非接触式接触网参数检测装置研究

0 引言

截至2017年底，全国铁路营业里程已达12.7万公里，其中高速铁路2.5万公里。然而随着电气化铁路的发展和不断提速，接触网故障呈逐年上升的趋势。接触网工况直接影响弓网授流水平，接触网的安全运行是影响电气化铁路发展及安全运营的重要因素。定期对接触网参数进行高精度检测，对保障接触网系统的安全具有重要意义。

1 接触网几何参数检测装置发展现状

接触网几何参数的检测技术发展至今已有60多年的历史，在不断的实践过程中，研发了一系列接触网参数检测设备。按照测量模式划分，国内接触网参数检测装置可以分为便携式、手推车式以及车载式。便携式测量装置主要是接触网激光测量仪，一般可用于接触网中某些特定点的横向参数与垂向参数的测量。手推车式光学测量系统属于接触网非接触式检测装置，通过安装在手推车上的检测装置可实现对接触网空间位置几何参数的连续测量。接触网地面巡检自动跟踪检测小车为T形结构，轻便耐用，稳定性好，在轨道上推行平稳，相对于手推车式检测装置实现了自动化，可用于工作人员巡检。车载式检测装置架设在专用的检测车上，不需要人工携带，可对接触网空间位置几何参数进行更高精度的检测与测量。接触网静态空间几何参数的检测主要通过便携式测量装置与手推车式测量装置来实现；车载检测装置则可在车辆运行过程中对接触网的动态参数进行测量，并配合修正参数对动态测量数据进行修正[1～4]。

国外非接触式检测系统原理主要有2种[5]，一种是根据激光测距原理，利用线激光对接触网进行激光扫描测量，通过扫描结果识别接触线位置。另一种是利用机器视觉原理，通过CCD图像传感器对接触线成像进行分析，从而计算出接触线空间几何位置。目前，利用光电技术和2D、3D图像分析技术，研究高速铁路接触网新型检测方法是国内外接触网检测技术的研究及发展方向[6～10]。

随着新建电气化铁路运营里程的不断增加，尤其是高铁、客专线路的不断开通，供电设备数量成倍增长，需要广泛应用先进的科学技术来保障高铁的安全运营，防范事故于未然。为此，针对高铁沿线容易发生弓网故障的重点部位，武汉局武汉供电段采用了集激光测距采集与数据分析于一体的JJC-4B型接触网非接触式检测装置。该装置紧密结合铁路运输业务需求，综合吸收了国内外相关产品的优点，采用全嵌入式结构，系统稳定可靠、功能强大、安装方便。本文将对该检测装置的构成、原理、主要设备及试验数据等进行详细介绍。

2 非接触式检测装置总体构成

JJC-4B型接触网非接触式检测装置主要由激光雷达、工业数字摄像机、探照灯、检测计算机、补偿测量装置、监控装置通信系统、电源系统等组成，其总体结构如图1所示。

图1 非接触式检测装置总体结构

激光雷达、工业数字摄像机以及探照灯安装于车顶。激光雷达对接触线位置进行激光扫描，扫描数据通过通信总线传输至检测计算机进行分析处理，计算出接触线的几何位置参数；工业数字摄像机可实时拍摄接触网检测时的画面，所拍摄的视频、图像信息通过千兆以太网传输至检测计算机，计算机将接触网图像、检测结果、位置信息以数值和曲线的形式进行叠加后，以DVD格式保存于计算机硬盘，并在显示器上显示；探照灯可为夜间或隧道内接触网巡检提供照明，为车顶安装的工业数字摄像机提供良好的光线环境与视觉捕捉，提升摄像机画面中图像的清晰度与可视性。

安装在接触网检测车底部的车体振动补偿测量系统，可以在车辆运行过程中对车体相对于钢轨的位移量进行测量。激光雷达所测量的接触线位置参数是相对于车体的测量值，需要通过车体振动补偿装置测量车体相对于钢轨的位移量，并采用相应的补偿算法，计算出接触线相对于钢轨平面的静态测量结果，为接触网设备检修提供准确有效的静态参数。

速度、里程等检测信息由机车监测装置（隔离输出）给出，通过通信总线传输至检测计算机，检测结果信息同步保存在计算机硬盘上，可利用数据处理程序对检测结果进行分析。

系统使用时，由工业用摄像机、LMS激光雷达扫描装置与探照灯进行接触网几何参数检测，完成速度、里程监测参数的准确记录，由车体振动补偿装置依据修正参数对所测量的接触网几何参数进行修正，数据测量装置所采集的数据通过前置机进行转换与收集，然后传输至主机进行数据处理。

3 主要设备

接触网非接触式检测装置主要设备包括激光测距系统、视频处理系统及车体振动补偿装置。

3.1 激光测距系统

激光测距系统选用德国SICK公司生产的LMS511激光扫描雷达，如图2所示。

图2 激光扫描雷达

激光雷达（LMS）检测原理如图3所示，其利用旋转电机带动激光头100°旋转扫描，激光发射线路上遇到遮挡物则反射信号，激光接收装置根据发射与接收的时间差测算距离，遮挡物可能是接触网、立柱、隧道壁等，检测系统通过识别算法识别出属于接触线的扫描结果。

图3 激光测距系统检测原理

根据扫描结果，接触线距LMS距离为l，角度为a，LMS511基准面与钢轨平面的距离为h0，则所测拉出值a=lcosa，接触线高度h=h0+lsina。在锚段关节、线岔等采用双支接触线的位置，需分别计算2支接触线各自的拉出值和接触线高度，拉出值差的绝对值即为两接触线的平行间距。

通过使用激光扫描雷达测量接触线的拉出值与导高的优点是在受电弓上不安装传感器的情况下进行检测，此时采用的模拟受电弓不会产生附加重量，以便更加真实地反映实际的弓网关系。

3.2 视频处理系统

视频处理系统的功能包括视频监控与视频文件的保存与处理。视频监控的实现是通过安装于车顶的视频摄像机将接触网的实时视频图像传送到数据处理计算机，并将检测到的检测结果和检测位置信息以数值和曲线方式显示。

视频处理系统硬件采用工业用数字摄像机，保证了列车高速运行过程中图像清晰，无拖尾现象。视频信号处理主要是为视频图像叠加字幕并对采集的视频图像资料进行实时存储。字幕叠加通过MT60字幕叠加卡提供的DLL库函数实现。在取得视频文件叠加映射的内存地址后，对内存地址区域进行字幕叠加操作即可实现该功能，从而将接触网检测的实时数据结果以及位置信息等同步显示在视频图像中。为了妥善处理摄像机拍摄的视频图像资料，需构建一个从机程序进行视频图像资料的采集与存储，从机程序将拍摄的视频图像资料按预先设置进行命名保存，方便事后文件检索。此外，从机程序可同时与主机进行通信，调用显示接触网参数检测结果及实时动态参数曲线。

3.3 车体振动补偿装置

接触线拉出值的检测是接触网参数检测中的一个重要环节，采用非接触式激光扫描雷达对接触线拉出值进行检测可以避免检测装置对弓网动态关系的影响，但是检测装置的参考系为行进过程中多个自由度上随机振动的检测车车体，因而检测装置的参考点也在不断变化。为了使检测车检测的接触网参数更加准确以便于接触网检修，需要将检测数据修正为以轨道平面为参考系的参数，因此需要加装补偿检测装置对检测数据的偏差进行补偿。

接触网检测车在巡检运行过程中会产生复杂的多自由度振动，一般仅考虑起决定作用的车体横摆振动及侧移振动。

接触网检测车车顶安装的激光扫描雷达跟踪接触线并测量接触线动态拉出值，同样，车底安装的激光扫描雷达可测量相对于轨道的位移，然后通过计算机进行数据处理，完成对接触线动态拉出值的补偿修正。

如图4所示，激光扫描雷达构建的车体振动补偿装置由2套LMS组成。2套LMS系统通过工装分别安装在靠近转向架的车厢底部两侧，分别扫描左右两侧的钢轨，并通过网线接口与计算机实现实时通信。

图4 车体振动补偿装置安装

整个车体振动补偿装置是接触网参数检测装置的子系统，通过网线构建的局域网实现子系统内的通信。车底安装的LMS系统扫描钢轨，记录相对于轨道的距离及角度，并及时将采集的补偿数据传输至计算机内与车顶安装的拉出值采集装置采集的数据进行计算，得出准确的拉出值数据。

采用车体振动补偿装置可实现对由车体振动带来的接触网参数测量值的补偿计算，从而有效减小检测过程中由车体振动带来的不利影响，提升了接触网参数检测的精度，为接触网施工及状态修提供了更有效的参数依据。

4 系统试验与运行

4.1 激光雷达测距系统运行

LMS激光扫描雷达可对其周边轮廓进行扫描，扫描过程为每隔一定角度的单点测量，该间隔角度就是LMS激光扫描雷达的角度分辨率。通常，激光扫描雷达的角度分辨率越高，LMS激光扫描雷达的测量就越精确。激光雷达通过发射激光束探测目标位置、速度等特征量，为探求合适的分辨率进行接触网参数检测，进行不同分辨率下的检测试验，并对不同分辨率下所检测的数据进行分析。对雷达在0.25、0.333分辨率下的数据进行分析对比，如图5（a）、（b）。在0.25分辨率下，3 000左右的数据为承力索数据，2 000左右的数据为导线数据。而激光扫描雷达装置在0.333分辨率下进行第一次跑车时，在大拉出值情况下，经常发生无导线数据的情况，如图5（b）所示，经过调试后，导线数据丢失的情况逐渐减少，在后续2次跑车时，测试数据与0.25分辨率下的数据较为接近。

试验结果表明，LMS511激光雷达扫描装置发射的激光会随着距离的增加而使得光斑开始发散。光斑直径也会随着距离的增加而发生变化。当物体直径小于激光光斑的直径时，发射至被测物体的激光可能有部分能量丢失，而当从被测物体返回的激光能量不足时将无法检测到物体。激光扫描雷达在不同分辨率下，导线相距雷达距离大约2 m时，返回数据每相差一个序列，其对拉出值将会产生影响。因此，当一个周期内有多个导线数据返回时，选取哪一个或多个序列的值作为最终有效值还需要注意。

图5 激光测距装置试验检测数据

4.2 车体振动补偿装置

车体振动补偿装置分为左右补偿2部分，如图6所示。安装补偿装置后，为了对接触网参数检测装置的整体性能进行测试，在合武客专麻城北—红安西区间上行选择一段线路进行往返测试，对比分析往返测试数据，对装置的检测性能进行分析。测试数据曲线如图7所示，直观地表现出检测装置在该段线路进行检测试验的数据精准度。

图6 车体振动补偿装置

图7 试验段拉出值数据曲线

4.3 基础运行数据

在完成对接触网非接触式参数检测装置的试验检测后，在横店东—汉口区间开展了多次接触网参数的检测，截取单次接触网检测报表并绘制成曲线图，如图8、图9所示。

根据运行数据可以清晰地了解电气化铁路接触网的参数信息和辅助位置及其他信息，并且各项检测指标（导高、拉出值等）误差均在控制范围内，折线图则可更直观地看出接触网的“之”字形分布情况。系统软件根据检测数据与检测标准进行对照计算，超出误差允许范围则在生成报表中进行重点提示、警告。该装置使用人员能够直观、便捷地根据检测系统所提供的参数检查所测接触网的工作状态，并及时根据提供的准确位置信息安排检修时间，对存在缺陷的部位进行维护。

图8 接触网检测数据表截图

图9 接触网检测曲线

5 结语

目前，国外用于非接触式接触网几何参数检测的激光雷达设备大多为360°旋转扫描，其激光头旋转频率约为30 Hz。该类系统常用于对轨道、隧道等进行轮廓检测，造价昂贵，也不适合安装于运行速度为120 km/h的列车上。

本文所述非接触式接触网参数检测装置采用100°旋转扫描方式，安装于车顶，提高了对扇形区域内接触网的检测速度，可安装于时速120 km的列车上；与传统拉线等补偿方式相比，该装置采用激光测量车体振动与轨道超高数据，提高了补偿精度；数字摄像与激光测量实现了数字化与可视图像的有机结合，具备数据异常报警、分析等功能。

运行结果表明，该装置在运行中对接触网不产生磨损，不影响检测对象的正常运行，系统功能完善、运行安全、操作方便、实用性强、检测精度高，可广泛适用于接触网作业车。该装置的使用将极大提升接触网的检测、维修水平，减轻劳动强度，提高工作效率，并为接触网维修提供科学的现代化管理平台，具有较高的推广价值。

参考文献：

[1]曾明，吴积钦.接触网检测车检测结果数据处理系统研究[J].电气化铁道，2003（6）：32-34.

[2]李海滨.用于高速铁路的快速接触网综合作业车[J].铁道机车车辆，2013，33（32）：117-122.

[3]张春春，王嵩，张冬凯，等.基于图像处理的接触网定位线夹目标检测[J].铁道科学与工程学报，2015，12（6）：1478-1484.

[4]黄艺丹，韩峰.基于CAN总线的接触网参数检测系统[J].电气化铁道，2004（3）：10-12.

[5]赵晓娜，吴兴军，徐根厚.德国高速铁路接触网检测系统 [J].中国铁路，2008（9）：60-62.

[6]朱飞雄.接触网弹性链形悬挂的弓网关系检测[J].电气化铁道，2003（1）：15-17.

[7]李育冰.接触网地面巡检自动跟踪检测小车研究[J].中国铁路，2016（8）：66-69.

[8]邢瑞江.200 km/h接触网动态检测缺陷及克服方法[J].铁道机车车辆，2007，27（6）：66-67.

[9]高波，周国齐，陈唐龙.基于GPS的接触网检测车杆位测试系统[J].兰州铁道学院学报，2003，22（3）：112-115.

[10]刘方中.一种新型接触网检测车杆位自动识别校正系统[J].电气化铁道，2004（6）：29-32.