賴文燁

（福州地鐵集團(tuán)有限公司，福建福州 350004）

0 引言

接觸網(wǎng)通過在列車行駛路線周邊架設(shè)特殊的輸電線路為機(jī)車提供電能供應(yīng)[1]，是城市軌道交通正常運營的重要條件和保證，其性能更是直接決定了機(jī)車弓網(wǎng)受流質(zhì)量[2]。為保障牽引供電系統(tǒng)有序運行，保障乘客人身財產(chǎn)安全，在提升優(yōu)化接觸網(wǎng)設(shè)備的同時，增加對接觸網(wǎng)狀態(tài)檢測，并制定科學(xué)合理的檢修維護(hù)流程至關(guān)重要[3]。目前我國城市軌道交通發(fā)展受到諸多因素的影響，每個城市在接觸網(wǎng)系統(tǒng)的選取上也有所不同，需要更為全面、系統(tǒng)、科學(xué)的接觸網(wǎng)參數(shù)檢測與分析，為現(xiàn)場檢修工作提供真實有力的客觀依據(jù)[4]。

1 接觸網(wǎng)檢測參數(shù)概況

接觸網(wǎng)承載著機(jī)車運行需要的電能，接觸網(wǎng)性能以及弓網(wǎng)耦合性能是決定機(jī)車接受電能質(zhì)量的關(guān)鍵[5]。優(yōu)化接觸網(wǎng)檢修內(nèi)容，需要對接觸網(wǎng)狀態(tài)檢測內(nèi)容進(jìn)行科學(xué)設(shè)定，包括檢測接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)元器件、弓網(wǎng)耦合過程，涉及多項機(jī)械、電氣指標(biāo)。通過科學(xué)分析評判，為牽引供電系統(tǒng)運營質(zhì)量提供可靠指標(biāo)參數(shù)[6]。接觸網(wǎng)多項動靜特性檢測通常包括接觸線距離軌面的高度及其變化曲線、受電弓運行軌跡、接觸壓力變動情況、接觸網(wǎng)彈性性能、最大振幅、離線頻次、燃弧持續(xù)時間、振動沖擊數(shù)值等。

由于機(jī)車運行過程中，機(jī)車行駛速度、客運容量、弓網(wǎng)狀態(tài)實時發(fā)生改變，因此，需要增加對接觸網(wǎng)狀態(tài)參數(shù)的檢測，包括接觸線的偏移量和拉出值、高度差值、水平差值、斜率、磨耗指標(biāo)、硬點檢測、溫度變化、電壓降低值等參數(shù)。

2 接觸網(wǎng)檢測技術(shù)

近年來，應(yīng)用較為廣泛的接觸網(wǎng)檢測技術(shù)包括靜態(tài)檢測、接觸式檢測、非接觸式檢測及地鐵網(wǎng)軌檢測車動態(tài)測量[7]。

2.1 靜態(tài)檢測

靜態(tài)檢測是指通過測量接觸懸掛各個部位的靜態(tài)尺寸，判斷接觸網(wǎng)實際參數(shù)與設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)之間的差距。通常在線路停運時，由檢修人員攜帶特定檢測裝置對接觸網(wǎng)的接觸線高度、抬升值、之字值等靜態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行測量收集。靜態(tài)測量能夠在機(jī)車運行之初確保接觸網(wǎng)的技術(shù)參數(shù)要求，從源頭杜絕事故風(fēng)險，是日常運維工作的一項常規(guī)任務(wù)，也是降低事故發(fā)生概率的有效手段。

機(jī)車運行導(dǎo)致接觸網(wǎng)與受電弓的性能隨之發(fā)生改變，從而限制了靜態(tài)檢測的應(yīng)用范圍，但是靜態(tài)測量的檢測數(shù)據(jù)能夠真實反映接觸網(wǎng)的幾何尺寸等數(shù)據(jù)，為接觸網(wǎng)進(jìn)行動態(tài)測量提供參考。

2.2 接觸式檢測

圖1 接觸式檢測技術(shù)工作原理

接觸式檢測方式工作原理如圖?1?所示。在受電弓的4?個測角分別安裝結(jié)構(gòu)、性能、靈敏度、誤差和線性度相同或者接近的檢測裝置。受電弓與接觸網(wǎng)接觸完成受流的過程中，作用在距離受電弓中點?a?位置，使受電弓與接觸線受到彼此壓力的相互作用，產(chǎn)生相應(yīng)的形變，對應(yīng)得到弓網(wǎng)接觸力f1和f2，4?個檢測裝置通過檢測形變量計算出拉出值L。

接觸式檢測方式設(shè)計原理簡單，可以實現(xiàn)全天候檢測，但對檢測設(shè)備及安裝過程要求較高，同時對后期維護(hù)提出更高要求，從而影響測量精度與應(yīng)用范圍。

2.3 非接觸式檢測

非接觸式檢測方式依托現(xiàn)代科技技術(shù)，特別是計算機(jī)與傳感技術(shù)的發(fā)展，從最開始的非接觸式激光雷達(dá)掃描測量法，慢慢發(fā)展為超聲波檢測，又到現(xiàn)在的非接觸式圖像測量法，其應(yīng)用前景十分樂觀。

2.3.1 非接觸式激光雷達(dá)掃描測量法

非接觸式激光雷達(dá)掃描法利用激光反射原理（圖2），首先在機(jī)車頂部安裝雷達(dá)激光發(fā)射裝置，發(fā)出連續(xù)、穩(wěn)定的激光雷達(dá)射線，保證檢測運行的全過程。激光雷達(dá)射線沿著直線傳播，在傳播過程中遇到障礙物（即接觸線）時，由于反射原理，反射回來的激光雷達(dá)射線被安裝在機(jī)車頂部的裝置接收后，經(jīng)計算機(jī)處理為相應(yīng)的數(shù)字信息，將此信息與激光雷達(dá)射線的運行速度、信號間隔等信息進(jìn)行計算，得出導(dǎo)高和拉出值等參數(shù)信息。

圖2 激光雷達(dá)掃描工作原理

非接觸式激光雷達(dá)掃描法速度快、穿透能力強(qiáng)，延伸了測量距離；計算機(jī)將信息進(jìn)行計算處理，結(jié)果精確、速度快。但是在機(jī)車運行過程中，周圍分布著不斷變化的電磁環(huán)境，激光雷達(dá)射線在傳輸過程中受到干擾，使測量精度下降。

2.3.2 超聲波檢測法

超聲波檢測與非接觸式激光雷達(dá)檢測原理類似，不同之處在于檢測介質(zhì)由激光雷達(dá)轉(zhuǎn)變?yōu)槌暡?。超聲波避免了周圍電磁環(huán)境的影響，并且可以實現(xiàn)在固體介質(zhì)中的傳導(dǎo)，對于檢測接觸線之間的縫隙、線夾松動等問題可以得到較好利用；同時可以實現(xiàn)對絕緣損壞的檢測，對于微小變化能夠分辨，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備運行中存在的隱患，減小機(jī)車運行中存在的風(fēng)險。

超聲波檢測目前成本較高，單一使用測量范圍較小，需與其他檢測裝置配合，這不僅增加了超聲波檢測的使用成本，也造成了設(shè)備后期維護(hù)的不便，導(dǎo)致超聲波檢測目前尚未得到廣泛應(yīng)用[8]。

2.3.3 非接觸式圖像測量法

基于圖像處理與計算機(jī)技術(shù)的非接觸式圖像測量法近年來得到越來越多的應(yīng)用。該技術(shù)通過在機(jī)車頂部安裝高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)對檢測對象進(jìn)行圖像信息收集，利用拍攝光線條得到接觸線的位置，將信號傳輸?shù)接嬎銠C(jī)，通過計算機(jī)處理，得到接觸線的高度和偏移參數(shù)。利用線性結(jié)構(gòu)光三維視覺原理，可以得到形象直觀、直接準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)參數(shù)及設(shè)備狀態(tài)。

非接觸式圖像測量法與紅外線技術(shù)結(jié)合，可實現(xiàn)全天候全過程對接觸線的檢測，其攝像檢測效果如圖?3?所示。在應(yīng)用成本上，非接觸式圖像測量法通過對圖像信息收集、圖像處理與分析計算得到多項檢測數(shù)據(jù)，可以替代傳統(tǒng)檢修裝置，減少檢測裝備數(shù)量，降低檢測成本，簡化后期運維難度。同時，采集與計算過程相對獨立，提高了計算速度與精度。近年來，計算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，使該檢測方式應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。

圖3 紅外線攝像檢測效果

2.4 地鐵網(wǎng)軌檢測車動態(tài)測量

由于地鐵的運行與行駛狀態(tài)實時變化，因此需要加強(qiáng)動態(tài)測量數(shù)據(jù)的采集。網(wǎng)軌檢測車一般采用非接觸式光學(xué)采集原理，利用線陣攝像機(jī)三角形測量技術(shù)來實現(xiàn)。通過檢測受電弓滑板和接觸線之間的動態(tài)接觸力及其分布情況，精確測量、定量分析接觸網(wǎng)和受電弓的運行狀況，保障系統(tǒng)安全可靠運行。

網(wǎng)軌檢測車經(jīng)常在接觸網(wǎng)帶電情況下對各項檢測參數(shù)進(jìn)行測量[9]，保證列車在正常行駛時對接觸網(wǎng)的動態(tài)檢測測量，同時滿足精度要求。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，檢測車成為柔性接觸網(wǎng)動態(tài)檢測的重要方式，對列車正常取流和事故預(yù)防起著舉足輕重的作用。

3 接觸網(wǎng)檢測技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用

接觸網(wǎng)檢測技術(shù)為適應(yīng)新的應(yīng)用環(huán)境，在技術(shù)層面上不斷取得進(jìn)步，在實際應(yīng)用中也出現(xiàn)不同的類別。為滿足接觸網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展，需要不斷提升接觸網(wǎng)檢測技術(shù)。

3.1 針對接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測

接觸網(wǎng)幾何參數(shù)通常是指接觸網(wǎng)導(dǎo)線高度拉出值以及錨段關(guān)節(jié)兩線間距等。我國最早的地鐵接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測采用物理接觸的計算方式，通過受電弓上輸出的開關(guān)信號，帶入計算公式，計算拉出值。測量接觸線動態(tài)導(dǎo)高時，在受電弓上安裝反射板，利用電客車頂部的測距激光傳感器，測量受電弓與電客車頂部的距離，計算出接觸網(wǎng)幾何參數(shù)。

我國廣州地鐵?1?號線采用接觸式檢測方式（圖4），該檢測方式存在原理上的缺陷：①物理接觸使得接近開關(guān)的可靠性較差，容易損壞，精度不高；②實際運行中，導(dǎo)高檢測受到較大的噪聲干擾，影響了測量精度，因此有一定的局限性。

圖4 接觸式接觸網(wǎng)檢測方式

為克服上述檢測方法存在的問題，我國蘇州地鐵、西安地鐵及上海地鐵的接觸網(wǎng)檢測采用激光雷達(dá)掃描法。該方式利用二維平面測量手段，解決了錨段關(guān)節(jié)及線岔等關(guān)鍵區(qū)域的幾何參數(shù)測量問題，但由于技術(shù)水平有限，測量精度未達(dá)到要求，并未實現(xiàn)廣泛應(yīng)用。

廣州地鐵?2?號線剛性接觸網(wǎng)測量使用基于計算機(jī)視覺的接觸網(wǎng)檢測方式，經(jīng)過試驗，檢測精度得到明顯提高，但受技術(shù)水平的約束，檢測范圍受限，因此在地鐵柔性接觸網(wǎng)檢測中應(yīng)用較少。

基于線陣相機(jī)的計算機(jī)視覺檢測方式克服了接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測密度小的缺陷，應(yīng)用于德國、意大利以及我國上海地鐵等接觸網(wǎng)的檢測中。如圖?5?所示，該方法采用?2?臺線陣相機(jī)，每臺相機(jī)分別獲取接觸網(wǎng)位置狀態(tài)，并以灰度值形態(tài)呈現(xiàn)；借助圖像識別、分析、處理等技術(shù)，將相機(jī)獲取的灰度值還原為目標(biāo)成像所對應(yīng)的位置坐標(biāo)；通過三角測量法，計算接觸網(wǎng)幾何參數(shù)，實現(xiàn)接觸網(wǎng)幾何參數(shù)的高精度檢測。線陣相機(jī)的掃描頻率可達(dá)上千幀，并且不受測量范圍的限制。重慶地鐵檢修方式在此基礎(chǔ)上利用計算機(jī)視覺原理，識別走行軌的特征，實時判斷車體的振動狀態(tài)，進(jìn)行車體振動補償，消除機(jī)車在行駛過程中振動造成的影響。將接觸網(wǎng)幾何參數(shù)歸算到走行軌中心，大大降低了由于車體振動所造成的接觸網(wǎng)幾何參數(shù)的隨機(jī)性，通過實踐表明，此方法效果明顯，應(yīng)用前景良好。

圖5 基于線陣相機(jī)的接觸網(wǎng)檢測方式

3.2 針對弓網(wǎng)相互作用動態(tài)參數(shù)檢測

弓網(wǎng)受流質(zhì)量是弓網(wǎng)運行狀態(tài)與性能優(yōu)劣的客觀反映，檢測弓網(wǎng)相互作用動態(tài)參數(shù)、探究弓網(wǎng)動態(tài)受流性能是弓網(wǎng)檢測的重要內(nèi)容。在弓網(wǎng)動態(tài)受流性能檢測中，接觸網(wǎng)檢測車得到了廣泛應(yīng)用。接觸網(wǎng)檢測車可以較好地模擬客車實際運行效果，檢測實際運行狀態(tài)下的弓網(wǎng)接觸壓力、弓網(wǎng)燃弧特性，通過對動態(tài)參數(shù)進(jìn)行科學(xué)分析，可以得到較為準(zhǔn)確的弓網(wǎng)受流質(zhì)量參數(shù)，但是檢測過程中檢測車型號、行駛速度、運行方式較為單一，檢測結(jié)果只能較為準(zhǔn)確地反映弓網(wǎng)受流質(zhì)量的部分特性，存在片面性。該檢測技術(shù)在德國、日本等國家應(yīng)用較多，我國由于受到諸多因素的影響，國內(nèi)地鐵檢測中并未配備專門電客車形式的綜合檢測車。近年來，日本以及廣州地鐵?3?號線運營電客車通過非接觸的檢測方式檢測弓網(wǎng)燃弧狀態(tài)，從而評價弓網(wǎng)受流質(zhì)量，從根本上反映弓網(wǎng)的動態(tài)關(guān)系，為更好地評價弓網(wǎng)受流質(zhì)量提供更為客觀的參數(shù)。

地鐵接觸網(wǎng)檢測需要將接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測和弓網(wǎng)相互作用動態(tài)參數(shù)檢測有機(jī)融合，將科學(xué)運行狀態(tài)、運行信息與檢測車檢測數(shù)據(jù)結(jié)合，打造接觸網(wǎng)檢測車與電客車的一體化聯(lián)合檢測平臺，提升弓網(wǎng)相互作用動態(tài)參數(shù)檢測的系統(tǒng)性與準(zhǔn)確性，提高接觸網(wǎng)維修的質(zhì)量和精準(zhǔn)度，確保弓網(wǎng)系統(tǒng)的安全服役性能，為檢修工作提供強(qiáng)有力的支撐。

4 接觸網(wǎng)檢測方式新要求

當(dāng)前，城市軌道交通進(jìn)入高速發(fā)展階段，接觸網(wǎng)技術(shù)在設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)工藝上趨于成熟。接觸網(wǎng)檢測為更好地適應(yīng)復(fù)雜多變的運行條件，兼顧接觸網(wǎng)靜態(tài)特性與動態(tài)參數(shù)的檢測，提出接觸網(wǎng)檢測技術(shù)的新要求：

（1）不斷實現(xiàn)檢測裝置的優(yōu)化、檢測技術(shù)的更新、檢測方式的提升，使檢測結(jié)果更加全面、準(zhǔn)確，更加符合需求；

（2）將傳統(tǒng)檢測技術(shù)與實際運行信息進(jìn)行轉(zhuǎn)變、融合，建立一套融合檢測數(shù)據(jù)與運行信息相互支撐的，包含接觸網(wǎng)幾何參數(shù)和弓網(wǎng)相互作用動態(tài)參數(shù)的檢測檢修體系；

（3）統(tǒng)籌電客車與接觸網(wǎng)檢測車運行數(shù)據(jù)，實現(xiàn)資源有效利用，形成一種全面、精確、系統(tǒng)、科學(xué)、高效的新檢修方式。

5 結(jié)束語

通過對接觸網(wǎng)檢測技術(shù)進(jìn)行闡述，分析不同檢測方式的特點，并依據(jù)接觸網(wǎng)檢測新要求，闡述轉(zhuǎn)變接觸網(wǎng)檢測方式的必要性和可行性，為接觸網(wǎng)的檢測檢修提供一種新思路，為接觸網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行提供有力支撐。