非接觸式車載動態接觸線幾何參數測量技術的發展與應用

陶前林， 方 林， 李華權

（合肥中車軌道交通車輛有限公司， 安徽 合肥 230011）

0 引言

隨著國內城市軌道交通建設的逐步鋪開，多個城市開始了地鐵時代，而作為一種最廣泛使用的城市軌道交通電客車受流方式，受電弓與接觸線的滑動接觸受流使用范圍非常廣闊， 接觸線的日常健康監測和維護需求日益增長，如何能夠高效、準確、智能的開展這項工作逐漸成為多家地鐵運營單位的迫切需求，本文就基于安裝在電客車上的動態接觸線幾何參數測量方案，進行分析及比較研究。

1 技術描述

1.1 技術說明

本文中主要介紹、比較的2D 及3D 版本方案，均是基于非接觸式測量方式， 通過將接觸線幾何參數測量系統安裝于運營車輛上，在列車運行期間，對接觸線幾何參數實時進行測量、分析及統計，并可實現對異常現象進行預警、報警，利用車載定位功能實現對異常的精確定位，達到提升接觸網維護效率的目的。

列車運行過程中， 會在不同方向上發生不同程度的振動、擺動，對于導高、拉出值的測量而言，影響最大的是側滾振動與浮沉振動。 本方案采用車底振動補償置于兩側軌道的上方，測量它們距離軌平面的距離分別為d1，d2，測量兩車底振動補償間距為d，車頂檢測設備位置為O'，車底與車頂檢測設備距離為H，建立XOY 坐標系（見圖1）[1]，其中P 為接觸網與受電弓的交點。

圖1 導高值及拉出值測量分解計算原理

本方案可實現接觸線導高值、拉出值、線間距、坡度、跨距內高低差、磨耗等幾何參數的精確測量。

1.2 接觸線導高值及拉出值檢測原理

幾何參數檢測原理根據車頂測量方式及采用的設備不同，可區分為2D 版本及3D 版本，但究其原理均相通，均是為了獲取車頂平面至接觸線的距離。

基于上述圖的分解，在整個車輛動態條件下，接觸線的導高值h' 以及拉出值s' 的測量原理具體如下：

（1）導高值測量。 靜態條件下，導高值可分解為兩部分進行計算，即車頂平面至接觸線的高度h1，加上車頂平面至軌平面的高度h2， 其中h1由車頂測量設備直接測量得出，h2由車體高度及車底平面至軌平面的高度組成，在靜態條件下h2為固定值，即h'=h1+h2。

但在動態條件下， 由于車體本身可能處于側滾或沉浮振動，車底平面至軌平面的高度是不等的，就需要借助車底模塊的測量數據予以修正。因此，動態條件下的導高值由三部分組成， 分別是車頂平面至接觸線的高度在Y軸的投影h1，加上車體高度在Y 軸的投影h2，加上車底平面至軌平面的高度在Y 軸的投影h3， 其中h1也是由車頂測量設備直接測量得出，h2為固定值，h3由車底振動補償模塊計算得出，即h'=h1+h2+h3。 而由于h3是隨著車體運動實時計算， 采用時間戳或控制線與車頂設備測量保持同頻率，因此，測量精確度非常高。

具體的計算過程如下：

根據圖1 可知，在動態條件下，車體的擺動角度α 為：

車頂平面為基準中，O’P 與OO’延長線的夾角β 為：

其中，s 及h 值為車頂測量設備直接計算得出。因此，整個導高值h' 計算結果為：

（2）拉出值測量。拉出值測量的原理與上述導高值測量原理相同，在靜態條件下，拉出值即為車頂測量設備直接測量出的s'，在動態條件下拉出值s'也被分解為兩個部分進行計算，即車頂中心點O'在X 軸上的投影s1，加上O'P在X 軸上的投影s2，如圖2 所示。

圖2 動態條件下的拉出值計算說明

具體的計算過程如下：

按照上述方法，亦可計算出其他所需測量的如接觸線坡度、 跨距內高低差等其他幾何參數。

通過上述方法的介紹，也已知曉在幾何參數測量過程中，車頂與車底的測量數據非常重要，由于車底環境的特點，車底振動補償模塊普遍采用激光三角測距模塊即可便捷的實現補償修正功能，而車頂設備因測量數據的種類及其他要求，有著不同的版本方案可以實現不同測量效果。 具體介紹如下。

1.3 接觸線磨耗檢測原理

若需檢測接觸線磨耗，則需利用2D 方案中的激光三角測距模塊或3D 方案中的3D 相機，激光雷達無法實現。

采用機器視覺及接觸線定位跟蹤圖像識別技術，利用高清成像相機組，動態獲取接觸線的斷面圖像，進而調用接觸線定位圖像識別算法及磨耗計算算法，實時測算接觸線的殘存直徑w，進而計算出接觸線磨耗值x[2]。 根據此原理，利用接觸線幾何參數及磨耗檢測模組來對接觸線的輪廓進行捕獲， 獲得的輪廓與標準接觸線輪廓進行比對，然后再根據幾何校正，即可獲得接觸線磨耗程度，再利用剩余直徑計算公式，即可獲取磨耗高度值（見圖3）。

圖3 接觸線磨耗高精度測量

根據《普速鐵路接觸網運行維修規則》（TG/GD 116—2017）中對接觸線磨耗損傷的定義，磨損面積的15%為警示值，磨損面積的20%為限界值，可在系統內預設上述為閾值，實現智能計算及故障預測。

根據圖3 中的分析，剩余高度d 的計算公式如下：

1.4 接觸線高低差及導線坡度檢測原理

利用上述導高、拉出值的計算方法，連續測量來獲得跨距范圍內的接觸線高度值。 導線坡度是指接觸線高度變換情況，即A、B 兩點之間的接觸線高度差除以兩點之間的距離的千分比。

未經補充的拉出值a、導高h、導線坡度i 和跨距內接觸線高低差（Ha-Hb）的計算如下所示。

2 發展方向

2.1 2D 版本接觸線幾何參數檢測系統方案

2D 版本接觸線幾何參數檢測原理， 是通過在車頂設備內設置的激光雷達或幾何參數測量模塊及車底振動補償模塊，來獲得導線的拉出值（s'）、導高值（h'）的檢測，利用車底振動補償設備可修正列車在動態條件下的測量偏差。

2.1.1 選用激光雷達的系統方案

選用激光雷達設備作為車頂測量設備時， 激光雷達在車頂安裝面上打出扇形激光測量區域， 接觸線將清晰的顯示在圖像中， 并在系統內建立以車頂平面為X 軸，垂直車頂平面的方向為Y 軸的二維坐標系，坐標系原點在激光雷達， 此時， 可直讀此時車頂平面至接觸線的s 值及h值，并自動計算出夾角β。 通過上述兩值，系統可計算出接觸線的s 值及h 值，此時，僅需將s 值及h 值帶入，軟件即可計算出當前接觸網導高值及拉出值，如圖4、圖5 所示。

圖4 激光雷達測量界面

圖5 激光雷達測量原理

激光雷達以激光作為載波，其工作原理是通過測量發射信號與被目標反射回來的回波信號之間的時間差獲得距離信息[4]。 目前適用于電客車車載的激光雷達型號要求比較高，要求具備抗沖擊振動、高防水防水防塵等級、使用壽命及免維護周期較長等要求， 因此，多采用脈沖信號法進行測距。 脈沖法激光測距通過激光雷達的信號處理系統控制發射端發出激光脈沖， 與目標物體接觸后產生漫反射，雷達接收端捕捉到反射后的激光，通過高精度的時間計數器測量激光在大氣空間中的飛行時間，由于激光在自然條件下的傳播速度是恒定的，進而可以計算出目標與激光雷達之間的距離[5]。

當采用激光雷達對接觸網導高值及拉出值時， 電客車靜態條件下，測量數值會出現跳動現象，這是由于接觸線下部為半圓形，脈沖信號在掃描到接觸線時，每次掃描的點并不相同，如圖6 所示，兩次掃描點存在高低差，差值最大為激光與導線切點所在弦與導線底部切線的高度差，因此，最終測量數值可能出現較大幅度跳動。 當車輛靜止時，尚可采取多點測量取最小值方法，但當車輛正線運營時，受限于激光雷達掃描頻率，每個點不可能被掃描多次，導致數據偏差增大。

圖6 激光雷達測量誤差圖示

表1 為選裝激光雷達方案的某城市弓網監測系統實測數據， 通過車載系統的檢測數據與人工測量的數據對比可以發現，測量偏差較大，如圖7、圖8 所示。。

表1 部分區間測量數據對比

圖7 部分區間接觸線導高值測量數據對比

圖8 部分區間接觸線拉出值測量數據對比

2.1.2 選用激光三角測距模塊的系統方案

選用激光三角測距模塊時， 需使用線激光器與2D 相機（CMOS 圖像傳感器）組合，采用機器視覺算法在圖像中識別接觸線，并根據受電弓和接觸網的交點的坐標位置，計算出接觸線與車頂的距離Ha，以及拉出值L。 由于標定時的結果是離散的，因此可使用雙線性插值獲得Ha與L，見圖9。

圖9 三角測距測量原理圖

圖中Q11Q12Q21Q22為標定結果中的已標定點，而P 是原始圖像中接觸線、受電弓的交點。 設P0為標定結果圖，則有：

激光三角測距模塊中的激光器選用線激光器，在200mm 至500mm 高度范圍內形成線寬不超過1mm 的線型激光，激光線長度不小于1200mm，覆蓋接觸線拉出值范圍（±450mm）。 在該模塊中，激光器垂直向上投射激光線，相機以一定角度傾斜安裝并捕獲接觸線。 激光平面與接觸線截面相交后，會在接觸線（匯流排）上形成一條高亮的接觸線激光輪廓曲線（見圖10），車內服務器對捕捉到的輪廓曲線進行解析。

圖10 激光三角測距實測效果

CMOS 傳感器鏡頭選用與激光器發射激光波形頻率相同的濾光透鏡，過濾背景光線， 使其圖像中僅體現接觸線反射回的光線圖形，如下圖。 當接觸線的位置發生改變時，其所成的像在CMOS 圖像傳感器中也發生相應的位移。 通過像移和實際位移之間的關系式， 真實的物體位移可以由對像移的檢測和計算得到[6]。

由于激光三角測距中，接觸線圖像完整且明確，可以輕易分辨接觸線端部位置形狀， 并且圖像在車輛靜態與動態條件下沒有明顯差異，更適合動態條件下對接觸線幾何參數實現高精度測量。 因此，在實際測量過程中，測量精度較高，與人工測量誤差較小。

表2 為選裝激光三角測距模塊系統方案的某城市弓網監測系統實測數據，可以明顯看出其測量偏差較小，如圖11、圖12 所示。

表2 部分區間測量數據對比

圖11 部分區間接觸線導高值測量數據對比

圖12 部分區間接觸線拉出值測量數據對比

2.2 3D 版本接觸線幾何參數檢測原理

3D 版本選用激光結構光3D 相機， 在運營車車頂安裝3D 相機組件，垂直向上拍攝接觸網，獲取接觸網的3維坐標（見圖13），再結合振動補償，通過坐標變換計算得到接觸網導高及拉出值。

圖13 剛性接觸網及柔性接觸網3D 測量實例

通過3D 相機建立的3維坐標系， 可直接計算出接觸線的s 值及h 值， 測量計算原理同2D 方案。

激光結構光3D 相機屬于主動式深度圖像獲取技術，是指目標發射電磁波或激光等能量信息，然后收集從目標反射回來的能量信息的傳感器[7]。 由于采用的是3D視覺成像，對于測量目標的深度、高度等三維數據可以直接進行三維重建，實時測量深度、高度信息，并且測量范圍大， 近端視野通常可以達到1100mm×900mm 以上，遠端視野通常可以達到3000mm×2000mm 以上， 測量精度更是可以達到0.5mm 級別， 能夠覆蓋整個柔性及剛性接觸網組件，甚至可以取代接觸網關鍵懸掛測量相機，對接觸網關鍵懸掛進行缺陷檢測。

目前，激光結構光3D 相機在車載接觸網檢測技術上已在開展應用性研究，現有的2D 方式對接觸網健康狀態進行實時檢測需要采用的2D 相機數量較多，每臺2D 相機僅能負責單個功能甚至是單個部位的檢測，但3D 視覺相機可以直接進行三維重建， 測量精度也可以達到0.5mm 級別，采用2 臺3D 視覺相機相對布置即可實現對全部接觸網組件的掃描，而未來在3D 視覺相機成本進一步降低，測量穩定性進一步提高后，具備較大潛力替代現有2D 方式對接觸網進行實時健康檢測。

3 硬件配置方案

3.1 整體配置方案

本文中所提到的非接觸式接觸線幾何參數測量方案，其中的硬件共涉及車頂、車內、車底三個部分，車頂部分幾何參數測量模塊整體集成于車頂數據采集模塊內部，用于采集幾何參數數據，本文介紹的各項方案均為車頂幾何參數測量模塊方案，車內部分為車載服務器，用于數據的計算、分析、處理、儲存，車底部分為車底振動補償模塊，分別照射2 側鋼軌，計算車輛動態條件下的車底平面至軌平面的距離。 各方案僅在車頂部分硬件有所不同，其他部分均相同，如圖14 所示。

圖14 系統整體硬件配置示意圖

3.2 車頂部分硬件配置方案

車頂部分可根據用戶不同的技術要求進行搭配，選擇 任一2D 或3D 方案。 并且，根據技術參數要求，可設置是否前端數據預處理，當需求前端預處理時， 需加裝前端分析主板，如表3 所示。

4 各版本優缺點

通過上述介紹可以看出， 各版本由于采取了不同的測量技術及硬件配置，因此，其各版本之間存在的不同的優勢，也存在著不同的缺點，最終可根據用戶的技術需求來搭配不同的方案，本文也根據對各方案的分析，給出推薦使用的場景，供用戶選擇時參考，如表4 所示。

表4 各版本優缺點及適用場景

5 結束語

本文提出并分析對比了多種不同的安裝于運營車輛的非接觸式接觸線幾何參數測量方案。 通過對其測量原理的研究，對采用硬件設備的分析，得出不同的優缺點，對于后續城市軌道交通非接觸式弓網監測系統的開發、研制、應用提供了充分的指導依據。