新型国产轨道交通接触网检测系统研究

朱 挺

(上海铁路局科学技术研究所 上海 200071)

随着中国城市化进程的不断深入，现代城市轨道交通运转日趋网络化和集成化。运营维护部门在做好既有线路接触网日常维护保养工作的同时，大量的新线建设、接管工作接踵而来，这也给今后的维护管理提出了新的要求。在轨道交通大发展的前提下，可以预见，现有的检测技术已无法满足日常运营检测的需要。因此，这就需要运用更先进的检测技术和更科学的分析方法，从检测技术、检测精度等方面来提高日常检修的效率。本课题研究的目标是建立接触网安全状态的监测系统，为城市轨道交通的安全可靠运行提供更完善保障。课题的研究实施，将大大提高城市轨道交通安全保障关键技术和核心装备国产化水平，首次将高速CCD机器视觉检测技术引入国内地铁接触网的检测研究，有利于打破国外铁路发达国家如日本、德国、法国等国家的技术垄断，提升我国轨道交通产业的国际竞争力，具有巨大的经济、社会、环境效益及广阔的应用和产业化前景。

1 接触网的重要性

架空接触网的标称电压为DC 1500 V，正线采用双接触线简单链形悬挂接触网，站线采用单接触线简单悬挂接触网，见图1。

在上海地铁的部分新建线路隧道内，还采用受电弓与架空刚性接触网(又称“架空接触轨”)组成的集电系统向地铁车辆供电，如图2所示。刚性接触网的接触线直接嵌入在汇流排内(见图2(b))，不承受沿线路方向的张力作用。为了与刚性接触网相区别，通常将线索带有张力的接触网称为柔性接触网。

按照固定周期实行的定期修方式，可以使接触网保持良好的技术状态。维修周期这样规定:即使在最不利的条件下，接触网设备至下一次计划维修时间点以前不会达到其极限寿命。这就需要对人员、器械和天窗点进行周密的计划，投入的费用也相应较高。与定期修同属于预防性维修方式的还有状态修，即在指定的时间表内首先对接触网进行检测，并依据检测结果对接触网的技术状态进行诊断，以决定接触网是否修理以及如何修理。时间表是综合考虑运营经验、线路等级和接触网设备状态等多方面因素后制定的。显然，状态修可以有目的且以接触网的状态为根据制定必要的修理措施，避免了无效的修理措施。状态修只限于对接触网已有的和显露出故障的部分进行修理，而识别故障又离不开技术诊断。

2 国内外接触网检测常用的手段

现在国内外主要采用两种方法获取接触网几何参数。一种是通过安装于受电弓滑条或弓架上的传感器进行接触式检测，这种方法有很多弊端:接触式检测会影响机车的受流特性;地铁接触网供电电压1500 V，与之直接接触，安全是考虑的重中之重;接触式测量方法无法检测接触网的静态值;各种接触式测量方法都要接触到接触网的导线，这必然对导线是一种扰动，将影响到测量的精度，而接触式测量方式本身也无法达到非常高的精度;测量频率低，一般最大为1000 Hz，无法细致地描绘出接触网的连续几何状态;无法描绘出线路接触线坡度的变化过程，特别是在吊弦的设置处;无法检测定位器坡度;无法测量接触线的磨耗值等等。

另一种方法则通过对车顶高速摄像机拍摄的图像进行实时处理，可实现非接触式检测。这种方式几乎克服了以上接触式检测的所有缺点，在检测的同时丝毫不会影响列车的正常运营。同时，检测设备安装在受电弓近端，可以实时检测接触网的动态几何参数;安装在受电弓的远端，可以检测接触网的静态几何参数。通过同一段线路对接触网动、静态数据的科学比较，还可以分析接触网安装的弹性情况，用以直接指导现场的养修维护作业。所以，非接触式检测方案成为国外弓网检测技术的发展趋势，国内行业专家也都对此有了清醒的认识。

3 城市轨道交通接触网与铁路接触网在检测方式中的差异

目前，国外铁路发达国家均针对接触网的非接触式检测开展了深入的研究，并有了相关的检测设备问世，如日本的黄色医生检测列车、德国DB公司的检测设备、法国的吉斯马公司的检测设备等。但是，所有这些知名公司均是针对铁路的接触网而开展研究，没有专门针对城市轨道交通接触网进行过细化深入研究。

第一，城市轨道交通可以看似大铁路的一个缩影，其实在接触网领域与铁路有着较大的差异。如铁路接触网采用的是单线授流，而地铁采用的是双线授流，被测目标物增加1倍，在锚段关节处就会出现4个目标，给图像的自动识别带来了较大的困难;第二，地铁的线路建设基本以隧道为主，特别是上海近几年开通的6号线、8号线、10号线等，这些线路接触网都是采用刚性连接，与铁路接触网的柔性连接完全不同，用机器视觉技术进行识别背景反光干扰过大，而且刚性接触网的安装检测精度要远远高于柔性接触网，另外还要监测槽钢安装的水平度，铁路接触网无槽钢布置;第三，刚性接触网安装高度很低，在上海地铁最低安装要求是距离 3970 mm，最高 5000 mm，而车辆高度为3800 mm，车顶无法安装设备，其他地方空间有限，即使相机的视角能勉强兼顾接触网的拉出值范围，景深问题也难以满足;第四，铁路接触网相距大约50 m左右有一个定位杆，按“之”字形设计，而地铁每隔7～8 m设一个定位杆，之间并不是按照“之”字形设计，对于用拐点来判断定位杆的位置就无法实现，给定位杆的识别判断带来干扰;第五，因地铁线路都是隧道为主，无法接受GPS信号，铁路GPS辅助定位杆的里程定位方式无法照搬，需要专门开发一个图像识别软件，利用拍摄的定位杆图像，准确实时识别判断杆号的存在来辅助里程定位;第六，铁路设计的接触线安装坡度不大于3‰，高铁线路要求不大于1‰，而地铁柔性接触线的安装要求是不大于15‰，对于利用被测物体的反射原理来实现的检测手段，对于光源的发射角度设计更加复杂与苛刻。

4 检测原理

4.1 接触网几何参数及磨耗的检测原理

如图3所示，用2台高速线阵列CCD相机安装在车顶中心位置两侧，使其光轴在车顶相机视角重叠部分即构成光幕靶(图中阴影部分)。设相机光轴和车顶的夹角为α0和β0，相机光轴所在的平面和车顶平面成60°夹角，基线长度为d0，相机的视场角为ω，焦距为f，CCD线阵列的长度为l，则场角为当接触线出现在靶面上，相机获得接触线图像，经过计算得到接触线的角坐标φ和φ，根据系统参数(α，d0，f)和接触线的角坐标φ和φ，便可得到接触线的坐标值。

图像处理软件根据接触线在相机上的成像高度，像素的灰度变化，P点的坐标等诸参数，可计算出接触线几何参数和磨耗。由于接触网出现的高度范围为3900～5000 mm范围内，相机因为安装距离过近，景深无法满足，只能采取模糊算法来提取图像的边缘，牺牲了部分检测精度。所以，要满足课题检测精度的要求，需要建立更加精确的实验室静态数学模型。

4.2 接触网定位器坡度及槽钢水平度的检测原理

Radon变换法直线检测原理是:在图像领域，Radon是计算图像在某一指定角度射线方向上投影的变换。二维平面函数I(x，y)的Radon变换为

式中，D为整个图像平面，I(x，y)为图像上点的灰度值，ρ为I(x，y)上的点在投影线上的投影点到中心点的距离，θ为投影线与水平轴的夹角。Radon变换将图像从灰度平面I(x，y)映射到参数(ρ，θ)平面，对图像函数求出各个θ值的投影，从而对图像全角度观察。若图像中存在直线，直线在法线方向投影最大，在参数平面(ρ，θ)形成一个峰值，通过提取峰值对应的(ρ0，θ0)，可以得到图像平面中直线的斜率和偏移量。检测到两直线粗略的角度t后，在［t－2，t+2］区间用 Radon变换，搜索间隔为 0.1 ，将像素空间(x，y)点映射到参数(ρ，θ)空间。在空间(ρ，θ)中按10像素间隔，去除最大点周围的虚点，求取两直线并计算夹角，结果显示可以达到0.1°的精度。效果如图4～图5所示。

5 实施过程

设备配置图如图6所示。在车厢的顶端、受电弓安装位置附近的侧面端墙上安装车顶检测装置。检测装置含两个高速CCD线阵列相机、LED辅助照明光源、机械安装支架。两台相机连接到下方车厢内的控制机柜，图像实时采集处理速度6000帧/s，若地铁车辆运行速度最高为120 km/h，间距6 mm拍摄处理一张接触线横截面图像，以满足检测要求。

定制LED光源模块以一定的角度两侧对称安装，产生碗状的布局效果，使产生的光照度均匀且集中地在接触线可能出现的区域形成光幕靶，根据背景光的强度变化由光源控制卡控制光源的照度。

图6 设备配置

接触网几何参数及磨耗检测装置在车厢内配置1个专用检测柜、2台工业服务器，前台服务器协调2台摄像机的同步摄像，以6000帧/s的速度采集接触线图像，控制摄像照明光源照度和照明区域，将采集到的数据通过以太网传送到后台处理服务器。后台服务器计算图像的背景光照度、用背景光照度补偿接触线磨损处图像的灰度以及接触线未磨损处图像的灰度，实时确定接触线两处图像的灰度差，根据背景光照度、接触线两处图像的灰度差和接触线横截面宽度滤除背景图像，找出接触线的真实图像。利用检测原理中描述的方法计算出接触线的几何位置;建立接触线图像的灰度曲线、找出灰度曲线的拐点和极值点，精确计算出接触线图像边缘和磨损面的棱，最终计算出接触线的各类几何参数和磨耗值。由于高频度(6000帧/s以上)采集接触线的图像，每个图像又由4 k像素点组成，这些海量的数据以及图像处理软件的复杂性、图像处理的实时性，造成图像处理完成后的数据比原始图像数据成数量级地减少，最终经过仿真试验后采用两台服务器的技术方案，以前后台的形式完成图像的采集和处理。

检测梁内还以一定角度安装有一个CCD面阵列相机，采用背光原理，拍摄列车前进方向接触网定位器或者槽钢的图像，并实时解析。首先，判断图像中是否存在定位器或者槽钢目标物，同时根据编码器提供的信息确定与前一个目标物的对应距离是否在合理范围内，根据该线路预先建立的杆号或槽钢的安装编码规则确定当前目标物对于线路的实际里程，起到精确定位作用。同时，根据Radon变换法直线检测原理计算出当前目标物与钢轨面形成的水平夹角。

由于车辆在运动状态下可有多种姿态并存，包含车厢相对于车辆转向架发生的平移、俯仰、侧滚等，对于地铁刚性接触网，导高检测如果误差大于3 mm，那么检测的目的将变得毫无意义。因此，迫切需要引入高频率的车辆姿态检测识别技术用以修正接触网检测设备的测量值，整个检测系统才有真正的实用性和强大的生命力。对此，需要在车辆底部两侧各安装一个CCD相机及激光位移传感器，辅助以图像实时识别技术来记录车辆的运动姿态，如图7所示。

图7 车辆姿态检测设备构成

在车辆两侧转向架上安装一平面反光标记，用激光位移传感器测量车厢与转向架的垂直位移，同时，利用CCD相机拍摄反光标记，用来测量车厢与转向架之间的左右水平位移，以达到监测车辆运动姿态的效果。

同时，为了解决受电弓的拉弧检测以及观测运营车辆的弓网接触受流情况，在车顶相关位置安装数个高分辨率高频面阵列相机，辅助以合适的LED光源，保存海量现场图像。两个系统用同一时钟驱动，对于上一个系统接触网几何参数及磨耗检测装置发现的病害缺陷，视频监控系统可以随时调取该区段的图片用以人工辅助判断。

6 研制过程中应用的技术关键及创新性

检测接触网各项目的状态参数，实时获取其运行状态，需要根据不同形式的接触网特点设计、研制。接触网参数检测是在列车运行过程中对接触网自身的几何位置、磨耗等参数进行动态测量，以此来评价接触网的运行状态，及时发现隐患和预警提示，以确保其良好的技术状态，保证城轨的安全运营。城市轨道交通接触网的状态关系到列车的运行动态性能，直接影响到列车的安全运行。

采用共面线阵摄像机的三角法立体测量技术研究，提高接触线几何参数和磨耗检测分辨率;采样频率大于5000 Hz，以列车时速100 km运行，平均5 mm就检测一个点，可以完整地检测到由于施工等原因对接触网硬弯造成局部的过度磨耗，预防断线事故的发生;提供了解决地铁刚性接触网槽钢水平度检测及柔性接触网双定位杆的定位器坡度的检测手段;实现地铁接触网的在线实时监测，把缺陷数据实时通过车载ATP信号发送到整个大系统的安监平台，由技术人员实时判断，提供决策依据，提高国内在接触网监测效率和信息化水平。

安装在运营车辆上的检测装置，在其空间位置基本确定的情况下，接触线的波状磨耗成为其运营监测的重点。检测接触线磨损、偏磨、导高、拉出值、两线间距和高差、锚段关节、定位管坡度、槽钢水平度等相关数据，进而将不同时期、同一区段检测的历史数据及波形进行实时对比，对超标和变动量大的参数进行预警提示。在同一条地铁线路上刚性接触网和柔性接触网并存，检测装置能自动切换检测模式和输出对应的检测参数，研究适合车载而又能适应两种类型的接触网，并自动切换检测模式的参数检测设备则是另一个创新点。

移动检测设备在轨道线路上的具体位置需要与检测断面内的接触网参数相对应，以便确定接触网缺陷点位置，方便现场技术人员的维护调整，系统采用图像自动识别技术来判断定位杆或槽钢的位置，使故障点的定位精度达到300 mm以内，将采集的故障数据及时传输至安监平台，便于及时处理接触网的缺陷是系统的另一个创新点。

7 结语

城市轨道交通从单线运营向网络化运营，对运营和维护管理提出了新的课题。信息化研究与应用将对先进的管理理念和检测手段提供强有力的支撑，实现从战略向战术的成功转变，可达到世界先进城市的地铁管理和检测水平，确保城市轨道交通安全可靠运营;本课题在上海地铁运营网络的示范将对整个网络化管理体系的信息化奠定基础;对国内其他城市轨道交通信息化起到积极的推进和示范作用，具有深远的社会效益。通过本课题的研究，可显著提高维护保障管理效率，降低轨道交通接触网在线故障率，确保接触网装备维修质量，保障地铁车辆安全可靠地运营，同时可提高装备维修效率，降低维修成本。

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