新型國產(chǎn)軌道交通接觸網(wǎng)檢測系統(tǒng)研究

朱 挺

(上海鐵路局科學(xué)技術(shù)研究所 上海 200071)

隨著中國城市化進(jìn)程的不斷深入，現(xiàn)代城市軌道交通運(yùn)轉(zhuǎn)日趨網(wǎng)絡(luò)化和集成化。運(yùn)營維護(hù)部門在做好既有線路接觸網(wǎng)日常維護(hù)保養(yǎng)工作的同時(shí)，大量的新線建設(shè)、接管工作接踵而來，這也給今后的維護(hù)管理提出了新的要求。在軌道交通大發(fā)展的前提下，可以預(yù)見，現(xiàn)有的檢測技術(shù)已無法滿足日常運(yùn)營檢測的需要。因此，這就需要運(yùn)用更先進(jìn)的檢測技術(shù)和更科學(xué)的分析方法，從檢測技術(shù)、檢測精度等方面來提高日常檢修的效率。本課題研究的目標(biāo)是建立接觸網(wǎng)安全狀態(tài)的監(jiān)測系統(tǒng)，為城市軌道交通的安全可靠運(yùn)行提供更完善保障。課題的研究實(shí)施，將大大提高城市軌道交通安全保障關(guān)鍵技術(shù)和核心裝備國產(chǎn)化水平，首次將高速CCD機(jī)器視覺檢測技術(shù)引入國內(nèi)地鐵接觸網(wǎng)的檢測研究，有利于打破國外鐵路發(fā)達(dá)國家如日本、德國、法國等國家的技術(shù)壟斷，提升我國軌道交通產(chǎn)業(yè)的國際競爭力，具有巨大的經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境效益及廣闊的應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化前景。

1 接觸網(wǎng)的重要性

架空接觸網(wǎng)的標(biāo)稱電壓為DC 1500 V，正線采用雙接觸線簡單鏈形懸掛接觸網(wǎng)，站線采用單接觸線簡單懸掛接觸網(wǎng)，見圖1。

在上海地鐵的部分新建線路隧道內(nèi)，還采用受電弓與架空剛性接觸網(wǎng)(又稱“架空接觸軌”)組成的集電系統(tǒng)向地鐵車輛供電，如圖2所示。剛性接觸網(wǎng)的接觸線直接嵌入在匯流排內(nèi)(見圖2(b))，不承受沿線路方向的張力作用。為了與剛性接觸網(wǎng)相區(qū)別，通常將線索帶有張力的接觸網(wǎng)稱為柔性接觸網(wǎng)。

按照固定周期實(shí)行的定期修方式，可以使接觸網(wǎng)保持良好的技術(shù)狀態(tài)。維修周期這樣規(guī)定:即使在最不利的條件下，接觸網(wǎng)設(shè)備至下一次計(jì)劃維修時(shí)間點(diǎn)以前不會達(dá)到其極限壽命。這就需要對人員、器械和天窗點(diǎn)進(jìn)行周密的計(jì)劃，投入的費(fèi)用也相應(yīng)較高。與定期修同屬于預(yù)防性維修方式的還有狀態(tài)修，即在指定的時(shí)間表內(nèi)首先對接觸網(wǎng)進(jìn)行檢測，并依據(jù)檢測結(jié)果對接觸網(wǎng)的技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行診斷，以決定接觸網(wǎng)是否修理以及如何修理。時(shí)間表是綜合考慮運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)、線路等級和接觸網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)等多方面因素后制定的。顯然，狀態(tài)修可以有目的且以接觸網(wǎng)的狀態(tài)為根據(jù)制定必要的修理措施，避免了無效的修理措施。狀態(tài)修只限于對接觸網(wǎng)已有的和顯露出故障的部分進(jìn)行修理，而識別故障又離不開技術(shù)診斷。

2 國內(nèi)外接觸網(wǎng)檢測常用的手段

現(xiàn)在國內(nèi)外主要采用兩種方法獲取接觸網(wǎng)幾何參數(shù)。一種是通過安裝于受電弓滑條或弓架上的傳感器進(jìn)行接觸式檢測，這種方法有很多弊端:接觸式檢測會影響機(jī)車的受流特性;地鐵接觸網(wǎng)供電電壓1500 V，與之直接接觸，安全是考慮的重中之重;接觸式測量方法無法檢測接觸網(wǎng)的靜態(tài)值;各種接觸式測量方法都要接觸到接觸網(wǎng)的導(dǎo)線，這必然對導(dǎo)線是一種擾動，將影響到測量的精度，而接觸式測量方式本身也無法達(dá)到非常高的精度;測量頻率低，一般最大為1000 Hz，無法細(xì)致地描繪出接觸網(wǎng)的連續(xù)幾何狀態(tài);無法描繪出線路接觸線坡度的變化過程，特別是在吊弦的設(shè)置處;無法檢測定位器坡度;無法測量接觸線的磨耗值等等。

另一種方法則通過對車頂高速攝像機(jī)拍攝的圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，可實(shí)現(xiàn)非接觸式檢測。這種方式幾乎克服了以上接觸式檢測的所有缺點(diǎn)，在檢測的同時(shí)絲毫不會影響列車的正常運(yùn)營。同時(shí)，檢測設(shè)備安裝在受電弓近端，可以實(shí)時(shí)檢測接觸網(wǎng)的動態(tài)幾何參數(shù);安裝在受電弓的遠(yuǎn)端，可以檢測接觸網(wǎng)的靜態(tài)幾何參數(shù)。通過同一段線路對接觸網(wǎng)動、靜態(tài)數(shù)據(jù)的科學(xué)比較，還可以分析接觸網(wǎng)安裝的彈性情況，用以直接指導(dǎo)現(xiàn)場的養(yǎng)修維護(hù)作業(yè)。所以，非接觸式檢測方案成為國外弓網(wǎng)檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢，國內(nèi)行業(yè)專家也都對此有了清醒的認(rèn)識。

3 城市軌道交通接觸網(wǎng)與鐵路接觸網(wǎng)在檢測方式中的差異

目前，國外鐵路發(fā)達(dá)國家均針對接觸網(wǎng)的非接觸式檢測開展了深入的研究，并有了相關(guān)的檢測設(shè)備問世，如日本的黃色醫(yī)生檢測列車、德國DB公司的檢測設(shè)備、法國的吉斯馬公司的檢測設(shè)備等。但是，所有這些知名公司均是針對鐵路的接觸網(wǎng)而開展研究，沒有專門針對城市軌道交通接觸網(wǎng)進(jìn)行過細(xì)化深入研究。

第一，城市軌道交通可以看似大鐵路的一個縮影，其實(shí)在接觸網(wǎng)領(lǐng)域與鐵路有著較大的差異。如鐵路接觸網(wǎng)采用的是單線授流，而地鐵采用的是雙線授流，被測目標(biāo)物增加1倍，在錨段關(guān)節(jié)處就會出現(xiàn)4個目標(biāo)，給圖像的自動識別帶來了較大的困難;第二，地鐵的線路建設(shè)基本以隧道為主，特別是上海近幾年開通的6號線、8號線、10號線等，這些線路接觸網(wǎng)都是采用剛性連接，與鐵路接觸網(wǎng)的柔性連接完全不同，用機(jī)器視覺技術(shù)進(jìn)行識別背景反光干擾過大，而且剛性接觸網(wǎng)的安裝檢測精度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于柔性接觸網(wǎng)，另外還要監(jiān)測槽鋼安裝的水平度，鐵路接觸網(wǎng)無槽鋼布置;第三，剛性接觸網(wǎng)安裝高度很低，在上海地鐵最低安裝要求是距離 3970 mm，最高 5000 mm，而車輛高度為3800 mm，車頂無法安裝設(shè)備，其他地方空間有限，即使相機(jī)的視角能勉強(qiáng)兼顧接觸網(wǎng)的拉出值范圍，景深問題也難以滿足;第四，鐵路接觸網(wǎng)相距大約50 m左右有一個定位桿，按“之”字形設(shè)計(jì)，而地鐵每隔7～8 m設(shè)一個定位桿，之間并不是按照“之”字形設(shè)計(jì)，對于用拐點(diǎn)來判斷定位桿的位置就無法實(shí)現(xiàn)，給定位桿的識別判斷帶來干擾;第五，因地鐵線路都是隧道為主，無法接受GPS信號，鐵路GPS輔助定位桿的里程定位方式無法照搬，需要專門開發(fā)一個圖像識別軟件，利用拍攝的定位桿圖像，準(zhǔn)確實(shí)時(shí)識別判斷桿號的存在來輔助里程定位;第六，鐵路設(shè)計(jì)的接觸線安裝坡度不大于3‰，高鐵線路要求不大于1‰，而地鐵柔性接觸線的安裝要求是不大于15‰，對于利用被測物體的反射原理來實(shí)現(xiàn)的檢測手段，對于光源的發(fā)射角度設(shè)計(jì)更加復(fù)雜與苛刻。

4 檢測原理

4.1 接觸網(wǎng)幾何參數(shù)及磨耗的檢測原理

如圖3所示，用2臺高速線陣列CCD相機(jī)安裝在車頂中心位置兩側(cè)，使其光軸在車頂相機(jī)視角重疊部分即構(gòu)成光幕靶(圖中陰影部分)。設(shè)相機(jī)光軸和車頂?shù)膴A角為α0和β0，相機(jī)光軸所在的平面和車頂平面成60°夾角，基線長度為d0，相機(jī)的視場角為ω，焦距為f，CCD線陣列的長度為l，則場角為當(dāng)接觸線出現(xiàn)在靶面上，相機(jī)獲得接觸線圖像，經(jīng)過計(jì)算得到接觸線的角坐標(biāo)φ和φ，根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)(α，d0，f)和接觸線的角坐標(biāo)φ和φ，便可得到接觸線的坐標(biāo)值。

圖像處理軟件根據(jù)接觸線在相機(jī)上的成像高度，像素的灰度變化，P點(diǎn)的坐標(biāo)等諸參數(shù)，可計(jì)算出接觸線幾何參數(shù)和磨耗。由于接觸網(wǎng)出現(xiàn)的高度范圍為3900～5000 mm范圍內(nèi)，相機(jī)因?yàn)榘惭b距離過近，景深無法滿足，只能采取模糊算法來提取圖像的邊緣，犧牲了部分檢測精度。所以，要滿足課題檢測精度的要求，需要建立更加精確的實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)數(shù)學(xué)模型。

4.2 接觸網(wǎng)定位器坡度及槽鋼水平度的檢測原理

Radon變換法直線檢測原理是:在圖像領(lǐng)域，Radon是計(jì)算圖像在某一指定角度射線方向上投影的變換。二維平面函數(shù)I(x，y)的Radon變換為

式中，D為整個圖像平面，I(x，y)為圖像上點(diǎn)的灰度值，ρ為I(x，y)上的點(diǎn)在投影線上的投影點(diǎn)到中心點(diǎn)的距離，θ為投影線與水平軸的夾角。Radon變換將圖像從灰度平面I(x，y)映射到參數(shù)(ρ，θ)平面，對圖像函數(shù)求出各個θ值的投影，從而對圖像全角度觀察。若圖像中存在直線，直線在法線方向投影最大，在參數(shù)平面(ρ，θ)形成一個峰值，通過提取峰值對應(yīng)的(ρ0，θ0)，可以得到圖像平面中直線的斜率和偏移量。檢測到兩直線粗略的角度t后，在［t－2，t+2］區(qū)間用 Radon變換，搜索間隔為 0.1 ，將像素空間(x，y)點(diǎn)映射到參數(shù)(ρ，θ)空間。在空間(ρ，θ)中按10像素間隔，去除最大點(diǎn)周圍的虛點(diǎn)，求取兩直線并計(jì)算夾角，結(jié)果顯示可以達(dá)到0.1°的精度。效果如圖4～圖5所示。

5 實(shí)施過程

設(shè)備配置圖如圖6所示。在車廂的頂端、受電弓安裝位置附近的側(cè)面端墻上安裝車頂檢測裝置。檢測裝置含兩個高速CCD線陣列相機(jī)、LED輔助照明光源、機(jī)械安裝支架。兩臺相機(jī)連接到下方車廂內(nèi)的控制機(jī)柜，圖像實(shí)時(shí)采集處理速度6000幀/s，若地鐵車輛運(yùn)行速度最高為120 km/h，間距6 mm拍攝處理一張接觸線橫截面圖像，以滿足檢測要求。

定制LED光源模塊以一定的角度兩側(cè)對稱安裝，產(chǎn)生碗狀的布局效果，使產(chǎn)生的光照度均勻且集中地在接觸線可能出現(xiàn)的區(qū)域形成光幕靶，根據(jù)背景光的強(qiáng)度變化由光源控制卡控制光源的照度。

圖6 設(shè)備配置

接觸網(wǎng)幾何參數(shù)及磨耗檢測裝置在車廂內(nèi)配置1個專用檢測柜、2臺工業(yè)服務(wù)器，前臺服務(wù)器協(xié)調(diào)2臺攝像機(jī)的同步攝像，以6000幀/s的速度采集接觸線圖像，控制攝像照明光源照度和照明區(qū)域，將采集到的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳送到后臺處理服務(wù)器。后臺服務(wù)器計(jì)算圖像的背景光照度、用背景光照度補(bǔ)償接觸線磨損處圖像的灰度以及接觸線未磨損處圖像的灰度，實(shí)時(shí)確定接觸線兩處圖像的灰度差，根據(jù)背景光照度、接觸線兩處圖像的灰度差和接觸線橫截面寬度濾除背景圖像，找出接觸線的真實(shí)圖像。利用檢測原理中描述的方法計(jì)算出接觸線的幾何位置;建立接觸線圖像的灰度曲線、找出灰度曲線的拐點(diǎn)和極值點(diǎn)，精確計(jì)算出接觸線圖像邊緣和磨損面的棱，最終計(jì)算出接觸線的各類幾何參數(shù)和磨耗值。由于高頻度(6000幀/s以上)采集接觸線的圖像，每個圖像又由4 k像素點(diǎn)組成，這些海量的數(shù)據(jù)以及圖像處理軟件的復(fù)雜性、圖像處理的實(shí)時(shí)性，造成圖像處理完成后的數(shù)據(jù)比原始圖像數(shù)據(jù)成數(shù)量級地減少，最終經(jīng)過仿真試驗(yàn)后采用兩臺服務(wù)器的技術(shù)方案，以前后臺的形式完成圖像的采集和處理。

檢測梁內(nèi)還以一定角度安裝有一個CCD面陣列相機(jī)，采用背光原理，拍攝列車前進(jìn)方向接觸網(wǎng)定位器或者槽鋼的圖像，并實(shí)時(shí)解析。首先，判斷圖像中是否存在定位器或者槽鋼目標(biāo)物，同時(shí)根據(jù)編碼器提供的信息確定與前一個目標(biāo)物的對應(yīng)距離是否在合理范圍內(nèi)，根據(jù)該線路預(yù)先建立的桿號或槽鋼的安裝編碼規(guī)則確定當(dāng)前目標(biāo)物對于線路的實(shí)際里程，起到精確定位作用。同時(shí)，根據(jù)Radon變換法直線檢測原理計(jì)算出當(dāng)前目標(biāo)物與鋼軌面形成的水平夾角。

由于車輛在運(yùn)動狀態(tài)下可有多種姿態(tài)并存，包含車廂相對于車輛轉(zhuǎn)向架發(fā)生的平移、俯仰、側(cè)滾等，對于地鐵剛性接觸網(wǎng)，導(dǎo)高檢測如果誤差大于3 mm，那么檢測的目的將變得毫無意義。因此，迫切需要引入高頻率的車輛姿態(tài)檢測識別技術(shù)用以修正接觸網(wǎng)檢測設(shè)備的測量值，整個檢測系統(tǒng)才有真正的實(shí)用性和強(qiáng)大的生命力。對此，需要在車輛底部兩側(cè)各安裝一個CCD相機(jī)及激光位移傳感器，輔助以圖像實(shí)時(shí)識別技術(shù)來記錄車輛的運(yùn)動姿態(tài)，如圖7所示。

圖7 車輛姿態(tài)檢測設(shè)備構(gòu)成

在車輛兩側(cè)轉(zhuǎn)向架上安裝一平面反光標(biāo)記，用激光位移傳感器測量車廂與轉(zhuǎn)向架的垂直位移，同時(shí)，利用CCD相機(jī)拍攝反光標(biāo)記，用來測量車廂與轉(zhuǎn)向架之間的左右水平位移，以達(dá)到監(jiān)測車輛運(yùn)動姿態(tài)的效果。

同時(shí)，為了解決受電弓的拉弧檢測以及觀測運(yùn)營車輛的弓網(wǎng)接觸受流情況，在車頂相關(guān)位置安裝數(shù)個高分辨率高頻面陣列相機(jī)，輔助以合適的LED光源，保存海量現(xiàn)場圖像。兩個系統(tǒng)用同一時(shí)鐘驅(qū)動，對于上一個系統(tǒng)接觸網(wǎng)幾何參數(shù)及磨耗檢測裝置發(fā)現(xiàn)的病害缺陷，視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以隨時(shí)調(diào)取該區(qū)段的圖片用以人工輔助判斷。

6 研制過程中應(yīng)用的技術(shù)關(guān)鍵及創(chuàng)新性

檢測接觸網(wǎng)各項(xiàng)目的狀態(tài)參數(shù)，實(shí)時(shí)獲取其運(yùn)行狀態(tài)，需要根據(jù)不同形式的接觸網(wǎng)特點(diǎn)設(shè)計(jì)、研制。接觸網(wǎng)參數(shù)檢測是在列車運(yùn)行過程中對接觸網(wǎng)自身的幾何位置、磨耗等參數(shù)進(jìn)行動態(tài)測量，以此來評價(jià)接觸網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患和預(yù)警提示，以確保其良好的技術(shù)狀態(tài)，保證城軌的安全運(yùn)營。城市軌道交通接觸網(wǎng)的狀態(tài)關(guān)系到列車的運(yùn)行動態(tài)性能，直接影響到列車的安全運(yùn)行。

采用共面線陣攝像機(jī)的三角法立體測量技術(shù)研究，提高接觸線幾何參數(shù)和磨耗檢測分辨率;采樣頻率大于5000 Hz，以列車時(shí)速100 km運(yùn)行，平均5 mm就檢測一個點(diǎn)，可以完整地檢測到由于施工等原因?qū)佑|網(wǎng)硬彎造成局部的過度磨耗，預(yù)防斷線事故的發(fā)生;提供了解決地鐵剛性接觸網(wǎng)槽鋼水平度檢測及柔性接觸網(wǎng)雙定位桿的定位器坡度的檢測手段;實(shí)現(xiàn)地鐵接觸網(wǎng)的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測，把缺陷數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通過車載ATP信號發(fā)送到整個大系統(tǒng)的安監(jiān)平臺，由技術(shù)人員實(shí)時(shí)判斷，提供決策依據(jù)，提高國內(nèi)在接觸網(wǎng)監(jiān)測效率和信息化水平。

安裝在運(yùn)營車輛上的檢測裝置，在其空間位置基本確定的情況下，接觸線的波狀磨耗成為其運(yùn)營監(jiān)測的重點(diǎn)。檢測接觸線磨損、偏磨、導(dǎo)高、拉出值、兩線間距和高差、錨段關(guān)節(jié)、定位管坡度、槽鋼水平度等相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)而將不同時(shí)期、同一區(qū)段檢測的歷史數(shù)據(jù)及波形進(jìn)行實(shí)時(shí)對比，對超標(biāo)和變動量大的參數(shù)進(jìn)行預(yù)警提示。在同一條地鐵線路上剛性接觸網(wǎng)和柔性接觸網(wǎng)并存，檢測裝置能自動切換檢測模式和輸出對應(yīng)的檢測參數(shù)，研究適合車載而又能適應(yīng)兩種類型的接觸網(wǎng)，并自動切換檢測模式的參數(shù)檢測設(shè)備則是另一個創(chuàng)新點(diǎn)。

移動檢測設(shè)備在軌道線路上的具體位置需要與檢測斷面內(nèi)的接觸網(wǎng)參數(shù)相對應(yīng)，以便確定接觸網(wǎng)缺陷點(diǎn)位置，方便現(xiàn)場技術(shù)人員的維護(hù)調(diào)整，系統(tǒng)采用圖像自動識別技術(shù)來判斷定位桿或槽鋼的位置，使故障點(diǎn)的定位精度達(dá)到300 mm以內(nèi)，將采集的故障數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸至安監(jiān)平臺，便于及時(shí)處理接觸網(wǎng)的缺陷是系統(tǒng)的另一個創(chuàng)新點(diǎn)。

7 結(jié)語

城市軌道交通從單線運(yùn)營向網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營，對運(yùn)營和維護(hù)管理提出了新的課題。信息化研究與應(yīng)用將對先進(jìn)的管理理念和檢測手段提供強(qiáng)有力的支撐，實(shí)現(xiàn)從戰(zhàn)略向戰(zhàn)術(shù)的成功轉(zhuǎn)變，可達(dá)到世界先進(jìn)城市的地鐵管理和檢測水平，確保城市軌道交通安全可靠運(yùn)營;本課題在上海地鐵運(yùn)營網(wǎng)絡(luò)的示范將對整個網(wǎng)絡(luò)化管理體系的信息化奠定基礎(chǔ);對國內(nèi)其他城市軌道交通信息化起到積極的推進(jìn)和示范作用，具有深遠(yuǎn)的社會效益。通過本課題的研究，可顯著提高維護(hù)保障管理效率，降低軌道交通接觸網(wǎng)在線故障率，確保接觸網(wǎng)裝備維修質(zhì)量，保障地鐵車輛安全可靠地運(yùn)營，同時(shí)可提高裝備維修效率，降低維修成本。

［1］楊帆.數(shù)字圖像處理與分析［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2007:237-244.

［2］謝鳳英，趙丹培.Visual C++數(shù)字圖像處理［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2010:449-462.

［3］孫涵，任明武，楊靜宇.一種快速實(shí)用的直線檢測算法［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2006，23(2):256-260.

［4］楊順遼，盧凌，杜宗崗，等.SAR圖像中機(jī)場跑道的自動識別研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào):交通科學(xué)與工程版，2006，30(1):56-59.

［5］朱挺.機(jī)器視覺理論用于鐵路接觸網(wǎng)檢測系統(tǒng)的研究［J］.上海鐵道科技，2008(1):18-20.