推行式接觸網幾何參數智能測量系統

張峻華 唐鵬 江躍輝 李娜

1.四川信達軌道交通設備有限責任公司，四川綿陽 621000；2.綿陽師范學院機電工程學院，四川綿陽 621000

0 前言

電氣化鐵路中，接觸網作為唯一供電設備，擔負著把從牽引變電所獲得的電能直接輸送給電力機車使用的重要任務[1]。因此接觸網的質量和工作狀態將直接影響電氣化鐵道的運輸能力。由于接觸網是露天設置，沒有備用，線路上的負荷又是隨著電力機車的運行而沿接觸線移動和變化的，因此對接觸網提出很高的要求，并需要定期檢測。

對于接觸網參數的檢測，目前大多數采用激光測量儀進行測量，但是傳統的檢測方式效率低，勞動強度大，且中國高鐵范圍廣，需要檢測的接觸網多，檢測工作會消耗大量的人力物力。針對接觸網檢測的現狀，本文研究了一種推行式接觸網參數的智能檢測系統。該設備用于檢測接觸網的幾何參數，測量效率高，勞動強度低，智能瞄準接觸線，可以節省大量的人力物力[1]。

1 系統設計

1.1 設備功能

設備主要由兼備人體工程學的推行系統、具備工業“三防”標準的控制平板和激光自動測量系統組成，并配備無線操作與數據傳輸功能。設備整體寬1,500 mm，高800 mm，桿高1.2 m，總重約20 kg，采用鋁合金、可折疊設計，并配備了提手。設備輕巧便攜，簡單組裝后，能夠快速進行接觸網巡視檢測。實物結構圖如圖1所示。

推行系統：主要負責整體設備的推動，以便在鐵軌上行進。通過推行系統實現站立推行，推桿高度可調，以適應不同操作者的身高，增加設備使用的舒適度，提高設備的人機效率。

平板系統：采用7英寸工業“三防”高亮觸摸平板，位于推行系統的推桿之上，以便推行時與激光自動測量系統同步進行人機對話。屏幕尺寸大、亮度高，以實現對測量過程的精準把控。

激光自動測量系統：內置高速攝像頭和高頻激光測距儀，能夠在推行過程中對接觸網進行實時跟蹤，采集相關數據，夜間通過補光也可實時跟蹤測量接觸網，自動化程度高，適用環境廣，在推行時，也能實時跟蹤和測量，測量效率高。

1.2 設備硬件方案

設備工作組成模塊如圖2所示。系統中采用了嵌入式主板作為控制器，通過對多路傳感器輸入信號進行分析處理，利用圖像處理的算法[2]，以及高精度步進電機實現了對接觸線的自動瞄準，完成了接觸線導高和拉出值的自動測量。

對各部分的功能闡述如下：

嵌入式主板：采用基于Linux的樹莓派4作為主板。該主板屬于卡片式電腦，CPU頻率為1.5 GHz、GPU頻率為500 MHz，包含USB 3.0、千兆以太網、HDMI、RS232、微HDMI端口、4K雙顯示屏等豐富接口，滿足了系統的高性能、多接口、小尺寸、低功耗等要求。主板作為系統的分析控制中心，采用Raspbian系統，利用Qt開發了軟件系統，完成了接觸網幾何參數的智能測量。

軌距里程模塊：主要完成設備推行過程中的里程、軌距及超高參數的測量，并傳輸至主板。設備的底盤有3個輪子，構成“T”字形結構，2個輪子所在的一側為固定端，只有1個輪子的一側為活動端，可以自由伸縮。在活動端安裝了正交光電編碼器，隨輪子一起轉動，用于里程測量；活動端還安裝了位移傳感器，推行過程中可以實現軌距的實時檢測；在傾角傳感器的配合下，結合位移傳感器，還能夠實現超高的檢測。該模塊利用STM32單片機，通過對光電編碼器、傾角傳感器和位移傳感器的數據獲取、分析處理，實現了里程、軌距及超高的檢測，并按照協議傳輸至嵌入式主板。

操控平板：主要功能包含數據顯示及測量操作兩大功能，由高亮屏幕組成，具備“三防”功能，滿足現場需求。

激光自動測量模塊：由步進電機、紅外補光燈、攝像頭和激光傳感器組成，完成接觸線參數的測量。紅外補光燈主要用于夜晚天窗時的測量照明，相較于傳統的可見光補光，具有功耗低及不晃眼等優點；攝像頭用于對測量區域成像，并為圖像識別算法提供數據源；采用的USB攝像頭具有結構簡單、運行穩定等優點；激光傳感器用于完成對測量點的距離測量；步進電機用于在圖像算法識別到接觸線后，根據控制指令，自動控制轉動激光傳感器進行瞄準，完成參數測量，在傳感器及軟件算法的配合下，實現了接觸線參數的自動測量[3]。

2 設備調試

2.1 主要參數

鐵路接觸網測量系統基于目前電氣化的指標而設計，其中主要包括導高、拉出值、外軌超高、支柱跨距，鐵路接觸網測量系統需對這些數值進行標準化約束，本系統的測量范圍及精度具體如表1所示。

表1 測量范圍

2.2 設備操作

2.2.1 開始測量

設備組裝完成后，打開電源開關，等待設備初始化，當主機上的指示燈變為藍色后，啟動成功。選擇操作屏幕上的測量軟件，啟動后的主界面如圖3所示。程序啟動之后展示主界面，根據需要選擇測量、數據、設置功能。

在主界面點擊“測量”卡片，進入測量界面，先進行線路位置設置，然后開始測量，如圖4所示。

界面功能介紹如下：

瞄準：瞄準功能用于快速自動瞄準線中心，瞄準之后也允許手動觸摸屏幕實現微調。對于有多根線的情況，還可以一鍵快速切換瞄準的線，如圖5所示；

轉左、轉右、轉上：點擊“轉左”、“轉上”、“轉右”按鈕，可以快速地控制測量頭轉向左側、上面、右側；

激光：用于打開激光紅點，方便觀察激光測量點位；

自動測量：用于啟動設備全自動測量，啟動之后，設備自動尋找并鎖定該接觸線，然后實時測量其導高和拉出值；

測量：手動測量當前瞄準的目標信息；

夜間模數切換：用于夜間使用，需要打開主機夜間補光燈，并切換到夜間模式。App右上角菜單按鈕點擊之后（如圖6所示），選擇切為夜間模式即可完成模式切換。

2.2.2 數據查看

點擊主界面的“數據”卡片，進入數據查看界面，如圖7所示。

數據查看界面以分頁的方式顯示測量的數據。默認顯示當前線路、當前站區、當前線路方向的數據，也可以修改篩選條件需要。點擊“數據管理”即可根據“線路名字”、“線路方向”、“站區名字”、“隧道名字”、“桿號標記”、“吊弦編號”5種類型來篩選，以便過濾出所需數據。

點擊右上角3個圓點的按鈕，出現2個導出菜單：“導出到本地”、“導出到設備USB”，如圖8所示。

導出到本地：將數據導出到平板內部文件夾，點開桌面文件夾圖標就可以看到；

導出到設備USB：將U盤插入設備，點擊“導出到設備USB”功能后，數據將直接導出到U盤上。

2.2.3 程序更新

設備支持通過升級包進行程序升級。升級步驟為：首先把升級包放在U盤根目錄；然后將U盤插入到主機USB口；最后在平板App主界面點擊菜單中的 “固件更新（保留設置）”選項，并根據提示進行操作，完成設備軟件系統的升級。

3 結束語

本設備在滿足接觸網幾何參數的測量方法、測量標準和測量精度的基礎之上，對原有設備進行了優化升級和創新改造，對設備的材料選型、結構布局設計作出了優化，讓設備在經過簡單的組裝之后，便能快速地投入并推行使用，大幅降低了設備的重量、提升了設備的便攜度和使用時的人機功效，降低了勞動強度。集成電路、嵌入式控制系統的加持，高精度傳感器和運動構件之間的無縫協同配合，讓設備在白天和黑夜，以及多種環境氣候下都能夠完成測量，且設備具備在推行過程中同步跟隨接觸網進行實時測量的功能[4]，更加智能化、便捷化，大幅提升測量效率。設備在實際使用過程中，在應對復雜的環境變化的同時，能更輕松、高效地勝任測量工作。