Laser Measurement System of Railway Contact Cable about Geometrical Parameters

LIN Dengwei，LI Dongliang

(College of Information Engineering of Jiaozuo University，Jiaozuo He’nan 454000，China)

Laser Measurement System of Railway Contact Cable about Geometrical Parameters

LIN Dengwei*，LI Dongliang

(College of Information Engineering of Jiaozuo University，Jiaozuo He’nan 454000，China)

In order to detect geometrical parameters of contact cable in real-time and effectively，ensure the running of railway and prolong the using time of laser cable，the laser measurement system of contact cable about geometrical parameters is proposed．Distance sensor，angle sensor，displacement sensor，CCD camera and embedded data processing technology are applied to this system．The architecture and measurement principle of the system are introduced，the mathematics model and the error range are described in detail，and the main parameter measurement indetermination degree of the system are analyzed and evaluated．Compared with previous measurements，orientation can be implemented in this measurement system，besides the measurement of railway contact net’s parameters can speed up，whose accuracy can reach±5 mm．

automation technology and equipment;measuring techniques;laser;railway contact cable;sensor;geometrical parameter

電力機車本身不帶原動機，依靠接觸網(wǎng)電流作為能源，由牽引電動機驅(qū)動機車的車輪，所以鐵路接觸網(wǎng)的工作狀態(tài)直接影響電氣化鐵路的運載能力［1］。在電氣化鐵道設(shè)備故障中，接觸網(wǎng)故障所占比例相當大。作為牽引供電系統(tǒng)主體的接觸網(wǎng)，其狀況的好壞最終影響機車的運行速度與安全［2］。接觸網(wǎng)檢測的幾何參數(shù):導線高度、拉出值、平行線間距、定位器坡度等，是與安全密切相關(guān)的接觸網(wǎng)自身結(jié)構(gòu)參數(shù)。一些如速度、定位點、溫度、補償?shù)仁浇佑|網(wǎng)檢測的輔助參數(shù)，對檢測結(jié)果起到定位參考、輔助分析等作用。隨著列車運行速度的加速和高速鐵路的建設(shè)，要求作為供電系統(tǒng)的接觸網(wǎng)，幾何參數(shù)檢測不僅要求方便易操作，而且也要更加精確。目前，國內(nèi)鐵路接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測方式主要有以下幾種:①在受電弓上安裝傳感器的接觸式測量，缺點是測量參數(shù)不完備;②采用測桿、線墜的便攜式接觸測量，缺點是人工控制的機械式操作，容易產(chǎn)生意外及易受外界條件影響，精度低;③采用攝像機技術(shù)成像的非接觸式測量，缺點易受外界氣象條件的影響，導致測量精度不高;④采用激光測距儀，使用激光測距儀，只能測量軌道平面的垂直方向，但不能測量軌道平面的水平方向［3－4］，故軌距、跨度和結(jié)構(gòu)等的測量都受到限制?；趯鹘y(tǒng)測量方法優(yōu)缺點的對比，同時根據(jù)對實際接觸網(wǎng)檢修和維護的需求，本文提出了一種高性能的基于多種傳感器的測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)中應(yīng)用了距離、角度和位移等多種傳感器、CCD攝像頭以及嵌入式數(shù)據(jù)處理技術(shù)。該系統(tǒng)不僅測量架空接觸網(wǎng)的高度，拉出值等，還可測量軌距，跨度等接觸網(wǎng)的自身結(jié)構(gòu)參數(shù)［4］。整個測量系統(tǒng)操作簡單，參數(shù)測量速度快，精度高。

1　測量系統(tǒng)的硬件組成和操作原理

該測量系統(tǒng)的硬件組成包括測量儀、距離、角度、位移等傳感器、CCD組件，標準器，顯示屏和操作面板等，見圖1。

測量儀主要由半導體激光器組成，用于測量物體的距離、方位角和俯仰角。CCD組件用來觀察和定位測量對象，其中，焦距和口徑可根據(jù)測量對象的距離和大小自動調(diào)節(jié)［5］。CCD攝像頭具有較高的信噪比、抗強光、抗震動等優(yōu)點，可確保測量對象更清晰，更準確。該系統(tǒng)中使用3．5 inch的LCD，用以顯示測量對象的參數(shù)信息;另外操作面板中設(shè)計了一些操作按鈕用以對參數(shù)的保存、刪除等操作。除了測量儀外，標準器安裝了角度傳感器和位移傳感器，用來測量鋼軌平面和水平面的角度。測量系統(tǒng)的工作原理圖見圖2。

圖2　測量系統(tǒng)的工作原理圖

圖2中，A是一個測量點，A'是A在軌道平面的投影，B是A'在兩個軌道中心線上的垂足，D為測量基準點，O是D在軌道1上的垂點，α是A＇D和DO的夾角，β是DA和軌道平面的夾角。利用三角形原理可計算AA'(超高值)和A'B(拉出值)等參數(shù);利用AA'和A'B可以計算出水平間距、錯位角等［6］。利用光柵、相位激光測距儀可以測出精確的角度和距離等。

2　測量系統(tǒng)的數(shù)學模型和誤差分析

接觸網(wǎng)參數(shù)的測量工程中需要使用的參數(shù)有一下一個:光柵的角度值，測距儀的距離范圍，位移傳感器的電阻值和傾斜傳感器角度范圍，其中光柵的角度值:和軌道水平方向的夾角為α，和軌道平面的垂直方向的夾角β;激光測距儀的范圍為0．5 m～70 m;傾斜傳感器角度范圍為－10°～10°;位移傳感器的電阻值為5 kΩ［7］。

2．1測量點投影在軌道平面坐標系統(tǒng)的位置

測量點投影在軌道平面坐標系統(tǒng)中位置的計算公式為:

其中L″是測量點投影在軌道平面坐標系中的距離; L是測距儀測出的對象的距離;α是測量點在軌道平面坐標系中的夾角，β是測量點和軌道平面的夾角［5］。

式(1)的誤差公式:

當α和β為0°，ΔL″值最大:ΔLmax=ΔL=2 mm

由式(2)可知，測量對象在軌道平面上的參考系中的距離誤差主要受測距儀誤差的影響。

2．2接觸線超高值測量

接觸線超高值測量的計算公式:

由式(3)可知，L為測距儀測量出的對象的距離; β角是測量對象和軌道平面的夾角，ΔHmax=2 mm。

2．3拉出值測量

接觸線拉出值是指在定位點處接觸線與受電弓中心線行跡之間的距離值。在直線區(qū)段上，又可以定義為定位點處接觸線相對于線路中心的偏移距離。測量范圍:(－600 m～600 m)，一般測量位置位于鐵軌左側(cè)。接觸線拉出值計算公式為:

其中D為接觸線拉出值，L是測距儀測量對象的距離;α為定位點和參照軌道的夾角;β為定位點和軌道平面的夾角。由式(4)可知，當α和β是0°，ΔD是值得的最大值，ΔDmax=2．125 mm。

3　系統(tǒng)的軟件部分

軟件部分用來收集處理信息并在控制終端上進行顯示，采用的是輪流分析法。軟件部分分成上層和底層兩部分，均運行在嵌入式Linux操作系統(tǒng)中。

軟件部分的工作流程是:觀察網(wǎng)關(guān)CCD圖標，通過采集卡把信息傳送給主CPU，處理后傳送到終端上顯示;測量儀測量導線的傾斜角度、軌距和角度［3］等參數(shù)，然后傳送給嵌入式ARM9微處理器進行數(shù)據(jù)處理，得到測量參數(shù)，保存有用的數(shù)據(jù)，最后電子報表自動生成系統(tǒng)對測量參數(shù)進行分類處理，生成一個標準的電子文檔。

4　系統(tǒng)的不確定度分析

該測量系統(tǒng)測量出的接觸網(wǎng)的高度和拉出值等參數(shù)，根據(jù)JJF1059—1999《測量不確定度評定與表示》對測試結(jié)果進行分析和評估，測量精度為±5 m，測量系統(tǒng)的不確定度主要來源于測量的重復性、測量的環(huán)境和測量對象的位置差異，以及測量基準的不同。

4．1重復性測量

選擇不同的測量點，測試系統(tǒng)重復10次，測試結(jié)果見表1。H是接觸線的測量高度，L表示拉出值。其標準偏差分別表示為SH(Height Standard Deviation)、SI(Standard Deviations)、Pr(Parameter)。

表1　測試結(jié)果(重復測量)

根據(jù)公式計算出標準偏差:SH1=0．83，SL1=0．37。

4．2環(huán)境因素影響的不確定度

對接觸線高度連續(xù)10次測量，測量數(shù)據(jù)如表2所示。

表2　測試結(jié)果

計算出的標準偏差:SH2=0．63，SL2=0．28。

4．3變換測量對象的位置

調(diào)整接觸線參量，Pr測量一次完成，并重新定位接觸線，重復10次測量，測量數(shù)據(jù)如表3所示。

表3　測量結(jié)果(變換對象位置)

計算出的標準偏差:SH3=0．51，SL3=0．28。

4．4標準機(測量基準)導致的不確定度

標準機導致的不確定度，測量過程使用10 m的尺子，二級導軌，軌距誤差為1 435 mm，ΔBE=0．2 ×1．435=0．287 mm，SL4=0．287 mm。

測試中使用0．02 mm/m水平校正標準鐵軌平面，測量軌距1 435 mm，根據(jù)最大計算，取誤差為0．028 7，計算不確定度的質(zhì)量為SH4=0．028 7 mms，SL5=0．028 7 mm。

4．5合成標準不確定度

每個不確定度都是獨立的，不存在互換，然后合成不確定度:

相關(guān)數(shù)據(jù)可以考慮到計算中:SH=1．2，SL=0．61。由此可以得到接觸線的高度，并使合成的不確定度達到3 SHS和3 SLS分別小于5 mm，測量系統(tǒng)精度誤差可以達到±5 mm。

5　結(jié)論

本文提出了基于距離傳播機，角度傳播機，位移傳播機及單立柱的CCD攝像頭和嵌入式數(shù)據(jù)處理技術(shù)的鐵路網(wǎng)參數(shù)的激光測量系統(tǒng)。和國內(nèi)當前常用的測量方法相比，該測量系統(tǒng)測量速度快，精度可達±5 mms，且所有測量的參數(shù)可以自動生成電子報表［8］。該測量系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于鐵路網(wǎng)的日常檢修和維護，可以保證快速轉(zhuǎn)速。該系統(tǒng)中，CCD攝像頭進行二維測量，操作簡單，便攜性好，高精度的軌道偏差。與傳統(tǒng)的吊弦測量方法相比，該系統(tǒng)中測量儀使用激光束代替吊弦，光電目標來代替鋼尺，模擬顯示代替人工讀數(shù)，使鐵路網(wǎng)參數(shù)測量更方便易行，同時還提高了測量精度和工作效率。實踐中，證明了本系統(tǒng)中，提出的新的激光CCD儀器在實際測量中完全滿足使用要求。

［1］Wu Changbo，Zhou Hong．The On-Line Real-Time Detection And Broken Line Accident Early Waring System on Railway Catenary Cable Stress Load［J］．Micro Computer Information，2009，25:102－103．

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［5］鞏浩．接觸線幾何參數(shù)雙目視覺測量系統(tǒng)研究［D］．山東:青島大學，2012:8－9．

［6］陳忠斌，周燕芳．便攜式接觸網(wǎng)幾何參數(shù)激光測量儀的研制［J］．傳感器與微系統(tǒng)，2013(4):23－25．

［7］吳健;張華．接觸網(wǎng)多參數(shù)測量儀設(shè)計［J］．微計算機信息，2008(10):45－47．

［8］Zhou L．Thermal Error Compensation of a LED/CCD 3D Measuring SyStem［R］．［sl］:Internal Report(K.U.Leuven)，2002．

林鄧偉(1972－)，男，漢族，河南溫縣人，焦作大學副教授/碩士，主要研究方向為計算機科學技術(shù)，自動化，lindengwei@yeah．net。

EEACC:436010．3969/j．issn．1005－9490．2015．01．037

鐵路接觸網(wǎng)導線幾何參數(shù)的激光測量系統(tǒng)

林鄧偉*，李東亮
(焦作大學信息工程學院，河南焦作454000)

為了實現(xiàn)對接觸網(wǎng)導線幾何參數(shù)的實時、有效檢測，從而確保鐵路安全行駛，延長導線使用時間，提出了基于激光的鐵路接觸網(wǎng)導線幾何參數(shù)的測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)中應(yīng)用了距離傳感器，角度傳感器，位移傳感器，CCD攝像頭和嵌入式數(shù)據(jù)處理技術(shù)。另外詳細介紹了該系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和測量原理的數(shù)學模型和誤差范圍，并對該系統(tǒng)的主要參數(shù)測量進行了分析和評估。與先前的測量結(jié)果相比，該測量系統(tǒng)可旋轉(zhuǎn)方向，從而使鐵路接觸網(wǎng)的測量速度加快，測量精度可以達到±5 mm。

自動化技術(shù)及設(shè)備;測量技術(shù);激光;鐵路接觸網(wǎng);傳感器;幾何參數(shù)

TP2

A文獻標識碼:1005－9490(2015)01－0174－04

2014－01－13修改日期:2014－03－17