电气化铁路限界及几何参数智能测量仪

茹振华

（中国铁路青藏集团有限公司拉萨基础设施段,西藏 拉萨 850000）

0 引言

铁路限界的主要作用是保证设备、建筑和机车能安全行驶在彼此的线路上，避免逾越各自的轮廓线。铁路限界对于运输安全起到了重要的保障作用，是避免发生机车碰撞的主要屏障。由于铁路限界的重要意义，因此轮廓线和几何参数的检测十分必要，传统检测手段在进行电气化铁路限界及几何参数检测时存在测量精度差、扫描盲区大等问题，要解决这些问题，需对现行的检测仪器进行创新升级，赋予其更高效、更准确的检测能力，以此让接触网的安全得到充分保障。

1 检测仪器对电气化铁路的意义

电气化铁路是指为电力机车沿途提供大量动力能源的铁路类型，这类铁路为了满足电力机车的动力需求，在沿途设置了大量的电气设备，电气设备的制造精密、构造复杂、技术密度高，因此对工作环境也有较为苛刻的要求[1]。

接触网几何参数是确保电气设备正常运作的重要前提，其参数的优劣不仅会影响到弓网的受流质量，也会对列车的安全行驶产生深远的影响[2]。当检测仪器不能在高速动态条件精准获取到接触网的几何参数，就会对接触网的安全运作带来严重的威胁。故加强仪器检测精确度成为了电气化铁路限界及几何参数智能测量仪改良的重要一环，需不断提高仪器的检测精确度，才能保证接触网的安全运作，为电气化铁路的稳定供能提供牢固的技术支持[3]。

2 传统检测仪器类别及问题

2.1 传统检测仪器类别

常见传统检测仪器有人工采用接触网几何参数测量仪、车载式激光扫描动态检测仪和断面摄像检测仪等几种，这几类仪器可以动态、精准检测电气化铁路限界及几何参数，保证电气化铁路限界及几何参数检测的精准性和可靠性。若计量检测设备在监控中发现参数数值的变化异常，将立刻进行预警和上传信息数据，便于相关人员在运作过程中对接触网的参数进行调整，保证接触网运作过程的稳定性[4]。

2.2 传统检测仪器问题

人工采用接触网几何参数测量仪、车载式激光扫描动态检测仪和断面摄像检测仪等设备尽管长期应用于铁路限界的检测，但存在检测精度不足等问题，这些问题影响最终检测结果的精确性[5]。

人工采用接触网几何参数测量仪是电气化铁路限界检测中的常见检测设备，该仪器是一种一体机设备，它的测量主机和测量架连接互为一体，仪器的主机部分功能有激光测量和垂直角度测量，测量架属于平放在钢轨中的横杆，其不足在于对限界测量的操作有较高的复杂度，测量人员需要承担的工作量会大幅度增加，对测量效率带来负面影响[6]。

车载式激光扫描动态检测仪器是以激光对限界进行动态检测的仪器，其检测速度快、效率高，是当前电气化铁路限界检测的主要仪器。但扫描盲区过大，如车载式激光扫描动态检测仪器在一些联络线、站场侧线上的检测效果不佳，因为组织行车不易，容易形成检测盲区，造成漏检等现象发生，影响到检测结果的精确性。此外，车载式动态检测的扫描间隔大，在吊柱、腕臂等地方容易形成漏检的情况，为接触网的运行埋下安全隐患[7]。

断面摄像检测仪器是基于断面判断限界是否有逾越断面，以此推导出检测结果的仪器，仪器主要通过对当前断面、前后方断面进行测距，来判定限界是否逾越断面。设备对环境的敏感度较高，如果测量场地的阳光或者环境因素的干扰较大，仪器的测量结果就容易失实，因此只适合于隧道等外界干扰因素较少的封闭环境[8]。

综上，要为接触网安全运行提供充分保障，所设计的检测仪器必须具备对环境的抗干扰能力、简易的操作程序、高效的检测过程和全面的检测覆盖。结合这些要求，拟设计一种电气化铁路限界及几何参数智能测量仪。该测量仪选择以便携式小推车为测量载体，采用激光相位扫描技术，相比上述仪器有更高的便携性，且能够快速实现对电气化铁路接触网及其相关设备限界、几何参数自动手动测量，该测量仪专门针对供电专业的相关设备进行动态扫描检测，排除了其他专业的干扰信息，不受组织行车的影响，因此检测结果有很高的精确性，测量效率也要远远高于上述三种仪器。

3 电气化铁路限界及几何参数智能测量仪的优势

3.1 便携性

该仪器以便携式小推车为测量载体，具备易携带、组装方便、手推式等优点，这些优点可以帮助检测人员快速实现对任何区段的线路巡检。如此便打破了车载式限界检测装置中，因为组织行车问题而存在大量检测盲区的桎梏。仪器可以省略轨道车出动的步骤，直接对待巡检区间进行封锁便可顺利进行检测作业，并获取到准确的接触网几何参数，为接触网的安全运作提供充分保障。

3.2 高效性

电气化铁路限界智能测量仪的效率高于人工采用接触网几何参数测量仪、车载式激光扫描动态检测仪和断面摄像检测仪等仪器。相比人工采用接触网几何参数测量仪复杂繁琐的操作，该仪器的使用程序简单、上手快，检测人员不需要花费太多时间进行操作方式学习就能掌握该仪器的操作方式，能大幅度提升检测效率。在具体的检测过程中，封锁区间后仪器能以0～5 km/h 速度对电气化铁路限界进行连续检测，人工测量效率比传统的检测仪器更高，效率优势明显。

3.3 性价比

仪器采用高频激光相位扫描技术，能对电气化铁路沿线的关键设备、关键区域进行动态自动、手动扫描测量，并通过二维建模算法生成限界断面图，有助于检测人员直观了解接触网的运作情况。同时，可以对关键部位的限界值进行自动、手动标识，超限数据报警，方便了检测人员的检测。采用该测量仪可以用较低的成本，高效、专业地解决长期以来困扰检测人员的繁杂测量工作，对于电气化铁路限界测量、管理以及维护有着较大的经济意义，能减少电气化铁路限界测量中的人工成本，提高测量效率，起到“节本增效”的作用。

4 电气化铁路限界及几何参数智能测量仪的方案设计

4.1 便携式巡检系统总体方案设计

根据设计需求，便携式巡检系统主要由七个部分组成，分别是便携式手推小车检测平台、高频激光相位扫描雷达、轨距测量模块、电源管理模块、触发模块、中央处理MCU 单元和人机交互接口，其结构图1 所示。

图1 智能测量仪的结构蓝图

测量仪整体采用模块化设计，不同的功能模块保持良好的独立性，所有的模块都可以独立拆装、维护和运输，即使后期发生元件超限，整个仪器依然能保持大部分功能，只需针对超限元件进行更换即可。

在应用该仪器检测电气化铁路限界及几何参数时，可以运用电气化铁路内部自带电子检测系统联合电子控制单元（EUC）、传感器等实现全方位检测电气化铁路内部执行器的目的，技术人员可借助电子检测仪获得超限信息，以便确定超限的位置及原因。该仪器同时还具备监测电气化铁路接触网状态的功能，当系统存在异常时警报灯处于闪烁状态，提醒系统存在超限。

该仪器存在良好的兼容性和可扩充性，电气化铁路限界智能测量仪的数据兼容可直接或者间接兼容目前路局的限界管理系统，同时采用触摸面板可对测量仪线路、状态、类型等参数进行直接交互，该仪器的测量限界可以与标准限界进行对比分析，超限实时预警，测量的限界值和断面图进行一杆一档管理、回放，并统计每一条测量线路中限界超限数量、超限值等，同时根据后期对巡检设备的要求，可以加装对应的功能模块，实现仪器的功能扩展。

4.2 主要功能模块的设计

电气化铁路限界及几何参数智能测量仪的主要功能模块共有激光相位扫描模块、自动/手动触发模块和便携式手推小车测量平台三部分。

一是激光相位扫描模块，该模块封装是该智能测量仪的核心零部件和核心算法，采用高频激光相位扫描雷达实时对电气化铁路支柱及其相关设备实时动态扫描，根据三点定位原理、三角函数关系和高斯滤波算法进行二维建模并生成供电系统关键设备的断面图，通过可视化断面图的提供，帮助检测人员判断接触网的运行情况以及是否存在逾越断面的现象。激光相位扫描模块以扫描信号为触发点，每当收到自动或者手动限界扫描触发信号时，该模块立即对触发点0.5～1.2 m 范围内的截面以20 mm 为步进单位进行覆盖式扫描检测，确保检测中不会出现扫描盲区和漏检部分。同时，激光相位扫描模块会将每一个步进帧的数据进行对比换算出离钢轨中心最近的点，即该点就为当前限界测量的实际点。当扫描完当前断面后，测量小车走行一段距离后自动触发摄像系统，以1 920×1 080 P 的分辨率拍摄并输出当前扫描断面的全景高清图像，为检测人员提供可视化的图像资料，方便检测人员观察接触网运作情况。

二是自动/手动触发模块，测量仪采用巡检线路跨距信息、里程累计光电编码器和左右激光测距传感器相结合的组合定位方式实现测量仪的全自动触发扫描。测量仪光电编码器具有自动记录和存储功能，可以自动累计检测平台的里程，并将累计的里程与线路的跨距信息进行自动化对比。当对比信息达到跨距的距离时，电编码器就会向激光相位扫描模块发送一个断面扫描信号。接收到信号的激光相位扫描模块便会开始扫描检测。光电编码器累计的里程有一定概率发生累计误差问题，每当巡检小车通过定位点的正下方时，左右激光测距仪会在扫描到定位点的同时发送处理MCU 校准信号，接收到信号的系统就会自动对跨距信息进行重新计算，这种自我校准的设计有助于消除累计误差，提高定位的精度，避免因为累计误差发生检测失准的情况。当所检测的线路存在的基础数据跨距误差较大，也会造成激光测距仪无法自动发送处理MCU 校准信号。为了应对这种情况，该模块也提供了手动触发的备用选项，当自动触发无法执行时，操作人员可以通过手动触发来执行断面扫描测量。此时结合光电编码器自动累计的里程信息，系统可以自动对当前线路基础数据中的跨距信息进行较准，方便以后测量时实时全自动触发测量。

最后是便携式手推小车测量平台。测量平台采用T形结构，总重量小于20 kg，该测量平台的单轮侧安装有U 形伸缩结构，该伸缩结构可以确保在轨距变化时，手推小车始终与钢轨紧密接触，并实时测量当前轨距变化值；同时该U 型伸缩结构还可以旋转30°，该旋转功能，实现了设备在通过钢轨道岔时不发生卡轮；小车采用折叠式推把，节约了运输时所占用的体积；小车双轮侧固定有激光相位扫描模块底座，横梁内部集成有巡检系统信号处理器、电源转换器和微型电脑。

5 结语

我国的电气化铁路数量正在增多，接触网的供能需求也在增加，为了保证接触网的稳定运作，就要结合当前检测仪器的不足之处，积极对仪器进行改进。该次所提的电气化铁路限界及几何参数智能测量仪在功能设计上克服了传统检测仪器的缺陷，能够提高电气化铁路的检测效率，因此具有良好的推广价值，值得在电气化铁路限界及几何参数检测中推广应用。