基于视觉测量的接触网几何参数检测系统设计

基于视觉测量的接触网几何参数检测系统设计

卢波,张井玉,郭雪

中车唐山机车车辆有限公司 河北 唐山 063035

摘要：受电弓与接触网构成的弓网关系是运营电客车与接触网相互作用的复杂系统，其健康状况对城市轨道交通的安全运营产生直接影响。接触网几何参数检测技术的发展关乎电气化铁路能否实现安全、高效的运营。本文主要介绍了接触网几何参数检测系统检测方法及方案，研究成果可以应用于运营列车上。

关键词：接触网几何参数；视觉测量；轨道交通

1. 概述

接触线高度，即接触网导线高度是指轨面与接触线在垂直方向上的距离，它是接触网一个主要技术参数。接触线拉出值是指接触线与轨道中心线在水平方向上的距离。接触线几何参数（包括接触线高度和拉出值）是接触网自身的结构参数之一，其取值直接关系弓网运行安全。据统计大部分的刮弓事故都是因为拉出值调整不当而造成的。接触线拉出值可以使运行中的列车受电弓滑板的工作面与接触导线进行之字形式的滑动摩擦，以达到防止滑板表面出现沟槽，延长受电弓使用寿命的目的，保证接触线与受电弓接触、不发生脱弓，避免因刮弓造成的弓网事故。针对这个情况，需要定期测量接触网几何参数。

目前，对于接触网参数检测主要分为接触式与非接触式两类。接触式检测主要通过在接触网的零部件上安装各式传感器来获取弓网动力学参数。此类检测多是通过人工方式进行静态检测，缺乏准确性与实时性，效率较低，无法满足高速铁路发展的要求。与接触式检测不同，非接触式检测手段主要通过激光、雷达、工业相机等装置采集数据并获取接触网弓网参数，进行数据分析之后对弓网系统工作状态进行评估。非接触式检测以其行车干扰小、通用性好、便于安装使用等优势，在实际接触网检测中，获得了越来越广泛的应用。随着我国电气化铁路的快速发展，检测方式正在大幅度向快速化、自动化、智能化方向发展，在接触线几何参数检测中，非接触式检测逐渐成为研究重点。

2. 系统功能

接触网几何参数检测系统采用非接触式检测方案，用于测量电气化线路刚性、柔性接触线的拉出值、导线高度、接触线水平间距、接触线垂直高差、导线坡度等动态几何参数。检测系统既可以搭载于特定的检测车上，也可以安装于运营列车上，在列车的行驶过程中，实现对接触网动态几何参数的高速、可靠的高精度测量。

3. 光视觉测量映射算法

基于线结构光单目主动视觉测量原理，采用一台3D相机和线激光传感器构成一组视觉测量装置，用于采集检测目标的三维视觉表面轮廓数据，根据受电弓与接触网交点的坐标位置及相机的标定结果，计算出接触线与车顶的距离H，以及拉出值L。由于标定时的结果是离散的，因此需要使用双线性插值获得H与L。图1为导高与拉出值测量原理图。

图1 导高和拉出值测量原理

图1中，Q11、Q12、Q21、Q22为标定结果中的已标定点，P为原始图像中接触线与受电弓的交点。设P为标定结果图，则有：

当使用导高H的标定图时，P(x,y)表示计算得到的导高值；当使用拉出值L的标定图时，P(x,y)表示计算得到的拉出值。

4.系统组成

接触网几何参数检测装置按相对于车体的安装位置分为车顶装置、车内装置和车底装置，整个系统组成如图2所示：

图2 接触网几何参数检测装置系统组成图

整个系统架构可分为：车顶采集单元、车内处理单元和车底补偿单元，它们的具体功能如下：

车顶采集单元：为主要的检测器件，分为几何参数采集装置和智能一体机两个部分，其中几何参数采集装置由三套结构光测量组件构成，测量范围涵盖刚性接触网和柔性接触网的架设区域，负责对车顶接触网的空间位置进行自动测量；智能一体机由监控相机、红外温度测量仪和紫外光子检测传感器三个部分构成，负责对车辆行驶过程中的弓网监控视频、接触温度和燃弧信息进行采集处理。

车内处理单元：主要包括处理主机和电源模块两个部分，其中处理主机控制各个采集单元协同工作和数据融合，对采集到的传感器数据进行算法处理，得到接触网几何参数，完成数据波形显示和存储、报表生成和打印等功能，是整个测试系统的控制核心；电源模块负责对整个测试系统进行供电管理。

车底补偿单元：由2套结构光测量组件构成，分别安装于车体下方左右两侧，负责对测量过程中检测列车随机振动而引起的测量误差进行动态补偿，修正接触网几何参数检测误差，使之更加接近静态真实值，从而提高检测精度。

4. 系统测量原理

几何组件和振动补偿组件的测量原理相同，均为光截测量原理。组件由一台面阵相机和一个线激光组成，线激光将被测物的轮廓打亮，面阵相机拍摄此轮廓线。轮廓线在面阵相机不同成像位置计算出被测物相对组件的高度和横向偏移。几何组件是测量接触线最低点到组件的水平高度和左右偏移，振动补偿组件是测量钢轨面相对于组件的水平高度和左右偏移。将两个部件的测量结果叠加即能够算出接触网和轨道间的相对位置关系，即为接触网几何参数。

车顶各个几何组件采集并计算接触线的几何参数，并将数据通过千兆网线传输到车内主机；车内主机对采集到的信号进行分析处理，同时分析车底补偿组件的计算的车辆相对于轨道的位移数据，将两份数据融合，计算接触线相对于轨道的位置关系，即几何参数。同时车内主机采集测速雷达或者速度编码器传输来的速度信号，通过对速度的积分计算车辆的里程，将检测的接触网几何参数对应里程信息，输出报表。

5. 结论

本文对接触网几何参数测试技术进行了研究，基于非接触式检测的研究思路，研制了一套高效可靠的接触网几何参数在线检测装置，本装置安装便捷，使用方便，能够实现高精度测量和精确定位，可以应用于运营列车上，不干扰行车，使运营部门能够及时掌握接触网的运行状态，有针对性的制定相应的运营和维修管理计划，指导工程人员作业。