对铁路接触网激光测量系统的探讨

毛 虹

(焦煤集团计讯处，河南 焦作454150)

1 .引言

铁路接触网担负着从牵引变电所所获得的电能，直接供给电力机车使用的重要任务，它的质量和工作状态直接影响着电气化铁路的运输能力。［1－3］对其检修和维护，首先要进行有关参数(导高、承力索高度、接触网和承力索高差、外轨超高、拉出值、跨距等)的测量。随着铁路大规模提速以及高速铁路的建设，要求对接触网参数测量的速度不但要快，而且要更精确。［4］

目前国内在铁路接触网方面的测量方法主要有两种：

(1)吊杆与卷尺相结合的测量方法;

(2)激光测距仪与光学观察系统相结合的测量方法。

吊杆与卷尺相结合的测量方法，测量时间长，精度低，需要进行人工记录和计算;激光测距仪与光学观察系统相结合的测量方法，只能在轨平面垂直方向测量而不能在轨平面水平方向测量，即只能测量俯仰方向角度而无法测量方位方向角度，从而限制了对轨距、跨距、建筑侧面限界等参数的测量。

分析以上两种测量方法的优点和不足，根据接触网检修和维护的实际需求，本文研究了一种利用距离传感器、角度传感器、位移传感器、CCD摄像机和嵌入式数据处理系统，进行铁路接触网参数测量的新方法，开发了一种高性能的接触网测量系统，不仅可以测量接触网的导高、拉出值、接触网和承力索高差、外轨超高等参数，而且可以测量轨距、跨距、侧面限界、红线等参数。整个测量系统操作简便、对各个参数的测量速度快、精度高。

2 .系统的硬件组成及工作原理

系统的硬件部分由测量仪、CCD摄像组件、显示及操作面板和测量架组成，如图1所示。

测量仪用来测量目标的距离、方位角度和俯仰角度参数，它主要由半导体激光器、测距发射和测距接收部分、方位角度测量光栅和俯仰角度测量光栅等组成。

CCD摄像组件用来对测量目标进行观察和瞄准，它主要由物镜和CCD组成，其中物镜的焦距和口径根据观察目标的距离和大小来确定，CCD采用高分辨率像素以使目标的成像更清晰，从而减小瞄准误差。

显示及操作面板用来显示测量目标和测量参数信息，显示屏为3.5英寸液晶屏，在面板上布局各种操作按钮，可实现对不同参数的测量和对测量数据进行保存、删除、导出等操作。

测量架用来支撑测量仪并实现和铁轨的测量定位，测量架上有位移传感器和倾斜传感器，位移传感器用来测量轨距，倾斜传感器用来测量轨平面相对大地水平面的夹角。

系统工作原理如图2所示。把测量系统安装在铁轨上，通过旋转测量仪的高低和水平向，使测距的激光点可以精确地瞄准测量目标。测量系统瞄准光轴和激光测距光轴同轴，同时在显示屏上有十字分划，十字分划和测距激光点校为重合，则十字分划的中心压住接触网线的中心时即为精确瞄准，此时通过操作面板就可对各个参数进行测量。

A点是测量目标点，A＇是A点在轨平面内的投影，B点是A＇在两铁轨中心线上的垂足，D点是测量基准点，O是D点在铁轨1上的垂足，α是A＇D和DO的夹角，β是DA和轨平面夹角。利用三角形的边角关系计算出 AA＇(导高)和 A＇B(拉出值)等参数;再利用不同点的导高、拉出值，可以计算出水平间距、垂直高差及偏移角度。利用位移传感器测量轨距，结合倾斜传感器，便可测量出外轨超高。用光栅进行高精度角度测量，相位激光测距仪进行目标距离高精度测量。其中观察光轴、激光测距发射和激光测距接收光轴三轴重合，确保测量数据的准确性。

图1 系统组成

图2 系统工作原理

3 .测量数学模型和误差分析

测量接触网参数所用到的数据：位移传感器电阻值，倾斜传感器的角度值，测距仪的距离值和光栅的角度值。

位移传感器电阻值：5KΩ，对应距离555 mm;倾斜传感器的角度：范围［－10～ +10］°，精度1';测距仪测量的距离 L：范围［0.5～70］m，精度ΔL为2mm;

光栅的角度值：和轨平面垂直向夹角β，在轨平面内的角度α;精度Δβ、Δα为2″。

3.1 目标点在轨平面内的投影和基准轨的距离

其中L//为目标点在轨平面内的投影和基准轨的距离;L为测距仪测量目标距离;α为目标点在轨平面内的投影和基准轨法线夹角;β为目标点和轨平面夹角。

公式(1)误差传递公式为：

当α、β为0 时，ΔL//值最大：

由公式(3)知，目标点在轨平面内的投影和基准轨的距离误差主要由测距仪的误差传递影响。

3.2 导高的测量

其中H为接触线的导高;L为测距仪测量的目标点距离;β为目标点和轨平面夹角。

3.3 拉出值的测量

测量要求范围：(－600 mm～600 mm)，一般默认测量位置在铁轨左侧。

其中D为拉出值;L为测距仪测量的目标点距离;α为目标点和基准轨法线夹角;β为目标点和轨平面夹角。

4 .系统的软件部分

系统软件是专门为图像采集显示工业控制终端定制的一套软件解决方案，采用自下而上的层次化分析和构建方法，把整个系统的软件划分为操作系、设备驱动层与应用软件层，采用嵌入式linux操作系统作为应用软件的运行环境。

嵌入式系统是嵌入式操作系统和数据处理程序运行的平台，进行各种参数测量的操作控制和计算，同时对测量目标在CCD上的图像进行采集并显示。

根据外部具体接口设计接口驱动，系统应用软件具有以下几个功能：

(1)提供友好的人机界面功能，用户能够方便的进行操作;

(2)实现图像采集显示功能;

(3)可对数据信息进行记录、存储和导出;

软件部分的工作流程为：观察通道CCD图像经采集卡传给主板CPU，经处理后传给显示屏显示;传感器测量500mm处线岔间距、轨距和倾角，测量仪测量导线的斜距和角度等参数，传感器和测量仪测量的参数传给嵌入式主板ARM9 CPU进行数据处理，得到测量项目的参数，并把有用的数据保存起来，然后利用电子报表自动生成系统进行数据的归类统计，形成标准电子文档。

5 .测量系统的不确定度分析

把接触网激光测量系统放在标定的标准轨上，对标定的接触网的高度和拉出值进行测量，按照JJF1059－1999对测试结果的不确定度分量进行分析和评定，结果可得出其测量精度为±5 mm。

系统的不确定度来源主要由测量重复性、环境、测量目标位置差异和标准器引起。

5.1 测量重复性引入的不确定度分量

在标准轨的固定点，装上测量系统，进行测量，然后取下测量系统，这样重复10次类同的操作测量，测得10组数据如表1。

H是接触线高度;L表示拉出值。

表1 测量结果(测量重复性)

5.2 环境引入的不确定度分量

在标准轨的固定点，装上测量系统，对接触线高度连续10次测量，测得10组数据如表2。

表2 测量结果(环境因素)

同理可计算出标准偏差为：SH2=0.63，SL2=0.28。

5.3 测量目标的位置差异引起的不确定度分量

在标准轨的固定点，装上测量系统，对准接触线，进行测量，每测量完一次，再重新对准接触线，同样步骤进行10次测量，测得10组数据如表3。

表3 测量结果(目标的位置差异)

同理可计算出标准偏差为：SH3=0.51，SL3=0.28。

5.4 标准器引入的不确定度分量

在测量时，用10 m卷尺，准确度为II级，用其测量标准铁轨，在轨距1435 mm距离上的误差为：Δ=0.2*1.435=0.287 mm。由此引入的不确定度分量为：SL4=0.287 mm。

试验用0.02 mm/m水平仪校正标准铁轨上的平面，按最大量程轨距1435 mm计算，带来的误差为0.0287，由此引入的不确定度分量为：

5.5 合成标准不确定度

各不确定度分量为独立分量，不存在相关性，则合成不确定度为：

相关的数据带入计算可得：SH=1.2，SL=0.61。

由此可得出接触线高度和拉出值合成不确定度3SH和3SL分别小于5 mm，因而该测量系统满足精度±5 mm误差要求。

6 .结论

作为接触网测量中心任务之一的接触网几何参数自动测量，已引起国内外有关专家的极大关注。本文介绍了一种距离传感器、角度传感器、位移传感器、单CCD摄像机和嵌入式数据处理技术实现对铁路接触网参数的激光测量系统。相比国内目前的几种测量方法，这种测量系统原理正确、精度高达±5mm、速度快、测量的参数全，测量数据可自动生成电子报表格式。它将被广泛应用于铁路接触网的日常检修和维护中，对高速铁路的正常运行具有极其重要的作用。

［1］吴昌博，周洪.接触网应力实时检测及短线事故预警系统［J］.微计算机信息，2009(25)：102－103.

［2］邸荣光.准高速铁路接触网动态参数测量研究［J］.科技广场，2005(1)：90－92.

［3］于万聚.高速电气化铁路接触网［M］.成都：西南交通大学出版社，2001.

［4］吴健，张华.接触网多参数测量仪设计［J］.微计算机信息，2008(10)：47－50.