接觸軌全自動巡檢裝置設計及應用

談灝 許可 謝鵬程 米繼光

摘 要：針對目前國內接觸軌巡檢工作的現狀，文章介紹一種接觸軌全自動巡檢裝置。其利用三維激光對接觸軌受流面進行掃描并測量出接觸軌的幾何參數，同時該裝置應用激光雷達技術實現自動行進功能，可高效準確地完成接觸軌線路的巡檢工作。

關鍵詞：地鐵;接觸軌;全自動巡檢;激光;設計;應用

中圖分類號：U231

接觸軌作為地鐵列車受流方式之一，為列車提供了持續、穩定、可靠的電能。隨著高密度地鐵列車的運營，接觸軌狀態參數也會發生一定的變化，為檢查接觸軌的狀態，目前通常采用的巡檢方式有人工測量、推行式接觸軌檢測小車、接觸網軌道車、地鐵綜合檢測車等。但這些傳統接觸軌巡檢方式具有一定的局限性，如勞動強度大、需要專門的天窗時間、檢測靈活性差、效率不高等。為此，本文基于工業相機三維測量、高速高清成像和激光雷達掃描等技術設計了一種接觸軌全自動巡檢裝置。

1 接觸軌全自動巡檢裝置概述

1.1 工作原理

接觸軌全自動巡檢裝置的工作原理是：裝置在自主行進過程中拍攝受流面、膨脹接頭、防護罩搭接處等位置圖片，經專用軟件進行圖片分析、三維還原、特征識別、數據處理獲得所需的接觸軌參數值，并對上述區域的部件異常狀態實現智能判斷，進而快速指導運維人員對接觸軌線路進行狀態檢修。

1.2 結構及功能

接觸軌全自動巡檢裝置系統結構分硬件和軟件兩部分，硬件部分包括巡視模塊、檢測模塊和自主行進模塊，軟件部分包括數據處理軟件模塊。其中，巡視模塊用于拍攝接觸軌線路的高清圖像，供后期分析接觸軌的技術狀態;檢測模塊負責測量接觸軌的幾何參數;自主行進模塊負責控制裝置自主進行測量，并實現自動避障和自動跟隨人員等功能;數據處理軟件模塊用于存儲和分析管理該裝置獲取的圖像和測量數據，并實現數據報表和風險報告的輸出;具體如圖1所示。

2 方案設計

2.1 巡視模塊設計

巡視模塊主要由圖像采集模塊和光線補償模塊構成。其中圖像采集模塊用于對接觸軌受流面、定位點、膨脹接頭和防護罩等部件進行高清成像，同時能夠適應強烈的光線變化，如夜間在隧道內和白天在車輛段的作業場景。在線路巡視過程中，需要拍攝的視野寬度不應低于整個接觸軌防護罩的寬度，本文采用寬度為159mm的防護罩，同時由于青島地鐵采用下部受流的接觸軌安裝方式，留給相機的安裝距離有限，該巡檢裝置設計的鏡頭到接觸軌面的最小物距D不大于140mm。為保證相機拍攝范圍能夠對接觸軌實現全覆蓋，需要通過下列公式對相機視野進行計算。

式（1）～式（3）中，FOV為相機的視野范圍;FOVW為橫向視野分量;FOVH為縱向視野分量;FL為鏡頭焦距，mm;w為選用相機的傳感器橫向尺寸，mm;h 為選用相機的傳感器縱向尺寸，mm。

若所選相機的鏡頭焦距為6 mm，相機傳感器的橫向尺寸為7.18 mm，縱向尺寸為5.32 mm，則通過上述公式可以計算出橫向視野和縱向視野為：

計算得到的橫向視野范圍為167 mm，大于接觸軌防護罩的159mm。選用相機的分辨率為1600像素×1200像素，可以得出每一像素所代表的實際物理尺寸為：167/1 600≈0.1mm，124/1200≈0.1 mm。因此對于接觸軌出現的形變和損傷，都能清晰成像。同時該巡檢裝置設計的巡檢速度為3km/h，即每秒前進約為833mm。若按照相機拍攝幀率FPS為15幀/s計算，則相機每秒拍攝的最大接觸軌距離之和Smax根據下式計算：

即167×15 = 2505mm，大于設計速度833mm/s 的要求。

根據上述計算，可以得出該裝置采用的工業相機滿足巡視中視野、清晰度以及速度的要求。該巡檢裝置選用尺寸為50 mm×20 mm的LED光線補償模塊，可為工業相機在暗光環境下提供穩定的照明光源，從而滿足相機拍攝曝光時間短和成像質量要求高的特點。圖2分別展示了傳統工業相機在接觸軌定位點、膨脹接頭和防護罩搭接位置拍攝的照片。

2.2 檢測模塊設計

2.2.1 參數測量原理

如圖3建立的坐標系，所檢測的點是以數對形式（X，Y）表示坐標系中的點，則該點在坐標系內的X坐標值為拉出值，Y坐標值為導高值。

導高值的測量模型為：

式（5）中，Y為導高值（接觸軌軌面中心點至鋼軌軌面的垂直距離）;Y1為三維掃描相機測得接觸軌軌面距離相機基準面的高度;Y2為三維掃描相機基準面距離鋼軌軌面的高度。

拉出值的測量模型為：

式（6）中，X為拉出值（接觸軌軌面中心點至鋼軌軌面的水平距離）;X1為三維掃描相機測得接觸軌軌面距離相機基準面的水平距離（為保證掃描相機能在接觸軌軌面中心點的正下方，故X1設計值取0）;X2為三維掃描相機基準面距離鋼軌軌面的水平距離。

結合標準的接觸軌受流面的外形尺寸，可以精確地計算出磨損面積以及硬點的尺寸大小。受流面磨損和硬點的測量數學模型為：

式（7）中，M為受流面磨損程度;C為三維掃描相機深度測量修正常數（視域深度和像素的比值）;M1為三維掃描相機測得接觸軌受流面的磨損量。

基于三維掃描相機的測量頻率F、移動時間s、移動速度V和測量次數N即可獲得膨脹接頭間隙值和防護罩搭接量Z的測量數學模型，即

基于三維掃描相機測得的接觸軌軌面與其夾角 W1，加上測量基準面（鋼軌平面）修正常數C，即可獲得接觸軌受流面和鋼軌平行度W的測量數學模型，即

2.2.2 模塊設計

三維檢測技術主要利用工業相機、光學鏡頭和激光發射器組合構建成三維掃描相機。其通過激光束照射被測物體表面形成高亮度圖像，經過三角測量法測量出物體的3D形狀，可用于生成物體的3D圖像、尺寸檢測、體積測量或識別外形缺陷。該巡檢裝置選用了分辨率為2 560像素×832像素的工業相機和12mm 的光學鏡頭。測量原理如圖4所示，在工業相機距離接觸軌受流面160 mm位置的情況下，可以計算出寬度視野范圍最小為265 mm和測量分辨率為0.103mm，從而可計算出接觸軌的拉出值。在對接觸軌導高值的測量中，先使用激光束從垂直方向照射受流面，而工業相機從與激光束夾角α為35°的方向拍攝受流面，然后相機分析由傳感器獲取的圖像并定位圖像中的激光束。沿著受流面寬度點位的激光束位置越高，受流面該點位的實際位置就越高，通過計算可得到高度視野范圍最小為105 mm，并獲得高度的最小分辨率為0.11 mm。

在測量過程中，該巡檢裝置中的里程傳感器每間隔0.3 mm會觸發一次檢測模塊中的工業相機進行拍攝和數據分析，從而完成對整條線路接觸軌及其周圍零部件的精確掃描測量。

2.3 自主行進模塊設計

該巡檢裝置的自主行進模塊主要由無刷電機、鋰電池組和激光雷達3部分構成，如圖5所示。無刷電機的減速比為1：10，與之配套的輪子直徑為94 mm，經過計算可以實現最高運行速度5 km/h。模塊的鋰電池組采用24 V（15 Ah）的動力鋰電池，可實現4 h連續工作，續航里程可達到20 km，可保證在一個作業天窗點時間內持續工作。

自主行進模塊的核心是通過激光雷達實現巡檢裝置的自主避障和人員跟隨2個功能。自主避障功能是需要實現該巡檢裝置對前方指定距離范圍內的障礙物做出避障處理，能夠及時停止行駛，直到障礙物移除后自主恢復行進。人員跟隨功能是需要實時判斷后方巡檢人員的距離，如果跟隨的巡檢人員距離超過預先設置的距離，巡檢裝置應自動停止行進，進行等待，當巡檢人員進入設備設置的距離內，其自動恢復向前行進。根據這兩點要求，該巡檢裝置采用激光雷達作為關鍵傳感器。激光雷達通過360°發射激光并檢測返回光的強度，可以得到一個以巡檢裝置為中心的點云集合，每個點均包含空間坐標信息（x，y，z）以及光強度信息（i），將軌道兩側外的點集合刪除后可以得到軌道前后的所有點集合;通過判斷設置區域內是否有點集合的存在，則可以實現對前方障礙物和后方跟隨人員的判斷功能。

2.4 數據處理軟件模塊設計

在測量數據通過USB接口導入數據處理軟件后，系統將導入的測量數據和巡檢現場圖片信息與本地已有的基礎數據庫進行關聯，然后自動對導入的測量數據進行分析和篩選，并自動識別定位點、膨脹接頭、電連接和端部彎頭等重要部件。同時，數據處理軟件根據測量算法計算出的數值對整個測量過程中的超限數據進行分析，并形成超限數據庫;數據處理軟件根據測量的數據生成和顯示接觸軌的三維信息圖像，并將計算出的接觸軌每一個測量點的幾何參數形成數據列表和數據曲線圖進行顯示。對于超限的數據，數據處理軟件將以Excel報表的形式輸出給用戶，并生成測量曲線圖;同時根據輸出的數據報表和實際的線路情況形成本次測量的風險評估報告，指導運維人員對其進行檢修作業。數據處理軟件工作流程如圖6所示。

3 接觸軌全自動巡檢裝置實證

以青島地鐵下部受流接觸軌為例，其主要安裝參數如表1所示。

根據青島地鐵接觸軌的運維要求，設計接觸軌全自動巡檢裝置的主要技術參數如表2所示。

接觸軌全自動巡檢裝置實物如圖7所示。該巡檢裝置自青島地鐵3號線投入使用以來，經過36個天窗點的試用，總共巡檢線路382 km，巡檢作業時獲得的導高值、拉出值、接觸軌平行度、接觸軌磨耗值和硬點值等參數的測量范圍和測量精度均達到設計要求，具體數據輸出（以雙山路—長沙路段為例）如表3所示。

4 結束語

目前我國已經有北京、天津、青島、廣州、武漢等城市的部分或全部地鐵線路采用了接觸軌供電方式，而且所用城市和線路數量都在不斷增加，而接觸軌巡檢方式的優化和技術的提高是保障地鐵運營的重要一環。本文介紹的接觸軌全自動巡檢裝置的工作效率比傳統巡檢作業有大幅的提高，可有效提高線路故障檢出率，縮短巡檢時間，減少巡檢人員數量，降低作業強度。該巡檢裝置將是地鐵智慧運維的重要基礎裝備，為地鐵的運營安全提供可靠技術支撐和保障。

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收稿日期 2020-05-22

責任編輯 黨選麗