普速電氣化鐵路接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)檢測車應(yīng)用研究

蔣 濤，袁 崗，張浩杰，趙會軍

(1.中國鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司 職教處，山東 濟(jì)南 250001；2.中國鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司 濟(jì)南供電段，山東 濟(jì)南 250001；3.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道技術(shù)研修學(xué)院，北京 100081)

0 引言

鐵路運輸設(shè)備是鐵路運輸安全有序的基礎(chǔ)保障，為了加強對鐵路運輸設(shè)備的統(tǒng)一管理，開展鐵路運輸設(shè)備技術(shù)狀態(tài)大數(shù)據(jù)平臺相關(guān)技術(shù)研究，并重點研究設(shè)備大數(shù)據(jù)集成、大數(shù)據(jù)存儲等關(guān)鍵技術(shù)[1]具有重要意義。接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)檢測監(jiān)測裝置 (4C) 即為鐵路運輸大數(shù)據(jù)的一種，該裝置安裝在接觸網(wǎng)作業(yè)車或檢測車輛上，可以在一定運行速度下對接觸網(wǎng)懸掛系統(tǒng)的零部件實施高精度成像檢測。通過對檢測數(shù)據(jù)的自動識別與分析，形成接觸網(wǎng)的維修建議，對接觸網(wǎng)故障隱患的消除具有一定指導(dǎo)意義。4C 采用高清高速攝像機(jī)陣列，可以對接觸網(wǎng)懸掛的正反方向、全局與關(guān)鍵部分細(xì)節(jié)同時成像，從而構(gòu)造接觸網(wǎng)懸掛全景的多角度與重點區(qū)域的成像視場。通過回放處理系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對巡檢線路成像圖像定位、分析與篩選等功能，并生成分類統(tǒng)計報告，為接觸網(wǎng)巡視與檢修提供全面可靠的技術(shù)保障。

隨著鐵路列車運輸組織的優(yōu)化和列車運行速度的提升，電力機(jī)車對于接觸懸掛的質(zhì)量要求越來越高，接觸網(wǎng)的質(zhì)量和工作狀態(tài)直接影響著電氣化鐵路的運輸能力。為保證鐵路正常運營和正確地評述受流質(zhì)量，接觸網(wǎng)測試內(nèi)容日益廣泛，同時為了獲得正確的測試結(jié)果，測試手段和技術(shù)也日趨現(xiàn)代化。傳統(tǒng)的接觸網(wǎng)檢測方法主要依靠手量和目測，不僅速度慢、隨機(jī)性大、準(zhǔn)確率低，還不能滿足高速鐵路接觸網(wǎng)發(fā)展的需要[2]。4C 檢測車的工作系統(tǒng)分為非接觸檢測系統(tǒng)和接觸檢測系統(tǒng) 2 種，既可以同時工作也可以獨立工作，具有檢測速度快、檢測參數(shù)多、準(zhǔn)確率高等優(yōu)點，檢測結(jié)果能正確反映接觸網(wǎng)的運行狀態(tài)，為接觸網(wǎng)的調(diào)整與維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。在電氣化鐵路出現(xiàn)的事故中，無備用的接觸網(wǎng)一旦出現(xiàn)故障停電，將直接影響行車秩序，關(guān)系到電氣化鐵路能否安全運營。隨著接觸網(wǎng)檢測設(shè)備的應(yīng)用，避免了許多弓網(wǎng)事故的發(fā)生，在接觸網(wǎng)的調(diào)整與維護(hù)過程中，降低了工人的勞動強度，提高了勞動生產(chǎn)率。

1 普速電氣化鐵路應(yīng)用 4C 檢測現(xiàn)狀

接觸網(wǎng)的零部件是接觸網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)節(jié)及紐帶，任何接觸網(wǎng)零部件的損壞，即意味著供電系統(tǒng)的破壞，使整體運行及供電系統(tǒng)陷入癱瘓。在一定意義上說，接觸網(wǎng)零部件是整體系統(tǒng)的一個重要環(huán)節(jié)，既不能缺少，也不能被破壞[3]。接觸網(wǎng)需要進(jìn)行周期性的檢測，而普速電氣化鐵路運營總里程遠(yuǎn)大于高速電氣化鐵路總里程，為高速電氣化鐵路量身定做的 4C 檢測車要同時能為普速電氣化鐵路線服務(wù)，才能更好地體現(xiàn)實用價值。因此，研究以中國鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司 (以下簡稱“濟(jì)南鐵路局”) 管段京滬高速鐵路(北京南—上海虹橋)、普速京九鐵路 (北京西—香港九龍紅磡)，4C 采用 JX—300 型為試驗對象，將采集到的影像資料與弓網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行對比，反映普速電氣化鐵路與高速電氣化鐵路在檢測方面存在的問題。

（1）平順性不高。關(guān)于平順性，高速電氣化鐵路的基本技術(shù)條件如曲線長度、最小夾直線、圓曲線長度、最小坡段長度和豎曲線長度等從設(shè)計到施工都嚴(yán)格控制以滿足其高平順性的要求。而普速電氣化鐵路的設(shè)計存在多種問題，如接觸線的導(dǎo)高在 6 000～6 500 mm 間波動；定位器有矩形定位器、軟定位器、G 形定位器、T 型定位器等，零部件不統(tǒng)一；遇有上跨橋?qū)е碌慕佑|線降高等諸多施工標(biāo)準(zhǔn)不高的問題。

（2）公里標(biāo)斷鏈。普速電氣化鐵路在丈量過程中，出現(xiàn)樁號與實際里程不符的現(xiàn)象叫斷鏈。引起斷鏈的原因較多，但主要有 2 種：一種是由于計算和丈量發(fā)生錯誤所造成；另一種則是由于局部改線、分段測量等客觀原因所造成。斷鏈有“公里標(biāo)長鏈”和“公里標(biāo)短鏈”之分，當(dāng)路線樁號長于地面實際里程時稱為公里標(biāo)短鏈，反之則稱為公里標(biāo)長鏈。而高速鐵路不會存在“長鏈、短鏈”的現(xiàn)象[4]。

（3）軟橫跨漏拍。普速電氣化鐵路多股道的站場 (3 股道以上) 接觸懸掛通過橫向線索懸掛在鐵路兩側(cè)的支柱上，這種裝配方式稱為軟橫跨。軟橫跨由站場鐵路兩側(cè)支柱和懸掛在支柱上的橫向承力索、上部固定繩、下部固定繩及支持和連接它們的零件組成。站場上軟橫跨因下部固定繩橫截面積為 50 mm2，在4C 檢測車 70 km/h 的速度時，存在激光靈敏度降低而無法觸發(fā)相機(jī)造成漏拍的問題。而高速電氣化鐵路為硬橫梁吊柱，不存在漏拍的情況[5]。

（4）接觸線高度跨度大。4C 在車頂位置距離鋼軌面的高度約為 3 900mm，與高速鐵路接觸線高度5 300 mm 相差 1 400 mm，并且數(shù)值相對穩(wěn)定；與普速鐵路接觸線標(biāo)準(zhǔn)高度 6 450 mm 相差 2 550 mm，并且數(shù)字在 2 100～2 600 mm 間浮動。500 mm 的浮動值占高清成像相機(jī)對焦距離的 30%，給對焦成像的質(zhì)量增加了難度。

（5）支柱排列無序。一般情況下我國普速電氣化鐵路接觸網(wǎng)支柱位于列車行駛方向的左側(cè)，鐵路既有線電氣化改造后，受地形限制時右側(cè)會設(shè)立接觸網(wǎng)支柱。而高速電氣化鐵路不存在此影響因素。

（6）檢測時間短。高速電氣化鐵路的 4C 檢測車在夜間天窗時間內(nèi)運行；普速電氣化鐵路天窗封鎖距離一般不超過“一站一區(qū)”約 15 km，占段管內(nèi)一條普速鐵路 200 km 的 1/13，運用維修天窗檢測需要占用較多的施工組織人員和天窗，造成生產(chǎn)效率低下[6]。普速電氣化鐵路與高速電氣化鐵路的 4C 檢測車應(yīng)用影響因素如表 1 所示。

2 普速電氣化鐵路應(yīng)用4C檢測車調(diào)整策略

2.1 減少曝光時間

接觸線平順性是指兩鋼軌軌面水平連接線和接觸線間高度的相對穩(wěn)定，這個值除了與接觸線是否水平有關(guān)系外，還和鐵路鋼軌的水平程度直接相關(guān)，受到工務(wù)部門軌道整修、鐵路路基積水下沉等因素的影響。在普速電氣化鐵路上接觸線的平順性無法得到改善的情況下，依靠 4C 檢測裝置的平衡補償設(shè)備達(dá)到靜態(tài)測量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)，對相機(jī)拍攝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，通過減少曝光時間，提高圖片的數(shù)碼增益來保證圖像的亮度。

表1 4C檢測車應(yīng)用影響因素表Tab.1 Application inf l uence factor list of the 4C test vehicle

2.2 取消 GYK 定位

鐵路公里標(biāo)斷鏈分“公里標(biāo)長鏈”和“公里標(biāo)短鏈”2 種，對于“公里標(biāo)短鏈”情況把基礎(chǔ)數(shù)據(jù)按公里標(biāo)在“公里標(biāo)短鏈”處進(jìn)行分段，多次導(dǎo)入 4C 檢測車基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫用來檢驗是否存在其他錯誤，確認(rèn)無誤后分段進(jìn)行數(shù)據(jù)合并，并對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)公里標(biāo)錯誤進(jìn)行修改，直到基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入規(guī)則的允許最大差值大于“公里標(biāo)短鏈”公里標(biāo)差值為止。對于“公里標(biāo)長鏈”情況分 2 種解決方法，這時軌道車運行控制設(shè)備 (簡稱 GYK) 數(shù)據(jù)已經(jīng)出現(xiàn)重復(fù)，無法再按照正常的 GYK 進(jìn)行定位，在 4C 檢測到“公里標(biāo)長鏈”時取消 GYK 定位方式，僅僅依靠支柱的跨距來進(jìn)行定位是一種有效的辦法；此外，在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料庫中增加“斷鏈標(biāo)識”，遇有“斷鏈標(biāo)識”的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)自動取消 GYK 定位，可以大幅減少因“公里標(biāo)斷鏈”帶來的定位不準(zhǔn)的影響[7]。

2.3 提高靈敏度

普速電氣化鐵路的站場上軟橫跨因下部固定繩橫截面積細(xì)小，造成對缺陷圖像的定位無法完成，激光靈敏度需要更換設(shè)備來提高設(shè)備性能防止漏拍發(fā)生；對圖像光學(xué)字符識別 (簡稱 OCR) 未識別準(zhǔn)確的，則以弓網(wǎng)參數(shù)檢測定位數(shù)據(jù)信息做參考點進(jìn)行人工干預(yù)完善定位信息；軟橫跨無桿號標(biāo)識的逐步利用維修天窗在定位裝置上標(biāo)畫桿號標(biāo)識，用于人工識別并后期輔助校正圖片定位信息。

2.4 加大拍攝范圍

接觸線的高度在 6 000～6 500 mm 間浮動會使相機(jī)對焦點與被攝物體產(chǎn)生偏離導(dǎo)致圖像質(zhì)量下降。如果要解決這個問題，需要考慮相機(jī)景深，在 4C 檢測裝置的拍攝距離相對固定的條件下，景深與鏡頭使用光圈、鏡頭焦距及像質(zhì)要求 (表現(xiàn)為對容許彌散圓的大小) 有關(guān)[8]，主要影響著景深的光圈和焦距。光圈越小，景深越大。焦距越短，景深就越大。景深與光圈的關(guān)系如圖 1 所示。

圖1 景深與光圈的關(guān)系Fig.1 The relationship between the depth of fi eld and the aperture

由圖 1 可知，大景深對拍攝距離的浮動有更好的寬容度。如果要獲得大景深的圖像，需要從短焦距鏡頭和收縮光圈 2 個方面入手，將對焦點選在接觸線高度 6 250 mm 的中間點上，再通過加大景深的方法可以解決因接觸線高度變化帶來的對焦距離變化而造成的圖像模糊現(xiàn)象。

2.5 增加正反向標(biāo)識

對于在列車運行鐵路右側(cè)的支柱，雖然 4C 檢測能夠拍攝到高清圖像，但在 4C 分析軟件的展示過程中存在著問題，即在進(jìn)行圖像分析時需要人工干預(yù)，不停地按動“切換機(jī)位”按鈕，從而降低工作效率?？紤]通過增加右側(cè)支柱標(biāo)識，自動進(jìn)行圖像選擇性展示來解決此類問題。

2.6 提報運行計劃

普速鐵路列車運行速度在 160 km/h 以下，軌道車 GYK 限制的速度 80 km/h 可以在運營的鐵路線上提報軌道車運行計劃，由鐵路局下達(dá)檢測車專用電報，明確 4C 檢測車夜間運行時間和?？寇囌荆兄刃虻剡M(jìn)行 4C 檢測任務(wù)。在運營的鐵路線上執(zhí)行運行計劃時，由于中途無法停車維修車輛和調(diào)整檢測裝置參數(shù)，對 4C 檢測車車輛狀況和檢測任務(wù)的連續(xù)性要求更高，同時檢測任務(wù)的容錯性較低，對作業(yè)車司機(jī)和檢測人員的工前整備質(zhì)量和工中應(yīng)變能力也提出更高的要求。通過對作業(yè)流程標(biāo)準(zhǔn)化，并反復(fù)演練以提升職工業(yè)務(wù)水平，在運行計劃中調(diào)整檢測計劃，并完成檢測任務(wù)使得檢測結(jié)果更加高效合理。

綜上所述，通過采用修改基礎(chǔ)數(shù)據(jù)解決斷鏈現(xiàn)象、調(diào)整相機(jī)參數(shù)、調(diào)整檢測公式、核對 GYK 定位，修改檢測軟件等措施，使得在濟(jì)南鐵路局兗石線(兗州—石臼所) 白家店—兗州區(qū)間內(nèi)斷鏈處圖像歸檔正確率達(dá)到 90%，弓網(wǎng)參數(shù)定位準(zhǔn)確率達(dá)到 100%，調(diào)整相機(jī)對焦點綜合囊括拍攝范圍改善了因接觸網(wǎng)線索相對鋼軌位移造成的圖像模糊現(xiàn)象；在京九鐵路上、下行臨清—曹縣間的 27 萬張檢測圖像中，可以用于人工分析的圖像 269 735 張，占總數(shù)的 99.9%，符合檢測規(guī)定值。在京九鐵路上進(jìn)行了 554 km 的上、下行正線 4C 檢測任務(wù)，共完成 9 188 跨接觸網(wǎng)支柱的高清成像拍攝和接觸網(wǎng)靜態(tài)測量，采集 4C 高清圖像241G。4C 檢測車分為 2 天運行 11 h 進(jìn)行檢測，在降低對鐵路運輸影響的同時，保證了檢測任務(wù)的順利完成。

3 結(jié)束語

隨著普速電氣化鐵路推廣“科技保安全”步伐的加快，科技檢測設(shè)備在普速電氣化鐵路接觸網(wǎng)運行維護(hù)中的作用日益明顯。為高速鐵路量身打造的接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)檢測車在改進(jìn)調(diào)整之后，運用實踐表明，檢測得到的各項參數(shù)均符合接觸網(wǎng)懸掛檢測監(jiān)測分析的要求，也能更好地應(yīng)用于普速電氣化鐵路。在今后持續(xù)的應(yīng)用過程中，應(yīng)根據(jù)普速電氣化鐵路接觸網(wǎng)設(shè)備的差異，對普速電氣化鐵路接觸網(wǎng)設(shè)備建立“一桿一檔”的模版，逐步實現(xiàn)智能缺陷的 OCR 識別，釋放人力物力，提高牽引供電質(zhì)量，為鐵路列車的安全運行保駕護(hù)航。

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