LIN Dengwei，LI Dongliang

(College of Information Engineering of Jiaozuo University，Jiaozuo He’nan 454000，China)

Laser Measurement System of Railway Contact Cable about Geometrical Parameters

LIN Dengwei*，LI Dongliang

(College of Information Engineering of Jiaozuo University，Jiaozuo He’nan 454000，China)

In order to detect geometrical parameters of contact cable in real-time and effectively，ensure the running of railway and prolong the using time of laser cable，the laser measurement system of contact cable about geometrical parameters is proposed．Distance sensor，angle sensor，displacement sensor，CCD camera and embedded data processing technology are applied to this system．The architecture and measurement principle of the system are introduced，the mathematics model and the error range are described in detail，and the main parameter measurement indetermination degree of the system are analyzed and evaluated．Compared with previous measurements，orientation can be implemented in this measurement system，besides the measurement of railway contact net’s parameters can speed up，whose accuracy can reach±5 mm．

automation technology and equipment;measuring techniques;laser;railway contact cable;sensor;geometrical parameter

電力機(jī)車本身不帶原動(dòng)機(jī)，依靠接觸網(wǎng)電流作為能源，由牽引電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)車的車輪，所以鐵路接觸網(wǎng)的工作狀態(tài)直接影響電氣化鐵路的運(yùn)載能力［1］。在電氣化鐵道設(shè)備故障中，接觸網(wǎng)故障所占比例相當(dāng)大。作為牽引供電系統(tǒng)主體的接觸網(wǎng)，其狀況的好壞最終影響機(jī)車的運(yùn)行速度與安全［2］。接觸網(wǎng)檢測(cè)的幾何參數(shù):導(dǎo)線高度、拉出值、平行線間距、定位器坡度等，是與安全密切相關(guān)的接觸網(wǎng)自身結(jié)構(gòu)參數(shù)。一些如速度、定位點(diǎn)、溫度、補(bǔ)償?shù)仁浇佑|網(wǎng)檢測(cè)的輔助參數(shù)，對(duì)檢測(cè)結(jié)果起到定位參考、輔助分析等作用。隨著列車運(yùn)行速度的加速和高速鐵路的建設(shè)，要求作為供電系統(tǒng)的接觸網(wǎng)，幾何參數(shù)檢測(cè)不僅要求方便易操作，而且也要更加精確。目前，國(guó)內(nèi)鐵路接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)方式主要有以下幾種:①在受電弓上安裝傳感器的接觸式測(cè)量，缺點(diǎn)是測(cè)量參數(shù)不完備;②采用測(cè)桿、線墜的便攜式接觸測(cè)量，缺點(diǎn)是人工控制的機(jī)械式操作，容易產(chǎn)生意外及易受外界條件影響，精度低;③采用攝像機(jī)技術(shù)成像的非接觸式測(cè)量，缺點(diǎn)易受外界氣象條件的影響，導(dǎo)致測(cè)量精度不高;④采用激光測(cè)距儀，使用激光測(cè)距儀，只能測(cè)量軌道平面的垂直方向，但不能測(cè)量軌道平面的水平方向［3－4］，故軌距、跨度和結(jié)構(gòu)等的測(cè)量都受到限制?；趯?duì)傳統(tǒng)測(cè)量方法優(yōu)缺點(diǎn)的對(duì)比，同時(shí)根據(jù)對(duì)實(shí)際接觸網(wǎng)檢修和維護(hù)的需求，本文提出了一種高性能的基于多種傳感器的測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)中應(yīng)用了距離、角度和位移等多種傳感器、CCD攝像頭以及嵌入式數(shù)據(jù)處理技術(shù)。該系統(tǒng)不僅測(cè)量架空接觸網(wǎng)的高度，拉出值等，還可測(cè)量軌距，跨度等接觸網(wǎng)的自身結(jié)構(gòu)參數(shù)［4］。整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，參數(shù)測(cè)量速度快，精度高。

1　測(cè)量系統(tǒng)的硬件組成和操作原理

該測(cè)量系統(tǒng)的硬件組成包括測(cè)量?jī)x、距離、角度、位移等傳感器、CCD組件，標(biāo)準(zhǔn)器，顯示屏和操作面板等，見圖1。

測(cè)量?jī)x主要由半導(dǎo)體激光器組成，用于測(cè)量物體的距離、方位角和俯仰角。CCD組件用來(lái)觀察和定位測(cè)量對(duì)象，其中，焦距和口徑可根據(jù)測(cè)量對(duì)象的距離和大小自動(dòng)調(diào)節(jié)［5］。CCD攝像頭具有較高的信噪比、抗強(qiáng)光、抗震動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，可確保測(cè)量對(duì)象更清晰，更準(zhǔn)確。該系統(tǒng)中使用3．5 inch的LCD，用以顯示測(cè)量對(duì)象的參數(shù)信息;另外操作面板中設(shè)計(jì)了一些操作按鈕用以對(duì)參數(shù)的保存、刪除等操作。除了測(cè)量?jī)x外，標(biāo)準(zhǔn)器安裝了角度傳感器和位移傳感器，用來(lái)測(cè)量鋼軌平面和水平面的角度。測(cè)量系統(tǒng)的工作原理圖見圖2。

圖2　測(cè)量系統(tǒng)的工作原理圖

圖2中，A是一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，A'是A在軌道平面的投影，B是A'在兩個(gè)軌道中心線上的垂足，D為測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)，O是D在軌道1上的垂點(diǎn)，α是A＇D和DO的夾角，β是DA和軌道平面的夾角。利用三角形原理可計(jì)算AA'(超高值)和A'B(拉出值)等參數(shù);利用AA'和A'B可以計(jì)算出水平間距、錯(cuò)位角等［6］。利用光柵、相位激光測(cè)距儀可以測(cè)出精確的角度和距離等。

2　測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和誤差分析

接觸網(wǎng)參數(shù)的測(cè)量工程中需要使用的參數(shù)有一下一個(gè):光柵的角度值，測(cè)距儀的距離范圍，位移傳感器的電阻值和傾斜傳感器角度范圍，其中光柵的角度值:和軌道水平方向的夾角為α，和軌道平面的垂直方向的夾角β;激光測(cè)距儀的范圍為0．5 m～70 m;傾斜傳感器角度范圍為－10°～10°;位移傳感器的電阻值為5 kΩ［7］。

2．1測(cè)量點(diǎn)投影在軌道平面坐標(biāo)系統(tǒng)的位置

測(cè)量點(diǎn)投影在軌道平面坐標(biāo)系統(tǒng)中位置的計(jì)算公式為:

其中L″是測(cè)量點(diǎn)投影在軌道平面坐標(biāo)系中的距離; L是測(cè)距儀測(cè)出的對(duì)象的距離;α是測(cè)量點(diǎn)在軌道平面坐標(biāo)系中的夾角，β是測(cè)量點(diǎn)和軌道平面的夾角［5］。

式(1)的誤差公式:

當(dāng)α和β為0°，ΔL″值最大:ΔLmax=ΔL=2 mm

由式(2)可知，測(cè)量對(duì)象在軌道平面上的參考系中的距離誤差主要受測(cè)距儀誤差的影響。

2．2接觸線超高值測(cè)量

接觸線超高值測(cè)量的計(jì)算公式:

由式(3)可知，L為測(cè)距儀測(cè)量出的對(duì)象的距離; β角是測(cè)量對(duì)象和軌道平面的夾角，ΔHmax=2 mm。

2．3拉出值測(cè)量

接觸線拉出值是指在定位點(diǎn)處接觸線與受電弓中心線行跡之間的距離值。在直線區(qū)段上，又可以定義為定位點(diǎn)處接觸線相對(duì)于線路中心的偏移距離。測(cè)量范圍:(－600 m～600 m)，一般測(cè)量位置位于鐵軌左側(cè)。接觸線拉出值計(jì)算公式為:

其中D為接觸線拉出值，L是測(cè)距儀測(cè)量對(duì)象的距離;α為定位點(diǎn)和參照軌道的夾角;β為定位點(diǎn)和軌道平面的夾角。由式(4)可知，當(dāng)α和β是0°，ΔD是值得的最大值，ΔDmax=2．125 mm。

3　系統(tǒng)的軟件部分

軟件部分用來(lái)收集處理信息并在控制終端上進(jìn)行顯示，采用的是輪流分析法。軟件部分分成上層和底層兩部分，均運(yùn)行在嵌入式Linux操作系統(tǒng)中。

軟件部分的工作流程是:觀察網(wǎng)關(guān)CCD圖標(biāo)，通過(guò)采集卡把信息傳送給主CPU，處理后傳送到終端上顯示;測(cè)量?jī)x測(cè)量導(dǎo)線的傾斜角度、軌距和角度［3］等參數(shù)，然后傳送給嵌入式ARM9微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到測(cè)量參數(shù)，保存有用的數(shù)據(jù)，最后電子報(bào)表自動(dòng)生成系統(tǒng)對(duì)測(cè)量參數(shù)進(jìn)行分類處理，生成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的電子文檔。

4　系統(tǒng)的不確定度分析

該測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量出的接觸網(wǎng)的高度和拉出值等參數(shù)，根據(jù)JJF1059—1999《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析和評(píng)估，測(cè)量精度為±5 m，測(cè)量系統(tǒng)的不確定度主要來(lái)源于測(cè)量的重復(fù)性、測(cè)量的環(huán)境和測(cè)量對(duì)象的位置差異，以及測(cè)量基準(zhǔn)的不同。

4．1重復(fù)性測(cè)量

選擇不同的測(cè)量點(diǎn)，測(cè)試系統(tǒng)重復(fù)10次，測(cè)試結(jié)果見表1。H是接觸線的測(cè)量高度，L表示拉出值。其標(biāo)準(zhǔn)偏差分別表示為SH(Height Standard Deviation)、SI(Standard Deviations)、Pr(Parameter)。

表1　測(cè)試結(jié)果(重復(fù)測(cè)量)

根據(jù)公式計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)偏差:SH1=0．83，SL1=0．37。

4．2環(huán)境因素影響的不確定度

對(duì)接觸線高度連續(xù)10次測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示。

表2　測(cè)試結(jié)果

計(jì)算出的標(biāo)準(zhǔn)偏差:SH2=0．63，SL2=0．28。

4．3變換測(cè)量對(duì)象的位置

調(diào)整接觸線參量，Pr測(cè)量一次完成，并重新定位接觸線，重復(fù)10次測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)如表3所示。

表3　測(cè)量結(jié)果(變換對(duì)象位置)

計(jì)算出的標(biāo)準(zhǔn)偏差:SH3=0．51，SL3=0．28。

4．4標(biāo)準(zhǔn)機(jī)(測(cè)量基準(zhǔn))導(dǎo)致的不確定度

標(biāo)準(zhǔn)機(jī)導(dǎo)致的不確定度，測(cè)量過(guò)程使用10 m的尺子，二級(jí)導(dǎo)軌，軌距誤差為1 435 mm，ΔBE=0．2 ×1．435=0．287 mm，SL4=0．287 mm。

測(cè)試中使用0．02 mm/m水平校正標(biāo)準(zhǔn)鐵軌平面，測(cè)量軌距1 435 mm，根據(jù)最大計(jì)算，取誤差為0．028 7，計(jì)算不確定度的質(zhì)量為SH4=0．028 7 mms，SL5=0．028 7 mm。

4．5合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

每個(gè)不確定度都是獨(dú)立的，不存在互換，然后合成不確定度:

相關(guān)數(shù)據(jù)可以考慮到計(jì)算中:SH=1．2，SL=0．61。由此可以得到接觸線的高度，并使合成的不確定度達(dá)到3 SHS和3 SLS分別小于5 mm，測(cè)量系統(tǒng)精度誤差可以達(dá)到±5 mm。

5　結(jié)論

本文提出了基于距離傳播機(jī)，角度傳播機(jī)，位移傳播機(jī)及單立柱的CCD攝像頭和嵌入式數(shù)據(jù)處理技術(shù)的鐵路網(wǎng)參數(shù)的激光測(cè)量系統(tǒng)。和國(guó)內(nèi)當(dāng)前常用的測(cè)量方法相比，該測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量速度快，精度可達(dá)±5 mms，且所有測(cè)量的參數(shù)可以自動(dòng)生成電子報(bào)表［8］。該測(cè)量系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于鐵路網(wǎng)的日常檢修和維護(hù)，可以保證快速轉(zhuǎn)速。該系統(tǒng)中，CCD攝像頭進(jìn)行二維測(cè)量，操作簡(jiǎn)單，便攜性好，高精度的軌道偏差。與傳統(tǒng)的吊弦測(cè)量方法相比，該系統(tǒng)中測(cè)量?jī)x使用激光束代替吊弦，光電目標(biāo)來(lái)代替鋼尺，模擬顯示代替人工讀數(shù)，使鐵路網(wǎng)參數(shù)測(cè)量更方便易行，同時(shí)還提高了測(cè)量精度和工作效率。實(shí)踐中，證明了本系統(tǒng)中，提出的新的激光CCD儀器在實(shí)際測(cè)量中完全滿足使用要求。

［1］Wu Changbo，Zhou Hong．The On-Line Real-Time Detection And Broken Line Accident Early Waring System on Railway Catenary Cable Stress Load［J］．Micro Computer Information，2009，25:102－103．

［2］于萬(wàn)聚．高速電氣化鐵路接觸網(wǎng)［M］．成都:西南交通大學(xué)出版社，2003:128－129．

［3］Rong-guang D I．Study on Catenary Dynamic Parameter Measurement of High-Speed Railway［J］．Technology Square，2005(1):90－92．

［4］Wu Jian，Zhang Hua．A Design of Railway Cable’s Multi-Parameter Measurement［J］．Micro Computer Information，2008(10):47－50．

［5］鞏浩．接觸線幾何參數(shù)雙目視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)研究［D］．山東:青島大學(xué)，2012:8－9．

［6］陳忠斌，周燕芳．便攜式接觸網(wǎng)幾何參數(shù)激光測(cè)量?jī)x的研制［J］．傳感器與微系統(tǒng)，2013(4):23－25．

［7］吳健;張華．接觸網(wǎng)多參數(shù)測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)［J］．微計(jì)算機(jī)信息，2008(10):45－47．

［8］Zhou L．Thermal Error Compensation of a LED/CCD 3D Measuring SyStem［R］．［sl］:Internal Report(K.U.Leuven)，2002．

林鄧偉(1972－)，男，漢族，河南溫縣人，焦作大學(xué)副教授/碩士，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)，自動(dòng)化，lindengwei@yeah．net。

EEACC:436010．3969/j．issn．1005－9490．2015．01．037

鐵路接觸網(wǎng)導(dǎo)線幾何參數(shù)的激光測(cè)量系統(tǒng)

林鄧偉*，李東亮
(焦作大學(xué)信息工程學(xué)院，河南焦作454000)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)接觸網(wǎng)導(dǎo)線幾何參數(shù)的實(shí)時(shí)、有效檢測(cè)，從而確保鐵路安全行駛，延長(zhǎng)導(dǎo)線使用時(shí)間，提出了基于激光的鐵路接觸網(wǎng)導(dǎo)線幾何參數(shù)的測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)中應(yīng)用了距離傳感器，角度傳感器，位移傳感器，CCD攝像頭和嵌入式數(shù)據(jù)處理技術(shù)。另外詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和測(cè)量原理的數(shù)學(xué)模型和誤差范圍，并對(duì)該系統(tǒng)的主要參數(shù)測(cè)量進(jìn)行了分析和評(píng)估。與先前的測(cè)量結(jié)果相比，該測(cè)量系統(tǒng)可旋轉(zhuǎn)方向，從而使鐵路接觸網(wǎng)的測(cè)量速度加快，測(cè)量精度可以達(dá)到±5 mm。

自動(dòng)化技術(shù)及設(shè)備;測(cè)量技術(shù);激光;鐵路接觸網(wǎng);傳感器;幾何參數(shù)

TP2

A文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:1005－9490(2015)01－0174－04

2014－01－13修改日期:2014－03－17