蔣 濤，袁 崗，張浩杰，趙會(huì)軍

(1.中國鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司 職教處，山東 濟(jì)南 250001；2.中國鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司 濟(jì)南供電段，山東 濟(jì)南 250001；3.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道技術(shù)研修學(xué)院，北京 100081)

0 引言

鐵路運(yùn)輸設(shè)備是鐵路運(yùn)輸安全有序的基礎(chǔ)保障，為了加強(qiáng)對(duì)鐵路運(yùn)輸設(shè)備的統(tǒng)一管理，開展鐵路運(yùn)輸設(shè)備技術(shù)狀態(tài)大數(shù)據(jù)平臺(tái)相關(guān)技術(shù)研究，并重點(diǎn)研究設(shè)備大數(shù)據(jù)集成、大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等關(guān)鍵技術(shù)[1]具有重要意義。接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)檢測監(jiān)測裝置 (4C) 即為鐵路運(yùn)輸大數(shù)據(jù)的一種，該裝置安裝在接觸網(wǎng)作業(yè)車或檢測車輛上，可以在一定運(yùn)行速度下對(duì)接觸網(wǎng)懸掛系統(tǒng)的零部件實(shí)施高精度成像檢測。通過對(duì)檢測數(shù)據(jù)的自動(dòng)識(shí)別與分析，形成接觸網(wǎng)的維修建議，對(duì)接觸網(wǎng)故障隱患的消除具有一定指導(dǎo)意義。4C 采用高清高速攝像機(jī)陣列，可以對(duì)接觸網(wǎng)懸掛的正反方向、全局與關(guān)鍵部分細(xì)節(jié)同時(shí)成像，從而構(gòu)造接觸網(wǎng)懸掛全景的多角度與重點(diǎn)區(qū)域的成像視場。通過回放處理系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)巡檢線路成像圖像定位、分析與篩選等功能，并生成分類統(tǒng)計(jì)報(bào)告，為接觸網(wǎng)巡視與檢修提供全面可靠的技術(shù)保障。

隨著鐵路列車運(yùn)輸組織的優(yōu)化和列車運(yùn)行速度的提升，電力機(jī)車對(duì)于接觸懸掛的質(zhì)量要求越來越高，接觸網(wǎng)的質(zhì)量和工作狀態(tài)直接影響著電氣化鐵路的運(yùn)輸能力。為保證鐵路正常運(yùn)營和正確地評(píng)述受流質(zhì)量，接觸網(wǎng)測試內(nèi)容日益廣泛，同時(shí)為了獲得正確的測試結(jié)果，測試手段和技術(shù)也日趨現(xiàn)代化。傳統(tǒng)的接觸網(wǎng)檢測方法主要依靠手量和目測，不僅速度慢、隨機(jī)性大、準(zhǔn)確率低，還不能滿足高速鐵路接觸網(wǎng)發(fā)展的需要[2]。4C 檢測車的工作系統(tǒng)分為非接觸檢測系統(tǒng)和接觸檢測系統(tǒng) 2 種，既可以同時(shí)工作也可以獨(dú)立工作，具有檢測速度快、檢測參數(shù)多、準(zhǔn)確率高等優(yōu)點(diǎn)，檢測結(jié)果能正確反映接觸網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，為接觸網(wǎng)的調(diào)整與維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。在電氣化鐵路出現(xiàn)的事故中，無備用的接觸網(wǎng)一旦出現(xiàn)故障停電，將直接影響行車秩序，關(guān)系到電氣化鐵路能否安全運(yùn)營。隨著接觸網(wǎng)檢測設(shè)備的應(yīng)用，避免了許多弓網(wǎng)事故的發(fā)生，在接觸網(wǎng)的調(diào)整與維護(hù)過程中，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。

1 普速電氣化鐵路應(yīng)用 4C 檢測現(xiàn)狀

接觸網(wǎng)的零部件是接觸網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)節(jié)及紐帶，任何接觸網(wǎng)零部件的損壞，即意味著供電系統(tǒng)的破壞，使整體運(yùn)行及供電系統(tǒng)陷入癱瘓。在一定意義上說，接觸網(wǎng)零部件是整體系統(tǒng)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，既不能缺少，也不能被破壞[3]。接觸網(wǎng)需要進(jìn)行周期性的檢測，而普速電氣化鐵路運(yùn)營總里程遠(yuǎn)大于高速電氣化鐵路總里程，為高速電氣化鐵路量身定做的 4C 檢測車要同時(shí)能為普速電氣化鐵路線服務(wù)，才能更好地體現(xiàn)實(shí)用價(jià)值。因此，研究以中國鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司 (以下簡稱“濟(jì)南鐵路局”) 管段京滬高速鐵路(北京南—上海虹橋)、普速京九鐵路 (北京西—香港九龍紅磡)，4C 采用 JX—300 型為試驗(yàn)對(duì)象，將采集到的影像資料與弓網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，反映普速電氣化鐵路與高速電氣化鐵路在檢測方面存在的問題。

（1）平順性不高。關(guān)于平順性，高速電氣化鐵路的基本技術(shù)條件如曲線長度、最小夾直線、圓曲線長度、最小坡段長度和豎曲線長度等從設(shè)計(jì)到施工都嚴(yán)格控制以滿足其高平順性的要求。而普速電氣化鐵路的設(shè)計(jì)存在多種問題，如接觸線的導(dǎo)高在 6 000～6 500 mm 間波動(dòng)；定位器有矩形定位器、軟定位器、G 形定位器、T 型定位器等，零部件不統(tǒng)一；遇有上跨橋?qū)е碌慕佑|線降高等諸多施工標(biāo)準(zhǔn)不高的問題。

（2）公里標(biāo)斷鏈。普速電氣化鐵路在丈量過程中，出現(xiàn)樁號(hào)與實(shí)際里程不符的現(xiàn)象叫斷鏈。引起斷鏈的原因較多，但主要有 2 種：一種是由于計(jì)算和丈量發(fā)生錯(cuò)誤所造成；另一種則是由于局部改線、分段測量等客觀原因所造成。斷鏈有“公里標(biāo)長鏈”和“公里標(biāo)短鏈”之分，當(dāng)路線樁號(hào)長于地面實(shí)際里程時(shí)稱為公里標(biāo)短鏈，反之則稱為公里標(biāo)長鏈。而高速鐵路不會(huì)存在“長鏈、短鏈”的現(xiàn)象[4]。

（3）軟橫跨漏拍。普速電氣化鐵路多股道的站場 (3 股道以上) 接觸懸掛通過橫向線索懸掛在鐵路兩側(cè)的支柱上，這種裝配方式稱為軟橫跨。軟橫跨由站場鐵路兩側(cè)支柱和懸掛在支柱上的橫向承力索、上部固定繩、下部固定繩及支持和連接它們的零件組成。站場上軟橫跨因下部固定繩橫截面積為 50 mm2，在4C 檢測車 70 km/h 的速度時(shí)，存在激光靈敏度降低而無法觸發(fā)相機(jī)造成漏拍的問題。而高速電氣化鐵路為硬橫梁吊柱，不存在漏拍的情況[5]。

（4）接觸線高度跨度大。4C 在車頂位置距離鋼軌面的高度約為 3 900mm，與高速鐵路接觸線高度5 300 mm 相差 1 400 mm，并且數(shù)值相對(duì)穩(wěn)定；與普速鐵路接觸線標(biāo)準(zhǔn)高度 6 450 mm 相差 2 550 mm，并且數(shù)字在 2 100～2 600 mm 間浮動(dòng)。500 mm 的浮動(dòng)值占高清成像相機(jī)對(duì)焦距離的 30%，給對(duì)焦成像的質(zhì)量增加了難度。

（5）支柱排列無序。一般情況下我國普速電氣化鐵路接觸網(wǎng)支柱位于列車行駛方向的左側(cè)，鐵路既有線電氣化改造后，受地形限制時(shí)右側(cè)會(huì)設(shè)立接觸網(wǎng)支柱。而高速電氣化鐵路不存在此影響因素。

（6）檢測時(shí)間短。高速電氣化鐵路的 4C 檢測車在夜間天窗時(shí)間內(nèi)運(yùn)行；普速電氣化鐵路天窗封鎖距離一般不超過“一站一區(qū)”約 15 km，占段管內(nèi)一條普速鐵路 200 km 的 1/13，運(yùn)用維修天窗檢測需要占用較多的施工組織人員和天窗，造成生產(chǎn)效率低下[6]。普速電氣化鐵路與高速電氣化鐵路的 4C 檢測車應(yīng)用影響因素如表 1 所示。

2 普速電氣化鐵路應(yīng)用4C檢測車調(diào)整策略

2.1 減少曝光時(shí)間

接觸線平順性是指兩鋼軌軌面水平連接線和接觸線間高度的相對(duì)穩(wěn)定，這個(gè)值除了與接觸線是否水平有關(guān)系外，還和鐵路鋼軌的水平程度直接相關(guān)，受到工務(wù)部門軌道整修、鐵路路基積水下沉等因素的影響。在普速電氣化鐵路上接觸線的平順性無法得到改善的情況下，依靠 4C 檢測裝置的平衡補(bǔ)償設(shè)備達(dá)到靜態(tài)測量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)，對(duì)相機(jī)拍攝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，通過減少曝光時(shí)間，提高圖片的數(shù)碼增益來保證圖像的亮度。

表1 4C檢測車應(yīng)用影響因素表Tab.1 Application inf l uence factor list of the 4C test vehicle

2.2 取消 GYK 定位

鐵路公里標(biāo)斷鏈分“公里標(biāo)長鏈”和“公里標(biāo)短鏈”2 種，對(duì)于“公里標(biāo)短鏈”情況把基礎(chǔ)數(shù)據(jù)按公里標(biāo)在“公里標(biāo)短鏈”處進(jìn)行分段，多次導(dǎo)入 4C 檢測車基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫用來檢驗(yàn)是否存在其他錯(cuò)誤，確認(rèn)無誤后分段進(jìn)行數(shù)據(jù)合并，并對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)公里標(biāo)錯(cuò)誤進(jìn)行修改，直到基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入規(guī)則的允許最大差值大于“公里標(biāo)短鏈”公里標(biāo)差值為止。對(duì)于“公里標(biāo)長鏈”情況分 2 種解決方法，這時(shí)軌道車運(yùn)行控制設(shè)備 (簡稱 GYK) 數(shù)據(jù)已經(jīng)出現(xiàn)重復(fù)，無法再按照正常的 GYK 進(jìn)行定位，在 4C 檢測到“公里標(biāo)長鏈”時(shí)取消 GYK 定位方式，僅僅依靠支柱的跨距來進(jìn)行定位是一種有效的辦法；此外，在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料庫中增加“斷鏈標(biāo)識(shí)”，遇有“斷鏈標(biāo)識(shí)”的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)自動(dòng)取消 GYK 定位，可以大幅減少因“公里標(biāo)斷鏈”帶來的定位不準(zhǔn)的影響[7]。

2.3 提高靈敏度

普速電氣化鐵路的站場上軟橫跨因下部固定繩橫截面積細(xì)小，造成對(duì)缺陷圖像的定位無法完成，激光靈敏度需要更換設(shè)備來提高設(shè)備性能防止漏拍發(fā)生；對(duì)圖像光學(xué)字符識(shí)別 (簡稱 OCR) 未識(shí)別準(zhǔn)確的，則以弓網(wǎng)參數(shù)檢測定位數(shù)據(jù)信息做參考點(diǎn)進(jìn)行人工干預(yù)完善定位信息；軟橫跨無桿號(hào)標(biāo)識(shí)的逐步利用維修天窗在定位裝置上標(biāo)畫桿號(hào)標(biāo)識(shí)，用于人工識(shí)別并后期輔助校正圖片定位信息。

2.4 加大拍攝范圍

接觸線的高度在 6 000～6 500 mm 間浮動(dòng)會(huì)使相機(jī)對(duì)焦點(diǎn)與被攝物體產(chǎn)生偏離導(dǎo)致圖像質(zhì)量下降。如果要解決這個(gè)問題，需要考慮相機(jī)景深，在 4C 檢測裝置的拍攝距離相對(duì)固定的條件下，景深與鏡頭使用光圈、鏡頭焦距及像質(zhì)要求 (表現(xiàn)為對(duì)容許彌散圓的大小) 有關(guān)[8]，主要影響著景深的光圈和焦距。光圈越小，景深越大。焦距越短，景深就越大。景深與光圈的關(guān)系如圖 1 所示。

圖1 景深與光圈的關(guān)系Fig.1 The relationship between the depth of fi eld and the aperture

由圖 1 可知，大景深對(duì)拍攝距離的浮動(dòng)有更好的寬容度。如果要獲得大景深的圖像，需要從短焦距鏡頭和收縮光圈 2 個(gè)方面入手，將對(duì)焦點(diǎn)選在接觸線高度 6 250 mm 的中間點(diǎn)上，再通過加大景深的方法可以解決因接觸線高度變化帶來的對(duì)焦距離變化而造成的圖像模糊現(xiàn)象。

2.5 增加正反向標(biāo)識(shí)

對(duì)于在列車運(yùn)行鐵路右側(cè)的支柱，雖然 4C 檢測能夠拍攝到高清圖像，但在 4C 分析軟件的展示過程中存在著問題，即在進(jìn)行圖像分析時(shí)需要人工干預(yù)，不停地按動(dòng)“切換機(jī)位”按鈕，從而降低工作效率。考慮通過增加右側(cè)支柱標(biāo)識(shí)，自動(dòng)進(jìn)行圖像選擇性展示來解決此類問題。

2.6 提報(bào)運(yùn)行計(jì)劃

普速鐵路列車運(yùn)行速度在 160 km/h 以下，軌道車 GYK 限制的速度 80 km/h 可以在運(yùn)營的鐵路線上提報(bào)軌道車運(yùn)行計(jì)劃，由鐵路局下達(dá)檢測車專用電報(bào)，明確 4C 檢測車夜間運(yùn)行時(shí)間和?？寇囌?，有秩序地進(jìn)行 4C 檢測任務(wù)。在運(yùn)營的鐵路線上執(zhí)行運(yùn)行計(jì)劃時(shí)，由于中途無法停車維修車輛和調(diào)整檢測裝置參數(shù)，對(duì) 4C 檢測車車輛狀況和檢測任務(wù)的連續(xù)性要求更高，同時(shí)檢測任務(wù)的容錯(cuò)性較低，對(duì)作業(yè)車司機(jī)和檢測人員的工前整備質(zhì)量和工中應(yīng)變能力也提出更高的要求。通過對(duì)作業(yè)流程標(biāo)準(zhǔn)化，并反復(fù)演練以提升職工業(yè)務(wù)水平，在運(yùn)行計(jì)劃中調(diào)整檢測計(jì)劃，并完成檢測任務(wù)使得檢測結(jié)果更加高效合理。

綜上所述，通過采用修改基礎(chǔ)數(shù)據(jù)解決斷鏈現(xiàn)象、調(diào)整相機(jī)參數(shù)、調(diào)整檢測公式、核對(duì) GYK 定位，修改檢測軟件等措施，使得在濟(jì)南鐵路局兗石線(兗州—石臼所) 白家店—兗州區(qū)間內(nèi)斷鏈處圖像歸檔正確率達(dá)到 90%，弓網(wǎng)參數(shù)定位準(zhǔn)確率達(dá)到 100%，調(diào)整相機(jī)對(duì)焦點(diǎn)綜合囊括拍攝范圍改善了因接觸網(wǎng)線索相對(duì)鋼軌位移造成的圖像模糊現(xiàn)象；在京九鐵路上、下行臨清—曹縣間的 27 萬張檢測圖像中，可以用于人工分析的圖像 269 735 張，占總數(shù)的 99.9%，符合檢測規(guī)定值。在京九鐵路上進(jìn)行了 554 km 的上、下行正線 4C 檢測任務(wù)，共完成 9 188 跨接觸網(wǎng)支柱的高清成像拍攝和接觸網(wǎng)靜態(tài)測量，采集 4C 高清圖像241G。4C 檢測車分為 2 天運(yùn)行 11 h 進(jìn)行檢測，在降低對(duì)鐵路運(yùn)輸影響的同時(shí)，保證了檢測任務(wù)的順利完成。

3 結(jié)束語

隨著普速電氣化鐵路推廣“科技保安全”步伐的加快，科技檢測設(shè)備在普速電氣化鐵路接觸網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)中的作用日益明顯。為高速鐵路量身打造的接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)檢測車在改進(jìn)調(diào)整之后，運(yùn)用實(shí)踐表明，檢測得到的各項(xiàng)參數(shù)均符合接觸網(wǎng)懸掛檢測監(jiān)測分析的要求，也能更好地應(yīng)用于普速電氣化鐵路。在今后持續(xù)的應(yīng)用過程中，應(yīng)根據(jù)普速電氣化鐵路接觸網(wǎng)設(shè)備的差異，對(duì)普速電氣化鐵路接觸網(wǎng)設(shè)備建立“一桿一檔”的模版，逐步實(shí)現(xiàn)智能缺陷的 OCR 識(shí)別，釋放人力物力，提高牽引供電質(zhì)量，為鐵路列車的安全運(yùn)行保駕護(hù)航。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉仕兵.接觸網(wǎng)[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2013.

[2]陳建明.高速鐵路接觸網(wǎng)技術(shù)研究及應(yīng)用[D].長沙：中南大學(xué)，2004.

[3]于萬聚.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.

[4]董昭德，李 嵐.接觸網(wǎng)工程與設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，2014.

[5]王華偉.鐵路運(yùn)輸設(shè)備技術(shù)狀態(tài)大數(shù)據(jù)平臺(tái)架構(gòu)研究[J].鐵道運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)，2017，39(8)：59-65.WANG Hua-wei.Study on Big Data Platform Framework for Technical Status of Railway Transport Equipment[J].Railway Transport and Economy，2017，39(8)：59-65.

[6]周 平.鐵道概論[M].北京：中國鐵道出版社，2009.

[7]周志輝，閆云霞.GYK 型軌道車運(yùn)行控制設(shè)備的應(yīng)用[J].鐵道通信信號(hào)，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 強(qiáng)，胡建平.一種基于小波多尺度邊緣分析的散焦測距方法[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，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.