茹振華 孫剛 黃佳源 趙必武

1.中國鐵路青藏集團(tuán)有限公司拉薩基礎(chǔ)設(shè)施段，西藏拉薩 850000；

2.中國鐵路沈陽局集團(tuán)公司工電檢測所，遼寧沈陽 110000；

3.綿陽師范學(xué)院機電工程學(xué)院，四川綿陽 621000；

4.四川信達(dá)軌道交通設(shè)備有限責(zé)任公司，四川綿陽 621000

0 前言

自“十三五”以來，中國高速鐵路迅猛發(fā)展，鐵路建設(shè)成果顯著。預(yù)計到2025年，全國高速鐵路里程將達(dá)到4萬公里左右，覆蓋超過150個大型城市。高速鐵路接觸網(wǎng)是順鐵路線相對固定位置上空架設(shè)的輸電線路，電力牽引機車通過受電弓從接觸網(wǎng)取電[1]。其由導(dǎo)線、鋼索牽引裝置、定點裝置、支柱基礎(chǔ)設(shè)施幾部分組成，是高速鐵路的重要組成部分。接觸網(wǎng)受工作時長、工作環(huán)境等多種因素影響，對其標(biāo)準(zhǔn)要求較高，如：在高速運行、高溫、極寒、雨雪、大風(fēng)條件下，能保證接觸網(wǎng)張力正和弧垂正常，要求接觸網(wǎng)在線路設(shè)計結(jié)構(gòu)上具有穩(wěn)定性和較長的使用壽命。整體設(shè)計合理，有足夠的耐磨性，便于維護(hù)。如有事故發(fā)生，有利于快速搶修，迅速恢復(fù)電力機車供電。在這種情況下，導(dǎo)線的張力以及相對位置就變得十分重要。導(dǎo)線的張力過大會降低導(dǎo)線的使用壽命，甚至斷裂；張力過小會造成弧垂的加大，使線間安全距離變短，易發(fā)生打火等事故。當(dāng)前，我國接觸網(wǎng)的檢測方法主要采用人工巡檢、大型巡檢車巡檢的辦法，此種方法存在運行成本高、干擾鐵路調(diào)度、危險系數(shù)大、實時性差、工作量大等問題。

高速鐵路接觸網(wǎng)智能巡檢系統(tǒng)是一種的多功能、多用途、一體化測量接觸網(wǎng)參數(shù)的最新產(chǎn)品。設(shè)備采用便捷、可視化設(shè)計，可在軌道上推行行走，實現(xiàn)自動尋線功能。設(shè)備的使用能有效降低鐵路巡檢人員勞動強度，提升了測量穩(wěn)定性及工作效率。設(shè)備有效改進(jìn)了現(xiàn)有大型接觸網(wǎng)檢測車占用行車區(qū)間，影響鐵路調(diào)度運行圖等缺點[2]。該產(chǎn)品運用前沿技術(shù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，保證數(shù)據(jù)的實時性[3]。產(chǎn)品二維激光裝置采用了激光無損測量技術(shù)，實現(xiàn)對接觸網(wǎng)幾何參數(shù)的實時測量，接觸網(wǎng)懸掛的巡視檢測。相比于傳統(tǒng)接觸網(wǎng)檢測維護(hù)設(shè)備，不論白天或夜晚，系統(tǒng)能夠?qū)佑|網(wǎng)幾何參數(shù)進(jìn)行無損非接觸測量，對接觸網(wǎng)懸掛進(jìn)行巡視檢測，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析管理及遠(yuǎn)程傳輸。系統(tǒng)使用過程中運行穩(wěn)定，測量數(shù)據(jù)可靠，拆卸方便。

1 設(shè)備系統(tǒng)主體設(shè)計

1.1 設(shè)備功能

設(shè)備主體主要分為3部分：推行結(jié)構(gòu)以及精測平板、導(dǎo)尺支架以及精測激光、雷達(dá)及支撐調(diào)節(jié)裝置。設(shè)備整體寬度1,500 mm，高度800 mm，桿高度1,200 mm。采用折疊設(shè)計，全鋁合金材質(zhì)，重量約為30 kg。設(shè)備輕巧便攜，簡單組裝后能夠快速進(jìn)行接觸網(wǎng)巡視檢測。設(shè)備初始狀態(tài)如圖1所示。整體布局后如圖2所示。

推行結(jié)構(gòu)以及精測平板：主要負(fù)責(zé)整體設(shè)備的推動，以便在鐵軌上行進(jìn)。平板電腦設(shè)置在設(shè)備整體中心偏左的位置上，減少采集設(shè)備到處理設(shè)備的線纜距離，加快數(shù)據(jù)處理速度。推行結(jié)構(gòu)可以調(diào)節(jié)高度，適應(yīng)不同身高工作人員的作業(yè)，增加設(shè)備使用的舒適性，提高工作效率[4]。

導(dǎo)尺支架以及精測激光：主要負(fù)責(zé)設(shè)備在鐵軌上的移動以及精測主機的放置。通過實地測量與考察，因系統(tǒng)工作的精度需要，精測主機需放置于一個離地距離較低的地方，使精測主機的仰視角度達(dá)到一個合適的范圍，以方便精測主機能快速地檢測到導(dǎo)線以及鋼索牽引裝置的位置。

雷達(dá)及支撐調(diào)節(jié)裝置：主要負(fù)責(zé)支撐以及調(diào)節(jié)雷達(dá)位置。因激光傳感器選擇其掃描主機的主要工作角度在±25°，故需一個調(diào)整位置的桿放置雷達(dá)，使雷達(dá)可以正常工作，達(dá)到可檢測范圍最大化。

全景相機：包含一個可旋轉(zhuǎn)的鏡頭，攝像頭有360°的視場角，確?？梢垣@取鐵路周邊沿線的全景畫面。其獨創(chuàng)之處在于成像結(jié)合了現(xiàn)實數(shù)據(jù)和現(xiàn)實場景，該技術(shù)也多用于視頻場景應(yīng)用方面。使用者在使用過程或使用完成后，電腦可模擬成像，實現(xiàn)對線路狀態(tài)的全景成像，實現(xiàn)鐵路版街景效果。

1.2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

電源模塊基本分為12 V電源板、24/12 V電源板、3.3/1.8 V轉(zhuǎn)換電源板。12 V電源板主要負(fù)責(zé)核心板底板電機驅(qū)動的供電；24/12 V電源板主要負(fù)責(zé)雷達(dá)與主板的供電；3.3/1.8 V轉(zhuǎn)換電源板主要負(fù)責(zé)降壓之后給激光傳感器供電。

系統(tǒng)整體電路設(shè)計方案主要圍繞2個中心來設(shè)計，分別為核心板底板電機驅(qū)動和數(shù)據(jù)處理主機。激光傳感器通過激光電平轉(zhuǎn)接板（3.3至1.8轉(zhuǎn)換）串口接入核心板底板電機驅(qū)動。編碼器5 V正交脈沖、進(jìn)步電機、攝像頭直接接入核心板底板電機驅(qū)動。核心板電機驅(qū)動單片機雷達(dá)電路板采集數(shù)據(jù)（Led/里程/gps/溫濕度），數(shù)據(jù)通過電路板串口到五芯插頭處，供電通過12 V電源板轉(zhuǎn)換電池電壓供電。

觸摸屏電路板、屏幕控制板、雷達(dá)分別通過USB、HDMI、網(wǎng)線連接到數(shù)據(jù)處理主機，2個中心通過五芯插頭聯(lián)結(jié)，最終通過平板電腦顯示數(shù)據(jù)。電路板模塊連接設(shè)計圖如圖3所示。

1.3 核心主機處理模塊

基于Windows平板電腦中以QT為基礎(chǔ)的軟件系統(tǒng)為整個系統(tǒng)的中心，實現(xiàn)多種數(shù)據(jù)的處理，如：收集統(tǒng)計里程編碼器、二維激光掃描雷達(dá)傳回的數(shù)據(jù)、保證各模塊的平穩(wěn)運行。位移傳感器、傾角傳感器主要由它產(chǎn)生的控制量來控制。設(shè)備系統(tǒng)框圖如圖4所示。

1.4 精測激光+攝像頭模塊

精測激光+攝像頭模塊主要運用于定點精準(zhǔn)檢測。在需要較高精度數(shù)據(jù)時，云臺加攝像頭可以保證對目標(biāo)導(dǎo)線精準(zhǔn)定位，將現(xiàn)場實時圖像顯示到平板電腦上，得到相對位置數(shù)據(jù)，同時引導(dǎo)激光傳感器在電機帶動下轉(zhuǎn)向固定角度、固定位置進(jìn)行數(shù)據(jù)測量。此輔助模塊主要是為了實現(xiàn)對一些雷達(dá)模塊不能較好測量的特殊數(shù)據(jù)的采集，提高了設(shè)備采集數(shù)據(jù)的整體精度，且模塊采用二維激光裝置為激光無損測量技術(shù)，提高了接觸網(wǎng)維護(hù)人員的安全性。精測組成框圖如圖5所示。

1.5 雷達(dá)掃描模塊

雷達(dá)掃描模塊采用電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，由主機控制運動范圍及其角度，其工作角度范圍在-5°～185°，設(shè)置在離地約1 m的桿處，可以有效擴大工作掃描范圍，具有利用激光掃描雷達(dá)進(jìn)行實時連續(xù)非接觸測量，接觸線自動瞄準(zhǔn)測量的優(yōu)點。掃描幀率達(dá)到每秒1,000次左右，采用超限數(shù)據(jù)預(yù)警：對測量參數(shù)進(jìn)行實時分析，超限參數(shù)實時預(yù)警，便于及時消除安全隱患。還具有數(shù)據(jù)回放功能：對于測量數(shù)據(jù)，以曲線和數(shù)據(jù)表格2種方式進(jìn)行回放。其獲取的數(shù)據(jù)可以直接導(dǎo)出為XLS格式輸出，對于接觸網(wǎng)參數(shù)可以進(jìn)行連續(xù)測量，能夠?qū)佑|網(wǎng)拉出值、導(dǎo)高進(jìn)行連續(xù)非接觸測量。

2 實物調(diào)試

2.1主要指標(biāo)參數(shù)

智能巡檢系統(tǒng)基于目前電氣化鐵路的指標(biāo)要求而設(shè)計，其中主要包括適用范圍、最大功耗、測量精度、導(dǎo)高、拉出值、軌距以及外軌超高，鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)需對這些數(shù)值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化約束，本系統(tǒng)的測量范圍及精度具體如表1所示。

表1 系統(tǒng)主要指標(biāo)

2.2 掃描設(shè)備的調(diào)試

2.2.1 測量準(zhǔn)備

掃描設(shè)備為全自動測量，無硬件控制，直接進(jìn)行軟件操作即可。進(jìn)入軟件首頁，界面包括檢測曲線、檢測數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)設(shè)置、退出5個功能選項。啟動軟件后，首先確認(rèn)雷達(dá)的數(shù)據(jù)連接是否成功，連接“成功”雷達(dá)旁的燈會亮，“失敗”則灰暗，若未連接成功，重啟雷達(dá)軟件，點擊“檢測曲線”功能。測量界面如圖6所示。

制定《黃委施行最嚴(yán)格水資源管理制度實施方案》，進(jìn)一步明確落實最嚴(yán)格水資源管理制度所需的制度體系、指標(biāo)準(zhǔn)體系、執(zhí)行體系和技術(shù)支撐體系。

右上角“拉出值”和“導(dǎo)高”表示它們的實時數(shù)值；“公里標(biāo)”表示位置；“里程”表示推車行走距離；“側(cè)面限界”旁的數(shù)字框表示側(cè)面限界的自動測量數(shù)據(jù)；“桿號”表示支柱上的數(shù)字；“間隔”表示桿號增加/減少的幅度；“智能識別”表示自動識別或者選擇用遙控器控制桿號增減；“吊弦”旁的數(shù)字選項表示兩桿號之間的吊弦根數(shù)；“線1”、“線2”、“承1”分別表示左邊方框曲線圖線的顏色。

在線路簡單的路段上，選擇一個跨中位置，用精測設(shè)備測量一組導(dǎo)高和拉出值，然后點擊“開始測量”按鈕。

將在精測設(shè)備上測試的一組導(dǎo)高、拉出值數(shù)據(jù)填入相應(yīng)的數(shù)字框內(nèi)，點擊“標(biāo)定”按鈕，聽到設(shè)備語音提示“標(biāo)定成功”，則測量前的準(zhǔn)備完成，若無語音提示，則標(biāo)定失敗，重新標(biāo)定一次即可。初始設(shè)定完成后，點擊“開始測量”按鈕即可進(jìn)行測量，界面會實時顯示接觸線導(dǎo)高和拉出值、承力索的導(dǎo)高數(shù)據(jù)波形圖。在界面右上方顯示導(dǎo)高、拉出值、側(cè)面限界的具體測量值，以及設(shè)備測量里程和線路公里標(biāo)；界面右側(cè)中間顯示設(shè)備測量時所在的桿號位置并可手動添加桿號；界面右下方可進(jìn)行開始、停止的測量控制，參數(shù)播報可以對當(dāng)前測得的參數(shù)進(jìn)行聲音播放。

2.2.2 檢測數(shù)據(jù)

“檢測數(shù)據(jù)”選項顯示被測線路的相關(guān)信息和測量數(shù)據(jù)，在設(shè)備工作時會實時持續(xù)更新。界面右側(cè)上方是對測量數(shù)據(jù)的相關(guān)操作，可以篩選查看測量數(shù)據(jù)的部分值；未測量時右側(cè)下方“打開文件”可打開查看歷史記錄；點擊“打開文件”，彈出文件選擇框，選擇已測的時間點數(shù)據(jù)，會在此框下顯示數(shù)據(jù)，若在測試時打開此功能，會顯示此次測量的數(shù)據(jù)；若要生成表格文檔，則打開相應(yīng)的時間點數(shù)據(jù)后，點擊數(shù)據(jù)導(dǎo)出即可。

2.2.3 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

2.3 精測設(shè)備的調(diào)試

2.3.1 基本測量（導(dǎo)高、拉出值）

進(jìn)入巡視檢測界面后，單擊“基本測量”鍵進(jìn)入基本測量界面。通過調(diào)節(jié)按鈕或者點擊屏幕處導(dǎo)線位置使設(shè)備探頭瞄準(zhǔn)被測接觸線或定位點（白天觀察屏幕“十”字，夜間按“激光”鍵發(fā)長激光），按“測量”鍵進(jìn)行測量。測量完成后，結(jié)果會顯示在屏幕上。如不需再次測量，可按下其他測量項目按鈕進(jìn)入其他測量界面或退出基本測量界面[6]。

2.3.2 精測校準(zhǔn)與數(shù)據(jù)保存

進(jìn)入精測系統(tǒng)之后進(jìn)行校準(zhǔn)設(shè)置。點擊“拉出值與超高校準(zhǔn)”按鈕，然后選擇一個方便識別的接觸線上的點，正反兩次激光測量這同一個位置即可完成校準(zhǔn)。數(shù)據(jù)采集完成之后點擊“導(dǎo)出數(shù)據(jù)”即可生成表格文件保存在電腦里。導(dǎo)出的表格數(shù)據(jù)如圖7所示，包含了工支、非支、承力索的導(dǎo)高和拉出值的測量數(shù)據(jù)；里程、桿號代表位置信息；定位點、吊弦為代表測量類型信息，滿足了現(xiàn)場對接觸網(wǎng)的參數(shù)要求。

3 結(jié)束語

本文從硬件機械系統(tǒng)設(shè)計、實物調(diào)試2部分詳細(xì)介紹了高速鐵路接觸網(wǎng)智能巡視檢測系統(tǒng)的設(shè)計方案和器件選擇，形成自身的創(chuàng)新。通過在實際測試調(diào)試中汲取經(jīng)驗，利用多種思路調(diào)試使多模塊緊密配合。在機械調(diào)整方面，選擇合適的材質(zhì)與傳感器，全鋁合金整機重量不超過40 kg，方便其反復(fù)調(diào)試拆裝，使設(shè)備輕巧便攜，簡單組裝后，能夠快速進(jìn)行接觸網(wǎng)巡視檢測。選擇合適芯片，PCB布線格局合理優(yōu)化，使其適合鐵路環(huán)境以及相關(guān)氣候，讓各模塊合理有序地工作。在實際調(diào)試過程中，通過不同思路的對比，依靠大量的實地數(shù)據(jù)，優(yōu)化整個系統(tǒng)的處理速度以及系統(tǒng)整體運行狀態(tài)，掃描速度控制等，使巡檢系統(tǒng)高速的完成既定任務(wù)。