地鐵非接觸式靴軌關(guān)系在線檢測技術(shù)研究

佘朝富 邱啟盛 占 棟 劉 蘭 謝強斌 王志惠

(1.成都唐源電氣股份有限公司， 610046， 成都；2.廣州地鐵集團有限公司， 510308， 廣州∥第一作者， 工程師)

集電靴與接觸軌的滑動電接觸是地鐵車輛獲取電能的重要方式。因此，地鐵牽引供電系統(tǒng)的安全性與接觸軌是否能長期保持良好狀態(tài)有著重要關(guān)系。

靴軌關(guān)系在線檢測包括接觸軌幾何參數(shù)檢測和靴軌燃弧檢測。接觸軌幾何參數(shù)檢測包括人工檢測和機器檢測兩種方式[1]。隨著科技的發(fā)展，人工檢測逐漸被機器檢測替代。非接觸式靴軌關(guān)系在線檢測技術(shù)是目前地鐵中常用的靴軌關(guān)系檢測技術(shù)。其采用激光攝像測距原理對接觸軌進行檢測，不與靴軌系統(tǒng)直接接觸，檢測精度高，并可實時檢測[4-6]。

靴軌燃弧檢測是利用一種特殊光學(xué)采集系統(tǒng)，在濾除太陽光及其他雜散光的干擾后，選取特定波長的紫外光段作為檢測特征量，從而實現(xiàn)燃弧檢測[7-8]。

1 地鐵非接觸式靴軌關(guān)系在線檢測技術(shù)原理

1.1 線結(jié)構(gòu)光測量技術(shù)原理

線結(jié)構(gòu)光向物體表面投射時，產(chǎn)生了物體對光束的空間調(diào)制，進而形成了激光輪廓線，該輪廓線能夠反映物體的形貌。

接觸軌幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)測量參數(shù)的需求為：①走行軌中心與接觸軌中心間的距離；②接觸軌受流面距相鄰走行軌軌面的垂直距離。

接觸軌幾何參數(shù)檢測示意如圖1所示。標(biāo)準(zhǔn)接觸軌外側(cè)到接觸軌中心的距離為46 mm,已知C0、C1、C2、C11、C12(見圖1)，故僅需測量C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10(見圖1)，即可得到接觸軌幾何參數(shù):

(1)

(2)

式中：

x0、x1——分別為左、右接觸軌中心距線路中心的水平距離，即軌偏,mm；

y0、y1——分別為左、右接觸軌受流面與軌面的垂直距離，即軌高,mm。

注：C0為走行軌軌距；C1為0#與1#攝像機中心的水平距離；C2為2#與3#攝像機中心的水平距離；C3、C4分別為1#、3#攝像機中心到相鄰走行軌內(nèi)側(cè)下方16 mm處的水平距離；C5、C6分別為1#、3#攝像機中心到相鄰走行軌軌面的垂直距離；C7、C8分別為0#、2#攝像機中心到相鄰接觸軌外側(cè)的水平距離；C9、C10分別為0#、2#攝像機中心到相鄰接觸軌受流面的垂直距離；C11為0#與1#攝像機中心的垂直距離；C12為2#與3#攝像機中心的垂直距離。

1.2 紫外光子檢測技術(shù)檢測原理

通過光譜分析儀，可以得到太陽光和弓網(wǎng)燃弧的光譜特性曲線，如圖2所示。由圖2可見，相對太陽光光譜，弓網(wǎng)燃弧光譜輻射強度相對較低，在240～260 nm、300～330 nm、390～400 nm等 3個波長范圍內(nèi)分布有紫外光頻譜波段。200～300 nm波段處于太陽光盲區(qū)，如果采用240～260 nm波段的紫外光作為燃弧檢測的目標(biāo)特征量，便可以排除太陽光干擾，從而準(zhǔn)確地檢測到由弓網(wǎng)燃弧發(fā)出的紫外光，進而就可以判斷弓網(wǎng)燃弧現(xiàn)象是否發(fā)生。

圖2 太陽光譜與弓網(wǎng)燃弧光譜特性曲線

2 非接觸式靴軌關(guān)系在線檢測系統(tǒng)的構(gòu)成

非接觸式靴軌關(guān)系在線檢測系統(tǒng)以運營車輛為載體，采用模塊化設(shè)計。整個檢測系統(tǒng)主要由接觸軌幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)、靴軌燃弧檢測系統(tǒng)、綜合定位系統(tǒng)3部分組成，如圖3所示。

2.1 接觸軌幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)

接觸軌幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)由圖像采集、偏移補償、融合處理3個模塊構(gòu)成。

圖3 非接觸式靴軌關(guān)系在線檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1.1 圖像采集模塊

二維激光測距傳感器(2D傳感器)為圖像采集模塊中的核心組件。該傳感器由線激光和相機組成。其工作原理是：利用三角成像原理，首先將激光光源投射在接觸軌表面；然后令攝像機在其他角度對接觸軌表面進行拍攝；最后利用視覺成像模型，計算目標(biāo)點所在的世界坐標(biāo)位置。

2.1.2 偏移補償模塊

偏移補償系統(tǒng)是將測量到的車體左、右側(cè)的偏移距離和車體傾角，通過現(xiàn)場總線傳送到處理主機。

分別運用兩套2D傳感器，掃描軌道測量基準(zhǔn)。車體靜態(tài)時由左、右2D傳感器計算車體與軌面的幾何位置關(guān)系，并將該位置標(biāo)定為靜態(tài)初始原點。檢測車運行時，通過2D傳感器實時測量來獲取車體與軌面的動態(tài)位置關(guān)系。由車體動態(tài)與靜態(tài)位置間的幾何關(guān)系換算，精確獲取車體傾角及偏移量。通過車體與軌面的傾角與偏移，將以車體作為測量基準(zhǔn)的數(shù)據(jù)換算到軌道中心，實現(xiàn)車體振動測量誤差補償。

2.1.3 融合處理模塊

融合處理系統(tǒng)接收圖像采集模塊、偏移補償模塊、綜合定位模塊所測量的數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)處理分析，實現(xiàn)實時在線檢測功能。

2.2 靴軌燃弧檢測系統(tǒng)

靴軌燃弧檢測系統(tǒng)主要由專用光學(xué)采集模塊、紫外光電傳感模塊、供電模塊及數(shù)據(jù)處理模塊組成。

2.2.1 專用光學(xué)采集模塊

專用光學(xué)采集系統(tǒng)是將弓網(wǎng)燃弧發(fā)出的特定譜段的紫外光進行高效捕捉，并有效濾除多余的太陽光或其他雜散光，這樣便可提取到弓網(wǎng)燃弧的特征光。專用光學(xué)采集模塊的采集示意如圖4所示。

圖4 專用光學(xué)采集系統(tǒng)的采集示意圖Fig.4 Schematic diagram of optical acquisition system

2.2.2 紫外光電傳感模塊

紫外光電傳感系統(tǒng)由信號處理電路、紫外光電傳感器、電源模塊構(gòu)成。該模塊的工作原理是：將獲取的燃弧特征光變成可處理的電信號。

2.2.3 數(shù)據(jù)處理模塊

小信號調(diào)理電路、AD轉(zhuǎn)換及發(fā)送電路、弓網(wǎng)監(jiān)控圖像采集及嵌入式計算機構(gòu)成了數(shù)據(jù)處理模塊。而AD采集電路、FPGA模塊電路構(gòu)成了AD轉(zhuǎn)換及發(fā)送電路。

3 現(xiàn)場試驗驗證

以廣州地鐵4號線(以下簡為“4號線”)、上海軌道交通17號線(以下簡為“17號線”)為依托，進行系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析，驗證靴軌關(guān)系非接觸式在線檢測技術(shù)的可行性。

3.1 接觸軌幾何參數(shù)檢測

3.1.1 列車相同速度下接觸軌軌高、軌偏重復(fù)性誤差對比

為驗證接觸軌幾何參數(shù)檢測裝置的檢測效果，對4號線黃村站—石碁站區(qū)間(以下簡為“黃石區(qū)間”)，以正向和反向采用40 km/h的速度對試驗區(qū)段各檢測3次，如圖5～6所示。

a) 列車運行方向為正向

b) 列車運行方向為反向圖5 4號線黃石區(qū)間接觸軌軌高-列車運行距離曲線

a) 列車運行方向為正向

b) 列車運行方向為反向圖6 4號線黃石區(qū)間接觸軌軌偏-列車運行距離曲線

對4號線新造站—石碁站區(qū)間(以下簡為“新石區(qū)間”)采用60 km/h的速度進行檢測，對比接觸軌軌高、軌偏重復(fù)性誤差是否合格。以第1次檢測數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)值，得到第2次、第3次接觸軌軌高、軌偏與第1次的差值曲線見圖7～8。

3.1.2 列車不同速度下接觸軌軌高、軌偏重復(fù)性誤差對比

選取4號線新石區(qū)間，列車分別采用30 km/h、60 km/h的速度對該區(qū)間的接觸軌進行檢測(見圖9～10)。隨機抽取接觸軌檢測數(shù)據(jù)，對比該數(shù)據(jù)的重復(fù)性誤差是否合格，具體如表1所示。

a) 列車運行方向為正向

b) 列車運行方向為反向圖7 4號線新石區(qū)間接觸軌軌偏差值-列車運行距離曲線

a) 列車運行方向為正向

b) 列車運行方向為反向圖8 4號線新石區(qū)間接觸軌軌高差值-列車運行距離曲線

a) 軌高

b) 軌高差值圖9 列車不同速度下接觸軌軌高-列車運行距離曲線

a) 軌偏

b) 軌偏差值圖10 列車不同速度下接觸軌軌偏-列車運行距離曲線圖

表1 列車相同速度下黃石區(qū)間接觸軌軌高、軌偏重復(fù)性誤差

由表1可知，4號線新石區(qū)間接觸軌軌偏、軌高的重復(fù)性誤差大多在±3 mm以內(nèi)；系統(tǒng)軌偏的ε1，i,95%的最大值為0.9 mm,軌高的ε1，i,95%的最大值為0.7 mm。

3.2 靴軌燃弧檢測

為驗證靴軌動態(tài)檢測裝置的檢測效果，在17號線上進行了動態(tài)試驗。本試驗選取東方綠洲站—虹橋火車站站區(qū)間(以下簡為“東虹區(qū)間”)，列車運行速度分別選取80 km/h和100 km/h，對該區(qū)間進行靴軌燃弧檢測。

由圖11～12可見，在下行線路中,列車以80 km/h和100 km/h的速度運行時，燃弧持續(xù)時間最大值變化曲線大致相同，在蟠龍路站—諸光路站區(qū)間燃弧持續(xù)時間出現(xiàn)最大值87.1 ms。燃弧率變化曲線走勢亦大致相同，僅在最大值處略有偏差。 列車以80 km/h的速度運行時，在蟠龍路站—諸光路站區(qū)間燃弧率出現(xiàn)最大值0.023%；列車以100 km/h的速度運行時，在諸光路站—虹橋火車站區(qū)間燃弧率出現(xiàn)最大值0.032%。列車在兩種運行速度下燃弧率均小于EN 50367—2012規(guī)定的 0.1%，靴軌受流質(zhì)量良好。

圖11 17號線東虹區(qū)間下行線靴軌燃弧率曲線

圖12 17號線東虹區(qū)間下行線燃弧持續(xù)時間最大值曲線

由圖13～14可見，在上行線路中,列車分別以 80 km/h和100 km/h的速度運行時，燃弧持續(xù)時間最大值變化曲線大致相同，徐盈路站—蟠龍路站區(qū)間燃弧持續(xù)時間出現(xiàn)最大值86.4 ms；燃弧率變化曲線亦大致相同，在徐盈路站—蟠龍路站區(qū)間燃弧率出現(xiàn)最大值0.021%，且燃弧率小于EN 50367—2012規(guī)定的0.1%，靴軌受流質(zhì)量良好；徐盈路站—蟠龍路站為高架線至地下線的過渡區(qū)間，出現(xiàn)燃弧次數(shù)最多。

圖13 17號線東虹區(qū)間上行線靴軌燃弧率曲線Fig.13 Curve of up line shoe-rail arcing rate at Line 17 Donghong interval

圖14 17號線東虹區(qū)間上行線燃弧持續(xù)時間最大值曲線

4 結(jié)論

1) 車載式接觸軌幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)檢測的軌偏、軌高的重復(fù)性誤差均在±3 mm以內(nèi)。

2) 通過17號線靴軌動態(tài)參數(shù)試驗，實時獲取集電靴、接觸軌的運行狀態(tài)。上行線路燃弧率最大值為0.021%，下行線路燃弧率最大值為0.023%，且燃弧率均小于 EN 50367—2012規(guī)定的 0.1%，靴軌受流質(zhì)量良好。

3) 非接觸式靴軌關(guān)系在線檢測系統(tǒng)的動態(tài)實時在線檢測功能，能夠滿足城市軌道交通接觸軌供電線路的檢測需要，亦能夠有效提高城市軌道交通線路的檢測效率，對地鐵牽引供電系統(tǒng)的正常運行具有較高的參考價值。