、桿號等綜合信息，以桿號為標志定位檢測數據，精度小于300 mm，解決了現場現有系統定位誤差大的難題，為快速定位現場缺陷數據提供了便利，提高了作業效率。

3 檢測小車的功能與主要技術指標

（1）檢測速度：（0～15）km/h（手推步行速度）；

（2）采樣間隔：約為1.5 mm（不受推行速度影響）；

（3）單次作業持續時間：連續工作大于5 h；

（4）故障點里程定位精度±300 mm；

（5）接觸線檢測范圍：

導高（5 000～7 000）mm，檢測精度±5 mm

拉出值（-625～+625）mm，檢測精度±5 mm；

（6）接觸線磨耗：磨耗殘高精度±0.2 mm；

（7）錨段關節雙線檢測：

水平間距：范圍（0～1250）mm,精度±10 mm

垂直高差：范圍（0～200）mm,精度±10 mm；

（8）軌距：

測量范圍（1410～1470）mm，精度±0.3 mm；

（9）超高：精度±1 mm；

（10）支柱側面限界：范圍（1000～4000）mm，檢測精度±10 mm；

（11）設置接觸線高度、拉出值、截比閥值，當超高、超低、超偏、磨耗超限時自動警示；

（12）設置支柱側面限界閥值，當超限時自動警示；

（13）繪制接觸線高度、拉出值、接觸線磨耗等數據曲線圖與數據表，自動判斷是否超限；

（14）通過大數據的積累、分析，可以對不同時期、同一區段的歷史數據進行比對，分析接觸網狀態變化規律，針對性地指導現場養護維修。

4 檢測小車現場應用與數據分析

從2013年7月開始搭建實驗平臺進行研發，經過反復的試驗找到了適合本項目的最佳相機采集模塊工作模式。研究出快捷和高效的壓縮算法，滿足了相機在高頻率下工作的要求，并測試出相機的最優工作參數，使得相機的工作頻率可以達到最大而不出現丟圖、漏圖。

2013年11 月8日凌晨到滬寧城際安亭北站場進行動態檢測試驗，完成了從桿號2號至30號的完整數據采集工作（如圖2所示）。

圖2 樣機現場作業圖

系統經過一年多的現場功能驗證后和現場試驗，開展了小車的產品化和工藝化研究,樣機在測試過程中系統運行穩定，數據重復性好，與現場激光測距儀測量值比較，數據精度可靠，已達到交付工區現場使用的條件，并在供電系統接觸網養護維修中投入使用。

接觸網檢測數據分析系統主要分為以下功能：

4.1 數據回放

如圖3所示，分別將接觸線的導高、拉出值和截比作為參數，對接觸網幾何參數進行曲線分析，在錨段關節處，分析軟件將不同的兩根接觸線用兩種顏色表示，方便用戶瀏覽。用戶還可以在界面上通過鼠標左鍵進行相關區域的放大縮小及通過右鍵對曲線進行移動，當鼠標停留時，顯示該點處的幾何參數值。

圖3 參數曲線

4.2 定位桿處參數查詢

如圖4所示，系統對38-62號桿定位點處進行參數查詢，方便用戶了解每個定位處的導高、拉出值等幾何參數信息。

圖4 定位桿處參數查詢

4.3 數據分析比對

如表1所示，檢測數據精度比對分析，將系統查詢到的定位桿處導高拉出值與現場激光測距儀測得的導高拉出值進行比對，并分析誤差，可知系統測量精確可靠，滿足現場要求。個別點處產生較大誤差的原因分析主要有兩個方面：一是系統本身有5 mm的測量誤差，另一方面是現場手持式激光測距儀的誤差也有5 mm，個別情況兩個因素疊加，產生較大的誤差值。

表1 數據比對

4.4 數據重復性

分別對同一線路不同時間兩次測量的數據進行重復性比對，系統測量重復性良好，運行穩定。

經近兩年的實際應用表明，該小車測量準確、效率高、使用靈活、攜帶方便，滿足接觸網檢測和維修作業要求，解決了目前存在的車載接觸網檢測車檢測能力不足和便攜式激光測距儀測量作業勞動強度大等問題，對確保電力牽引列車的運營秩序，提高供電安全性和可靠性具有十分積極和重要的意義。

5 檢測小車的進一步優化措施

以手推式小車為載體，實現對接觸網幾何參數、磨耗和支柱側面限界進行非接觸式、連續動態檢測，可在線自動分析、展示和預警檢測結果或事后采用地面數據分析軟件對檢測數據進行回放分析，能夠科學指導供電部門開展電氣化鐵路接觸網養護維修作業。鑒于檢測小車在現場兩年多的應用情況來看，檢測功能和指標均能達到現場應用的要求，但是后續在以下方面需要進一步優化完善：

（1）將小車的靜態檢測數據與總公司每旬計劃的動檢車動態檢測數據相結合，進行數據的動靜態差異比對，結合現場的信息反饋，逐步總結養修維護的經驗。

（2）根據總公司的接觸網6C檢測設備要求，研究與6C的數據庫接口協議，創建上海局接觸網一桿一檔數據庫及管理方法，實現數據的無縫對接。

（3）優化完善小車的機械結構設計，結合應用期間在各種工況條件下的實際情況，為了更容易上、下道，檢測小車輕量化設計是關鍵，可以對小車材料進行比選，采用碳纖維等材料代替原先的合金材料，降低小車重量，使小車上道作業、搬運更加方便，進一步減少作業人員，提高作業效率。同時，產品的工藝化設計也必須跟上步伐，在不改變功能和技術指標的前提下，融合符合審美觀的現代元素，最終實現小車的輕量化、小型化，便于作業人員現場運送和操作。

（4）研究檢測小車的管、用、修辦法，協調組織作業天窗內小車現場實際應用，分析論證在單線、雙線、直道和彎道等各種情況下檢測效果，并提出確保小車穩定、可靠運用的措施。

6 結束語

接觸網檢測小車的研究符合高鐵的發展需求，系統的開發思路及技術手段體現出了有效、易用、安全、經濟的顯著特色。該設備的研制成功，大大提高了我局各供電段接觸網檢測的能力，通過數據采集系統和分析系統，合理配置人工資源，能夠實現把檢測到的缺陷數據及時提供給相應的養護維修部門，通過對數據的全程回放、周期對比、結果復核和確認，進一步提高了對現場指導的準確性和實用性，為科學評估接觸網狀態質量，制定養護維修計劃提供了一個良好的測量平臺。

目前動態測量的接觸網檢測小車還沒有其他廠家研制同類產品，可以推廣到各個供電段工區級別配屬，便于日常快速檢測作業，也可以推廣應用到城市軌道交通領域，市場推廣前景廣闊。

[1]朱挺.新型國產軌道交通接觸網檢測系統研究.都市快軌交通：2012,25 (06)：12-16.

[2]彭朝勇,高曉蓉.國外接觸網導線磨耗檢測系統.中國鐵路,2007,(4)：66－68.

[3]王志明,殷諸成,曾慧.數字圖像處理與分析[M].北京：清華大學出版社, 2012：36-37.

責任編輯：宋 飛

來稿時間：2016-08-15