電氣化鐵路限界及幾何參數(shù)智能測(cè)量?jī)x

茹振華

（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）

0 引言

鐵路限界的主要作用是保證設(shè)備、建筑和機(jī)車(chē)能安全行駛在彼此的線路上，避免逾越各自的輪廓線。鐵路限界對(duì)于運(yùn)輸安全起到了重要的保障作用，是避免發(fā)生機(jī)車(chē)碰撞的主要屏障。由于鐵路限界的重要意義，因此輪廓線和幾何參數(shù)的檢測(cè)十分必要，傳統(tǒng)檢測(cè)手段在進(jìn)行電氣化鐵路限界及幾何參數(shù)檢測(cè)時(shí)存在測(cè)量精度差、掃描盲區(qū)大等問(wèn)題，要解決這些問(wèn)題，需對(duì)現(xiàn)行的檢測(cè)儀器進(jìn)行創(chuàng)新升級(jí)，賦予其更高效、更準(zhǔn)確的檢測(cè)能力，以此讓接觸網(wǎng)的安全得到充分保障。

1 檢測(cè)儀器對(duì)電氣化鐵路的意義

電氣化鐵路是指為電力機(jī)車(chē)沿途提供大量動(dòng)力能源的鐵路類(lèi)型，這類(lèi)鐵路為了滿足電力機(jī)車(chē)的動(dòng)力需求，在沿途設(shè)置了大量的電氣設(shè)備，電氣設(shè)備的制造精密、構(gòu)造復(fù)雜、技術(shù)密度高，因此對(duì)工作環(huán)境也有較為苛刻的要求[1]。

接觸網(wǎng)幾何參數(shù)是確保電氣設(shè)備正常運(yùn)作的重要前提，其參數(shù)的優(yōu)劣不僅會(huì)影響到弓網(wǎng)的受流質(zhì)量，也會(huì)對(duì)列車(chē)的安全行駛產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響[2]。當(dāng)檢測(cè)儀器不能在高速動(dòng)態(tài)條件精準(zhǔn)獲取到接觸網(wǎng)的幾何參數(shù)，就會(huì)對(duì)接觸網(wǎng)的安全運(yùn)作帶來(lái)嚴(yán)重的威脅。故加強(qiáng)儀器檢測(cè)精確度成為了電氣化鐵路限界及幾何參數(shù)智能測(cè)量?jī)x改良的重要一環(huán)，需不斷提高儀器的檢測(cè)精確度，才能保證接觸網(wǎng)的安全運(yùn)作，為電氣化鐵路的穩(wěn)定供能提供牢固的技術(shù)支持[3]。

2 傳統(tǒng)檢測(cè)儀器類(lèi)別及問(wèn)題

2.1 傳統(tǒng)檢測(cè)儀器類(lèi)別

常見(jiàn)傳統(tǒng)檢測(cè)儀器有人工采用接觸網(wǎng)幾何參數(shù)測(cè)量?jī)x、車(chē)載式激光掃描動(dòng)態(tài)檢測(cè)儀和斷面攝像檢測(cè)儀等幾種，這幾類(lèi)儀器可以動(dòng)態(tài)、精準(zhǔn)檢測(cè)電氣化鐵路限界及幾何參數(shù)，保證電氣化鐵路限界及幾何參數(shù)檢測(cè)的精準(zhǔn)性和可靠性。若計(jì)量檢測(cè)設(shè)備在監(jiān)控中發(fā)現(xiàn)參數(shù)數(shù)值的變化異常，將立刻進(jìn)行預(yù)警和上傳信息數(shù)據(jù)，便于相關(guān)人員在運(yùn)作過(guò)程中對(duì)接觸網(wǎng)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，保證接觸網(wǎng)運(yùn)作過(guò)程的穩(wěn)定性[4]。

2.2 傳統(tǒng)檢測(cè)儀器問(wèn)題

人工采用接觸網(wǎng)幾何參數(shù)測(cè)量?jī)x、車(chē)載式激光掃描動(dòng)態(tài)檢測(cè)儀和斷面攝像檢測(cè)儀等設(shè)備盡管長(zhǎng)期應(yīng)用于鐵路限界的檢測(cè)，但存在檢測(cè)精度不足等問(wèn)題，這些問(wèn)題影響最終檢測(cè)結(jié)果的精確性[5]。

人工采用接觸網(wǎng)幾何參數(shù)測(cè)量?jī)x是電氣化鐵路限界檢測(cè)中的常見(jiàn)檢測(cè)設(shè)備，該儀器是一種一體機(jī)設(shè)備，它的測(cè)量主機(jī)和測(cè)量架連接互為一體，儀器的主機(jī)部分功能有激光測(cè)量和垂直角度測(cè)量，測(cè)量架屬于平放在鋼軌中的橫桿，其不足在于對(duì)限界測(cè)量的操作有較高的復(fù)雜度，測(cè)量人員需要承擔(dān)的工作量會(huì)大幅度增加，對(duì)測(cè)量效率帶來(lái)負(fù)面影響[6]。

車(chē)載式激光掃描動(dòng)態(tài)檢測(cè)儀器是以激光對(duì)限界進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)的儀器，其檢測(cè)速度快、效率高，是當(dāng)前電氣化鐵路限界檢測(cè)的主要儀器。但掃描盲區(qū)過(guò)大，如車(chē)載式激光掃描動(dòng)態(tài)檢測(cè)儀器在一些聯(lián)絡(luò)線、站場(chǎng)側(cè)線上的檢測(cè)效果不佳，因?yàn)榻M織行車(chē)不易，容易形成檢測(cè)盲區(qū)，造成漏檢等現(xiàn)象發(fā)生，影響到檢測(cè)結(jié)果的精確性。此外，車(chē)載式動(dòng)態(tài)檢測(cè)的掃描間隔大，在吊柱、腕臂等地方容易形成漏檢的情況，為接觸網(wǎng)的運(yùn)行埋下安全隱患[7]。

斷面攝像檢測(cè)儀器是基于斷面判斷限界是否有逾越斷面，以此推導(dǎo)出檢測(cè)結(jié)果的儀器，儀器主要通過(guò)對(duì)當(dāng)前斷面、前后方斷面進(jìn)行測(cè)距，來(lái)判定限界是否逾越斷面。設(shè)備對(duì)環(huán)境的敏感度較高，如果測(cè)量場(chǎng)地的陽(yáng)光或者環(huán)境因素的干擾較大，儀器的測(cè)量結(jié)果就容易失實(shí)，因此只適合于隧道等外界干擾因素較少的封閉環(huán)境[8]。

綜上，要為接觸網(wǎng)安全運(yùn)行提供充分保障，所設(shè)計(jì)的檢測(cè)儀器必須具備對(duì)環(huán)境的抗干擾能力、簡(jiǎn)易的操作程序、高效的檢測(cè)過(guò)程和全面的檢測(cè)覆蓋。結(jié)合這些要求，擬設(shè)計(jì)一種電氣化鐵路限界及幾何參數(shù)智能測(cè)量?jī)x。該測(cè)量?jī)x選擇以便攜式小推車(chē)為測(cè)量載體，采用激光相位掃描技術(shù)，相比上述儀器有更高的便攜性，且能夠快速實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣化鐵路接觸網(wǎng)及其相關(guān)設(shè)備限界、幾何參數(shù)自動(dòng)手動(dòng)測(cè)量，該測(cè)量?jī)x專(zhuān)門(mén)針對(duì)供電專(zhuān)業(yè)的相關(guān)設(shè)備進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描檢測(cè)，排除了其他專(zhuān)業(yè)的干擾信息，不受組織行車(chē)的影響，因此檢測(cè)結(jié)果有很高的精確性，測(cè)量效率也要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于上述三種儀器。

3 電氣化鐵路限界及幾何參數(shù)智能測(cè)量?jī)x的優(yōu)勢(shì)

3.1 便攜性

該儀器以便攜式小推車(chē)為測(cè)量載體，具備易攜帶、組裝方便、手推式等優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)可以幫助檢測(cè)人員快速實(shí)現(xiàn)對(duì)任何區(qū)段的線路巡檢。如此便打破了車(chē)載式限界檢測(cè)裝置中，因?yàn)榻M織行車(chē)問(wèn)題而存在大量檢測(cè)盲區(qū)的桎梏。儀器可以省略軌道車(chē)出動(dòng)的步驟，直接對(duì)待巡檢區(qū)間進(jìn)行封鎖便可順利進(jìn)行檢測(cè)作業(yè)，并獲取到準(zhǔn)確的接觸網(wǎng)幾何參數(shù)，為接觸網(wǎng)的安全運(yùn)作提供充分保障。

3.2 高效性

電氣化鐵路限界智能測(cè)量?jī)x的效率高于人工采用接觸網(wǎng)幾何參數(shù)測(cè)量?jī)x、車(chē)載式激光掃描動(dòng)態(tài)檢測(cè)儀和斷面攝像檢測(cè)儀等儀器。相比人工采用接觸網(wǎng)幾何參數(shù)測(cè)量?jī)x復(fù)雜繁瑣的操作，該儀器的使用程序簡(jiǎn)單、上手快，檢測(cè)人員不需要花費(fèi)太多時(shí)間進(jìn)行操作方式學(xué)習(xí)就能掌握該儀器的操作方式，能大幅度提升檢測(cè)效率。在具體的檢測(cè)過(guò)程中，封鎖區(qū)間后儀器能以0～5 km/h 速度對(duì)電氣化鐵路限界進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)，人工測(cè)量效率比傳統(tǒng)的檢測(cè)儀器更高，效率優(yōu)勢(shì)明顯。

3.3 性價(jià)比

儀器采用高頻激光相位掃描技術(shù)，能對(duì)電氣化鐵路沿線的關(guān)鍵設(shè)備、關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行動(dòng)態(tài)自動(dòng)、手動(dòng)掃描測(cè)量，并通過(guò)二維建模算法生成限界斷面圖，有助于檢測(cè)人員直觀了解接觸網(wǎng)的運(yùn)作情況。同時(shí)，可以對(duì)關(guān)鍵部位的限界值進(jìn)行自動(dòng)、手動(dòng)標(biāo)識(shí)，超限數(shù)據(jù)報(bào)警，方便了檢測(cè)人員的檢測(cè)。采用該測(cè)量?jī)x可以用較低的成本，高效、專(zhuān)業(yè)地解決長(zhǎng)期以來(lái)困擾檢測(cè)人員的繁雜測(cè)量工作，對(duì)于電氣化鐵路限界測(cè)量、管理以及維護(hù)有著較大的經(jīng)濟(jì)意義，能減少電氣化鐵路限界測(cè)量中的人工成本，提高測(cè)量效率，起到“節(jié)本增效”的作用。

4 電氣化鐵路限界及幾何參數(shù)智能測(cè)量?jī)x的方案設(shè)計(jì)

4.1 便攜式巡檢系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)需求，便攜式巡檢系統(tǒng)主要由七個(gè)部分組成，分別是便攜式手推小車(chē)檢測(cè)平臺(tái)、高頻激光相位掃描雷達(dá)、軌距測(cè)量模塊、電源管理模塊、觸發(fā)模塊、中央處理MCU 單元和人機(jī)交互接口，其結(jié)構(gòu)圖1 所示。

圖1 智能測(cè)量?jī)x的結(jié)構(gòu)藍(lán)圖

測(cè)量?jī)x整體采用模塊化設(shè)計(jì)，不同的功能模塊保持良好的獨(dú)立性，所有的模塊都可以獨(dú)立拆裝、維護(hù)和運(yùn)輸，即使后期發(fā)生元件超限，整個(gè)儀器依然能保持大部分功能，只需針對(duì)超限元件進(jìn)行更換即可。

在應(yīng)用該儀器檢測(cè)電氣化鐵路限界及幾何參數(shù)時(shí)，可以運(yùn)用電氣化鐵路內(nèi)部自帶電子檢測(cè)系統(tǒng)聯(lián)合電子控制單元（EUC）、傳感器等實(shí)現(xiàn)全方位檢測(cè)電氣化鐵路內(nèi)部執(zhí)行器的目的，技術(shù)人員可借助電子檢測(cè)儀獲得超限信息，以便確定超限的位置及原因。該儀器同時(shí)還具備監(jiān)測(cè)電氣化鐵路接觸網(wǎng)狀態(tài)的功能，當(dāng)系統(tǒng)存在異常時(shí)警報(bào)燈處于閃爍狀態(tài)，提醒系統(tǒng)存在超限。

該儀器存在良好的兼容性和可擴(kuò)充性，電氣化鐵路限界智能測(cè)量?jī)x的數(shù)據(jù)兼容可直接或者間接兼容目前路局的限界管理系統(tǒng)，同時(shí)采用觸摸面板可對(duì)測(cè)量?jī)x線路、狀態(tài)、類(lèi)型等參數(shù)進(jìn)行直接交互，該儀器的測(cè)量限界可以與標(biāo)準(zhǔn)限界進(jìn)行對(duì)比分析，超限實(shí)時(shí)預(yù)警，測(cè)量的限界值和斷面圖進(jìn)行一桿一檔管理、回放，并統(tǒng)計(jì)每一條測(cè)量線路中限界超限數(shù)量、超限值等，同時(shí)根據(jù)后期對(duì)巡檢設(shè)備的要求，可以加裝對(duì)應(yīng)的功能模塊，實(shí)現(xiàn)儀器的功能擴(kuò)展。

4.2 主要功能模塊的設(shè)計(jì)

電氣化鐵路限界及幾何參數(shù)智能測(cè)量?jī)x的主要功能模塊共有激光相位掃描模塊、自動(dòng)/手動(dòng)觸發(fā)模塊和便攜式手推小車(chē)測(cè)量平臺(tái)三部分。

一是激光相位掃描模塊，該模塊封裝是該智能測(cè)量?jī)x的核心零部件和核心算法，采用高頻激光相位掃描雷達(dá)實(shí)時(shí)對(duì)電氣化鐵路支柱及其相關(guān)設(shè)備實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)掃描，根據(jù)三點(diǎn)定位原理、三角函數(shù)關(guān)系和高斯濾波算法進(jìn)行二維建模并生成供電系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備的斷面圖，通過(guò)可視化斷面圖的提供，幫助檢測(cè)人員判斷接觸網(wǎng)的運(yùn)行情況以及是否存在逾越斷面的現(xiàn)象。激光相位掃描模塊以掃描信號(hào)為觸發(fā)點(diǎn)，每當(dāng)收到自動(dòng)或者手動(dòng)限界掃描觸發(fā)信號(hào)時(shí)，該模塊立即對(duì)觸發(fā)點(diǎn)0.5～1.2 m 范圍內(nèi)的截面以20 mm 為步進(jìn)單位進(jìn)行覆蓋式掃描檢測(cè)，確保檢測(cè)中不會(huì)出現(xiàn)掃描盲區(qū)和漏檢部分。同時(shí)，激光相位掃描模塊會(huì)將每一個(gè)步進(jìn)幀的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比換算出離鋼軌中心最近的點(diǎn)，即該點(diǎn)就為當(dāng)前限界測(cè)量的實(shí)際點(diǎn)。當(dāng)掃描完當(dāng)前斷面后，測(cè)量小車(chē)走行一段距離后自動(dòng)觸發(fā)攝像系統(tǒng)，以1 920×1 080 P 的分辨率拍攝并輸出當(dāng)前掃描斷面的全景高清圖像，為檢測(cè)人員提供可視化的圖像資料，方便檢測(cè)人員觀察接觸網(wǎng)運(yùn)作情況。

二是自動(dòng)/手動(dòng)觸發(fā)模塊，測(cè)量?jī)x采用巡檢線路跨距信息、里程累計(jì)光電編碼器和左右激光測(cè)距傳感器相結(jié)合的組合定位方式實(shí)現(xiàn)測(cè)量?jī)x的全自動(dòng)觸發(fā)掃描。測(cè)量?jī)x光電編碼器具有自動(dòng)記錄和存儲(chǔ)功能，可以自動(dòng)累計(jì)檢測(cè)平臺(tái)的里程，并將累計(jì)的里程與線路的跨距信息進(jìn)行自動(dòng)化對(duì)比。當(dāng)對(duì)比信息達(dá)到跨距的距離時(shí)，電編碼器就會(huì)向激光相位掃描模塊發(fā)送一個(gè)斷面掃描信號(hào)。接收到信號(hào)的激光相位掃描模塊便會(huì)開(kāi)始掃描檢測(cè)。光電編碼器累計(jì)的里程有一定概率發(fā)生累計(jì)誤差問(wèn)題，每當(dāng)巡檢小車(chē)通過(guò)定位點(diǎn)的正下方時(shí)，左右激光測(cè)距儀會(huì)在掃描到定位點(diǎn)的同時(shí)發(fā)送處理MCU 校準(zhǔn)信號(hào)，接收到信號(hào)的系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)對(duì)跨距信息進(jìn)行重新計(jì)算，這種自我校準(zhǔn)的設(shè)計(jì)有助于消除累計(jì)誤差，提高定位的精度，避免因?yàn)槔塾?jì)誤差發(fā)生檢測(cè)失準(zhǔn)的情況。當(dāng)所檢測(cè)的線路存在的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)跨距誤差較大，也會(huì)造成激光測(cè)距儀無(wú)法自動(dòng)發(fā)送處理MCU 校準(zhǔn)信號(hào)。為了應(yīng)對(duì)這種情況，該模塊也提供了手動(dòng)觸發(fā)的備用選項(xiàng)，當(dāng)自動(dòng)觸發(fā)無(wú)法執(zhí)行時(shí)，操作人員可以通過(guò)手動(dòng)觸發(fā)來(lái)執(zhí)行斷面掃描測(cè)量。此時(shí)結(jié)合光電編碼器自動(dòng)累計(jì)的里程信息，系統(tǒng)可以自動(dòng)對(duì)當(dāng)前線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中的跨距信息進(jìn)行較準(zhǔn)，方便以后測(cè)量時(shí)實(shí)時(shí)全自動(dòng)觸發(fā)測(cè)量。

最后是便攜式手推小車(chē)測(cè)量平臺(tái)。測(cè)量平臺(tái)采用T形結(jié)構(gòu)，總重量小于20 kg，該測(cè)量平臺(tái)的單輪側(cè)安裝有U 形伸縮結(jié)構(gòu)，該伸縮結(jié)構(gòu)可以確保在軌距變化時(shí)，手推小車(chē)始終與鋼軌緊密接觸，并實(shí)時(shí)測(cè)量當(dāng)前軌距變化值；同時(shí)該U 型伸縮結(jié)構(gòu)還可以旋轉(zhuǎn)30°，該旋轉(zhuǎn)功能，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備在通過(guò)鋼軌道岔時(shí)不發(fā)生卡輪；小車(chē)采用折疊式推把，節(jié)約了運(yùn)輸時(shí)所占用的體積；小車(chē)雙輪側(cè)固定有激光相位掃描模塊底座，橫梁內(nèi)部集成有巡檢系統(tǒng)信號(hào)處理器、電源轉(zhuǎn)換器和微型電腦。

5 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)的電氣化鐵路數(shù)量正在增多，接觸網(wǎng)的供能需求也在增加，為了保證接觸網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)作，就要結(jié)合當(dāng)前檢測(cè)儀器的不足之處，積極對(duì)儀器進(jìn)行改進(jìn)。該次所提的電氣化鐵路限界及幾何參數(shù)智能測(cè)量?jī)x在功能設(shè)計(jì)上克服了傳統(tǒng)檢測(cè)儀器的缺陷，能夠提高電氣化鐵路的檢測(cè)效率，因此具有良好的推廣價(jià)值，值得在電氣化鐵路限界及幾何參數(shù)檢測(cè)中推廣應(yīng)用。