0 引言

截至2017年底，全國鐵路營業(yè)里程已達12.7萬公里，其中高速鐵路2.5萬公里。然而隨著電氣化鐵路的發(fā)展和不斷提速，接觸網(wǎng)故障呈逐年上升的趨勢。接觸網(wǎng)工況直接影響弓網(wǎng)授流水平，接觸網(wǎng)的安全運行是影響電氣化鐵路發(fā)展及安全運營的重要因素。定期對接觸網(wǎng)參數(shù)進行高精度檢測，對保障接觸網(wǎng)系統(tǒng)的安全具有重要意義。

1 接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測裝置發(fā)展現(xiàn)狀

接觸網(wǎng)幾何參數(shù)的檢測技術(shù)發(fā)展至今已有60多年的歷史，在不斷的實踐過程中，研發(fā)了一系列接觸網(wǎng)參數(shù)檢測設(shè)備。按照測量模式劃分，國內(nèi)接觸網(wǎng)參數(shù)檢測裝置可以分為便攜式、手推車式以及車載式。便攜式測量裝置主要是接觸網(wǎng)激光測量儀，一般可用于接觸網(wǎng)中某些特定點的橫向參數(shù)與垂向參數(shù)的測量。手推車式光學(xué)測量系統(tǒng)屬于接觸網(wǎng)非接觸式檢測裝置，通過安裝在手推車上的檢測裝置可實現(xiàn)對接觸網(wǎng)空間位置幾何參數(shù)的連續(xù)測量。接觸網(wǎng)地面巡檢自動跟蹤檢測小車為T形結(jié)構(gòu)，輕便耐用，穩(wěn)定性好，在軌道上推行平穩(wěn)，相對于手推車式檢測裝置實現(xiàn)了自動化，可用于工作人員巡檢。車載式檢測裝置架設(shè)在專用的檢測車上，不需要人工攜帶，可對接觸網(wǎng)空間位置幾何參數(shù)進行更高精度的檢測與測量。接觸網(wǎng)靜態(tài)空間幾何參數(shù)的檢測主要通過便攜式測量裝置與手推車式測量裝置來實現(xiàn)；車載檢測裝置則可在車輛運行過程中對接觸網(wǎng)的動態(tài)參數(shù)進行測量，并配合修正參數(shù)對動態(tài)測量數(shù)據(jù)進行修正[1～4]。

國外非接觸式檢測系統(tǒng)原理主要有2種[5]，一種是根據(jù)激光測距原理，利用線激光對接觸網(wǎng)進行激光掃描測量，通過掃描結(jié)果識別接觸線位置。另一種是利用機器視覺原理，通過CCD圖像傳感器對接觸線成像進行分析，從而計算出接觸線空間幾何位置。目前，利用光電技術(shù)和2D、3D圖像分析技術(shù)，研究高速鐵路接觸網(wǎng)新型檢測方法是國內(nèi)外接觸網(wǎng)檢測技術(shù)的研究及發(fā)展方向[6～10]。

隨著新建電氣化鐵路運營里程的不斷增加，尤其是高鐵、客專線路的不斷開通，供電設(shè)備數(shù)量成倍增長，需要廣泛應(yīng)用先進的科學(xué)技術(shù)來保障高鐵的安全運營，防范事故于未然。為此，針對高鐵沿線容易發(fā)生弓網(wǎng)故障的重點部位，武漢局武漢供電段采用了集激光測距采集與數(shù)據(jù)分析于一體的JJC-4B型接觸網(wǎng)非接觸式檢測裝置。該裝置緊密結(jié)合鐵路運輸業(yè)務(wù)需求，綜合吸收了國內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品的優(yōu)點，采用全嵌入式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、功能強大、安裝方便。本文將對該檢測裝置的構(gòu)成、原理、主要設(shè)備及試驗數(shù)據(jù)等進行詳細介紹。

2 非接觸式檢測裝置總體構(gòu)成

JJC-4B型接觸網(wǎng)非接觸式檢測裝置主要由激光雷達、工業(yè)數(shù)字攝像機、探照燈、檢測計算機、補償測量裝置、監(jiān)控裝置通信系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等組成，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 非接觸式檢測裝置總體結(jié)構(gòu)

激光雷達、工業(yè)數(shù)字攝像機以及探照燈安裝于車頂。激光雷達對接觸線位置進行激光掃描，掃描數(shù)據(jù)通過通信總線傳輸至檢測計算機進行分析處理，計算出接觸線的幾何位置參數(shù)；工業(yè)數(shù)字攝像機可實時拍攝接觸網(wǎng)檢測時的畫面，所拍攝的視頻、圖像信息通過千兆以太網(wǎng)傳輸至檢測計算機，計算機將接觸網(wǎng)圖像、檢測結(jié)果、位置信息以數(shù)值和曲線的形式進行疊加后，以DVD格式保存于計算機硬盤，并在顯示器上顯示；探照燈可為夜間或隧道內(nèi)接觸網(wǎng)巡檢提供照明，為車頂安裝的工業(yè)數(shù)字攝像機提供良好的光線環(huán)境與視覺捕捉，提升攝像機畫面中圖像的清晰度與可視性。

安裝在接觸網(wǎng)檢測車底部的車體振動補償測量系統(tǒng)，可以在車輛運行過程中對車體相對于鋼軌的位移量進行測量。激光雷達所測量的接觸線位置參數(shù)是相對于車體的測量值，需要通過車體振動補償裝置測量車體相對于鋼軌的位移量，并采用相應(yīng)的補償算法，計算出接觸線相對于鋼軌平面的靜態(tài)測量結(jié)果，為接觸網(wǎng)設(shè)備檢修提供準確有效的靜態(tài)參數(shù)。

速度、里程等檢測信息由機車監(jiān)測裝置（隔離輸出）給出，通過通信總線傳輸至檢測計算機，檢測結(jié)果信息同步保存在計算機硬盤上，可利用數(shù)據(jù)處理程序?qū)z測結(jié)果進行分析。

系統(tǒng)使用時，由工業(yè)用攝像機、LMS激光雷達掃描裝置與探照燈進行接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測，完成速度、里程監(jiān)測參數(shù)的準確記錄，由車體振動補償裝置依據(jù)修正參數(shù)對所測量的接觸網(wǎng)幾何參數(shù)進行修正，數(shù)據(jù)測量裝置所采集的數(shù)據(jù)通過前置機進行轉(zhuǎn)換與收集，然后傳輸至主機進行數(shù)據(jù)處理。

3 主要設(shè)備

接觸網(wǎng)非接觸式檢測裝置主要設(shè)備包括激光測距系統(tǒng)、視頻處理系統(tǒng)及車體振動補償裝置。

3.1 激光測距系統(tǒng)

激光測距系統(tǒng)選用德國SICK公司生產(chǎn)的LMS511激光掃描雷達，如圖2所示。

圖2 激光掃描雷達

激光雷達（LMS）檢測原理如圖3所示，其利用旋轉(zhuǎn)電機帶動激光頭100°旋轉(zhuǎn)掃描，激光發(fā)射線路上遇到遮擋物則反射信號，激光接收裝置根據(jù)發(fā)射與接收的時間差測算距離，遮擋物可能是接觸網(wǎng)、立柱、隧道壁等，檢測系統(tǒng)通過識別算法識別出屬于接觸線的掃描結(jié)果。

圖3 激光測距系統(tǒng)檢測原理

根據(jù)掃描結(jié)果，接觸線距LMS距離為l，角度為a，LMS511基準面與鋼軌平面的距離為h0，則所測拉出值a=lcosa，接觸線高度h=h0+lsina。在錨段關(guān)節(jié)、線岔等采用雙支接觸線的位置，需分別計算2支接觸線各自的拉出值和接觸線高度，拉出值差的絕對值即為兩接觸線的平行間距。

通過使用激光掃描雷達測量接觸線的拉出值與導(dǎo)高的優(yōu)點是在受電弓上不安裝傳感器的情況下進行檢測，此時采用的模擬受電弓不會產(chǎn)生附加重量，以便更加真實地反映實際的弓網(wǎng)關(guān)系。

3.2 視頻處理系統(tǒng)

視頻處理系統(tǒng)的功能包括視頻監(jiān)控與視頻文件的保存與處理。視頻監(jiān)控的實現(xiàn)是通過安裝于車頂?shù)囊曨l攝像機將接觸網(wǎng)的實時視頻圖像傳送到數(shù)據(jù)處理計算機，并將檢測到的檢測結(jié)果和檢測位置信息以數(shù)值和曲線方式顯示。

視頻處理系統(tǒng)硬件采用工業(yè)用數(shù)字攝像機，保證了列車高速運行過程中圖像清晰，無拖尾現(xiàn)象。視頻信號處理主要是為視頻圖像疊加字幕并對采集的視頻圖像資料進行實時存儲。字幕疊加通過MT60字幕疊加卡提供的DLL庫函數(shù)實現(xiàn)。在取得視頻文件疊加映射的內(nèi)存地址后，對內(nèi)存地址區(qū)域進行字幕疊加操作即可實現(xiàn)該功能，從而將接觸網(wǎng)檢測的實時數(shù)據(jù)結(jié)果以及位置信息等同步顯示在視頻圖像中。為了妥善處理攝像機拍攝的視頻圖像資料，需構(gòu)建一個從機程序進行視頻圖像資料的采集與存儲，從機程序?qū)⑴臄z的視頻圖像資料按預(yù)先設(shè)置進行命名保存，方便事后文件檢索。此外，從機程序可同時與主機進行通信，調(diào)用顯示接觸網(wǎng)參數(shù)檢測結(jié)果及實時動態(tài)參數(shù)曲線。

3.3 車體振動補償裝置

接觸線拉出值的檢測是接觸網(wǎng)參數(shù)檢測中的一個重要環(huán)節(jié)，采用非接觸式激光掃描雷達對接觸線拉出值進行檢測可以避免檢測裝置對弓網(wǎng)動態(tài)關(guān)系的影響，但是檢測裝置的參考系為行進過程中多個自由度上隨機振動的檢測車車體，因而檢測裝置的參考點也在不斷變化。為了使檢測車檢測的接觸網(wǎng)參數(shù)更加準確以便于接觸網(wǎng)檢修，需要將檢測數(shù)據(jù)修正為以軌道平面為參考系的參數(shù)，因此需要加裝補償檢測裝置對檢測數(shù)據(jù)的偏差進行補償。

接觸網(wǎng)檢測車在巡檢運行過程中會產(chǎn)生復(fù)雜的多自由度振動，一般僅考慮起決定作用的車體橫擺振動及側(cè)移振動。

接觸網(wǎng)檢測車車頂安裝的激光掃描雷達跟蹤接觸線并測量接觸線動態(tài)拉出值，同樣，車底安裝的激光掃描雷達可測量相對于軌道的位移，然后通過計算機進行數(shù)據(jù)處理，完成對接觸線動態(tài)拉出值的補償修正。

如圖4所示，激光掃描雷達構(gòu)建的車體振動補償裝置由2套LMS組成。2套LMS系統(tǒng)通過工裝分別安裝在靠近轉(zhuǎn)向架的車廂底部兩側(cè)，分別掃描左右兩側(cè)的鋼軌，并通過網(wǎng)線接口與計算機實現(xiàn)實時通信。

圖4 車體振動補償裝置安裝

整個車體振動補償裝置是接觸網(wǎng)參數(shù)檢測裝置的子系統(tǒng)，通過網(wǎng)線構(gòu)建的局域網(wǎng)實現(xiàn)子系統(tǒng)內(nèi)的通信。車底安裝的LMS系統(tǒng)掃描鋼軌，記錄相對于軌道的距離及角度，并及時將采集的補償數(shù)據(jù)傳輸至計算機內(nèi)與車頂安裝的拉出值采集裝置采集的數(shù)據(jù)進行計算，得出準確的拉出值數(shù)據(jù)。

采用車體振動補償裝置可實現(xiàn)對由車體振動帶來的接觸網(wǎng)參數(shù)測量值的補償計算，從而有效減小檢測過程中由車體振動帶來的不利影響，提升了接觸網(wǎng)參數(shù)檢測的精度，為接觸網(wǎng)施工及狀態(tài)修提供了更有效的參數(shù)依據(jù)。

4 系統(tǒng)試驗與運行

4.1 激光雷達測距系統(tǒng)運行

LMS激光掃描雷達可對其周邊輪廓進行掃描，掃描過程為每隔一定角度的單點測量，該間隔角度就是LMS激光掃描雷達的角度分辨率。通常，激光掃描雷達的角度分辨率越高，LMS激光掃描雷達的測量就越精確。激光雷達通過發(fā)射激光束探測目標位置、速度等特征量，為探求合適的分辨率進行接觸網(wǎng)參數(shù)檢測，進行不同分辨率下的檢測試驗，并對不同分辨率下所檢測的數(shù)據(jù)進行分析。對雷達在0.25、0.333分辨率下的數(shù)據(jù)進行分析對比，如圖5（a）、（b）。在0.25分辨率下，3 000左右的數(shù)據(jù)為承力索數(shù)據(jù)，2 000左右的數(shù)據(jù)為導(dǎo)線數(shù)據(jù)。而激光掃描雷達裝置在0.333分辨率下進行第一次跑車時，在大拉出值情況下，經(jīng)常發(fā)生無導(dǎo)線數(shù)據(jù)的情況，如圖5（b）所示，經(jīng)過調(diào)試后，導(dǎo)線數(shù)據(jù)丟失的情況逐漸減少，在后續(xù)2次跑車時，測試數(shù)據(jù)與0.25分辨率下的數(shù)據(jù)較為接近。

試驗結(jié)果表明，LMS511激光雷達掃描裝置發(fā)射的激光會隨著距離的增加而使得光斑開始發(fā)散。光斑直徑也會隨著距離的增加而發(fā)生變化。當物體直徑小于激光光斑的直徑時，發(fā)射至被測物體的激光可能有部分能量丟失，而當從被測物體返回的激光能量不足時將無法檢測到物體。激光掃描雷達在不同分辨率下，導(dǎo)線相距雷達距離大約2 m時，返回數(shù)據(jù)每相差一個序列，其對拉出值將會產(chǎn)生影響。因此，當一個周期內(nèi)有多個導(dǎo)線數(shù)據(jù)返回時，選取哪一個或多個序列的值作為最終有效值還需要注意。

圖5 激光測距裝置試驗檢測數(shù)據(jù)

4.2 車體振動補償裝置

車體振動補償裝置分為左右補償2部分，如圖6所示。安裝補償裝置后，為了對接觸網(wǎng)參數(shù)檢測裝置的整體性能進行測試，在合武客專麻城北—紅安西區(qū)間上行選擇一段線路進行往返測試，對比分析往返測試數(shù)據(jù)，對裝置的檢測性能進行分析。測試數(shù)據(jù)曲線如圖7所示，直觀地表現(xiàn)出檢測裝置在該段線路進行檢測試驗的數(shù)據(jù)精準度。

圖6 車體振動補償裝置

圖7 試驗段拉出值數(shù)據(jù)曲線

4.3 基礎(chǔ)運行數(shù)據(jù)

在完成對接觸網(wǎng)非接觸式參數(shù)檢測裝置的試驗檢測后，在橫店東—漢口區(qū)間開展了多次接觸網(wǎng)參數(shù)的檢測，截取單次接觸網(wǎng)檢測報表并繪制成曲線圖，如圖8、圖9所示。

根據(jù)運行數(shù)據(jù)可以清晰地了解電氣化鐵路接觸網(wǎng)的參數(shù)信息和輔助位置及其他信息，并且各項檢測指標（導(dǎo)高、拉出值等）誤差均在控制范圍內(nèi)，折線圖則可更直觀地看出接觸網(wǎng)的“之”字形分布情況。系統(tǒng)軟件根據(jù)檢測數(shù)據(jù)與檢測標準進行對照計算，超出誤差允許范圍則在生成報表中進行重點提示、警告。該裝置使用人員能夠直觀、便捷地根據(jù)檢測系統(tǒng)所提供的參數(shù)檢查所測接觸網(wǎng)的工作狀態(tài)，并及時根據(jù)提供的準確位置信息安排檢修時間，對存在缺陷的部位進行維護。

圖8 接觸網(wǎng)檢測數(shù)據(jù)表截圖

圖9 接觸網(wǎng)檢測曲線

5 結(jié)語

目前，國外用于非接觸式接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測的激光雷達設(shè)備大多為360°旋轉(zhuǎn)掃描，其激光頭旋轉(zhuǎn)頻率約為30 Hz。該類系統(tǒng)常用于對軌道、隧道等進行輪廓檢測，造價昂貴，也不適合安裝于運行速度為120 km/h的列車上。

本文所述非接觸式接觸網(wǎng)參數(shù)檢測裝置采用100°旋轉(zhuǎn)掃描方式，安裝于車頂，提高了對扇形區(qū)域內(nèi)接觸網(wǎng)的檢測速度，可安裝于時速120 km的列車上；與傳統(tǒng)拉線等補償方式相比，該裝置采用激光測量車體振動與軌道超高數(shù)據(jù)，提高了補償精度；數(shù)字攝像與激光測量實現(xiàn)了數(shù)字化與可視圖像的有機結(jié)合，具備數(shù)據(jù)異常報警、分析等功能。

運行結(jié)果表明，該裝置在運行中對接觸網(wǎng)不產(chǎn)生磨損，不影響檢測對象的正常運行，系統(tǒng)功能完善、運行安全、操作方便、實用性強、檢測精度高，可廣泛適用于接觸網(wǎng)作業(yè)車。該裝置的使用將極大提升接觸網(wǎng)的檢測、維修水平，減輕勞動強度，提高工作效率，并為接觸網(wǎng)維修提供科學(xué)的現(xiàn)代化管理平臺，具有較高的推廣價值。

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