張峻華 唐鵬 江躍輝 李娜

1.四川信達(dá)軌道交通設(shè)備有限責(zé)任公司，四川綿陽(yáng) 621000；2.綿陽(yáng)師范學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，四川綿陽(yáng) 621000

0 前言

電氣化鐵路中，接觸網(wǎng)作為唯一供電設(shè)備，擔(dān)負(fù)著把從牽引變電所獲得的電能直接輸送給電力機(jī)車使用的重要任務(wù)[1]。因此接觸網(wǎng)的質(zhì)量和工作狀態(tài)將直接影響電氣化鐵道的運(yùn)輸能力。由于接觸網(wǎng)是露天設(shè)置，沒(méi)有備用，線路上的負(fù)荷又是隨著電力機(jī)車的運(yùn)行而沿接觸線移動(dòng)和變化的，因此對(duì)接觸網(wǎng)提出很高的要求，并需要定期檢測(cè)。

對(duì)于接觸網(wǎng)參數(shù)的檢測(cè)，目前大多數(shù)采用激光測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量，但是傳統(tǒng)的檢測(cè)方式效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，且中國(guó)高鐵范圍廣，需要檢測(cè)的接觸網(wǎng)多，檢測(cè)工作會(huì)消耗大量的人力物力。針對(duì)接觸網(wǎng)檢測(cè)的現(xiàn)狀，本文研究了一種推行式接觸網(wǎng)參數(shù)的智能檢測(cè)系統(tǒng)。該設(shè)備用于檢測(cè)接觸網(wǎng)的幾何參數(shù)，測(cè)量效率高，勞動(dòng)強(qiáng)度低，智能瞄準(zhǔn)接觸線，可以節(jié)省大量的人力物力[1]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)備功能

設(shè)備主要由兼?zhèn)淙梭w工程學(xué)的推行系統(tǒng)、具備工業(yè)“三防”標(biāo)準(zhǔn)的控制平板和激光自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)組成，并配備無(wú)線操作與數(shù)據(jù)傳輸功能。設(shè)備整體寬1,500 mm，高800 mm，桿高1.2 m，總重約20 kg，采用鋁合金、可折疊設(shè)計(jì)，并配備了提手。設(shè)備輕巧便攜，簡(jiǎn)單組裝后，能夠快速進(jìn)行接觸網(wǎng)巡視檢測(cè)。實(shí)物結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

推行系統(tǒng)：主要負(fù)責(zé)整體設(shè)備的推動(dòng)，以便在鐵軌上行進(jìn)。通過(guò)推行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)站立推行，推桿高度可調(diào)，以適應(yīng)不同操作者的身高，增加設(shè)備使用的舒適度，提高設(shè)備的人機(jī)效率。

平板系統(tǒng)：采用7英寸工業(yè)“三防”高亮觸摸平板，位于推行系統(tǒng)的推桿之上，以便推行時(shí)與激光自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)同步進(jìn)行人機(jī)對(duì)話。屏幕尺寸大、亮度高，以實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量過(guò)程的精準(zhǔn)把控。

激光自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)：內(nèi)置高速攝像頭和高頻激光測(cè)距儀，能夠在推行過(guò)程中對(duì)接觸網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，采集相關(guān)數(shù)據(jù)，夜間通過(guò)補(bǔ)光也可實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量接觸網(wǎng)，自動(dòng)化程度高，適用環(huán)境廣，在推行時(shí)，也能實(shí)時(shí)跟蹤和測(cè)量，測(cè)量效率高。

1.2 設(shè)備硬件方案

設(shè)備工作組成模塊如圖2所示。系統(tǒng)中采用了嵌入式主板作為控制器，通過(guò)對(duì)多路傳感器輸入信號(hào)進(jìn)行分析處理，利用圖像處理的算法[2]，以及高精度步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)了對(duì)接觸線的自動(dòng)瞄準(zhǔn)，完成了接觸線導(dǎo)高和拉出值的自動(dòng)測(cè)量。

對(duì)各部分的功能闡述如下：

嵌入式主板：采用基于Linux的樹(shù)莓派4作為主板。該主板屬于卡片式電腦，CPU頻率為1.5 GHz、GPU頻率為500 MHz，包含USB 3.0、千兆以太網(wǎng)、HDMI、RS232、微HDMI端口、4K雙顯示屏等豐富接口，滿足了系統(tǒng)的高性能、多接口、小尺寸、低功耗等要求。主板作為系統(tǒng)的分析控制中心，采用Raspbian系統(tǒng)，利用Qt開(kāi)發(fā)了軟件系統(tǒng)，完成了接觸網(wǎng)幾何參數(shù)的智能測(cè)量。

軌距里程模塊：主要完成設(shè)備推行過(guò)程中的里程、軌距及超高參數(shù)的測(cè)量，并傳輸至主板。設(shè)備的底盤有3個(gè)輪子，構(gòu)成“T”字形結(jié)構(gòu)，2個(gè)輪子所在的一側(cè)為固定端，只有1個(gè)輪子的一側(cè)為活動(dòng)端，可以自由伸縮。在活動(dòng)端安裝了正交光電編碼器，隨輪子一起轉(zhuǎn)動(dòng)，用于里程測(cè)量；活動(dòng)端還安裝了位移傳感器，推行過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)軌距的實(shí)時(shí)檢測(cè)；在傾角傳感器的配合下，結(jié)合位移傳感器，還能夠?qū)崿F(xiàn)超高的檢測(cè)。該模塊利用STM32單片機(jī)，通過(guò)對(duì)光電編碼器、傾角傳感器和位移傳感器的數(shù)據(jù)獲取、分析處理，實(shí)現(xiàn)了里程、軌距及超高的檢測(cè)，并按照協(xié)議傳輸至嵌入式主板。

操控平板：主要功能包含數(shù)據(jù)顯示及測(cè)量操作兩大功能，由高亮屏幕組成，具備“三防”功能，滿足現(xiàn)場(chǎng)需求。

激光自動(dòng)測(cè)量模塊：由步進(jìn)電機(jī)、紅外補(bǔ)光燈、攝像頭和激光傳感器組成，完成接觸線參數(shù)的測(cè)量。紅外補(bǔ)光燈主要用于夜晚天窗時(shí)的測(cè)量照明，相較于傳統(tǒng)的可見(jiàn)光補(bǔ)光，具有功耗低及不晃眼等優(yōu)點(diǎn)；攝像頭用于對(duì)測(cè)量區(qū)域成像，并為圖像識(shí)別算法提供數(shù)據(jù)源；采用的USB攝像頭具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)；激光傳感器用于完成對(duì)測(cè)量點(diǎn)的距離測(cè)量；步進(jìn)電機(jī)用于在圖像算法識(shí)別到接觸線后，根據(jù)控制指令，自動(dòng)控制轉(zhuǎn)動(dòng)激光傳感器進(jìn)行瞄準(zhǔn)，完成參數(shù)測(cè)量，在傳感器及軟件算法的配合下，實(shí)現(xiàn)了接觸線參數(shù)的自動(dòng)測(cè)量[3]。

2 設(shè)備調(diào)試

2.1 主要參數(shù)

鐵路接觸網(wǎng)測(cè)量系統(tǒng)基于目前電氣化的指標(biāo)而設(shè)計(jì)，其中主要包括導(dǎo)高、拉出值、外軌超高、支柱跨距，鐵路接觸網(wǎng)測(cè)量系統(tǒng)需對(duì)這些數(shù)值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化約束，本系統(tǒng)的測(cè)量范圍及精度具體如表1所示。

表1 測(cè)量范圍

2.2 設(shè)備操作

2.2.1 開(kāi)始測(cè)量

設(shè)備組裝完成后，打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，等待設(shè)備初始化，當(dāng)主機(jī)上的指示燈變?yōu)樗{(lán)色后，啟動(dòng)成功。選擇操作屏幕上的測(cè)量軟件，啟動(dòng)后的主界面如圖3所示。程序啟動(dòng)之后展示主界面，根據(jù)需要選擇測(cè)量、數(shù)據(jù)、設(shè)置功能。

在主界面點(diǎn)擊“測(cè)量”卡片，進(jìn)入測(cè)量界面，先進(jìn)行線路位置設(shè)置，然后開(kāi)始測(cè)量，如圖4所示。

界面功能介紹如下：

瞄準(zhǔn)：瞄準(zhǔn)功能用于快速自動(dòng)瞄準(zhǔn)線中心，瞄準(zhǔn)之后也允許手動(dòng)觸摸屏幕實(shí)現(xiàn)微調(diào)。對(duì)于有多根線的情況，還可以一鍵快速切換瞄準(zhǔn)的線，如圖5所示；

轉(zhuǎn)左、轉(zhuǎn)右、轉(zhuǎn)上：點(diǎn)擊“轉(zhuǎn)左”、“轉(zhuǎn)上”、“轉(zhuǎn)右”按鈕，可以快速地控制測(cè)量頭轉(zhuǎn)向左側(cè)、上面、右側(cè)；

激光：用于打開(kāi)激光紅點(diǎn)，方便觀察激光測(cè)量點(diǎn)位；

自動(dòng)測(cè)量：用于啟動(dòng)設(shè)備全自動(dòng)測(cè)量，啟動(dòng)之后，設(shè)備自動(dòng)尋找并鎖定該接觸線，然后實(shí)時(shí)測(cè)量其導(dǎo)高和拉出值；

測(cè)量：手動(dòng)測(cè)量當(dāng)前瞄準(zhǔn)的目標(biāo)信息；

夜間模數(shù)切換：用于夜間使用，需要打開(kāi)主機(jī)夜間補(bǔ)光燈，并切換到夜間模式。App右上角菜單按鈕點(diǎn)擊之后（如圖6所示），選擇切為夜間模式即可完成模式切換。

2.2.2 數(shù)據(jù)查看

點(diǎn)擊主界面的“數(shù)據(jù)”卡片，進(jìn)入數(shù)據(jù)查看界面，如圖7所示。

數(shù)據(jù)查看界面以分頁(yè)的方式顯示測(cè)量的數(shù)據(jù)。默認(rèn)顯示當(dāng)前線路、當(dāng)前站區(qū)、當(dāng)前線路方向的數(shù)據(jù)，也可以修改篩選條件需要。點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)管理”即可根據(jù)“線路名字”、“線路方向”、“站區(qū)名字”、“隧道名字”、“桿號(hào)標(biāo)記”、“吊弦編號(hào)”5種類型來(lái)篩選，以便過(guò)濾出所需數(shù)據(jù)。

點(diǎn)擊右上角3個(gè)圓點(diǎn)的按鈕，出現(xiàn)2個(gè)導(dǎo)出菜單：“導(dǎo)出到本地”、“導(dǎo)出到設(shè)備USB”，如圖8所示。

導(dǎo)出到本地：將數(shù)據(jù)導(dǎo)出到平板內(nèi)部文件夾，點(diǎn)開(kāi)桌面文件夾圖標(biāo)就可以看到；

導(dǎo)出到設(shè)備USB：將U盤插入設(shè)備，點(diǎn)擊“導(dǎo)出到設(shè)備USB”功能后，數(shù)據(jù)將直接導(dǎo)出到U盤上。

2.2.3 程序更新

設(shè)備支持通過(guò)升級(jí)包進(jìn)行程序升級(jí)。升級(jí)步驟為：首先把升級(jí)包放在U盤根目錄；然后將U盤插入到主機(jī)USB口；最后在平板App主界面點(diǎn)擊菜單中的 “固件更新（保留設(shè)置）”選項(xiàng)，并根據(jù)提示進(jìn)行操作，完成設(shè)備軟件系統(tǒng)的升級(jí)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)備在滿足接觸網(wǎng)幾何參數(shù)的測(cè)量方法、測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)量精度的基礎(chǔ)之上，對(duì)原有設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化升級(jí)和創(chuàng)新改造，對(duì)設(shè)備的材料選型、結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)作出了優(yōu)化，讓設(shè)備在經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的組裝之后，便能快速地投入并推行使用，大幅降低了設(shè)備的重量、提升了設(shè)備的便攜度和使用時(shí)的人機(jī)功效，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。集成電路、嵌入式控制系統(tǒng)的加持，高精度傳感器和運(yùn)動(dòng)構(gòu)件之間的無(wú)縫協(xié)同配合，讓設(shè)備在白天和黑夜，以及多種環(huán)境氣候下都能夠完成測(cè)量，且設(shè)備具備在推行過(guò)程中同步跟隨接觸網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量的功能[4]，更加智能化、便捷化，大幅提升測(cè)量效率。設(shè)備在實(shí)際使用過(guò)程中，在應(yīng)對(duì)復(fù)雜的環(huán)境變化的同時(shí)，能更輕松、高效地勝任測(cè)量工作。