高速鐵路接觸網(wǎng)智能巡視檢測(cè)系統(tǒng)

茹振華 孫剛 黃佳源 趙必武

1.中國(guó)鐵路青藏集團(tuán)有限公司拉薩基礎(chǔ)設(shè)施段，西藏拉薩 850000；

2.中國(guó)鐵路沈陽(yáng)局集團(tuán)公司工電檢測(cè)所，遼寧沈陽(yáng) 110000；

3.綿陽(yáng)師范學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，四川綿陽(yáng) 621000；

4.四川信達(dá)軌道交通設(shè)備有限責(zé)任公司，四川綿陽(yáng) 621000

0 前言

自“十三五”以來(lái)，中國(guó)高速鐵路迅猛發(fā)展，鐵路建設(shè)成果顯著。預(yù)計(jì)到2025年，全國(guó)高速鐵路里程將達(dá)到4萬(wàn)公里左右，覆蓋超過(guò)150個(gè)大型城市。高速鐵路接觸網(wǎng)是順鐵路線相對(duì)固定位置上空架設(shè)的輸電線路，電力牽引機(jī)車(chē)通過(guò)受電弓從接觸網(wǎng)取電[1]。其由導(dǎo)線、鋼索牽引裝置、定點(diǎn)裝置、支柱基礎(chǔ)設(shè)施幾部分組成，是高速鐵路的重要組成部分。接觸網(wǎng)受工作時(shí)長(zhǎng)、工作環(huán)境等多種因素影響，對(duì)其標(biāo)準(zhǔn)要求較高，如：在高速運(yùn)行、高溫、極寒、雨雪、大風(fēng)條件下，能保證接觸網(wǎng)張力正和弧垂正常，要求接觸網(wǎng)在線路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上具有穩(wěn)定性和較長(zhǎng)的使用壽命。整體設(shè)計(jì)合理，有足夠的耐磨性，便于維護(hù)。如有事故發(fā)生，有利于快速搶修，迅速恢復(fù)電力機(jī)車(chē)供電。在這種情況下，導(dǎo)線的張力以及相對(duì)位置就變得十分重要。導(dǎo)線的張力過(guò)大會(huì)降低導(dǎo)線的使用壽命，甚至斷裂；張力過(guò)小會(huì)造成弧垂的加大，使線間安全距離變短，易發(fā)生打火等事故。當(dāng)前，我國(guó)接觸網(wǎng)的檢測(cè)方法主要采用人工巡檢、大型巡檢車(chē)巡檢的辦法，此種方法存在運(yùn)行成本高、干擾鐵路調(diào)度、危險(xiǎn)系數(shù)大、實(shí)時(shí)性差、工作量大等問(wèn)題。

高速鐵路接觸網(wǎng)智能巡檢系統(tǒng)是一種的多功能、多用途、一體化測(cè)量接觸網(wǎng)參數(shù)的最新產(chǎn)品。設(shè)備采用便捷、可視化設(shè)計(jì)，可在軌道上推行行走，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)尋線功能。設(shè)備的使用能有效降低鐵路巡檢人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提升了測(cè)量穩(wěn)定性及工作效率。設(shè)備有效改進(jìn)了現(xiàn)有大型接觸網(wǎng)檢測(cè)車(chē)占用行車(chē)區(qū)間，影響鐵路調(diào)度運(yùn)行圖等缺點(diǎn)[2]。該產(chǎn)品運(yùn)用前沿技術(shù)，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性[3]。產(chǎn)品二維激光裝置采用了激光無(wú)損測(cè)量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)接觸網(wǎng)幾何參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量，接觸網(wǎng)懸掛的巡視檢測(cè)。相比于傳統(tǒng)接觸網(wǎng)檢測(cè)維護(hù)設(shè)備，不論白天或夜晚，系統(tǒng)能夠?qū)佑|網(wǎng)幾何參數(shù)進(jìn)行無(wú)損非接觸測(cè)量，對(duì)接觸網(wǎng)懸掛進(jìn)行巡視檢測(cè)，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析管理及遠(yuǎn)程傳輸。系統(tǒng)使用過(guò)程中運(yùn)行穩(wěn)定，測(cè)量數(shù)據(jù)可靠，拆卸方便。

1 設(shè)備系統(tǒng)主體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)備功能

設(shè)備主體主要分為3部分：推行結(jié)構(gòu)以及精測(cè)平板、導(dǎo)尺支架以及精測(cè)激光、雷達(dá)及支撐調(diào)節(jié)裝置。設(shè)備整體寬度1,500 mm，高度800 mm，桿高度1,200 mm。采用折疊設(shè)計(jì)，全鋁合金材質(zhì)，重量約為30 kg。設(shè)備輕巧便攜，簡(jiǎn)單組裝后能夠快速進(jìn)行接觸網(wǎng)巡視檢測(cè)。設(shè)備初始狀態(tài)如圖1所示。整體布局后如圖2所示。

推行結(jié)構(gòu)以及精測(cè)平板：主要負(fù)責(zé)整體設(shè)備的推動(dòng)，以便在鐵軌上行進(jìn)。平板電腦設(shè)置在設(shè)備整體中心偏左的位置上，減少采集設(shè)備到處理設(shè)備的線纜距離，加快數(shù)據(jù)處理速度。推行結(jié)構(gòu)可以調(diào)節(jié)高度，適應(yīng)不同身高工作人員的作業(yè)，增加設(shè)備使用的舒適性，提高工作效率[4]。

導(dǎo)尺支架以及精測(cè)激光：主要負(fù)責(zé)設(shè)備在鐵軌上的移動(dòng)以及精測(cè)主機(jī)的放置。通過(guò)實(shí)地測(cè)量與考察，因系統(tǒng)工作的精度需要，精測(cè)主機(jī)需放置于一個(gè)離地距離較低的地方，使精測(cè)主機(jī)的仰視角度達(dá)到一個(gè)合適的范圍，以方便精測(cè)主機(jī)能快速地檢測(cè)到導(dǎo)線以及鋼索牽引裝置的位置。

雷達(dá)及支撐調(diào)節(jié)裝置：主要負(fù)責(zé)支撐以及調(diào)節(jié)雷達(dá)位置。因激光傳感器選擇其掃描主機(jī)的主要工作角度在±25°，故需一個(gè)調(diào)整位置的桿放置雷達(dá)，使雷達(dá)可以正常工作，達(dá)到可檢測(cè)范圍最大化。

全景相機(jī)：包含一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的鏡頭，攝像頭有360°的視場(chǎng)角，確?？梢垣@取鐵路周邊沿線的全景畫(huà)面。其獨(dú)創(chuàng)之處在于成像結(jié)合了現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)和現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，該技術(shù)也多用于視頻場(chǎng)景應(yīng)用方面。使用者在使用過(guò)程或使用完成后，電腦可模擬成像，實(shí)現(xiàn)對(duì)線路狀態(tài)的全景成像，實(shí)現(xiàn)鐵路版街景效果。

1.2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

電源模塊基本分為12 V電源板、24/12 V電源板、3.3/1.8 V轉(zhuǎn)換電源板。12 V電源板主要負(fù)責(zé)核心板底板電機(jī)驅(qū)動(dòng)的供電；24/12 V電源板主要負(fù)責(zé)雷達(dá)與主板的供電；3.3/1.8 V轉(zhuǎn)換電源板主要負(fù)責(zé)降壓之后給激光傳感器供電。

系統(tǒng)整體電路設(shè)計(jì)方案主要圍繞2個(gè)中心來(lái)設(shè)計(jì)，分別為核心板底板電機(jī)驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)處理主機(jī)。激光傳感器通過(guò)激光電平轉(zhuǎn)接板（3.3至1.8轉(zhuǎn)換）串口接入核心板底板電機(jī)驅(qū)動(dòng)。編碼器5 V正交脈沖、進(jìn)步電機(jī)、攝像頭直接接入核心板底板電機(jī)驅(qū)動(dòng)。核心板電機(jī)驅(qū)動(dòng)單片機(jī)雷達(dá)電路板采集數(shù)據(jù)（Led/里程/gps/溫濕度），數(shù)據(jù)通過(guò)電路板串口到五芯插頭處，供電通過(guò)12 V電源板轉(zhuǎn)換電池電壓供電。

觸摸屏電路板、屏幕控制板、雷達(dá)分別通過(guò)USB、HDMI、網(wǎng)線連接到數(shù)據(jù)處理主機(jī)，2個(gè)中心通過(guò)五芯插頭聯(lián)結(jié)，最終通過(guò)平板電腦顯示數(shù)據(jù)。電路板模塊連接設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

1.3 核心主機(jī)處理模塊

基于Windows平板電腦中以QT為基礎(chǔ)的軟件系統(tǒng)為整個(gè)系統(tǒng)的中心，實(shí)現(xiàn)多種數(shù)據(jù)的處理，如：收集統(tǒng)計(jì)里程編碼器、二維激光掃描雷達(dá)傳回的數(shù)據(jù)、保證各模塊的平穩(wěn)運(yùn)行。位移傳感器、傾角傳感器主要由它產(chǎn)生的控制量來(lái)控制。設(shè)備系統(tǒng)框圖如圖4所示。

1.4 精測(cè)激光+攝像頭模塊

精測(cè)激光+攝像頭模塊主要運(yùn)用于定點(diǎn)精準(zhǔn)檢測(cè)。在需要較高精度數(shù)據(jù)時(shí)，云臺(tái)加攝像頭可以保證對(duì)目標(biāo)導(dǎo)線精準(zhǔn)定位，將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)圖像顯示到平板電腦上，得到相對(duì)位置數(shù)據(jù)，同時(shí)引導(dǎo)激光傳感器在電機(jī)帶動(dòng)下轉(zhuǎn)向固定角度、固定位置進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量。此輔助模塊主要是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)一些雷達(dá)模塊不能較好測(cè)量的特殊數(shù)據(jù)的采集，提高了設(shè)備采集數(shù)據(jù)的整體精度，且模塊采用二維激光裝置為激光無(wú)損測(cè)量技術(shù)，提高了接觸網(wǎng)維護(hù)人員的安全性。精測(cè)組成框圖如圖5所示。

1.5 雷達(dá)掃描模塊

雷達(dá)掃描模塊采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，由主機(jī)控制運(yùn)動(dòng)范圍及其角度，其工作角度范圍在-5°～185°，設(shè)置在離地約1 m的桿處，可以有效擴(kuò)大工作掃描范圍，具有利用激光掃描雷達(dá)進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)非接觸測(cè)量，接觸線自動(dòng)瞄準(zhǔn)測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)。掃描幀率達(dá)到每秒1,000次左右，采用超限數(shù)據(jù)預(yù)警：對(duì)測(cè)量參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，超限參數(shù)實(shí)時(shí)預(yù)警，便于及時(shí)消除安全隱患。還具有數(shù)據(jù)回放功能：對(duì)于測(cè)量數(shù)據(jù)，以曲線和數(shù)據(jù)表格2種方式進(jìn)行回放。其獲取的數(shù)據(jù)可以直接導(dǎo)出為XLS格式輸出，對(duì)于接觸網(wǎng)參數(shù)可以進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，能夠?qū)佑|網(wǎng)拉出值、導(dǎo)高進(jìn)行連續(xù)非接觸測(cè)量。

2 實(shí)物調(diào)試

2.1主要指標(biāo)參數(shù)

智能巡檢系統(tǒng)基于目前電氣化鐵路的指標(biāo)要求而設(shè)計(jì)，其中主要包括適用范圍、最大功耗、測(cè)量精度、導(dǎo)高、拉出值、軌距以及外軌超高，鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)需對(duì)這些數(shù)值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化約束，本系統(tǒng)的測(cè)量范圍及精度具體如表1所示。

表1 系統(tǒng)主要指標(biāo)

2.2 掃描設(shè)備的調(diào)試

2.2.1 測(cè)量準(zhǔn)備

掃描設(shè)備為全自動(dòng)測(cè)量，無(wú)硬件控制，直接進(jìn)行軟件操作即可。進(jìn)入軟件首頁(yè)，界面包括檢測(cè)曲線、檢測(cè)數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)設(shè)置、退出5個(gè)功能選項(xiàng)。啟動(dòng)軟件后，首先確認(rèn)雷達(dá)的數(shù)據(jù)連接是否成功，連接“成功”雷達(dá)旁的燈會(huì)亮，“失敗”則灰暗，若未連接成功，重啟雷達(dá)軟件，點(diǎn)擊“檢測(cè)曲線”功能。測(cè)量界面如圖6所示。

制定《黃委施行最嚴(yán)格水資源管理制度實(shí)施方案》，進(jìn)一步明確落實(shí)最嚴(yán)格水資源管理制度所需的制度體系、指標(biāo)準(zhǔn)體系、執(zhí)行體系和技術(shù)支撐體系。

右上角“拉出值”和“導(dǎo)高”表示它們的實(shí)時(shí)數(shù)值；“公里標(biāo)”表示位置；“里程”表示推車(chē)行走距離；“側(cè)面限界”旁的數(shù)字框表示側(cè)面限界的自動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)；“桿號(hào)”表示支柱上的數(shù)字；“間隔”表示桿號(hào)增加/減少的幅度；“智能識(shí)別”表示自動(dòng)識(shí)別或者選擇用遙控器控制桿號(hào)增減；“吊弦”旁的數(shù)字選項(xiàng)表示兩桿號(hào)之間的吊弦根數(shù)；“線1”、“線2”、“承1”分別表示左邊方框曲線圖線的顏色。

在線路簡(jiǎn)單的路段上，選擇一個(gè)跨中位置，用精測(cè)設(shè)備測(cè)量一組導(dǎo)高和拉出值，然后點(diǎn)擊“開(kāi)始測(cè)量”按鈕。

將在精測(cè)設(shè)備上測(cè)試的一組導(dǎo)高、拉出值數(shù)據(jù)填入相應(yīng)的數(shù)字框內(nèi)，點(diǎn)擊“標(biāo)定”按鈕，聽(tīng)到設(shè)備語(yǔ)音提示“標(biāo)定成功”，則測(cè)量前的準(zhǔn)備完成，若無(wú)語(yǔ)音提示，則標(biāo)定失敗，重新標(biāo)定一次即可。初始設(shè)定完成后，點(diǎn)擊“開(kāi)始測(cè)量”按鈕即可進(jìn)行測(cè)量，界面會(huì)實(shí)時(shí)顯示接觸線導(dǎo)高和拉出值、承力索的導(dǎo)高數(shù)據(jù)波形圖。在界面右上方顯示導(dǎo)高、拉出值、側(cè)面限界的具體測(cè)量值，以及設(shè)備測(cè)量里程和線路公里標(biāo)；界面右側(cè)中間顯示設(shè)備測(cè)量時(shí)所在的桿號(hào)位置并可手動(dòng)添加桿號(hào)；界面右下方可進(jìn)行開(kāi)始、停止的測(cè)量控制，參數(shù)播報(bào)可以對(duì)當(dāng)前測(cè)得的參數(shù)進(jìn)行聲音播放。

2.2.2 檢測(cè)數(shù)據(jù)

“檢測(cè)數(shù)據(jù)”選項(xiàng)顯示被測(cè)線路的相關(guān)信息和測(cè)量數(shù)據(jù)，在設(shè)備工作時(shí)會(huì)實(shí)時(shí)持續(xù)更新。界面右側(cè)上方是對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的相關(guān)操作，可以篩選查看測(cè)量數(shù)據(jù)的部分值；未測(cè)量時(shí)右側(cè)下方“打開(kāi)文件”可打開(kāi)查看歷史記錄；點(diǎn)擊“打開(kāi)文件”，彈出文件選擇框，選擇已測(cè)的時(shí)間點(diǎn)數(shù)據(jù)，會(huì)在此框下顯示數(shù)據(jù)，若在測(cè)試時(shí)打開(kāi)此功能，會(huì)顯示此次測(cè)量的數(shù)據(jù)；若要生成表格文檔，則打開(kāi)相應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)數(shù)據(jù)后，點(diǎn)擊數(shù)據(jù)導(dǎo)出即可。

2.2.3 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

2.3 精測(cè)設(shè)備的調(diào)試

2.3.1 基本測(cè)量（導(dǎo)高、拉出值）

進(jìn)入巡視檢測(cè)界面后，單擊“基本測(cè)量”鍵進(jìn)入基本測(cè)量界面。通過(guò)調(diào)節(jié)按鈕或者點(diǎn)擊屏幕處導(dǎo)線位置使設(shè)備探頭瞄準(zhǔn)被測(cè)接觸線或定位點(diǎn)（白天觀察屏幕“十”字，夜間按“激光”鍵發(fā)長(zhǎng)激光），按“測(cè)量”鍵進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量完成后，結(jié)果會(huì)顯示在屏幕上。如不需再次測(cè)量，可按下其他測(cè)量項(xiàng)目按鈕進(jìn)入其他測(cè)量界面或退出基本測(cè)量界面[6]。

2.3.2 精測(cè)校準(zhǔn)與數(shù)據(jù)保存

進(jìn)入精測(cè)系統(tǒng)之后進(jìn)行校準(zhǔn)設(shè)置。點(diǎn)擊“拉出值與超高校準(zhǔn)”按鈕，然后選擇一個(gè)方便識(shí)別的接觸線上的點(diǎn)，正反兩次激光測(cè)量這同一個(gè)位置即可完成校準(zhǔn)。數(shù)據(jù)采集完成之后點(diǎn)擊“導(dǎo)出數(shù)據(jù)”即可生成表格文件保存在電腦里。導(dǎo)出的表格數(shù)據(jù)如圖7所示，包含了工支、非支、承力索的導(dǎo)高和拉出值的測(cè)量數(shù)據(jù)；里程、桿號(hào)代表位置信息；定位點(diǎn)、吊弦為代表測(cè)量類(lèi)型信息，滿(mǎn)足了現(xiàn)場(chǎng)對(duì)接觸網(wǎng)的參數(shù)要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文從硬件機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)物調(diào)試2部分詳細(xì)介紹了高速鐵路接觸網(wǎng)智能巡視檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和器件選擇，形成自身的創(chuàng)新。通過(guò)在實(shí)際測(cè)試調(diào)試中汲取經(jīng)驗(yàn)，利用多種思路調(diào)試使多模塊緊密配合。在機(jī)械調(diào)整方面，選擇合適的材質(zhì)與傳感器，全鋁合金整機(jī)重量不超過(guò)40 kg，方便其反復(fù)調(diào)試拆裝，使設(shè)備輕巧便攜，簡(jiǎn)單組裝后，能夠快速進(jìn)行接觸網(wǎng)巡視檢測(cè)。選擇合適芯片，PCB布線格局合理優(yōu)化，使其適合鐵路環(huán)境以及相關(guān)氣候，讓各模塊合理有序地工作。在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中，通過(guò)不同思路的對(duì)比，依靠大量的實(shí)地?cái)?shù)據(jù)，優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的處理速度以及系統(tǒng)整體運(yùn)行狀態(tài)，掃描速度控制等，使巡檢系統(tǒng)高速的完成既定任務(wù)。