地鐵非接觸式靴軌關系在線檢測技術研究

佘朝富 邱啟盛 占 棟 劉 蘭 謝強斌 王志惠

(1.成都唐源電氣股份有限公司， 610046， 成都；2.廣州地鐵集團有限公司， 510308， 廣州∥第一作者， 工程師)

集電靴與接觸軌的滑動電接觸是地鐵車輛獲取電能的重要方式。因此，地鐵牽引供電系統(tǒng)的安全性與接觸軌是否能長期保持良好狀態(tài)有著重要關系。

靴軌關系在線檢測包括接觸軌幾何參數(shù)檢測和靴軌燃弧檢測。接觸軌幾何參數(shù)檢測包括人工檢測和機器檢測兩種方式[1]。隨著科技的發(fā)展，人工檢測逐漸被機器檢測替代。非接觸式靴軌關系在線檢測技術是目前地鐵中常用的靴軌關系檢測技術。其采用激光攝像測距原理對接觸軌進行檢測，不與靴軌系統(tǒng)直接接觸，檢測精度高，并可實時檢測[4-6]。

靴軌燃弧檢測是利用一種特殊光學采集系統(tǒng)，在濾除太陽光及其他雜散光的干擾后，選取特定波長的紫外光段作為檢測特征量，從而實現(xiàn)燃弧檢測[7-8]。

1 地鐵非接觸式靴軌關系在線檢測技術原理

1.1 線結構光測量技術原理

線結構光向物體表面投射時，產(chǎn)生了物體對光束的空間調制，進而形成了激光輪廓線，該輪廓線能夠反映物體的形貌。

接觸軌幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)測量參數(shù)的需求為：①走行軌中心與接觸軌中心間的距離；②接觸軌受流面距相鄰走行軌軌面的垂直距離。

接觸軌幾何參數(shù)檢測示意如圖1所示。標準接觸軌外側到接觸軌中心的距離為46 mm,已知C0、C1、C2、C11、C12(見圖1)，故僅需測量C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10(見圖1)，即可得到接觸軌幾何參數(shù):

(1)

(2)

式中：

x0、x1——分別為左、右接觸軌中心距線路中心的水平距離，即軌偏,mm；

y0、y1——分別為左、右接觸軌受流面與軌面的垂直距離，即軌高,mm。

注：C0為走行軌軌距；C1為0#與1#攝像機中心的水平距離；C2為2#與3#攝像機中心的水平距離；C3、C4分別為1#、3#攝像機中心到相鄰走行軌內側下方16 mm處的水平距離；C5、C6分別為1#、3#攝像機中心到相鄰走行軌軌面的垂直距離；C7、C8分別為0#、2#攝像機中心到相鄰接觸軌外側的水平距離；C9、C10分別為0#、2#攝像機中心到相鄰接觸軌受流面的垂直距離；C11為0#與1#攝像機中心的垂直距離；C12為2#與3#攝像機中心的垂直距離。

1.2 紫外光子檢測技術檢測原理

通過光譜分析儀，可以得到太陽光和弓網(wǎng)燃弧的光譜特性曲線，如圖2所示。由圖2可見，相對太陽光光譜，弓網(wǎng)燃弧光譜輻射強度相對較低，在240～260 nm、300～330 nm、390～400 nm等 3個波長范圍內分布有紫外光頻譜波段。200～300 nm波段處于太陽光盲區(qū)，如果采用240～260 nm波段的紫外光作為燃弧檢測的目標特征量，便可以排除太陽光干擾，從而準確地檢測到由弓網(wǎng)燃弧發(fā)出的紫外光，進而就可以判斷弓網(wǎng)燃弧現(xiàn)象是否發(fā)生。

圖2 太陽光譜與弓網(wǎng)燃弧光譜特性曲線

2 非接觸式靴軌關系在線檢測系統(tǒng)的構成

非接觸式靴軌關系在線檢測系統(tǒng)以運營車輛為載體，采用模塊化設計。整個檢測系統(tǒng)主要由接觸軌幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)、靴軌燃弧檢測系統(tǒng)、綜合定位系統(tǒng)3部分組成，如圖3所示。

2.1 接觸軌幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)

接觸軌幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)由圖像采集、偏移補償、融合處理3個模塊構成。

圖3 非接觸式靴軌關系在線檢測系統(tǒng)結構圖

2.1.1 圖像采集模塊

二維激光測距傳感器(2D傳感器)為圖像采集模塊中的核心組件。該傳感器由線激光和相機組成。其工作原理是：利用三角成像原理，首先將激光光源投射在接觸軌表面；然后令攝像機在其他角度對接觸軌表面進行拍攝；最后利用視覺成像模型，計算目標點所在的世界坐標位置。

2.1.2 偏移補償模塊

偏移補償系統(tǒng)是將測量到的車體左、右側的偏移距離和車體傾角，通過現(xiàn)場總線傳送到處理主機。

分別運用兩套2D傳感器，掃描軌道測量基準。車體靜態(tài)時由左、右2D傳感器計算車體與軌面的幾何位置關系，并將該位置標定為靜態(tài)初始原點。檢測車運行時，通過2D傳感器實時測量來獲取車體與軌面的動態(tài)位置關系。由車體動態(tài)與靜態(tài)位置間的幾何關系換算，精確獲取車體傾角及偏移量。通過車體與軌面的傾角與偏移，將以車體作為測量基準的數(shù)據(jù)換算到軌道中心，實現(xiàn)車體振動測量誤差補償。

2.1.3 融合處理模塊

融合處理系統(tǒng)接收圖像采集模塊、偏移補償模塊、綜合定位模塊所測量的數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)處理分析，實現(xiàn)實時在線檢測功能。

2.2 靴軌燃弧檢測系統(tǒng)

靴軌燃弧檢測系統(tǒng)主要由專用光學采集模塊、紫外光電傳感模塊、供電模塊及數(shù)據(jù)處理模塊組成。

2.2.1 專用光學采集模塊

專用光學采集系統(tǒng)是將弓網(wǎng)燃弧發(fā)出的特定譜段的紫外光進行高效捕捉，并有效濾除多余的太陽光或其他雜散光，這樣便可提取到弓網(wǎng)燃弧的特征光。專用光學采集模塊的采集示意如圖4所示。

圖4 專用光學采集系統(tǒng)的采集示意圖Fig.4 Schematic diagram of optical acquisition system

2.2.2 紫外光電傳感模塊

紫外光電傳感系統(tǒng)由信號處理電路、紫外光電傳感器、電源模塊構成。該模塊的工作原理是：將獲取的燃弧特征光變成可處理的電信號。

2.2.3 數(shù)據(jù)處理模塊

小信號調理電路、AD轉換及發(fā)送電路、弓網(wǎng)監(jiān)控圖像采集及嵌入式計算機構成了數(shù)據(jù)處理模塊。而AD采集電路、FPGA模塊電路構成了AD轉換及發(fā)送電路。

3 現(xiàn)場試驗驗證

以廣州地鐵4號線(以下簡為“4號線”)、上海軌道交通17號線(以下簡為“17號線”)為依托，進行系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析，驗證靴軌關系非接觸式在線檢測技術的可行性。

3.1 接觸軌幾何參數(shù)檢測

3.1.1 列車相同速度下接觸軌軌高、軌偏重復性誤差對比

為驗證接觸軌幾何參數(shù)檢測裝置的檢測效果，對4號線黃村站—石碁站區(qū)間(以下簡為“黃石區(qū)間”)，以正向和反向采用40 km/h的速度對試驗區(qū)段各檢測3次，如圖5～6所示。

a) 列車運行方向為正向

b) 列車運行方向為反向圖5 4號線黃石區(qū)間接觸軌軌高-列車運行距離曲線

a) 列車運行方向為正向

b) 列車運行方向為反向圖6 4號線黃石區(qū)間接觸軌軌偏-列車運行距離曲線

對4號線新造站—石碁站區(qū)間(以下簡為“新石區(qū)間”)采用60 km/h的速度進行檢測，對比接觸軌軌高、軌偏重復性誤差是否合格。以第1次檢測數(shù)據(jù)為基準值，得到第2次、第3次接觸軌軌高、軌偏與第1次的差值曲線見圖7～8。

3.1.2 列車不同速度下接觸軌軌高、軌偏重復性誤差對比

選取4號線新石區(qū)間，列車分別采用30 km/h、60 km/h的速度對該區(qū)間的接觸軌進行檢測(見圖9～10)。隨機抽取接觸軌檢測數(shù)據(jù)，對比該數(shù)據(jù)的重復性誤差是否合格，具體如表1所示。

a) 列車運行方向為正向

b) 列車運行方向為反向圖7 4號線新石區(qū)間接觸軌軌偏差值-列車運行距離曲線

a) 列車運行方向為正向

b) 列車運行方向為反向圖8 4號線新石區(qū)間接觸軌軌高差值-列車運行距離曲線

a) 軌高

b) 軌高差值圖9 列車不同速度下接觸軌軌高-列車運行距離曲線

a) 軌偏

b) 軌偏差值圖10 列車不同速度下接觸軌軌偏-列車運行距離曲線圖

表1 列車相同速度下黃石區(qū)間接觸軌軌高、軌偏重復性誤差

由表1可知，4號線新石區(qū)間接觸軌軌偏、軌高的重復性誤差大多在±3 mm以內；系統(tǒng)軌偏的ε1，i,95%的最大值為0.9 mm,軌高的ε1，i,95%的最大值為0.7 mm。

3.2 靴軌燃弧檢測

為驗證靴軌動態(tài)檢測裝置的檢測效果，在17號線上進行了動態(tài)試驗。本試驗選取東方綠洲站—虹橋火車站站區(qū)間(以下簡為“東虹區(qū)間”)，列車運行速度分別選取80 km/h和100 km/h，對該區(qū)間進行靴軌燃弧檢測。

由圖11～12可見，在下行線路中,列車以80 km/h和100 km/h的速度運行時，燃弧持續(xù)時間最大值變化曲線大致相同，在蟠龍路站—諸光路站區(qū)間燃弧持續(xù)時間出現(xiàn)最大值87.1 ms。燃弧率變化曲線走勢亦大致相同，僅在最大值處略有偏差。 列車以80 km/h的速度運行時，在蟠龍路站—諸光路站區(qū)間燃弧率出現(xiàn)最大值0.023%；列車以100 km/h的速度運行時，在諸光路站—虹橋火車站區(qū)間燃弧率出現(xiàn)最大值0.032%。列車在兩種運行速度下燃弧率均小于EN 50367—2012規(guī)定的 0.1%，靴軌受流質量良好。

圖11 17號線東虹區(qū)間下行線靴軌燃弧率曲線

圖12 17號線東虹區(qū)間下行線燃弧持續(xù)時間最大值曲線

由圖13～14可見，在上行線路中,列車分別以 80 km/h和100 km/h的速度運行時，燃弧持續(xù)時間最大值變化曲線大致相同，徐盈路站—蟠龍路站區(qū)間燃弧持續(xù)時間出現(xiàn)最大值86.4 ms；燃弧率變化曲線亦大致相同，在徐盈路站—蟠龍路站區(qū)間燃弧率出現(xiàn)最大值0.021%，且燃弧率小于EN 50367—2012規(guī)定的0.1%，靴軌受流質量良好；徐盈路站—蟠龍路站為高架線至地下線的過渡區(qū)間，出現(xiàn)燃弧次數(shù)最多。

圖13 17號線東虹區(qū)間上行線靴軌燃弧率曲線Fig.13 Curve of up line shoe-rail arcing rate at Line 17 Donghong interval

圖14 17號線東虹區(qū)間上行線燃弧持續(xù)時間最大值曲線

4 結論

1) 車載式接觸軌幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)檢測的軌偏、軌高的重復性誤差均在±3 mm以內。

2) 通過17號線靴軌動態(tài)參數(shù)試驗，實時獲取集電靴、接觸軌的運行狀態(tài)。上行線路燃弧率最大值為0.021%，下行線路燃弧率最大值為0.023%，且燃弧率均小于 EN 50367—2012規(guī)定的 0.1%，靴軌受流質量良好。

3) 非接觸式靴軌關系在線檢測系統(tǒng)的動態(tài)實時在線檢測功能，能夠滿足城市軌道交通接觸軌供電線路的檢測需要，亦能夠有效提高城市軌道交通線路的檢測效率，對地鐵牽引供電系統(tǒng)的正常運行具有較高的參考價值。