地鐵接觸網(wǎng)缺陷檢測(cè)中的多重融合定位技術(shù)

李永光 吳 寬 王熙楠 宗立明 房金萍

(北京神州同正科技有限公司，100083，北京//第一作者，工程師)

近年來(lái)，隨著我國(guó)城市軌道交通的運(yùn)營(yíng)環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜多變，國(guó)家“十三五”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃中提出了城市軌道系統(tǒng)安全保障技術(shù)研發(fā)課題。該課題研究系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)環(huán)境狀態(tài)感知、評(píng)估與預(yù)警、系統(tǒng)解耦與安全綜合保障等技術(shù)，研發(fā)包括列車、客流、運(yùn)營(yíng)設(shè)施設(shè)備及基礎(chǔ)設(shè)施在內(nèi)的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與裝備，其中針對(duì)受電弓與接觸網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施的檢測(cè)是該課題的一個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容。

列車的受電弓與接觸網(wǎng)作為必要的供電基礎(chǔ)設(shè)施，容易在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生各種故障，一旦有任何的輕微損傷，若沒(méi)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，很容易產(chǎn)生弓網(wǎng)事故，后果十分嚴(yán)重。為了監(jiān)測(cè)弓網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，目前有多種檢測(cè)設(shè)備安裝在專用檢測(cè)車和運(yùn)營(yíng)列車上。而針對(duì)檢測(cè)到的缺陷數(shù)據(jù)的位置定位，則是通過(guò)車載列控系統(tǒng)或軸端編碼器獲取的。由于列控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口開(kāi)放限制，軸端編碼器誤差比較大。為此，本文提出了獨(dú)立于車載列控系統(tǒng)的，基于多普勒雷達(dá)、激光測(cè)距傳感器及無(wú)線射頻(RFID)的多重融合定位技術(shù)。

1 多普勒雷達(dá)技術(shù)

利用列車車底雷達(dá)內(nèi)置天線，接收物體移動(dòng)狀態(tài)信號(hào)的檢測(cè)是采用基于多普勒效應(yīng)的微波探測(cè)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其產(chǎn)生的發(fā)射波頻率及微波振幅會(huì)隨物體移動(dòng)發(fā)生相應(yīng)的改變?；诖嗽?，可以通過(guò)雷達(dá)所捕捉到的速度數(shù)據(jù)，測(cè)出相對(duì)方向運(yùn)動(dòng)物體的行進(jìn)速度，并且可以測(cè)出運(yùn)行過(guò)程中所產(chǎn)生的發(fā)射波與接收波之間產(chǎn)生的多普勒頻率fd，其表達(dá)式為

式中：

fc——雷達(dá)工作頻率；

v——列車速度；

c——光速；

α——天線輻射角度。

通過(guò)對(duì)列車在整條線路行駛中生成的回波信號(hào)進(jìn)行精準(zhǔn)譜分析，可得fd值，代入式(1)，得到行駛距離D為

式中：

T——測(cè)速周期；

vi——iT時(shí)刻的列車速度。

2 激光測(cè)距技術(shù)

激光三角測(cè)距法采用由物面、光源及接收元件所構(gòu)成的三角光路進(jìn)行測(cè)距，光源一般采用激光二級(jí)管，其原理如圖1所示。光源和接收元件統(tǒng)一放置在一個(gè)探測(cè)模塊里。探測(cè)模塊主要由光源、微處理器、信號(hào)檢測(cè)電路、鏡頭、接收元件等7部分構(gòu)成。鏡頭及接收元件接收到反射光源后，由微處理器內(nèi)部完成整流、濾波、轉(zhuǎn)換及信號(hào)放大。在此過(guò)程中，發(fā)生的反射最終被接收鏡頭的接收元件接收。根據(jù)幾何原理，可以測(cè)得接收元件到被測(cè)物的距離以及光束到達(dá)接收元件的角度。

圖1 激光三角法測(cè)距原理圖

3 RFID技術(shù)

RFID技術(shù)作為一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，可工作于各種惡劣環(huán)境，其設(shè)備由標(biāo)簽、閱讀器和天線3部分組成。標(biāo)簽主要安裝于出入站，天線安裝于列車車底。當(dāng)裝有天線的列車出入站時(shí)，隨著列車的行進(jìn)，完成掃描標(biāo)簽動(dòng)作，記錄當(dāng)前車站信息，與檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，其工作原理如圖2所示。

圖2 RFID技術(shù)原理圖

4 多重融合定位技術(shù)

安裝于列車上的弓網(wǎng)缺陷定位設(shè)備由測(cè)速雷達(dá)、激光測(cè)距傳感器及RFID等模塊構(gòu)成，是一種全新的多重融合定位技術(shù)，如圖3和圖4所示。

圖3 多重融合定位技術(shù)結(jié)構(gòu)圖

圖4 多重融合定位模塊安裝位置

列車運(yùn)行時(shí)，測(cè)速雷達(dá)實(shí)時(shí)測(cè)量當(dāng)前運(yùn)行速度，并配合智能累積算法，計(jì)算當(dāng)前里程；激光測(cè)距傳感器探測(cè)接觸網(wǎng)門(mén)庭結(jié)構(gòu)位置，與速度和里程信息相匹配，配合RFID模塊采集到的站點(diǎn)信息，可以實(shí)現(xiàn)弓網(wǎng)缺陷的精準(zhǔn)定位。

4.1 測(cè)速雷達(dá)

測(cè)速雷達(dá)安裝于列車底部，結(jié)合多普勒技術(shù)，在列車運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)測(cè)量列車行進(jìn)速度(見(jiàn)圖5)。 測(cè)速雷達(dá)技術(shù)指標(biāo)參數(shù)如表1所示。

圖5 測(cè)速雷達(dá)工作示意圖表1 測(cè)速雷達(dá)技術(shù)指標(biāo)

技術(shù)指標(biāo)指標(biāo)值工作頻率/GHz24.15測(cè)速范圍/(km/h)(2±1)～(400±1)測(cè)速精度/(km/h)(2±1)～(400±1)工作溫度/℃-40～70

4.2 激光測(cè)距傳感器

激光測(cè)距傳感器模塊安裝在車頂(見(jiàn)圖6)，采用光學(xué)三角測(cè)量法定位物體。其測(cè)量精度達(dá)到1 mm，測(cè)量頻率達(dá)到3 kHz，滿足列車140 km/h運(yùn)行速度狀況，不會(huì)產(chǎn)生漏檢，探測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)到100%。同一接觸網(wǎng)支柱(或吊柱)抓拍的當(dāng)前位置與歷史定位抓拍的誤差不大于5 mm。激光傳感器的激光脈沖穩(wěn)定且集中，不受環(huán)境光線影響。激光測(cè)距傳感器技術(shù)指示參數(shù)如表2所示。

圖6 激光測(cè)距傳感器安裝位置表2 激光測(cè)距傳感器技術(shù)指標(biāo)

技術(shù)指標(biāo)指標(biāo)值采樣頻率/kHz3 測(cè)量范圍/mm(100±1)～(4000±1)測(cè)量精度/mm(100±1)～(4000±1)工作溫度/℃-40～70

4.3 RFID模塊與天線

RFID模塊采用工業(yè)級(jí)高速標(biāo)簽?zāi)K，安裝于列車出入站隧道側(cè)壁，RFID天線安裝于列車車底側(cè)部。當(dāng)裝有天線的列車出入站時(shí)，RFID模塊掃描標(biāo)簽，記錄當(dāng)前車站信息，與檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配(見(jiàn)圖7)。RFID主要技術(shù)參數(shù)如表3所示。

圖7 RFID模塊工作示意圖表3 RFID技術(shù)指標(biāo)

技術(shù)指標(biāo)指標(biāo)值頻率范圍/MHz902～928 增益/dBi8 波瓣寬度E-Plane 72°,H-Plane 77°駐 波 比≤1.5極化方式右旋圓極化最大功率/W6 輸入阻抗/Ω50 抗風(fēng)強(qiáng)度/(km/h)216 接頭TNC

5 多重融合定位技術(shù)測(cè)例

本文結(jié)合軟件智能算法，配合多重融合定位模塊，選擇一段公路區(qū)間，模擬列車在站點(diǎn)區(qū)間的運(yùn)行狀況，對(duì)多重融合定位技術(shù)進(jìn)行測(cè)試。

測(cè)試中，融合定位軟件顯示了每個(gè)接觸網(wǎng)門(mén)庭結(jié)構(gòu)的位置信息(里程、速度、站點(diǎn)區(qū)間)，與歷史記錄對(duì)比，并將相關(guān)信息提供給接觸網(wǎng)檢測(cè)設(shè)備后臺(tái)程序，為缺陷定位提供準(zhǔn)確的位置信息(見(jiàn)圖8)。

激光測(cè)距傳感器在不同車速下探測(cè)接觸網(wǎng)門(mén)庭結(jié)構(gòu)距離的顯示頁(yè)面如圖9所示。在公路兩側(cè)布置RFID模塊，每個(gè)RFID內(nèi)部存儲(chǔ)有當(dāng)前位置里程。當(dāng)裝有測(cè)速雷達(dá)的汽車通過(guò)時(shí)，數(shù)據(jù)采集設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并對(duì)瞬時(shí)里程進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)比分析和修正(見(jiàn)圖10)。

通過(guò)里程修正和定位點(diǎn)的信息，融合定位系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)精準(zhǔn)測(cè)量弓網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)中的位置信息，為故障缺陷提供準(zhǔn)確的依據(jù)。通過(guò)測(cè)試結(jié)果可以看出，里程修正距離較為準(zhǔn)確，變化量最大為0.81 m，平均為0.35 m。

圖9 接觸網(wǎng)門(mén)庭結(jié)構(gòu)定位點(diǎn)信息頁(yè)面

圖10 測(cè)例中的里程修正頁(yè)面

6 結(jié)語(yǔ)

采用基于RFID、多普勒雷達(dá)和激光測(cè)距融合的多重定位融合技術(shù)，是在現(xiàn)有定位技術(shù)基礎(chǔ)上的改進(jìn)和創(chuàng)新，可以提高定位精度和準(zhǔn)確性，能夠更加精準(zhǔn)地定位地鐵列車和接觸網(wǎng)懸掛位置，進(jìn)而準(zhǔn)確定位接觸網(wǎng)缺陷點(diǎn)位置。該技術(shù)定位精度達(dá)到400 mm以內(nèi)，且不依賴于車載列控系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的單一定位方式相比，該技術(shù)可針對(duì)獲取到的位置信息進(jìn)行多重判斷與計(jì)算，能及時(shí)糾正位置信息，利于檢修人員及時(shí)準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)。