非接触式车载动态接触线几何参数测量技术的发展与应用

2023-12-09陶前林李华权

机电产品开发与创新 2023年6期

陶前林，方林，李华权

（合肥中车轨道交通车辆有限公司，安徽合肥 230011）

0 引言

随着国内城市轨道交通建设的逐步铺开，多个城市开始了地铁时代，而作为一种最广泛使用的城市轨道交通电客车受流方式，受电弓与接触线的滑动接触受流使用范围非常广阔，接触线的日常健康监测和维护需求日益增长，如何能够高效、准确、智能的开展这项工作逐渐成为多家地铁运营单位的迫切需求，本文就基于安装在电客车上的动态接触线几何参数测量方案，进行分析及比较研究。

1 技术描述

1.1 技术说明

本文中主要介绍、比较的2D 及3D 版本方案，均是基于非接触式测量方式，通过将接触线几何参数测量系统安装于运营车辆上，在列车运行期间，对接触线几何参数实时进行测量、分析及统计，并可实现对异常现象进行预警、报警，利用车载定位功能实现对异常的精确定位，达到提升接触网维护效率的目的。

列车运行过程中，会在不同方向上发生不同程度的振动、摆动，对于导高、拉出值的测量而言，影响最大的是侧滚振动与浮沉振动。本方案采用车底振动补偿置于两侧轨道的上方，测量它们距离轨平面的距离分别为d1，d2，测量两车底振动补偿间距为d，车顶检测设备位置为O'，车底与车顶检测设备距离为H，建立XOY 坐标系（见图1）[1]，其中P 为接触网与受电弓的交点。

图1 导高值及拉出值测量分解计算原理

本方案可实现接触线导高值、拉出值、线间距、坡度、跨距内高低差、磨耗等几何参数的精确测量。

1.2 接触线导高值及拉出值检测原理

几何参数检测原理根据车顶测量方式及采用的设备不同，可区分为2D 版本及3D 版本，但究其原理均相通，均是为了获取车顶平面至接触线的距离。

基于上述图的分解，在整个车辆动态条件下，接触线的导高值h' 以及拉出值s' 的测量原理具体如下：

（1）导高值测量。静态条件下，导高值可分解为两部分进行计算，即车顶平面至接触线的高度h1，加上车顶平面至轨平面的高度h2，其中h1由车顶测量设备直接测量得出，h2由车体高度及车底平面至轨平面的高度组成，在静态条件下h2为固定值，即h'=h1+h2。

但在动态条件下，由于车体本身可能处于侧滚或沉浮振动，车底平面至轨平面的高度是不等的，就需要借助车底模块的测量数据予以修正。因此，动态条件下的导高值由三部分组成，分别是车顶平面至接触线的高度在Y轴的投影h1，加上车体高度在Y 轴的投影h2，加上车底平面至轨平面的高度在Y 轴的投影h3，其中h1也是由车顶测量设备直接测量得出，h2为固定值，h3由车底振动补偿模块计算得出，即h'=h1+h2+h3。而由于h3是随着车体运动实时计算，采用时间戳或控制线与车顶设备测量保持同频率，因此，测量精确度非常高。

具体的计算过程如下：

根据图1 可知，在动态条件下，车体的摆动角度α 为：

车顶平面为基准中，O’P 与OO’延长线的夹角β 为：

其中，s 及h 值为车顶测量设备直接计算得出。因此，整个导高值h' 计算结果为：

（2）拉出值测量。拉出值测量的原理与上述导高值测量原理相同，在静态条件下，拉出值即为车顶测量设备直接测量出的s'，在动态条件下拉出值s'也被分解为两个部分进行计算，即车顶中心点O'在X 轴上的投影s1，加上O'P在X 轴上的投影s2，如图2 所示。

图2 动态条件下的拉出值计算说明

具体的计算过程如下：

按照上述方法，亦可计算出其他所需测量的如接触线坡度、跨距内高低差等其他几何参数。

通过上述方法的介绍，也已知晓在几何参数测量过程中，车顶与车底的测量数据非常重要，由于车底环境的特点，车底振动补偿模块普遍采用激光三角测距模块即可便捷的实现补偿修正功能，而车顶设备因测量数据的种类及其他要求，有着不同的版本方案可以实现不同测量效果。具体介绍如下。

1.3 接触线磨耗检测原理

若需检测接触线磨耗，则需利用2D 方案中的激光三角测距模块或3D 方案中的3D 相机，激光雷达无法实现。

采用机器视觉及接触线定位跟踪图像识别技术，利用高清成像相机组，动态获取接触线的断面图像，进而调用接触线定位图像识别算法及磨耗计算算法，实时测算接触线的残存直径w，进而计算出接触线磨耗值x[2]。根据此原理，利用接触线几何参数及磨耗检测模组来对接触线的轮廓进行捕获，获得的轮廓与标准接触线轮廓进行比对，然后再根据几何校正，即可获得接触线磨耗程度，再利用剩余直径计算公式，即可获取磨耗高度值（见图3）。

图3 接触线磨耗高精度测量

根据《普速铁路接触网运行维修规则》（TG/GD 116—2017）中对接触线磨耗损伤的定义，磨损面积的15%为警示值，磨损面积的20%为限界值，可在系统内预设上述为阈值，实现智能计算及故障预测。

根据图3 中的分析，剩余高度d 的计算公式如下：

1.4 接触线高低差及导线坡度检测原理

利用上述导高、拉出值的计算方法，连续测量来获得跨距范围内的接触线高度值。导线坡度是指接触线高度变换情况，即A、B 两点之间的接触线高度差除以两点之间的距离的千分比。

未经补充的拉出值a、导高h、导线坡度i 和跨距内接触线高低差（Ha-Hb）的计算如下所示。

2 发展方向

2.1 2D 版本接触线几何参数检测系统方案

2D 版本接触线几何参数检测原理，是通过在车顶设备内设置的激光雷达或几何参数测量模块及车底振动补偿模块，来获得导线的拉出值（s'）、导高值（h'）的检测，利用车底振动补偿设备可修正列车在动态条件下的测量偏差。

2.1.1 选用激光雷达的系统方案

选用激光雷达设备作为车顶测量设备时，激光雷达在车顶安装面上打出扇形激光测量区域，接触线将清晰的显示在图像中，并在系统内建立以车顶平面为X 轴，垂直车顶平面的方向为Y 轴的二维坐标系，坐标系原点在激光雷达，此时，可直读此时车顶平面至接触线的s 值及h值，并自动计算出夹角β。通过上述两值，系统可计算出接触线的s 值及h 值，此时，仅需将s 值及h 值带入，软件即可计算出当前接触网导高值及拉出值，如图4、图5 所示。

图4 激光雷达测量界面

图5 激光雷达测量原理

激光雷达以激光作为载波，其工作原理是通过测量发射信号与被目标反射回来的回波信号之间的时间差获得距离信息[4]。目前适用于电客车车载的激光雷达型号要求比较高，要求具备抗冲击振动、高防水防水防尘等级、使用寿命及免维护周期较长等要求，因此，多采用脉冲信号法进行测距。脉冲法激光测距通过激光雷达的信号处理系统控制发射端发出激光脉冲，与目标物体接触后产生漫反射，雷达接收端捕捉到反射后的激光，通过高精度的时间计数器测量激光在大气空间中的飞行时间，由于激光在自然条件下的传播速度是恒定的，进而可以计算出目标与激光雷达之间的距离[5]。

当采用激光雷达对接触网导高值及拉出值时，电客车静态条件下，测量数值会出现跳动现象，这是由于接触线下部为半圆形，脉冲信号在扫描到接触线时，每次扫描的点并不相同，如图6 所示，两次扫描点存在高低差，差值最大为激光与导线切点所在弦与导线底部切线的高度差，因此，最终测量数值可能出现较大幅度跳动。当车辆静止时，尚可采取多点测量取最小值方法，但当车辆正线运营时，受限于激光雷达扫描频率，每个点不可能被扫描多次，导致数据偏差增大。

图6 激光雷达测量误差图示

表1 为选装激光雷达方案的某城市弓网监测系统实测数据，通过车载系统的检测数据与人工测量的数据对比可以发现，测量偏差较大，如图7、图8 所示。。

表1 部分区间测量数据对比

图7 部分区间接触线导高值测量数据对比

图8 部分区间接触线拉出值测量数据对比

2.1.2 选用激光三角测距模块的系统方案

选用激光三角测距模块时，需使用线激光器与2D 相机（CMOS 图像传感器）组合，采用机器视觉算法在图像中识别接触线，并根据受电弓和接触网的交点的坐标位置，计算出接触线与车顶的距离Ha，以及拉出值L。由于标定时的结果是离散的，因此可使用双线性插值获得Ha与L，见图9。

图9 三角测距测量原理图

图中Q11Q12Q21Q22为标定结果中的已标定点，而P 是原始图像中接触线、受电弓的交点。设P0为标定结果图，则有：

激光三角测距模块中的激光器选用线激光器，在200mm 至500mm 高度范围内形成线宽不超过1mm 的线型激光，激光线长度不小于1200mm，覆盖接触线拉出值范围（±450mm）。在该模块中，激光器垂直向上投射激光线，相机以一定角度倾斜安装并捕获接触线。激光平面与接触线截面相交后，会在接触线（汇流排）上形成一条高亮的接触线激光轮廓曲线（见图10），车内服务器对捕捉到的轮廓曲线进行解析。

图10 激光三角测距实测效果

CMOS 传感器镜头选用与激光器发射激光波形频率相同的滤光透镜，过滤背景光线，使其图像中仅体现接触线反射回的光线图形，如下图。当接触线的位置发生改变时，其所成的像在CMOS 图像传感器中也发生相应的位移。通过像移和实际位移之间的关系式，真实的物体位移可以由对像移的检测和计算得到[6]。

由于激光三角测距中，接触线图像完整且明确，可以轻易分辨接触线端部位置形状，并且图像在车辆静态与动态条件下没有明显差异，更适合动态条件下对接触线几何参数实现高精度测量。因此，在实际测量过程中，测量精度较高，与人工测量误差较小。

表2 为选装激光三角测距模块系统方案的某城市弓网监测系统实测数据，可以明显看出其测量偏差较小，如图11、图12 所示。

表2 部分区间测量数据对比

图11 部分区间接触线导高值测量数据对比

图12 部分区间接触线拉出值测量数据对比

2.2 3D 版本接触线几何参数检测原理

3D 版本选用激光结构光3D 相机，在运营车车顶安装3D 相机组件，垂直向上拍摄接触网，获取接触网的3维坐标（见图13），再结合振动补偿，通过坐标变换计算得到接触网导高及拉出值。

图13 刚性接触网及柔性接触网3D 测量实例

通过3D 相机建立的3维坐标系，可直接计算出接触线的s 值及h 值，测量计算原理同2D 方案。

激光结构光3D 相机属于主动式深度图像获取技术，是指目标发射电磁波或激光等能量信息，然后收集从目标反射回来的能量信息的传感器[7]。由于采用的是3D视觉成像，对于测量目标的深度、高度等三维数据可以直接进行三维重建，实时测量深度、高度信息，并且测量范围大，近端视野通常可以达到1100mm×900mm 以上，远端视野通常可以达到3000mm×2000mm 以上，测量精度更是可以达到0.5mm 级别，能够覆盖整个柔性及刚性接触网组件，甚至可以取代接触网关键悬挂测量相机，对接触网关键悬挂进行缺陷检测。

目前，激光结构光3D 相机在车载接触网检测技术上已在开展应用性研究，现有的2D 方式对接触网健康状态进行实时检测需要采用的2D 相机数量较多，每台2D 相机仅能负责单个功能甚至是单个部位的检测，但3D 视觉相机可以直接进行三维重建，测量精度也可以达到0.5mm 级别，采用2 台3D 视觉相机相对布置即可实现对全部接触网组件的扫描，而未来在3D 视觉相机成本进一步降低，测量稳定性进一步提高后，具备较大潜力替代现有2D 方式对接触网进行实时健康检测。

3 硬件配置方案

3.1 整体配置方案

本文中所提到的非接触式接触线几何参数测量方案，其中的硬件共涉及车顶、车内、车底三个部分，车顶部分几何参数测量模块整体集成于车顶数据采集模块内部，用于采集几何参数数据，本文介绍的各项方案均为车顶几何参数测量模块方案，车内部分为车载服务器，用于数据的计算、分析、处理、储存，车底部分为车底振动补偿模块，分别照射2 侧钢轨，计算车辆动态条件下的车底平面至轨平面的距离。各方案仅在车顶部分硬件有所不同，其他部分均相同，如图14 所示。