張 偉 上海鐵路局辦公室

朱 挺 上海鐵路局科研所

電氣化鐵路接觸網(wǎng)檢測小車應用研究

張 偉 上海鐵路局辦公室

朱 挺 上海鐵路局科研所

闡述了應用機器視覺理論研制非接觸式接觸網(wǎng)檢測小車的關鍵技術、技術原理和路線、主要功能和技術指標、現(xiàn)場應用與數(shù)據(jù)分析等，采用數(shù)字成像、光學設計和三角法立體測量等技術和方法，實現(xiàn)了手推式接觸線幾何參數(shù)、磨耗和支柱側(cè)面限界的連續(xù)測量，以及檢測數(shù)據(jù)分析比對和超限值的自動判斷警示，指導現(xiàn)場養(yǎng)護維修。

機器視覺；線陣列；接觸網(wǎng)；動態(tài)檢測；小車

1 前言

高速鐵路的快速發(fā)展和運營品質(zhì)的需求，對鐵路牽引供電系統(tǒng)供電設備的安全運行提出了更高的要求。接觸網(wǎng)是鐵路牽引供電系統(tǒng)中直接與車輛接觸并為之提供持續(xù)電能的供電設備。在接觸網(wǎng)日常養(yǎng)護維修中對接觸網(wǎng)幾何參數(shù)及磨耗的檢測是一項非常重要的工作，為科學指導接觸網(wǎng)養(yǎng)護維修，保障列車運行安全起著至關重要的作用。電氣化鐵路一般都通過車載式接觸網(wǎng)檢測設備周期性對接觸網(wǎng)進行檢測，比如總公司CRH380等系列綜合動車組檢測列車。然而由于全路接觸網(wǎng)檢測車數(shù)量配置少，無法對所有路網(wǎng)進行有效全覆蓋檢測。目前，供電段、維管段各工區(qū)現(xiàn)場一般采用傳統(tǒng)的便攜式激光測量設備，在天窗點內(nèi)對接觸線幾何參數(shù)進行靜態(tài)點式測量，在接觸線每個定位處利用激光測距儀人工瞄準捕獲接觸線進行參數(shù)的抽樣測量，勞動強度大，作業(yè)效率低，檢測功能單一。本項目研制的接觸網(wǎng)檢測小車彌補了車載檢測設備缺乏以及檢測頻率低的缺點，并相對于現(xiàn)有的便攜式靜態(tài)測量設備，作業(yè)效率提高數(shù)十倍，操作更便捷、檢測功能更齊全，檢測精度更高。

2 小車檢測原理

2.1 檢測原理

采用國際上前沿的機器視覺技術來實現(xiàn)接觸網(wǎng)幾何參數(shù)的檢測，是本項目的核心。檢測小車采用機器視覺系統(tǒng)構(gòu)成，主要由機器視覺光源，光學鏡頭，工業(yè)相機，圖像采集處理模塊等組成的（如圖1所示）。

圖1 機器視覺系統(tǒng)構(gòu)成示意

各部分具體功能如下：

（1）光源

在目前的機器視覺應用系統(tǒng)中，好的光源與照明方案往往是整個系統(tǒng)成敗的關鍵，光源與照明方案的配合應盡可能地突出物體特征量，在物體需要檢測的部分與那些不重要部分之間應盡可能地產(chǎn)生明顯的區(qū)別。其中結(jié)構(gòu)光憑借其輕便和小功耗的優(yōu)點在本項目中得到了很好的體現(xiàn)。

（2）光學鏡頭

光學鏡頭相當于人眼的晶狀體，在機器視覺系統(tǒng)中非常重要。選擇合適的鏡頭，其主要性能指標有焦距、光圈、倍率、接口等。

（3）相機

相機是機器視覺系統(tǒng)獲取原始信息的最主要部分，目前主要使用的CMOS相機和CCD相機。目前CCD攝像機以其小巧、可靠、清晰度高等特點在商用與工業(yè)領域都得到了廣泛地使用，本項目選擇CCD相機。

（4）圖像采集處理模塊

在基于 PC機的機器視覺系統(tǒng)中，圖像采集處理模塊是控制攝像機拍照，完成圖像采集與數(shù)字化，協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的重要設備。

2.2 檢測小車設計

檢測小車應用機器視覺原理，通過高速攝像系統(tǒng)輔助以線型激光發(fā)生裝置，實時拍攝接觸網(wǎng)圖像。用兩臺CCD線陣列相機對稱安裝在手推式小車中心兩側(cè)，線型激光發(fā)生裝置垂直于軌道方向向上發(fā)射一條激光光束，使其光軸在與相機共面構(gòu)成光幕靶。由此可知，無論接觸線導高、拉出值如何變化，激光光束總是能掃描到接觸線。其次利用高速攝像系統(tǒng)沿軌道方向斜向上拍攝，利用線激光與接觸線產(chǎn)生的輪廓有別于圖像其它灰度值，可以方便迅捷的提取出接觸線在整幅圖像中的位置，利用三角法立體測量原理，最后通過數(shù)據(jù)分析變換處理，可得出接觸線的導高、拉出值等幾何參數(shù)值。

設計的測量小車采用彈性隨動設計，保證小車的四個輪緣緊貼鋼軌內(nèi)側(cè)運動，也就是說手推式小車在推動中是左右偏移的。用高精度位移傳感器監(jiān)測小車主梁的伸縮值，等同于軌道軌距的變化量，用高精度傾角傳感器測量左右鋼軌超高，用來補償檢測的數(shù)據(jù)值，檢測小車測量出的幾何參數(shù)必須通過實時修正補償，才是正確的、有指導意義的數(shù)據(jù)，確保檢測幾何參數(shù)測量的正確性。

系統(tǒng)利用線路上接觸網(wǎng)“之”字型的架設特點，軟件智能判斷拉出值的拐點，同時結(jié)合基礎的桿距、桿號等綜合信息，以桿號為標志定位檢測數(shù)據(jù)，精度小于300 mm，解決了現(xiàn)場現(xiàn)有系統(tǒng)定位誤差大的難題，為快速定位現(xiàn)場缺陷數(shù)據(jù)提供了便利，提高了作業(yè)效率。

3 檢測小車的功能與主要技術指標

（1）檢測速度：（0～15）km/h（手推步行速度）；

（2）采樣間隔：約為1.5 mm（不受推行速度影響）；

（3）單次作業(yè)持續(xù)時間：連續(xù)工作大于5 h；

（4）故障點里程定位精度±300 mm；

（5）接觸線檢測范圍：

導高（5 000～7 000）mm，檢測精度±5 mm

拉出值（-625～+625）mm，檢測精度±5 mm；

（6）接觸線磨耗：磨耗殘高精度±0.2 mm；

（7）錨段關節(jié)雙線檢測：

水平間距：范圍（0～1250）mm,精度±10 mm

垂直高差：范圍（0～200）mm,精度±10 mm；

（8）軌距：

測量范圍（1410～1470）mm，精度±0.3 mm；

（9）超高：精度±1 mm；

（10）支柱側(cè)面限界：范圍（1000～4000）mm，檢測精度±10 mm；

（11）設置接觸線高度、拉出值、截比閥值，當超高、超低、超偏、磨耗超限時自動警示；

（12）設置支柱側(cè)面限界閥值，當超限時自動警示；

（13）繪制接觸線高度、拉出值、接觸線磨耗等數(shù)據(jù)曲線圖與數(shù)據(jù)表，自動判斷是否超限；

（14）通過大數(shù)據(jù)的積累、分析，可以對不同時期、同一區(qū)段的歷史數(shù)據(jù)進行比對，分析接觸網(wǎng)狀態(tài)變化規(guī)律，針對性地指導現(xiàn)場養(yǎng)護維修。

4 檢測小車現(xiàn)場應用與數(shù)據(jù)分析

從2013年7月開始搭建實驗平臺進行研發(fā)，經(jīng)過反復的試驗找到了適合本項目的最佳相機采集模塊工作模式。研究出快捷和高效的壓縮算法，滿足了相機在高頻率下工作的要求，并測試出相機的最優(yōu)工作參數(shù)，使得相機的工作頻率可以達到最大而不出現(xiàn)丟圖、漏圖。

2013年11 月8日凌晨到滬寧城際安亭北站場進行動態(tài)檢測試驗，完成了從桿號2號至30號的完整數(shù)據(jù)采集工作（如圖2所示）。

圖2 樣機現(xiàn)場作業(yè)圖

系統(tǒng)經(jīng)過一年多的現(xiàn)場功能驗證后和現(xiàn)場試驗，開展了小車的產(chǎn)品化和工藝化研究,樣機在測試過程中系統(tǒng)運行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)重復性好，與現(xiàn)場激光測距儀測量值比較，數(shù)據(jù)精度可靠，已達到交付工區(qū)現(xiàn)場使用的條件，并在供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)養(yǎng)護維修中投入使用。

接觸網(wǎng)檢測數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)主要分為以下功能：

4.1 數(shù)據(jù)回放

如圖3所示，分別將接觸線的導高、拉出值和截比作為參數(shù)，對接觸網(wǎng)幾何參數(shù)進行曲線分析，在錨段關節(jié)處，分析軟件將不同的兩根接觸線用兩種顏色表示，方便用戶瀏覽。用戶還可以在界面上通過鼠標左鍵進行相關區(qū)域的放大縮小及通過右鍵對曲線進行移動，當鼠標停留時，顯示該點處的幾何參數(shù)值。

圖3 參數(shù)曲線

4.2 定位桿處參數(shù)查詢

如圖4所示，系統(tǒng)對38-62號桿定位點處進行參數(shù)查詢，方便用戶了解每個定位處的導高、拉出值等幾何參數(shù)信息。

圖4 定位桿處參數(shù)查詢

4.3 數(shù)據(jù)分析比對

如表1所示，檢測數(shù)據(jù)精度比對分析，將系統(tǒng)查詢到的定位桿處導高拉出值與現(xiàn)場激光測距儀測得的導高拉出值進行比對，并分析誤差，可知系統(tǒng)測量精確可靠，滿足現(xiàn)場要求。個別點處產(chǎn)生較大誤差的原因分析主要有兩個方面：一是系統(tǒng)本身有5 mm的測量誤差，另一方面是現(xiàn)場手持式激光測距儀的誤差也有5 mm，個別情況兩個因素疊加，產(chǎn)生較大的誤差值。

表1 數(shù)據(jù)比對

4.4 數(shù)據(jù)重復性

分別對同一線路不同時間兩次測量的數(shù)據(jù)進行重復性比對，系統(tǒng)測量重復性良好，運行穩(wěn)定。

經(jīng)近兩年的實際應用表明，該小車測量準確、效率高、使用靈活、攜帶方便，滿足接觸網(wǎng)檢測和維修作業(yè)要求，解決了目前存在的車載接觸網(wǎng)檢測車檢測能力不足和便攜式激光測距儀測量作業(yè)勞動強度大等問題，對確保電力牽引列車的運營秩序，提高供電安全性和可靠性具有十分積極和重要的意義。

5 檢測小車的進一步優(yōu)化措施

以手推式小車為載體，實現(xiàn)對接觸網(wǎng)幾何參數(shù)、磨耗和支柱側(cè)面限界進行非接觸式、連續(xù)動態(tài)檢測，可在線自動分析、展示和預警檢測結(jié)果或事后采用地面數(shù)據(jù)分析軟件對檢測數(shù)據(jù)進行回放分析，能夠科學指導供電部門開展電氣化鐵路接觸網(wǎng)養(yǎng)護維修作業(yè)。鑒于檢測小車在現(xiàn)場兩年多的應用情況來看，檢測功能和指標均能達到現(xiàn)場應用的要求，但是后續(xù)在以下方面需要進一步優(yōu)化完善：

（1）將小車的靜態(tài)檢測數(shù)據(jù)與總公司每旬計劃的動檢車動態(tài)檢測數(shù)據(jù)相結(jié)合，進行數(shù)據(jù)的動靜態(tài)差異比對，結(jié)合現(xiàn)場的信息反饋，逐步總結(jié)養(yǎng)修維護的經(jīng)驗。

（2）根據(jù)總公司的接觸網(wǎng)6C檢測設備要求，研究與6C的數(shù)據(jù)庫接口協(xié)議，創(chuàng)建上海局接觸網(wǎng)一桿一檔數(shù)據(jù)庫及管理方法，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無縫對接。

（3）優(yōu)化完善小車的機械結(jié)構(gòu)設計，結(jié)合應用期間在各種工況條件下的實際情況，為了更容易上、下道，檢測小車輕量化設計是關鍵，可以對小車材料進行比選，采用碳纖維等材料代替原先的合金材料，降低小車重量，使小車上道作業(yè)、搬運更加方便，進一步減少作業(yè)人員，提高作業(yè)效率。同時，產(chǎn)品的工藝化設計也必須跟上步伐，在不改變功能和技術指標的前提下，融合符合審美觀的現(xiàn)代元素，最終實現(xiàn)小車的輕量化、小型化，便于作業(yè)人員現(xiàn)場運送和操作。

（4）研究檢測小車的管、用、修辦法，協(xié)調(diào)組織作業(yè)天窗內(nèi)小車現(xiàn)場實際應用，分析論證在單線、雙線、直道和彎道等各種情況下檢測效果，并提出確保小車穩(wěn)定、可靠運用的措施。

6 結(jié)束語

接觸網(wǎng)檢測小車的研究符合高鐵的發(fā)展需求，系統(tǒng)的開發(fā)思路及技術手段體現(xiàn)出了有效、易用、安全、經(jīng)濟的顯著特色。該設備的研制成功，大大提高了我局各供電段接觸網(wǎng)檢測的能力，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和分析系統(tǒng)，合理配置人工資源，能夠?qū)崿F(xiàn)把檢測到的缺陷數(shù)據(jù)及時提供給相應的養(yǎng)護維修部門，通過對數(shù)據(jù)的全程回放、周期對比、結(jié)果復核和確認，進一步提高了對現(xiàn)場指導的準確性和實用性，為科學評估接觸網(wǎng)狀態(tài)質(zhì)量，制定養(yǎng)護維修計劃提供了一個良好的測量平臺。

目前動態(tài)測量的接觸網(wǎng)檢測小車還沒有其他廠家研制同類產(chǎn)品，可以推廣到各個供電段工區(qū)級別配屬，便于日?？焖贆z測作業(yè)，也可以推廣應用到城市軌道交通領域，市場推廣前景廣闊。

[1]朱挺.新型國產(chǎn)軌道交通接觸網(wǎng)檢測系統(tǒng)研究.都市快軌交通：2012,25 (06)：12-16.

[2]彭朝勇,高曉蓉.國外接觸網(wǎng)導線磨耗檢測系統(tǒng).中國鐵路,2007,(4)：66－68.

[3]王志明,殷諸成,曾慧.數(shù)字圖像處理與分析[M].北京：清華大學出版社, 2012：36-37.

責任編輯：宋 飛

來稿時間：2016-08-15