殷瑞忠 陳康康 王彩文 林 坤

(1.南京地鐵運營有限責任公司 江蘇 南京 211135；2.江蘇多普勒信息科技有限公司 江蘇 南京 210044)

軌道交通列車一般通過受電弓從接觸網(wǎng)獲取電流來提供動力。受電弓碳滑板作為接觸線的受流媒介，在運行過程中與接觸線以Z字型或正弦波型相對運動進行接觸摩擦，承受高電壓、大電流、強機械作用、工作環(huán)境惡劣、工作平衡狀態(tài)脆弱。碳滑板作為至關(guān)重要的部件，其磨耗狀況直接影響整個列車運行的安全，而現(xiàn)有碳滑板檢測手段為庫修期間采用游標卡尺人工測量，其效率和精度已遠遠不能滿足運營安全和智能化管理的需求[1-5]。

常規(guī)的列車受電弓碳滑板全長約1 050 mm，常規(guī)狀態(tài)下實際工作面長度在500 mm左右(見圖1)，正常工作厚度為15 mm左右，現(xiàn)有檢測裝置精度絕大部分為0.1 mm，一般弓網(wǎng)磨耗正常狀態(tài)下，列車行駛約20萬km時碳滑板磨耗接近極限，需要更換。按此推算每萬公里磨耗為0.75 mm；按每列車每天運行700 km計算，每天的碳滑板平均磨耗為0.052 5 mm。而當前測量方式無法及時發(fā)現(xiàn)磨耗量變化，加之測量數(shù)據(jù)量小，圖像缺失，無法建立可視化大數(shù)據(jù)管理。因此更高精度如0.01 mm量級的可視化智能檢測裝置亟待被研發(fā)并且投入使用。按照0.01 mm精度計算，平均133 km就能夠測量到變化值，該精度將有利于更加全面地排查異常磨耗。同時，碳滑板工作面的狀態(tài)與磨耗速率具有一定規(guī)律特征，因此研發(fā)高效智能化的檢測裝置，并通過可視化結(jié)果的對比能夠進一步輔助管理者進行分析與決策。

圖1 碳滑板對比圖

1 檢測裝置及主要技術(shù)參數(shù)

碳滑板智能檢測裝置測量精度可達0.01 mm，同時，基于大數(shù)據(jù)的系統(tǒng)架構(gòu)具有通用性，并且解決了碳滑板種類的多樣性和使用場景的便攜性這兩大痛點；更重要的是，碳滑板不需要從弓頭取下即可完成高精度測量。

1.1 檢測裝置結(jié)構(gòu)

檢測裝置采用高精度行程驅(qū)動及控制裝置進行數(shù)據(jù)采集點拆分，利用高精度激光距離傳感器進行厚度檢測，同步利用高分辨率廣角鏡頭采集碳滑板工作面狀態(tài)圖，通過無線傳輸架構(gòu)完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集及同步傳輸，并可通過手機終端進行控制、測量、校準等一系列操作，實現(xiàn)自動化測量。兩端夾持在碳滑板上(見圖2)，調(diào)整端頭激光對準碳滑板端部即可完成初始化及模型數(shù)據(jù)匹配。

圖2 檢測裝置測量示意圖

1.2 數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)

該檢測裝置整套系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)由工業(yè)控制層、數(shù)據(jù)傳輸層和數(shù)據(jù)處理層3部分組成(見圖3)。通過內(nèi)置Linux系統(tǒng)，經(jīng)由Wi-Fi連接終端IOS/Android系統(tǒng)，將測量數(shù)據(jù)、實時圖像、磨耗預測等數(shù)據(jù)進行交互處理。

圖3 數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)圖

1.3 主要技術(shù)指標參數(shù)

測量數(shù)據(jù)符合GB/T 21388—2008游標、帶表和數(shù)顯深度卡尺標準，精度達到0.01 mm；持續(xù)工作時長8 h；平均功耗15 W；工作電壓24 V；碳滑板測量寬度范圍為500～580 mm，也可根據(jù)不同需求進行定制。

2 技術(shù)原理

2.1 距離采集

激光距離傳感器主要由激光發(fā)生器發(fā)出一定頻率的脈沖信號至碳滑板工作面，根據(jù)光波的反射原理，接收到回波信號并將回波信號采用數(shù)字化處理(針對光的漫散及衰減)，轉(zhuǎn)換成特定信號實現(xiàn)距離測定，原理如圖4所示。

圖4 激光測距原理圖

激光發(fā)生器發(fā)射的光波利用簡諧運動原理，以碳滑板中心為基準，做振幅為0.5 mm的正弦運動并在行進的過程中采集數(shù)據(jù)，確保測量數(shù)據(jù)具有較高的代表性。采集數(shù)據(jù)后，通過正弦函數(shù)投影計算出當前位置精確的磨耗數(shù)值，以提高采集數(shù)據(jù)的可靠性，如圖5所示。

圖5 簡諧運動原理圖

2.2 行程定位

碳滑板實際工作面長度主要取決于接觸網(wǎng)布設(shè)形式，傳統(tǒng)布設(shè)的拉出值在250 mm左右，即實際工作面長度在500 mm左右。為了確保測量數(shù)據(jù)與碳滑板工作面點位排列順序一致，該裝置采用了步進式伺服電機為行程驅(qū)動裝置，以時間為間距測量特征，通過自主研發(fā)的行程控制系統(tǒng)，將行程控制與數(shù)據(jù)采集相結(jié)合，進而完成定位。

2.3 數(shù)據(jù)匹配與定位

在人為對齊基礎(chǔ)上，為了確保每次測量的數(shù)據(jù)能夠精確匹配，實現(xiàn)數(shù)據(jù)動態(tài)對比管理，需要對每次測量的數(shù)據(jù)進行必要的定位，或是對設(shè)備進行定位。

本項目采用數(shù)據(jù)擬合定位(保留激光距離定位校驗)，數(shù)據(jù)擬合定位是基于既往測量數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)管理方法。將每次測量的數(shù)據(jù)進行線狀擬合，同時將新測量的數(shù)據(jù)線性擬合后與之前線性進行特征點對比，當鎖定一定比例的特征重合點后將所有特征點自動對齊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動定位。

2.4 全程可視

碳滑板工作面狀態(tài)在正常情況下應為光亮反光(俗稱鏡面狀態(tài))。而當碳滑板出現(xiàn)異常磨耗，其磨耗速率加快時，其表面的鏡面狀態(tài)將由正常光亮反光變?yōu)榇植诎岛?，甚至析出黃色的銅質(zhì)。這種由正常到異常的變化過程，一直缺少數(shù)據(jù)及資料。該裝置采用了高清微距相機，隨數(shù)據(jù)采集時進行同步拍攝，采用合成技術(shù)，將每一幀圖片與測點匹配合成，形成全景實物照片，實現(xiàn)每次測量時均形成工作面狀態(tài)照片，有利于建立大數(shù)據(jù)管理庫，輔助系統(tǒng)決策。

3 技術(shù)創(chuàng)新

3.1 數(shù)控行程，可靠性強

該裝置選用以高精度滾珠絲桿為主的行程相位裝置，利用可編程的伺服步進電機，采用齒輪傳動，實現(xiàn)行程及采集的無縫契合，做到程序指令精準執(zhí)行，確保行程數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。

3.2 四點鎖止，穩(wěn)定性高

通過4個夾持器固定檢測裝置與碳滑板，使檢測裝置與碳滑板工作面相對平行，在工作時保持檢測裝置與碳滑板的相對靜止，避免出現(xiàn)因外部影響導致的數(shù)據(jù)失實風險。該夾持方案具有一定的新穎性和安裝便捷性，并可以適配更多型號的碳滑板，具有廣泛的通用性。

3.3 光柵測距，測量精度高

該裝置采用激光距離傳感器，由激光發(fā)生器發(fā)出一定頻率的脈沖信號至碳滑板工作面，根據(jù)光波的反射原理，將回波信號采用數(shù)字化處理，轉(zhuǎn)換成特定信號實現(xiàn)距離測定。該裝置采用半封閉式結(jié)構(gòu)，避免了環(huán)境光對測量的干擾。同時，光的漫散及衰減已經(jīng)過數(shù)字化處理，確保了測量精度。

3.4 自動校準，統(tǒng)一數(shù)據(jù)基準

該裝置配備3種工作模式，首先采用距離校準，消除設(shè)備架設(shè)誤差。其次通過數(shù)據(jù)擬合定位進行數(shù)據(jù)校準，將每次測量的數(shù)據(jù)進行線狀擬合后，與之前的線性特征點對比，當鎖定一定比例的特征重合點后將所有特征點自動對齊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)二次校準，統(tǒng)一了數(shù)據(jù)基準。

3.5 模型管理，適用范圍廣

碳滑板廠家眾多， 型號各異。 南京地鐵現(xiàn)有碳滑板廠家以崇德、 摩根、 PanTrac為主， 約5個型號。 因各廠家碳滑板存在差異， 甚至同型號廠家同批次產(chǎn)品也存在國標范圍內(nèi)的誤差。 該檢測裝置采集了業(yè)內(nèi)主流碳滑板的原始數(shù)據(jù)， 并內(nèi)置成碳滑板初始化數(shù)據(jù)， 方便檢測裝置在首次安裝使用時即自動完成模型數(shù)據(jù)的采集并進行數(shù)字化管理， 有效消除了碳滑板因生產(chǎn)廠家及型號的不同而導致的誤差因素。

3.6 數(shù)據(jù)庫管理，可追溯性強

該裝置配套建立了數(shù)據(jù)庫，將測量數(shù)據(jù)按線路、車型(車號)、端系、碳滑板編號等進行分類管理，每次測量數(shù)據(jù)后均建立標簽，便于數(shù)據(jù)追溯，完善全過程管理。

3.7 智能化分析，決策輔助強

該裝置在數(shù)據(jù)管理層面設(shè)定了智能化分析算法， 對每次測量的數(shù)據(jù)， 在確保數(shù)據(jù)對齊統(tǒng)一的基礎(chǔ)上進行縱向及橫向比對分析，計算當期碳滑板磨耗量、磨耗速率，監(jiān)測碳滑板磨耗狀態(tài)， 分析整根碳滑板上線至今的磨耗變化趨勢， 有效判斷碳滑板的異常磨耗及剩余使用周期。同時，在碳滑板工作面狀態(tài)處理層面，系統(tǒng)將自動進行多點位識別比對， 研判工作面狀態(tài)變化趨勢， 進行分級評價， 并通過大數(shù)據(jù)分析結(jié)果輔助工作人員制定出檢修策略， 防患于未然，真正實現(xiàn)對于碳滑板的精確測量、管理與科學統(tǒng)籌。

4 應用檢測

檢測裝置重量約為4.8 kg，采用手提式設(shè)計，方便攜帶至車頂進行測量。工作時，將裝置兩端嵌入碳滑板工作面內(nèi)(見圖6)，并將鎖止器推至鎖定位后開啟電源鍵，等待30 s左右，當指示燈顯示為綠色后即完成啟動。將手機APP通過Wi-Fi與裝置連接，選取線路、車型、端系及碳滑板編號，將初始化數(shù)據(jù)下載至手機，完成初始化。在裝置初始化設(shè)備后，即可開始進行測量。測量完成后生成全景圖數(shù)據(jù)(見圖7)、視頻數(shù)據(jù)和磨耗數(shù)據(jù)(見圖8)。

根據(jù)工況需要，可選擇快速檢測、正常檢測與精細檢測3種模式。完成一根碳滑板檢測最長108 s，測量過程中通過手機可以完整觀察到整個測量過程，如果遇到特殊情況可以對測量進行手動中止。

圖6 現(xiàn)場檢測圖

圖7 全景圖

圖8為實測磨耗數(shù)據(jù)，根據(jù)磨耗厚度曲線可以明顯反映出該碳滑板工作面磨損存在嚴重的不均勻，其中位于255 mm處相對其他位置磨耗量明顯偏高。

圖8 實測磨耗點陣圖

5 結(jié)束語

軌道交通作為低碳出行的典范，其蓬勃發(fā)展的趨勢已然成為共識，安全運行尤為重要，碳滑板作為電能傳遞媒介，必須確保其磨耗數(shù)據(jù)準確，狀態(tài)可控。引入便攜式智能檢測裝置，可實現(xiàn)自動化測量、智能化分析，將大大降低人為誤差，提高測量精度與管理效率。同時，由于碳滑板工作狀態(tài)直接反映弓網(wǎng)配合關(guān)系，該裝置配套的數(shù)據(jù)管理二次開發(fā)，可深入挖掘并輔助決策，進一步指導生產(chǎn)與保障路網(wǎng)安全運行。