电气化铁路接触网检测小车应用研究

张 伟 上海铁路局办公室

朱 挺 上海铁路局科研所

电气化铁路接触网检测小车应用研究

张 伟 上海铁路局办公室

朱 挺 上海铁路局科研所

阐述了应用机器视觉理论研制非接触式接触网检测小车的关键技术、技术原理和路线、主要功能和技术指标、现场应用与数据分析等，采用数字成像、光学设计和三角法立体测量等技术和方法，实现了手推式接触线几何参数、磨耗和支柱侧面限界的连续测量，以及检测数据分析比对和超限值的自动判断警示，指导现场养护维修。

机器视觉；线阵列；接触网；动态检测；小车

1 前言

高速铁路的快速发展和运营品质的需求，对铁路牵引供电系统供电设备的安全运行提出了更高的要求。接触网是铁路牵引供电系统中直接与车辆接触并为之提供持续电能的供电设备。在接触网日常养护维修中对接触网几何参数及磨耗的检测是一项非常重要的工作，为科学指导接触网养护维修，保障列车运行安全起着至关重要的作用。电气化铁路一般都通过车载式接触网检测设备周期性对接触网进行检测，比如总公司CRH380等系列综合动车组检测列车。然而由于全路接触网检测车数量配置少，无法对所有路网进行有效全覆盖检测。目前，供电段、维管段各工区现场一般采用传统的便携式激光测量设备，在天窗点内对接触线几何参数进行静态点式测量，在接触线每个定位处利用激光测距仪人工瞄准捕获接触线进行参数的抽样测量，劳动强度大，作业效率低，检测功能单一。本项目研制的接触网检测小车弥补了车载检测设备缺乏以及检测频率低的缺点，并相对于现有的便携式静态测量设备，作业效率提高数十倍，操作更便捷、检测功能更齐全，检测精度更高。

2 小车检测原理

2.1 检测原理

采用国际上前沿的机器视觉技术来实现接触网几何参数的检测，是本项目的核心。检测小车采用机器视觉系统构成，主要由机器视觉光源，光学镜头，工业相机，图像采集处理模块等组成的（如图1所示）。

图1 机器视觉系统构成示意

各部分具体功能如下：

（1）光源

在目前的机器视觉应用系统中，好的光源与照明方案往往是整个系统成败的关键，光源与照明方案的配合应尽可能地突出物体特征量，在物体需要检测的部分与那些不重要部分之间应尽可能地产生明显的区别。其中结构光凭借其轻便和小功耗的优点在本项目中得到了很好的体现。

（2）光学镜头

光学镜头相当于人眼的晶状体，在机器视觉系统中非常重要。选择合适的镜头，其主要性能指标有焦距、光圈、倍率、接口等。

（3）相机

相机是机器视觉系统获取原始信息的最主要部分，目前主要使用的CMOS相机和CCD相机。目前CCD摄像机以其小巧、可靠、清晰度高等特点在商用与工业领域都得到了广泛地使用，本项目选择CCD相机。

（4）图像采集处理模块

在基于 PC机的机器视觉系统中，图像采集处理模块是控制摄像机拍照，完成图像采集与数字化，协调整个系统的重要设备。

2.2 检测小车设计

检测小车应用机器视觉原理，通过高速摄像系统辅助以线型激光发生装置，实时拍摄接触网图像。用两台CCD线阵列相机对称安装在手推式小车中心两侧，线型激光发生装置垂直于轨道方向向上发射一条激光光束，使其光轴在与相机共面构成光幕靶。由此可知，无论接触线导高、拉出值如何变化，激光光束总是能扫描到接触线。其次利用高速摄像系统沿轨道方向斜向上拍摄，利用线激光与接触线产生的轮廓有别于图像其它灰度值，可以方便迅捷的提取出接触线在整幅图像中的位置，利用三角法立体测量原理，最后通过数据分析变换处理，可得出接触线的导高、拉出值等几何参数值。

设计的测量小车采用弹性随动设计，保证小车的四个轮缘紧贴钢轨内侧运动，也就是说手推式小车在推动中是左右偏移的。用高精度位移传感器监测小车主梁的伸缩值，等同于轨道轨距的变化量，用高精度倾角传感器测量左右钢轨超高，用来补偿检测的数据值，检测小车测量出的几何参数必须通过实时修正补偿，才是正确的、有指导意义的数据，确保检测几何参数测量的正确性。

系统利用线路上接触网“之”字型的架设特点，软件智能判断拉出值的拐点，同时结合基础的杆距、杆号等综合信息，以杆号为标志定位检测数据，精度小于300 mm，解决了现场现有系统定位误差大的难题，为快速定位现场缺陷数据提供了便利，提高了作业效率。

3 检测小车的功能与主要技术指标

（1）检测速度：（0～15）km/h（手推步行速度）；

（2）采样间隔：约为1.5 mm（不受推行速度影响）；

（3）单次作业持续时间：连续工作大于5 h；

（4）故障点里程定位精度±300 mm；

（5）接触线检测范围：

导高（5 000～7 000）mm，检测精度±5 mm

拉出值（-625～+625）mm，检测精度±5 mm；

（6）接触线磨耗：磨耗残高精度±0.2 mm；

（7）锚段关节双线检测：

水平间距：范围（0～1250）mm,精度±10 mm

垂直高差：范围（0～200）mm,精度±10 mm；

（8）轨距：

测量范围（1410～1470）mm，精度±0.3 mm；

（9）超高：精度±1 mm；

（10）支柱侧面限界：范围（1000～4000）mm，检测精度±10 mm；

（11）设置接触线高度、拉出值、截比阀值，当超高、超低、超偏、磨耗超限时自动警示；

（12）设置支柱侧面限界阀值，当超限时自动警示；

（13）绘制接触线高度、拉出值、接触线磨耗等数据曲线图与数据表，自动判断是否超限；

（14）通过大数据的积累、分析，可以对不同时期、同一区段的历史数据进行比对，分析接触网状态变化规律，针对性地指导现场养护维修。

4 检测小车现场应用与数据分析

从2013年7月开始搭建实验平台进行研发，经过反复的试验找到了适合本项目的最佳相机采集模块工作模式。研究出快捷和高效的压缩算法，满足了相机在高频率下工作的要求，并测试出相机的最优工作参数，使得相机的工作频率可以达到最大而不出现丢图、漏图。

2013年11 月8日凌晨到沪宁城际安亭北站场进行动态检测试验，完成了从杆号2号至30号的完整数据采集工作（如图2所示）。

图2 样机现场作业图

系统经过一年多的现场功能验证后和现场试验，开展了小车的产品化和工艺化研究,样机在测试过程中系统运行稳定，数据重复性好，与现场激光测距仪测量值比较，数据精度可靠，已达到交付工区现场使用的条件，并在供电系统接触网养护维修中投入使用。

接触网检测数据分析系统主要分为以下功能：

4.1 数据回放

如图3所示，分别将接触线的导高、拉出值和截比作为参数，对接触网几何参数进行曲线分析，在锚段关节处，分析软件将不同的两根接触线用两种颜色表示，方便用户浏览。用户还可以在界面上通过鼠标左键进行相关区域的放大缩小及通过右键对曲线进行移动，当鼠标停留时，显示该点处的几何参数值。

图3 参数曲线

4.2 定位杆处参数查询

如图4所示，系统对38-62号杆定位点处进行参数查询，方便用户了解每个定位处的导高、拉出值等几何参数信息。

图4 定位杆处参数查询

4.3 数据分析比对

如表1所示，检测数据精度比对分析，将系统查询到的定位杆处导高拉出值与现场激光测距仪测得的导高拉出值进行比对，并分析误差，可知系统测量精确可靠，满足现场要求。个别点处产生较大误差的原因分析主要有两个方面：一是系统本身有5 mm的测量误差，另一方面是现场手持式激光测距仪的误差也有5 mm，个别情况两个因素叠加，产生较大的误差值。

表1 数据比对

4.4 数据重复性

分别对同一线路不同时间两次测量的数据进行重复性比对，系统测量重复性良好，运行稳定。

经近两年的实际应用表明，该小车测量准确、效率高、使用灵活、携带方便，满足接触网检测和维修作业要求，解决了目前存在的车载接触网检测车检测能力不足和便携式激光测距仪测量作业劳动强度大等问题，对确保电力牵引列车的运营秩序，提高供电安全性和可靠性具有十分积极和重要的意义。

5 检测小车的进一步优化措施

以手推式小车为载体，实现对接触网几何参数、磨耗和支柱侧面限界进行非接触式、连续动态检测，可在线自动分析、展示和预警检测结果或事后采用地面数据分析软件对检测数据进行回放分析，能够科学指导供电部门开展电气化铁路接触网养护维修作业。鉴于检测小车在现场两年多的应用情况来看，检测功能和指标均能达到现场应用的要求，但是后续在以下方面需要进一步优化完善：

（1）将小车的静态检测数据与总公司每旬计划的动检车动态检测数据相结合，进行数据的动静态差异比对，结合现场的信息反馈，逐步总结养修维护的经验。

（2）根据总公司的接触网6C检测设备要求，研究与6C的数据库接口协议，创建上海局接触网一杆一档数据库及管理方法，实现数据的无缝对接。

（3）优化完善小车的机械结构设计，结合应用期间在各种工况条件下的实际情况，为了更容易上、下道，检测小车轻量化设计是关键，可以对小车材料进行比选，采用碳纤维等材料代替原先的合金材料，降低小车重量，使小车上道作业、搬运更加方便，进一步减少作业人员，提高作业效率。同时，产品的工艺化设计也必须跟上步伐，在不改变功能和技术指标的前提下，融合符合审美观的现代元素，最终实现小车的轻量化、小型化，便于作业人员现场运送和操作。

（4）研究检测小车的管、用、修办法，协调组织作业天窗内小车现场实际应用，分析论证在单线、双线、直道和弯道等各种情况下检测效果，并提出确保小车稳定、可靠运用的措施。

6 结束语

接触网检测小车的研究符合高铁的发展需求，系统的开发思路及技术手段体现出了有效、易用、安全、经济的显著特色。该设备的研制成功，大大提高了我局各供电段接触网检测的能力，通过数据采集系统和分析系统，合理配置人工资源，能够实现把检测到的缺陷数据及时提供给相应的养护维修部门，通过对数据的全程回放、周期对比、结果复核和确认，进一步提高了对现场指导的准确性和实用性，为科学评估接触网状态质量，制定养护维修计划提供了一个良好的测量平台。

目前动态测量的接触网检测小车还没有其他厂家研制同类产品，可以推广到各个供电段工区级别配属，便于日常快速检测作业，也可以推广应用到城市轨道交通领域，市场推广前景广阔。

[1]朱挺.新型国产轨道交通接触网检测系统研究.都市快轨交通：2012,25 (06)：12-16.

[2]彭朝勇,高晓蓉.国外接触网导线磨耗检测系统.中国铁路,2007,(4)：66－68.

[3]王志明,殷诸成,曾慧.数字图像处理与分析[M].北京：清华大学出版社, 2012：36-37.

责任编辑：宋 飞

来稿时间：2016-08-15