接觸線磨耗測量與定位融合方法研究

李 軍，李 想

0 引言

接觸線與受電弓相互作用時，接觸面會產(chǎn)生侵蝕及磨損現(xiàn)象，稱為接觸線磨耗。接觸線與碳滑板不均勻摩擦、維護周期過長、環(huán)境侵蝕等是產(chǎn)生接觸線磨耗的主要原因。理想磨耗為均勻磨耗，但是車體晃動、導高異常過低、錨段非支抬高量過小、工作面不平整等原因均可能導致接觸線異常磨耗。接觸線磨耗直接影響接觸線使用壽命、車輛運行安全及接觸網(wǎng)機械安全。接觸網(wǎng)作為電氣化鐵路供電系統(tǒng)的重要組成部分，一旦出現(xiàn)故障，將直接影響車輛正常運行，帶來安全隱患[1]。

傳統(tǒng)磨耗檢測為人工檢測，檢測人員在軌道上進行巡檢，作業(yè)過程復雜、效率低、風險高。自動化磨耗測量與定位融合技術的研究對接觸線磨耗的檢測具有重要意義[2]。

1 接觸線磨耗檢測系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成及功能

接觸線磨耗檢測系統(tǒng)主要由車頂設備、車內設備兩部分構成。車頂設備主要包括接觸線磨耗采集系統(tǒng)和相機補償照明系統(tǒng)，車內設備由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和定位系統(tǒng)組成。系統(tǒng)結構如圖1 所示。

圖1 接觸線磨耗檢測系統(tǒng)結構

該檢測系統(tǒng)的主要功能：（1）測量功能，對接觸線磨耗進行實時測量；（2）成像功能，對接觸線磨耗面進行高清成像；（3）輸出功能，將磨耗面積、磨耗高度、檢測日期、區(qū)間、公里標等檢測數(shù)據(jù)進行存儲及輸出；（4）展示功能，以缺陷報表、圖片、數(shù)據(jù)曲線和打印等方式輸出所有檢測數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)缺陷位置與對應圖片的關聯(lián)分析及查看。

1.2 檢測原理

采用機器視覺及接觸線定位跟蹤圖像識別技術，利用高清成像相機組，動態(tài)獲取接觸線的斷面圖像，進而調用接觸線定位圖像識別算法及磨耗計算算法，實時測算接觸線的殘存直徑y(tǒng)，進而計算出接觸線磨耗值x，磨耗示意如圖2（a）所示。圖2（b）、（c）分別為我國最常用的銅銀接觸線CHAT120 和銅銀接觸線Ris150 的截面圖。

圖2 接觸線截面示意圖

根據(jù)《普速鐵路接觸網(wǎng)運行維修規(guī)則》（TG/GD 116—2017）中對接觸線磨耗損傷的定義，磨損面積的15%為警示值，磨損面積的20%為限界值。因此，針對我國常用的接觸線類型，可分別給出如下計算依據(jù)：

（1）由于CHAT120 接觸線截面的下半圓外形為規(guī)則圓形，可通過下式得出磨耗截面積：

式中：S為磨耗截面積，mm2；d為磨耗高度，d=D–A，D為下圓直徑，A為磨損后剩余高度，mm；R為下圓半徑，mm；θ為1/2 扇形頂角。

（2）Ris150 銅銀接觸線截面為不規(guī)則圓形，由兩個非同心圓相交而成，其截面積可基于CAD軟件中圖形的實體性進行特性匹配后計算得到。

為準確獲得上述接觸線的截面特征，主要采用激光成像技術，其光學系統(tǒng)設計方案如圖3 所示。

圖3 光學系統(tǒng)方案示意圖

光學系統(tǒng)主要由相機補償照明光源、鏡頭及濾光組件組成。相機補償照明光源采用大功率激光光源并構成光源陣列，便于夜間及隧道檢測目標的捕獲；根據(jù)不同線路檢測高度及范圍要求適配不同的鏡頭類型及焦距；根據(jù)接觸線材質及光源特性，采用對相應波段敏感的特殊波長濾波器，消除白天太陽光、線路沿線燈光及信號燈等光源對目標識別的干擾。

高清成像相機組的選擇方案主要有高速CMOS 線陣相機和高清CCD 面陣相機兩種[3～5]。下文闡述基于線陣相機的磨耗測量原理。線陣磨耗檢測裝置的基本組成如圖4 所示。

圖4 線陣磨耗檢測裝置設備組成

裝置通過高幀率相機的圖像數(shù)據(jù)采集技術精確地采集到接觸線狀態(tài)圖像，如圖5 所示。

圖5 線陣相機實際成像示意圖

圖5 中，導線可劃分為3 個區(qū)域，采用線陣磨耗檢測裝置，結合勻化光路整形技術即可獲得對應的細節(jié)成像，從而直觀地看出接觸線狀態(tài)。

基于機器視覺和圖像算法模塊進行常規(guī)算法處理，流程如圖6 所示。進行數(shù)值運算后得到磨損值，從而計算出磨損面積以指導接觸網(wǎng)檢修。

圖6 線陣磨耗測量算法基本流程

1.3 實際應用

基于線陣接觸線磨耗檢測裝置的實際應用成像效果如圖7 所示。從圖像中能夠清晰分辨接觸線狀態(tài)，接觸線存在磨耗的情況下所呈現(xiàn)的亮光帶的寬度出現(xiàn)明顯的變化。

圖7 線陣接觸線磨耗檢測裝置成像效果

圖8 所示為實際測量的磨耗數(shù)據(jù)曲線。

圖8 磨耗數(shù)據(jù)曲線

綜上所述，基于線陣相機的磨耗測量技術具有下述優(yōu)勢：（1）直觀地呈現(xiàn)出整條線路的接觸線特征，可巡視整條接觸線的狀態(tài)；（2）可定位波狀磨耗區(qū)域、大硬點區(qū)域等。

2 數(shù)據(jù)定位原理

2.1 數(shù)據(jù)定位系統(tǒng)總體框架模型

對于檢測系統(tǒng)而言，核心評價指標之一在于數(shù)據(jù)定位的精確性，應用精準的定位系統(tǒng)，可快速找到缺陷位置，復查缺陷類型，提升檢修效率。本次研究使用的數(shù)據(jù)綜合定位模型如圖9 所示。

圖9 數(shù)據(jù)綜合定位總體框架模型

如圖9 所示，主定位信息和輔助定位信息均通過交換機接入綜合定位板，與定位計算機以及需要定位信息的子系統(tǒng)相連。綜合定位板作為服務端，綜合定位計算機作為客戶端。在綜合定位計算機下發(fā)定位信息時，綜合定位計算機作為服務端，其他子系統(tǒng)作為客戶端。

綜合定位系統(tǒng)的硬件部分主要負責采集定位信號，對速度、里程進行計算，以及對外設按要求進行觸發(fā)。其軟件部分負責采集硬件反饋的速度里程信息，并結合其他輔助定位信息加以校正后發(fā)送給需要定位信息的子系統(tǒng)。軟件還需對硬件產(chǎn)生的誤差（累積誤差）進行修正。

2.2 數(shù)據(jù)定位硬件系統(tǒng)

2.2.1 速度傳感器

速度傳感器本質是光電編碼器，其安裝在接觸網(wǎng)檢測車軸端部，隨著車輪轉動產(chǎn)生脈沖信號（A相和B 相），距離車內綜合定位電路板接口有較長距離（10 m 左右），在速度信號傳輸過程中會因外界環(huán)境導致信號干擾，因此加入濾波模塊濾除浪涌脈沖群等干擾，進而經(jīng)過光耦進行電平轉換，計數(shù)模塊FPGA 接收轉換后的電平信號。速度傳感器信號接入流程如圖10 所示，其脈沖信號及觸發(fā)輸出示意圖見圖11。

圖10 速度傳感器信號接入流程

圖11 脈沖信號及觸發(fā)輸出示意圖

如圖11 所示，速度傳感器信號輸出一般有A相信號和B 相信號，且A 相和B 相之間相位相差90°，若定義A 相信號為參考，A 相信號上升時刻，B 相信號為高電平，則方向寄存器輸出“1”，正脈沖計數(shù)器自加1，當脈沖計數(shù)大于等于等脈沖觸發(fā)個數(shù)時，等脈沖觸發(fā)線產(chǎn)生一個脈沖輸出（圖例為計數(shù)200 個）。計數(shù)模塊FPGA 對速度傳感器上傳的脈沖信號進行統(tǒng)計，并將計算結果上傳至上位機，最后上位機主動發(fā)起與服務端的連接，將TTL觸發(fā)信號或差分觸發(fā)信號發(fā)送至外部設備使用。

獲得上述觸發(fā)脈沖信號后，即可對單位脈沖距離、車速、里程信息進行計算。

（1）單位脈沖距離計算。單位脈沖距離計算式為

式中：l為單位脈沖距離，表示速度傳感器單位脈沖所對應的車輪行駛距離；D為車輪直徑；N為總線數(shù)，表示速度傳感器旋轉一周產(chǎn)生的總脈沖數(shù)。

（2）車速計算。車速計算式為

式中：t為列車運行時間；P為在一定時間t內，速度傳感器產(chǎn)生的脈沖個數(shù)；V為在一定時間t內的車速。

（3）里程計算。里程計算式為

式中：S為相對位移距離，即運行里程。

實際現(xiàn)場應用中，由于車輪存在打滑及蛇形蠕動，速度傳感器計算的里程信息并不十分準確，隨著車輛運行距離的增加，累計誤差會增大。因此，在速度傳感器作為主要定位方法的基礎上，增添了部分輔助定位的手段。

2.2.2 電子標簽

在車體下方安裝電子標簽閱讀器，并在鐵軌正中間每隔一段距離安裝電子標簽，電子標簽本身屬于無源信號，不會影響列車安全運行。一旦檢測車行駛至電子標簽位置，可通過電子標簽閱讀器獲取電子標簽信息，進而校正桿號，達到消除累計誤差的目的。

2.2.3 錨段識別

弓網(wǎng)在線檢測系統(tǒng)中的幾何參數(shù)檢測模塊采用非接觸式測量技術，在錨段處根據(jù)成像本身特點，可輸出部分定位信息，當相機識別到錨段位置后，算法即將該定位標識輸出至綜合定位系統(tǒng)。

2.2.4 激光雷達

采用基于時間飛行原理的高幀率雷達。時間飛行：當雷達發(fā)出激光脈沖，內部會存一個開始時間t1；當激光波接觸到物體后返回，雷達收到脈沖信號，內部會存一個結束時間t2。其距離計算式為

式中：c為光速。

雷達會連續(xù)發(fā)射激光脈沖，通過旋轉光學機構將激光脈沖按一定角度間隔（角度分辨率）發(fā)射出信號，為一個個扇形掃描面，最終形成一個以徑向坐標為基準的二維掃描面。通過掃描距離及對應的角度計算出探測物體與雷達之間的距離。

2.2.5 其他輔助定位

除上述定位數(shù)據(jù)來源以外，根據(jù)實際線路情況及車輛特點，還有以下幾種輔助定位信息：

（1）基礎數(shù)據(jù)庫。在接觸網(wǎng)架設時，作業(yè)人員按照CAD 圖紙施工，基于此轉換成基礎數(shù)據(jù)庫，其包含站區(qū)、上下行、公里標、支柱號等信息。

（2）人工矯正定位信息。人工可實時對檢測系統(tǒng)進行定位校正，修正站區(qū)、桿號等。

2.3 數(shù)據(jù)定位軟件系統(tǒng)

2.3.1 綜合定位軟件體系結構

綜合定位軟件體系結構如圖12 所示。該結構分3 層：第1 層為外部接口層，主要用于對外接口處理；第2 層為綜合定位處理層，主要用于算法邏輯處理；第3 層為硬件接入層，主要用于接入不同定位設計設備進行互聯(lián)通信。各層主要功能如下。

圖12 數(shù)據(jù)綜合定位體系結構

外部接口層：主要完成對綜合定位軟件的參數(shù)設置，基礎數(shù)據(jù)庫的錄入，當前線路的設置，人工校準當前定位信息，設置速度傳感器的參數(shù)，是否自動生成雷達和公里標的定位關系等；負責向其他系統(tǒng)發(fā)送定位信息（程序啟動時，服務端口開啟并監(jiān)聽外部系統(tǒng)的接入；當綜合定位算法計算出當前定位信息后，由定位服務器接口發(fā)送給其他系統(tǒng)）。

綜合定位處理層：綜合定位算法綜合所有硬件接入層獲取到的定位信息，計算出當前位置；數(shù)據(jù)庫模塊負責所有數(shù)據(jù)庫操作，如數(shù)據(jù)庫的打開、關閉、查詢、插入、更新等。

硬件接入層：負責管理所有硬件接入，根據(jù)配置文件判斷是否啟用，是否初始化模塊，同時監(jiān)控所有模塊狀態(tài)，完成硬件模塊重連等功能。

2.3.2 綜合定位軟件時序

從用戶使用角度，綜合定位軟件常規(guī)時序如圖13 所示。

圖13 綜合定位軟件時序

2.3.3 綜合定位方法

綜合定位算法需要綜合所有硬件信息，同時查詢基礎數(shù)據(jù)庫，才能得到當前位置。綜合定位接入的硬件信息包括絕對定位信息和相對定位信息，絕對定位信息來自電子標簽和人工校準，相對定位信息來自雷達識別、錨段識別和速度傳感器。

綜合定位需要結合絕對定位信息和相對定位信息進行精確定位，一般通過速度傳感器實現(xiàn)當前位置的計算，同時通過絕對定位以及其他相對定位來矯正當前位置。首先定義各定位信息的優(yōu)先級，如圖14 所示。

圖14 定位信息優(yōu)先級

結合上述定位方法和邏輯，可實現(xiàn)將數(shù)據(jù)定位到每根桿號以內，定位精度遞增邏輯如表1 所示。

表1 定位精度范圍

2.4 綜合定位實際效果

綜合定位校正實際效果如圖15 所示。綜合定位融合了電子標簽定位信息、錨段關節(jié)定位校正信息、雷達支柱定位校正信息等，能夠對錨段和支柱進行精準定位與識別，實現(xiàn)不錯桿、不漏桿的定位目標。

圖15 綜合定位校正示意圖

3 線上測試試驗

接觸線磨耗檢測裝置調試試驗主要在遂成線上行八里—龍?zhí)端?、巴達線上行覃家壩—渡市、達成線下行達州—遂寧區(qū)段進行，對檢測數(shù)據(jù)進行抽樣分析。接觸線磨耗統(tǒng)計如表2～表4 所示。

表2 八里—龍?zhí)端聟^(qū)段接觸線磨耗統(tǒng)計

從表2 統(tǒng)計結果可以看出，遂成線上行八里—龍?zhí)端聟^(qū)段99.91%的磨耗分布于[0mm,3.6mm)范圍內，該區(qū)段接觸線磨損很小，接觸壓力合理。

如圖16 所示，有個別點導線磨損值超過3.6 mm，需要監(jiān)管人員注意。

圖16 八里—龍?zhí)端聟^(qū)段（公里標K9+790）超限磨耗

從表3 的統(tǒng)計結果可以看出，巴達線上行覃家壩—渡市區(qū)段99.61%的磨耗分布于[0mm,3.6mm)范圍內，接觸線磨損較小，有部分超限數(shù)據(jù)。

表3 覃家壩—渡市區(qū)段接觸線磨耗統(tǒng)計

1.9≤d＜2.1 1 315 1.384 21 2.1≤d＜2.3 1 078 1.134 73 2.3≤d＜2.5 1 322 1.391 57 2.5≤d＜2.7 803 0.845 26 2.7≤d＜2.9 652 0.686 31 2.9≤d＜3.1 380 0.400 00 3.1≤d＜3.3 335 0.352 63 3.3≤d＜3.6 226 0.237 89 d≥3.6 369 0.388 42

從表4 的統(tǒng)計結果可以看出，達成線下行達州—遂寧區(qū)段99.73%的磨耗分布于[0mm,3.6mm)范圍內，該區(qū)段的接觸線磨耗較小，處于合理范圍。

通過對采集數(shù)據(jù)進行分析可以看出，該裝置可代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工巡檢的作業(yè)方式，實現(xiàn)準確的數(shù)據(jù)采集和定位，可以大大減少維護工作量；可以對柔性接觸網(wǎng)進行覆蓋檢測，通過自動化采集數(shù)據(jù)對檢測線路的接觸線磨損情況進行整體評估，提前對磨損嚴重位置提示預警，提高列車運行安全性。

4 結語

本文提出的接觸線磨耗測量與定位融合方法可實現(xiàn)磨耗測量與定位功能。定位與磨耗檢測功能融合后能有效指導接觸網(wǎng)異常磨耗定位與檢修，對接觸線磨耗檢測具有重要意義。