陳善樂(lè)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，城市軌道交通發(fā)展迅速[1]。靴軌受流作為城市軌道交通一種常見(jiàn)的受流方式，通過(guò)集電靴側(cè)碳滑板與接觸軌接觸，實(shí)現(xiàn)地鐵車(chē)輛的動(dòng)能供給[2，3]。靴軌受流系統(tǒng)主要由接觸軌、集電靴和供電系統(tǒng)組成，其狀態(tài)優(yōu)劣直接影響地鐵的安全運(yùn)營(yíng)，對(duì)其加強(qiáng)狀態(tài)檢測(cè)十分必要[4～6]。

靴軌受流系統(tǒng)雖然已經(jīng)存在50多年，但與之配套的靴軌在線檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)展相對(duì)緩慢。相比弓網(wǎng)受流系統(tǒng)，由于其應(yīng)用范圍較廣，弓網(wǎng)系統(tǒng)檢測(cè)的研究較多[7，8]，而涉及靴軌受流檢測(cè)領(lǐng)域的文獻(xiàn)較少。其中，文獻(xiàn)[9]研究基于圖像處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)接觸軌的幾何參數(shù)檢測(cè)，但該方法需要無(wú)電狀態(tài)，且只能低速檢測(cè)，限制了方法應(yīng)用。文獻(xiàn)[10]針對(duì)靴軌系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用過(guò)程存在的問(wèn)題，提出通過(guò)在線檢測(cè)電流值進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)。文獻(xiàn)[3]基于激光三角測(cè)距理論，通過(guò)對(duì)接觸軌進(jìn)行幾何參數(shù)計(jì)算，獲得接觸軌幾何參數(shù)檢測(cè)值。

從上述文獻(xiàn)可知，目前對(duì)靴軌受流系統(tǒng)在線檢測(cè)技術(shù)的研究較少，而開(kāi)展靴軌受流系統(tǒng)在線狀態(tài)研究能夠更好保證靴軌受流質(zhì)量，保障城市軌道交通的穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)。為準(zhǔn)確評(píng)估靴軌受流系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，本文設(shè)計(jì)了一種靴軌受流系統(tǒng)在線檢測(cè)系統(tǒng)，運(yùn)用激光測(cè)距、紫外光電傳感、光纖應(yīng)變傳感和光纖硬點(diǎn)傳感等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)靴軌受流系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)檢測(cè)，主要包括接觸軌幾何參數(shù)檢測(cè)、靴軌接觸力檢測(cè)、集電靴硬點(diǎn)檢測(cè)和靴軌燃弧檢測(cè)。

1 靴軌在線檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

1.1 架構(gòu)組成

靴軌在線檢測(cè)系統(tǒng)主要由車(chē)外檢測(cè)設(shè)備、車(chē)內(nèi)處理單元、遠(yuǎn)程輸送通道和地面數(shù)據(jù)中心等組成，基本結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖1 靴軌在線檢測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

基本檢測(cè)單元主要由接觸軌幾何參數(shù)檢測(cè)模塊、集電靴電流及電壓檢測(cè)模塊、硬點(diǎn)檢測(cè)模塊、接觸壓力檢測(cè)模塊和靴軌燃弧檢測(cè)系統(tǒng)組成。

車(chē)內(nèi)處理單元主要作用為對(duì)各檢測(cè)模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并實(shí)現(xiàn)與車(chē)輛控制與管理系統(tǒng)和地面數(shù)據(jù)中心的通信。

1.2 接觸軌幾何參數(shù)檢測(cè)

圖2 接觸軌幾何參數(shù)檢測(cè)原理拓?fù)?/p>

二維激光測(cè)距傳感器（2D傳感器）為圖像采集模塊中的核心組件，由相機(jī)和線激光器組成，原理是激光光源投射到接觸軌表面，利用三角成像原理，相機(jī)與激光光源成一定角度，拍攝接觸軌表面結(jié)構(gòu)光圖像，通過(guò)視覺(jué)成像模型，計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)所在的世界坐標(biāo)位置2D傳感器檢測(cè)原理如圖3所示。

圖3 2D傳感器檢測(cè)原理

圖像采集模塊示意圖如圖4所示，在接觸軌幾何參數(shù)檢測(cè)過(guò)程中，處理主機(jī)采集2D傳感器圖像，經(jīng)過(guò)圖像處理、圖像識(shí)別與空間轉(zhuǎn)換后，可以獲得接觸軌目標(biāo)點(diǎn)相對(duì)2D傳感器的水平位置和垂直位置，通過(guò)傳感器安裝參數(shù)與動(dòng)態(tài)補(bǔ)償技術(shù)，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為接觸軌中心距離線路中心水平距離和接觸軌受流面與走行軌鋼軌頂面的垂直距離。

圖4 圖像采集模塊示意圖

將檢測(cè)到的接觸軌受流面與走行軌鋼軌頂面的垂直距離數(shù)據(jù)與綜合定位數(shù)據(jù)中的距離信息結(jié)合，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理與轉(zhuǎn)換即可得到接觸軌坡度及端部彎頭幾何參數(shù)信息。

激光測(cè)距傳感器通過(guò)采集與線路周邊物體的距離信息，進(jìn)行濾波處理后，可確定線路中支柱位置，將每次獲得的支柱位置與綜合定位信息結(jié)合即可得到跨距數(shù)據(jù)。

1.3 靴軌動(dòng)態(tài)參數(shù)檢測(cè)

靴軌動(dòng)態(tài)參數(shù)檢測(cè)子系統(tǒng)可分為電氣參數(shù)檢測(cè)和機(jī)械參數(shù)檢測(cè)，其中燃弧檢測(cè)、集電靴電流/電壓檢測(cè)屬于電氣參數(shù)檢測(cè)，接觸壓力和沖擊加速度（硬點(diǎn)）檢測(cè)屬于機(jī)械參數(shù)檢測(cè)。

靴軌動(dòng)態(tài)參數(shù)檢測(cè)子系統(tǒng)主要包括靴軌燃弧檢測(cè)模塊、牽引電流檢測(cè)模塊、集電靴電壓檢測(cè)模塊、接觸壓力檢測(cè)模塊、硬點(diǎn)檢測(cè)模塊、傳輸模塊、數(shù)據(jù)處理模塊及供電模塊。

1.3.1 靴軌燃弧檢測(cè)模塊

據(jù)九江旅游發(fā)改委統(tǒng)計(jì)，有近七層左右的旅游者開(kāi)始選擇類(lèi)似于自駕游的自主意愿強(qiáng)的旅游方式。自由行的旅游者對(duì)旅游信息的需求較為強(qiáng)烈。廬山溫泉鎮(zhèn)景區(qū)沒(méi)有建設(shè)全市統(tǒng)一的旅游公眾號(hào)，作者使用百度對(duì)廬山溫泉景區(qū)進(jìn)行搜索，沒(méi)有統(tǒng)一的網(wǎng)站，僅僅只有集團(tuán)化的度假酒店官網(wǎng)能對(duì)溫泉產(chǎn)品進(jìn)行預(yù)訂。美團(tuán)，途牛等網(wǎng)站也僅僅是售賣(mài)溫泉鎮(zhèn)的線路產(chǎn)品，門(mén)票。小鎮(zhèn)旅游沒(méi)有運(yùn)用VR技術(shù)，3D成像技術(shù)對(duì)景區(qū)景點(diǎn)進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)上的導(dǎo)覽。廬山溫泉鎮(zhèn)必須意識(shí)到智慧旅游的重要性，大力發(fā)展現(xiàn)代旅游服務(wù)業(yè)。

靴軌燃弧檢測(cè)運(yùn)用紫外光電檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)檢測(cè)靴軌燃弧紫外特征光實(shí)現(xiàn)燃弧檢測(cè)。其具體檢測(cè)過(guò)程如下：首先運(yùn)用光學(xué)采集設(shè)備對(duì)燃弧紫外光特征量進(jìn)行采集，然后將燃弧光信號(hào)輸入紫外光電傳感系統(tǒng)處理，主要目的是完成光信號(hào)至電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，最終將電信號(hào)送入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)完成檢測(cè)結(jié)果輸出。

（1）光學(xué)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要由濾光片、透鏡組和接收裝置組成。該系統(tǒng)具有高強(qiáng)度抗干擾性，能夠精準(zhǔn)地對(duì)所有靴軌燃弧輻射的特定譜段紫外光進(jìn)行捕捉，同時(shí)濾光片能夠?yàn)V除多余的雜散光。

圖5 光學(xué)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

（2）紫外光電傳感系統(tǒng)主要由紫外光電傳感器、信號(hào)處理模塊、電源模塊以及光纖適配器等組成，基本構(gòu)成如圖6所示。本系統(tǒng)核心部件為紫外光電傳感器，能夠有效實(shí)時(shí)地完成靴軌燃弧特征光信號(hào)至電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

圖6 紫外光電傳感系統(tǒng)框架

（3）電信號(hào)采集組件由專(zhuān)用信號(hào)采集板卡組成，實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)的濾波、放大、采集、處理以及信號(hào)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

1.3.2 接觸壓力檢測(cè)模塊

接觸壓力檢測(cè)的基本原理是通過(guò)對(duì)集電靴支撐臂的形變進(jìn)行測(cè)量，考慮到集電靴處于高壓環(huán)境，特采用在集電靴上貼高靈敏度的光纖光柵應(yīng)變片的方式對(duì)集電靴支撐臂的形變進(jìn)行量化測(cè)量，利用光纖傳輸方式將信號(hào)傳輸至車(chē)內(nèi)中央數(shù)據(jù)處理主機(jī)進(jìn)行處理。同時(shí)構(gòu)建靜態(tài)標(biāo)定計(jì)算模型，通過(guò)該模型計(jì)算可實(shí)時(shí)顯示動(dòng)態(tài)的接觸壓力曲線。

1.3.3 硬點(diǎn)檢測(cè)模塊

硬點(diǎn)檢測(cè)模塊采用光纖硬點(diǎn)傳感器信號(hào)對(duì)集電靴垂向加速度（硬點(diǎn)）進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)光纖的方式引至車(chē)內(nèi)中央數(shù)據(jù)主機(jī)進(jìn)行集中處理。

考慮到接觸軌受流面與鋼軌平面的垂直距離為200 mm，集電靴降靴狀態(tài)限界要求集電靴最低點(diǎn)距離軌面高度為95 mm，故集電靴受流臂底面安裝加速度傳感器方案不可行。為保證限界距離，加速度計(jì)位于靴臂中間的空檔處。靴臂厚度約為 60 mm，加速度計(jì)厚度為55 mm，保證加速度計(jì)安裝后不會(huì)超過(guò)靴臂厚度，故視為不超限界。如圖7中所示，借用集電靴上的2顆螺栓，制作一個(gè)T形連接板固定加速度計(jì)；加速度計(jì)安裝后會(huì)增加約0.6 kg重量。為確保動(dòng)態(tài)測(cè)量過(guò)程中人身安全，安裝過(guò)程中應(yīng)進(jìn)行絕緣處理。

圖7 加速度信號(hào)檢測(cè)流程

2 靴軌在線檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)例驗(yàn)證

2.1 靴軌燃弧檢測(cè)

為驗(yàn)證本系統(tǒng)的有效性，選取廣州地鐵某區(qū)間線路作為測(cè)試線路，選取燃弧次數(shù)、燃弧持續(xù)時(shí)間和燃弧率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，燃弧持續(xù)時(shí)間tarc指所測(cè)區(qū)段每個(gè)所測(cè)燃弧持續(xù)時(shí)間的總和，計(jì)算式為

式中：ti為所測(cè)區(qū)段的第i次燃弧的持續(xù)時(shí)間，ms。

燃弧率NQ為所測(cè)區(qū)段的燃弧總時(shí)間與測(cè)量時(shí)間的比值：

式中：ttotal為所測(cè)區(qū)段的測(cè)量時(shí)間，ms。

靴軌受流在線檢測(cè)系統(tǒng)可針對(duì)燃弧現(xiàn)象檢測(cè)燃弧率和最長(zhǎng)燃弧時(shí)間等指標(biāo)，同時(shí)設(shè)有燃弧報(bào)警功能。表1為該系統(tǒng)的燃弧檢測(cè)結(jié)果，可以看出其能夠檢測(cè)出最短4 ms燃弧時(shí)長(zhǎng)，具有較高檢測(cè)靈敏度，最長(zhǎng)燃弧時(shí)長(zhǎng)和燃弧率分別為 41 ms和0.019%，滿足標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)要求。

表1 燃弧檢測(cè)結(jié)果

2.2 靴軌接觸力檢測(cè)

實(shí)驗(yàn)條件同上，采用接觸力平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，接觸力平均值Fm指所測(cè)區(qū)段所有壓力值的平均值（N）。接觸力平均值可以反映高速運(yùn)行時(shí)靴軌接觸的整體狀態(tài)。

接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差σ指所測(cè)區(qū)段接觸力真實(shí)值與壓力均值的偏差；接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差可以反映整個(gè)靴軌接觸力的波動(dòng)范圍及離散程度，是評(píng)判靴軌運(yùn)行質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。

式中：Fn為采樣點(diǎn)r處的靴軌動(dòng)態(tài)接觸力值，N；N為整個(gè)所測(cè)區(qū)段內(nèi)采樣點(diǎn)的總個(gè)數(shù)。

圖8所示為測(cè)試線路的動(dòng)態(tài)接觸力分布曲線，可以看出，最小接觸力為123 N，最大接觸力為211 N，滿足實(shí)驗(yàn)要求。經(jīng)在線檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)并計(jì)算，得到靴軌接觸力平均值為123.7 N，標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.1 N，滿足要求。

圖8 接觸力分布曲線

2.3 靴軌硬點(diǎn)檢測(cè)

由于硬點(diǎn)具有離散性，且是反映接觸軌平順性的重要指標(biāo)，故需對(duì)一個(gè)區(qū)間內(nèi)所有硬點(diǎn)值均進(jìn)行分析，同時(shí)輸出硬點(diǎn)最大值。本文選用硬點(diǎn)加速度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，即所測(cè)區(qū)間內(nèi)集電靴對(duì)接觸軌的垂向加速度（硬點(diǎn)），計(jì)算式為

式中：Gmax為所測(cè)區(qū)間內(nèi)最大硬點(diǎn)值；G(i)為所測(cè)的第i個(gè)垂向加速度，m/s2，0≤i≤I。

圖9所示為所測(cè)得的硬點(diǎn)分布曲線。由圖可知，上行線路的最大瞬時(shí)硬點(diǎn)為412.6 m/s2，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的集電靴垂向加速度（硬點(diǎn)）應(yīng)小于490 m/s2。

圖9 硬點(diǎn)分布曲線

綜上所述，測(cè)試線路上行線員村站至金杭站全線各檢測(cè)指標(biāo)均在要求范圍內(nèi)，具有較好的運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)，本系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)檢測(cè)準(zhǔn)確度均滿足要求，具有良好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)語(yǔ)

借鑒弓網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，本文設(shè)計(jì)了一種靴軌受流在線檢測(cè)裝置。運(yùn)用激光測(cè)距、紫外光電傳感、光纖應(yīng)變傳感和光纖硬點(diǎn)傳感等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)靴軌接觸力、集電靴硬點(diǎn)和靴軌燃弧等關(guān)鍵指標(biāo)的檢測(cè)。通過(guò)對(duì)廣州地鐵員村站至金杭站實(shí)際線路測(cè)試，本系統(tǒng)能夠檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)為4 ms的燃弧現(xiàn)象，接觸力檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)偏差為 2.1 N，最大瞬時(shí)硬點(diǎn) 412.6 m/s2，具有良好的檢測(cè)精度和靈敏度，為靴軌受流系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)估奠定良好基礎(chǔ)。下一步將對(duì)提高檢測(cè)系統(tǒng)的精準(zhǔn)度作進(jìn)一步研究，以提升靴軌系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)估的準(zhǔn)確性。