普速电气化铁路接触网悬挂状态检测车应用研究

蒋 涛，袁 岗，张浩杰，赵会军

(1.中国铁路济南局集团有限公司 职教处，山东 济南 250001；2.中国铁路济南局集团有限公司 济南供电段，山东 济南 250001；3.中国铁道科学研究院 铁道技术研修学院，北京 100081)

0 引言

铁路运输设备是铁路运输安全有序的基础保障，为了加强对铁路运输设备的统一管理，开展铁路运输设备技术状态大数据平台相关技术研究，并重点研究设备大数据集成、大数据存储等关键技术[1]具有重要意义。接触网悬挂状态检测监测装置 (4C) 即为铁路运输大数据的一种，该装置安装在接触网作业车或检测车辆上，可以在一定运行速度下对接触网悬挂系统的零部件实施高精度成像检测。通过对检测数据的自动识别与分析，形成接触网的维修建议，对接触网故障隐患的消除具有一定指导意义。4C 采用高清高速摄像机阵列，可以对接触网悬挂的正反方向、全局与关键部分细节同时成像，从而构造接触网悬挂全景的多角度与重点区域的成像视场。通过回放处理系统，可以实现对巡检线路成像图像定位、分析与筛选等功能，并生成分类统计报告，为接触网巡视与检修提供全面可靠的技术保障。

随着铁路列车运输组织的优化和列车运行速度的提升，电力机车对于接触悬挂的质量要求越来越高，接触网的质量和工作状态直接影响着电气化铁路的运输能力。为保证铁路正常运营和正确地评述受流质量，接触网测试内容日益广泛，同时为了获得正确的测试结果，测试手段和技术也日趋现代化。传统的接触网检测方法主要依靠手量和目测，不仅速度慢、随机性大、准确率低，还不能满足高速铁路接触网发展的需要[2]。4C 检测车的工作系统分为非接触检测系统和接触检测系统 2 种，既可以同时工作也可以独立工作，具有检测速度快、检测参数多、准确率高等优点，检测结果能正确反映接触网的运行状态，为接触网的调整与维护提供科学依据。在电气化铁路出现的事故中，无备用的接触网一旦出现故障停电，将直接影响行车秩序，关系到电气化铁路能否安全运营。随着接触网检测设备的应用，避免了许多弓网事故的发生，在接触网的调整与维护过程中，降低了工人的劳动强度，提高了劳动生产率。

1 普速电气化铁路应用 4C 检测现状

接触网的零部件是接触网系统的关节及纽带，任何接触网零部件的损坏，即意味着供电系统的破坏，使整体运行及供电系统陷入瘫痪。在一定意义上说，接触网零部件是整体系统的一个重要环节，既不能缺少，也不能被破坏[3]。接触网需要进行周期性的检测，而普速电气化铁路运营总里程远大于高速电气化铁路总里程，为高速电气化铁路量身定做的 4C 检测车要同时能为普速电气化铁路线服务，才能更好地体现实用价值。因此，研究以中国铁路济南局集团有限公司 (以下简称“济南铁路局”) 管段京沪高速铁路(北京南—上海虹桥)、普速京九铁路 (北京西—香港九龙红磡)，4C 采用 JX—300 型为试验对象，将采集到的影像资料与弓网参数进行对比，反映普速电气化铁路与高速电气化铁路在检测方面存在的问题。

（1）平顺性不高。关于平顺性，高速电气化铁路的基本技术条件如曲线长度、最小夹直线、圆曲线长度、最小坡段长度和竖曲线长度等从设计到施工都严格控制以满足其高平顺性的要求。而普速电气化铁路的设计存在多种问题，如接触线的导高在 6 000～6 500 mm 间波动；定位器有矩形定位器、软定位器、G 形定位器、T 型定位器等，零部件不统一；遇有上跨桥导致的接触线降高等诸多施工标准不高的问题。

（2）公里标断链。普速电气化铁路在丈量过程中，出现桩号与实际里程不符的现象叫断链。引起断链的原因较多，但主要有 2 种：一种是由于计算和丈量发生错误所造成；另一种则是由于局部改线、分段测量等客观原因所造成。断链有“公里标长链”和“公里标短链”之分，当路线桩号长于地面实际里程时称为公里标短链，反之则称为公里标长链。而高速铁路不会存在“长链、短链”的现象[4]。

（3）软横跨漏拍。普速电气化铁路多股道的站场 (3 股道以上) 接触悬挂通过横向线索悬挂在铁路两侧的支柱上，这种装配方式称为软横跨。软横跨由站场铁路两侧支柱和悬挂在支柱上的横向承力索、上部固定绳、下部固定绳及支持和连接它们的零件组成。站场上软横跨因下部固定绳横截面积为 50 mm2，在4C 检测车 70 km/h 的速度时，存在激光灵敏度降低而无法触发相机造成漏拍的问题。而高速电气化铁路为硬横梁吊柱，不存在漏拍的情况[5]。

（4）接触线高度跨度大。4C 在车顶位置距离钢轨面的高度约为 3 900mm，与高速铁路接触线高度5 300 mm 相差 1 400 mm，并且数值相对稳定；与普速铁路接触线标准高度 6 450 mm 相差 2 550 mm，并且数字在 2 100～2 600 mm 间浮动。500 mm 的浮动值占高清成像相机对焦距离的 30%，给对焦成像的质量增加了难度。

（5）支柱排列无序。一般情况下我国普速电气化铁路接触网支柱位于列车行驶方向的左侧，铁路既有线电气化改造后，受地形限制时右侧会设立接触网支柱。而高速电气化铁路不存在此影响因素。

（6）检测时间短。高速电气化铁路的 4C 检测车在夜间天窗时间内运行；普速电气化铁路天窗封锁距离一般不超过“一站一区”约 15 km，占段管内一条普速铁路 200 km 的 1/13，运用维修天窗检测需要占用较多的施工组织人员和天窗，造成生产效率低下[6]。普速电气化铁路与高速电气化铁路的 4C 检测车应用影响因素如表 1 所示。

2 普速电气化铁路应用4C检测车调整策略

2.1 减少曝光时间

接触线平顺性是指两钢轨轨面水平连接线和接触线间高度的相对稳定，这个值除了与接触线是否水平有关系外，还和铁路钢轨的水平程度直接相关，受到工务部门轨道整修、铁路路基积水下沉等因素的影响。在普速电气化铁路上接触线的平顺性无法得到改善的情况下，依靠 4C 检测装置的平衡补偿设备达到静态测量数据的精准，对相机拍摄参数进行调整，通过减少曝光时间，提高图片的数码增益来保证图像的亮度。

表1 4C检测车应用影响因素表Tab.1 Application inf l uence factor list of the 4C test vehicle

2.2 取消 GYK 定位

铁路公里标断链分“公里标长链”和“公里标短链”2 种，对于“公里标短链”情况把基础数据按公里标在“公里标短链”处进行分段，多次导入 4C 检测车基础数据库用来检验是否存在其他错误，确认无误后分段进行数据合并，并对基础数据公里标错误进行修改，直到基础数据库导入规则的允许最大差值大于“公里标短链”公里标差值为止。对于“公里标长链”情况分 2 种解决方法，这时轨道车运行控制设备 (简称 GYK) 数据已经出现重复，无法再按照正常的 GYK 进行定位，在 4C 检测到“公里标长链”时取消 GYK 定位方式，仅仅依靠支柱的跨距来进行定位是一种有效的办法；此外，在基础数据资料库中增加“断链标识”，遇有“断链标识”的基础数据自动取消 GYK 定位，可以大幅减少因“公里标断链”带来的定位不准的影响[7]。

2.3 提高灵敏度

普速电气化铁路的站场上软横跨因下部固定绳横截面积细小，造成对缺陷图像的定位无法完成，激光灵敏度需要更换设备来提高设备性能防止漏拍发生；对图像光学字符识别 (简称 OCR) 未识别准确的，则以弓网参数检测定位数据信息做参考点进行人工干预完善定位信息；软横跨无杆号标识的逐步利用维修天窗在定位装置上标画杆号标识，用于人工识别并后期辅助校正图片定位信息。

2.4 加大拍摄范围

接触线的高度在 6 000～6 500 mm 间浮动会使相机对焦点与被摄物体产生偏离导致图像质量下降。如果要解决这个问题，需要考虑相机景深，在 4C 检测装置的拍摄距离相对固定的条件下，景深与镜头使用光圈、镜头焦距及像质要求 (表现为对容许弥散圆的大小) 有关[8]，主要影响着景深的光圈和焦距。光圈越小，景深越大。焦距越短，景深就越大。景深与光圈的关系如图 1 所示。

图1 景深与光圈的关系Fig.1 The relationship between the depth of fi eld and the aperture

由图 1 可知，大景深对拍摄距离的浮动有更好的宽容度。如果要获得大景深的图像，需要从短焦距镜头和收缩光圈 2 个方面入手，将对焦点选在接触线高度 6 250 mm 的中间点上，再通过加大景深的方法可以解决因接触线高度变化带来的对焦距离变化而造成的图像模糊现象。

2.5 增加正反向标识

对于在列车运行铁路右侧的支柱，虽然 4C 检测能够拍摄到高清图像，但在 4C 分析软件的展示过程中存在着问题，即在进行图像分析时需要人工干预，不停地按动“切换机位”按钮，从而降低工作效率。考虑通过增加右侧支柱标识，自动进行图像选择性展示来解决此类问题。

2.6 提报运行计划

普速铁路列车运行速度在 160 km/h 以下，轨道车 GYK 限制的速度 80 km/h 可以在运营的铁路线上提报轨道车运行计划，由铁路局下达检测车专用电报，明确 4C 检测车夜间运行时间和停靠车站，有秩序地进行 4C 检测任务。在运营的铁路线上执行运行计划时，由于中途无法停车维修车辆和调整检测装置参数，对 4C 检测车车辆状况和检测任务的连续性要求更高，同时检测任务的容错性较低，对作业车司机和检测人员的工前整备质量和工中应变能力也提出更高的要求。通过对作业流程标准化，并反复演练以提升职工业务水平，在运行计划中调整检测计划，并完成检测任务使得检测结果更加高效合理。

综上所述，通过采用修改基础数据解决断链现象、调整相机参数、调整检测公式、核对 GYK 定位，修改检测软件等措施，使得在济南铁路局兖石线(兖州—石臼所) 白家店—兖州区间内断链处图像归档正确率达到 90%，弓网参数定位准确率达到 100%，调整相机对焦点综合囊括拍摄范围改善了因接触网线索相对钢轨位移造成的图像模糊现象；在京九铁路上、下行临清—曹县间的 27 万张检测图像中，可以用于人工分析的图像 269 735 张，占总数的 99.9%，符合检测规定值。在京九铁路上进行了 554 km 的上、下行正线 4C 检测任务，共完成 9 188 跨接触网支柱的高清成像拍摄和接触网静态测量，采集 4C 高清图像241G。4C 检测车分为 2 天运行 11 h 进行检测，在降低对铁路运输影响的同时，保证了检测任务的顺利完成。

3 结束语

随着普速电气化铁路推广“科技保安全”步伐的加快，科技检测设备在普速电气化铁路接触网运行维护中的作用日益明显。为高速铁路量身打造的接触网悬挂状态检测车在改进调整之后，运用实践表明，检测得到的各项参数均符合接触网悬挂检测监测分析的要求，也能更好地应用于普速电气化铁路。在今后持续的应用过程中，应根据普速电气化铁路接触网设备的差异，对普速电气化铁路接触网设备建立“一杆一档”的模版，逐步实现智能缺陷的 OCR 识别，释放人力物力，提高牵引供电质量，为铁路列车的安全运行保驾护航。

参考文献：

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[6]周 平.铁道概论[M].北京：中国铁道出版社，2009.

[7]周志辉，闫云霞.GYK 型轨道车运行控制设备的应用[J].铁道通信信号，2010，46(10)：35-38.ZHOU Zhi-hui，YAN Yun-xia.Application of GYK Type Rail Vehicle Operation Control Device[J].Railway Signalling & Communication，2010，46(10)：35-38.

[8]王 强，胡建平.一种基于小波多尺度边缘分析的散焦测距方法[J].计算机科学，2001，28(5)：96-98.WANG Qiang，HU Jian-ping.A Wavclct Multiresolution Edge Analysis Metbod for Recovcry of Depth from Defocused Image[J].Computer Science，2001，28(5)：96-98.