高速鐵路接觸網(wǎng)工程數(shù)字化安裝關(guān)鍵技術(shù)

許建國，劉 杰，孟祥奎，李育冰，王 恒，王敬淵

0 引言

接觸網(wǎng)是電氣化鐵路無備用供電設(shè)備，良好的弓網(wǎng)關(guān)系是確保電力機車受流穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。接觸網(wǎng)施工質(zhì)量直接影響鐵路安全運營和社會經(jīng)濟效益。高鐵接觸網(wǎng)系統(tǒng)施工精度控制從普速的厘米級到高速的毫米級，從測量計算、預(yù)配安裝、系統(tǒng)檢測等多方面對高鐵接觸網(wǎng)工程建設(shè)提出了更高要求。

智能建造是工程建造領(lǐng)域的發(fā)展方向，是新形勢下鐵路工程建設(shè)發(fā)展的必然趨勢，我國已系統(tǒng)明確了智能高速鐵路2.0 的內(nèi)涵特征、體系架構(gòu)與實施路徑[1]，尤其牽引供電系統(tǒng)工程通過多年智能建造探索與研究[2-4]，初步形成了高鐵智能建造技術(shù)成果[5]和專業(yè)指南[6]，數(shù)字化安裝關(guān)鍵技術(shù)研究是推動接觸網(wǎng)智能建造高質(zhì)量的基礎(chǔ)。建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）被普遍認(rèn)為是工程領(lǐng)域的第二次信息革命，文獻[7-9]開展了鐵路工程建設(shè)管理創(chuàng)新、實踐與思考，基于BIM的鐵路工程局部工點應(yīng)用已逐步成熟；文獻[10-12]開展了基于 BIM+GIS（Geographic Information System，GIS）的工程應(yīng)用研究，實現(xiàn)了基于三維GIS 的鐵路BIM 空間信息系統(tǒng)構(gòu)建、鐵路工程建設(shè)管理一張圖；文獻[13-16]開展了接觸網(wǎng)專業(yè)BIM技術(shù)應(yīng)用研究，為接觸網(wǎng)工程數(shù)字化安裝技術(shù)提供了良好借鑒。

本文通過基礎(chǔ)研究、技術(shù)研發(fā)和多項工程實踐驗證，梳理總結(jié)高速接觸網(wǎng)腕臂與吊弦計算平臺、無鋼軌工況下的精確測量系統(tǒng)、接觸網(wǎng)腕臂結(jié)構(gòu)預(yù)配與整體吊弦工廠自動化生產(chǎn)線、數(shù)字化安裝與調(diào)整專用工器具、高鐵接觸網(wǎng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)安全智能識別系統(tǒng)等5 個方面關(guān)鍵技術(shù)研究成果，系統(tǒng)解決了高速鐵路接觸網(wǎng)數(shù)字化安裝關(guān)鍵技術(shù)所面臨的難題，改變傳統(tǒng)計算、人工安裝、反復(fù)調(diào)整的作業(yè)方式，可為推動中國高速鐵路接觸網(wǎng)工程智能建造提供技術(shù)支撐與借鑒。

1 高速接觸網(wǎng)工程數(shù)字化安裝關(guān)鍵技術(shù)

1.1 高鐵接觸網(wǎng)腕臂與整體吊弦計算平臺研發(fā)

研發(fā)高鐵接觸網(wǎng)腕臂與吊弦計算平臺，采用三維有限元建模技術(shù)，并綜合考慮線路參數(shù)對接觸網(wǎng)懸掛系統(tǒng)建模時的力學(xué)影響，提高了計算精度；加入對所有整體吊弦的受力分析計算模塊，以校驗系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計是否合理。該系統(tǒng)適用于彈性（簡單）鏈形懸掛系統(tǒng)以及不同腕臂結(jié)構(gòu)計算，基于計算數(shù)據(jù)的腕臂結(jié)構(gòu)預(yù)配和整體吊弦預(yù)制成品滿足時速350 km 的高速接觸網(wǎng)驗收標(biāo)準(zhǔn)；研發(fā)基于BIM+GIS 的模型驅(qū)動接觸網(wǎng)三維系統(tǒng)技術(shù)，直觀優(yōu)化結(jié)構(gòu)細(xì)部設(shè)計，為接觸網(wǎng)工程項目信息管理和竣工交付數(shù)字資產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

（1）腕臂和吊弦的計算模型采用三維有限元建模技術(shù)[17]，在建模的力學(xué)計算過程中將線路參數(shù)一并納入，相對于采用幾何算法后期修正線路參數(shù)影響的傳統(tǒng)做法，提高了計算精度。

（2）研發(fā)整體吊弦受力計算分析模塊，校驗設(shè)計參數(shù)是否合理；加入對輸入?yún)?shù)的判定和校驗?zāi)K，及時提醒使用人員對輸入?yún)?shù)的把控。

（3）研發(fā)基于BIM+GIS 的三維輕量化引擎系統(tǒng)技術(shù)、基于參數(shù)化模型驅(qū)動的接觸網(wǎng)三維系統(tǒng)技術(shù)及基于GIS 的鐵路線路電子地圖信息生成技術(shù)，直觀優(yōu)化結(jié)構(gòu)細(xì)部設(shè)計。BIM+GIS 的三維輕量化引擎系統(tǒng)設(shè)計效果見圖1。

圖1 基于BIM+GIS 的三維輕量化引擎系統(tǒng)設(shè)計效果

1.2 高精度接觸網(wǎng)計算測量系統(tǒng)研發(fā)

研發(fā)基于北斗高精度定位技術(shù)的接觸網(wǎng)線路及桿位測量系統(tǒng)[18]，實現(xiàn)接觸網(wǎng)桿位測量定位的高度自動化，減輕外業(yè)操作強度，簡化傳統(tǒng)接觸網(wǎng)桿位測量放樣的工序，有效提升桿位測量整體工作效率；研發(fā)基于CPIII 數(shù)據(jù)的接觸網(wǎng)測量系統(tǒng)，實現(xiàn)無軌狀態(tài)下接觸網(wǎng)腕臂計算用數(shù)據(jù)精確測量。

（1）研發(fā)基于北斗/GPS 雙頻RTK 定位技術(shù)的整周模糊度快速固定算法，消除或減小了觀測誤差對定位精度的影響，實現(xiàn)了水平實時定位精度達到±20 mm 以內(nèi)；研發(fā)了鐵路中心線位置生成和基于Vincenty 算法的接觸網(wǎng)支柱定位技術(shù)，實現(xiàn)了鐵路中心線坐標(biāo)快速生成，以及接觸網(wǎng)軟/硬橫跨基礎(chǔ)間距離和相對高程差的測量。

（2）研發(fā)基于REST 架構(gòu)技術(shù)的接觸網(wǎng)線路及桿位測量電子地圖信息系統(tǒng)、標(biāo)定放樣后臺管理上位機坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件系統(tǒng)、現(xiàn)場放樣手持終端等系統(tǒng)，實現(xiàn)接觸網(wǎng)線路及桿位測量手簿App 與管理平臺間的快速數(shù)據(jù)同步。北斗定位接觸網(wǎng)測量系統(tǒng)見圖2。

圖2 北斗定位接觸網(wǎng)測量系統(tǒng)

（3）研發(fā)基于CPIII 數(shù)據(jù)的接觸網(wǎng)測量系統(tǒng)，實現(xiàn)在鋪設(shè)鋼軌之前對接觸網(wǎng)腕臂計算用數(shù)據(jù)的精確測量，提高了工作效率，對合理有效組織施工生產(chǎn)提供支撐。

1.3 腕臂結(jié)構(gòu)預(yù)配與整體吊弦預(yù)制自動化生產(chǎn)線研制

集成創(chuàng)新應(yīng)用激光測距、機器視覺、信息化等技術(shù)，研制高鐵接觸網(wǎng)腕臂結(jié)構(gòu)預(yù)配與整體吊弦預(yù)制自動化生產(chǎn)線，實現(xiàn)接觸網(wǎng)腕臂結(jié)構(gòu)預(yù)配和整體吊弦預(yù)制自動化生產(chǎn)，可杜絕人為偏差，提高預(yù)制精度，進而提高接觸網(wǎng)系統(tǒng)可靠性；減少現(xiàn)場調(diào)整，降低現(xiàn)場安裝強度，提高工作效率；結(jié)合“一桿一檔”，實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量可追溯，為運營維修提供準(zhǔn)確基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

高鐵接觸網(wǎng)腕臂結(jié)構(gòu)預(yù)配工廠自動化生產(chǎn)線集成應(yīng)用信息控制、電氣自動化與機器人等技術(shù)，研制腕臂預(yù)配用管材的送料、切割、打孔與腕臂結(jié)構(gòu)用零部件的選型配送、定位、緊固擰緊與腕臂支撐結(jié)構(gòu)組裝的自動化裝置，實現(xiàn)腕臂支撐結(jié)構(gòu)的工廠自動化預(yù)配，降低勞動強度，提高預(yù)配精度（零部件精度誤差控制在±1 mm 以內(nèi)，力矩誤差控制在5%以內(nèi)）和工作效率（每天可完成200 余組，全程只需1 人操作）。腕臂結(jié)構(gòu)預(yù)配工廠自動化生產(chǎn)線見圖3。

圖3 腕臂結(jié)構(gòu)預(yù)配工廠自動化生產(chǎn)線

高速鐵路接觸網(wǎng)吊弦工廠自動化預(yù)制生產(chǎn)線集成應(yīng)用計算機信息技術(shù)、精密液壓技術(shù)、氣動技術(shù)、電氣自動化技術(shù)、精密機械傳動技術(shù)等，研制整體吊弦測量、下料、預(yù)張力控制和壓接等專用智能預(yù)制系統(tǒng)，實現(xiàn)接觸網(wǎng)整體吊弦的工廠自動化預(yù)制和自動噴碼標(biāo)識，提高預(yù)制精度（誤差小于±1.5 mm）和工作效率。整體吊弦預(yù)制工廠自動化生產(chǎn)線見圖4。

圖4 整體吊弦預(yù)制工廠自動化生產(chǎn)線

研發(fā)腕臂預(yù)配數(shù)據(jù)與基于BIM 技術(shù)的腕臂模型驗證信息管理系統(tǒng)，實現(xiàn)腕臂預(yù)配數(shù)據(jù)自動導(dǎo)入BIM 模型驗證準(zhǔn)確性，確認(rèn)正確后自動發(fā)送到生產(chǎn)線進行預(yù)配，在出口側(cè)進行二次復(fù)檢確保預(yù)配數(shù)據(jù)準(zhǔn)確；預(yù)配時同步生成二維碼，將項目名稱、支柱號/型號、腕臂預(yù)配數(shù)據(jù)、零配件廠家信息、預(yù)配時間、負(fù)責(zé)人等裝配信息及檢測結(jié)果上傳至云端數(shù)據(jù)庫，與“一桿一檔”相匹配，實現(xiàn)腕臂預(yù)配信息可追溯，為竣工交付工程數(shù)字資產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

1.4 接觸網(wǎng)上部工程安裝數(shù)字化系列專用工具研制

研制基于液壓控制、電子傳感器與機器視覺等技術(shù)的接觸網(wǎng)上部工程安裝系列專用工具（彈性吊索安裝張力儀、高鐵鋰電精密擰緊系統(tǒng)、背負(fù)式鋰電電連接壓接設(shè)備、便攜式接觸網(wǎng)幾何參數(shù)測量儀等），解決影響安全、質(zhì)量、工效、成本等施工過程管控問題，確保相關(guān)工序安裝質(zhì)量，提高工作效率，杜絕高空作業(yè)安全隱患。

（1）研制輕量化電子式接觸網(wǎng)彈性吊索安裝用張力儀（圖5），采用輕質(zhì)高強結(jié)構(gòu)化設(shè)計，確保張力到位后自動保持，具有輕便、操作簡單、便于攜帶等特性，張力誤差為±10 N。

圖5 彈性吊索安裝用張力儀

（2）研制接觸網(wǎng)緊固件安裝專用智能擰緊工裝（圖6），以電力為驅(qū)動，程序控制扭矩值擰緊，并配套止轉(zhuǎn)系統(tǒng)，確保安裝扭矩質(zhì)量的一致性、穩(wěn)定性；工效高，扭緊時長4～7 s，效率為傳統(tǒng)手動作業(yè)的5 倍以上，擰緊精度為±1 N·m。

圖6 智能擰緊工裝

（3）研制基于液壓與傳感器技術(shù)的背負(fù)式鋰電電連接壓接設(shè)備（圖7），采用輕量化和緊湊型結(jié)構(gòu)，基于液壓缸桿彈簧快速回位技術(shù)、安裝自糾錯特性壓接模具和壓力控制系統(tǒng)，實現(xiàn)高空作業(yè)輕便攜帶、一鍵壓接成型，確保工作安全要求和安裝質(zhì)量，保障人身安全。

圖7 背負(fù)式鋰電電連接壓接設(shè)備

（4）研制基于機器視覺與激光技術(shù)的便攜式接觸網(wǎng)幾何參數(shù)測量儀（圖8），可高效完成接觸線高度、拉出值、線岔中心、錨段關(guān)節(jié)等接觸網(wǎng)相關(guān)幾何參數(shù)的連續(xù)測量，誤差為±2 mm。

圖8 接觸網(wǎng)幾何參數(shù)測量儀

1.5 基于機器視覺技術(shù)的高鐵接觸網(wǎng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)安全智能識別系統(tǒng)研發(fā)

研制適用于軌行作業(yè)車車載的高鐵接觸網(wǎng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)安全智能識別系統(tǒng)[19]，集成應(yīng)用機器視覺、集成電路、圖像預(yù)處理等技術(shù)，實現(xiàn)接觸網(wǎng)工程錨段成型后對整個系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進行智能檢測，對檢測數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)智能分析處理，形成“一圖一弦”、“一圖一臂”、缺陷預(yù)警圖表，科學(xué)指導(dǎo)工程精確調(diào)整作業(yè)，為提高工程總體質(zhì)量提供技術(shù)保障。

（1）研制適用于軌行作業(yè)車的快速高清采集處理裝置，建立基于碼率壓縮離散余弦變換技術(shù)的偏差向量校正模型（圖9），研發(fā)嵌入式3D 圖像深度信息非線性采集技術(shù)及智能識別算法、封裝于相機芯片的空間向量拼接和迭代雙積異構(gòu)算法、動態(tài)調(diào)光及鏡頭光圈無極控制算法復(fù)合控制技術(shù)，實現(xiàn)實時、快速、高質(zhì)量采集腕臂結(jié)構(gòu)支撐、整體吊弦與接觸網(wǎng)懸掛系統(tǒng)的圖像。一體化硬件采集處理系統(tǒng)原理如圖10 所示。

圖9 余弦偏差反饋模型

圖10 一體化硬件采集處理系統(tǒng)原理

（2）集成應(yīng)用機械、光學(xué)、電子的綜合防抖技術(shù)與基于梯度信息對光照變化的敏感性較低的思想優(yōu)化SURF 特征點，研發(fā)3D 圖像無損壓縮快速處理算法（圖11）、攝像機動態(tài)調(diào)光算法及鏡頭光圈無極控制算法、強光抑制與復(fù)合同步補光單元技術(shù)（圖12），提高接觸網(wǎng)懸掛系統(tǒng)的圖像采集清晰度，降低誤檢率。接觸網(wǎng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)智能識別系統(tǒng)如圖13 所示。

圖11 3D 空間定位物體的深度信息

圖12 圖像增強均衡化直方圖

圖13 接觸網(wǎng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)智能識別系統(tǒng)

（3）研制基于3D 視覺技術(shù)的車載補償裝置（圖14），研發(fā)導(dǎo)向迭代反饋算法，克服通用共面標(biāo)定法經(jīng)參數(shù)矩陣過濾后坐標(biāo)缺少波調(diào)反饋問題，實現(xiàn)車輛通過曲線、岔區(qū)等部位時車身姿態(tài)精確補償，提高測量精度。

圖14 3D 視覺車載補償裝置

2 與當(dāng)前國外高鐵接觸網(wǎng)同類技術(shù)對比

（1）腕臂與吊弦計算平臺已作為高鐵接觸網(wǎng)工程安裝的關(guān)鍵技術(shù)和重要工具，打破了國外在該領(lǐng)域的技術(shù)壟斷，主要技術(shù)指標(biāo)達到國外同類軟件先進水平，其中對相鄰吊弦的高度差控制水平優(yōu)于國外同類產(chǎn)品?；谠摮晒麑崿F(xiàn)了接觸網(wǎng)腕臂和吊弦的現(xiàn)場測量、預(yù)配和安裝“三工一體”的精確安裝工藝控制，腕臂和吊弦均實現(xiàn)了工廠化預(yù)配，降低了材料廢棄率和后期系統(tǒng)調(diào)整工作量，提高了工程質(zhì)量和工作效率。

（2）基于北斗高精度定位技術(shù)的接觸網(wǎng)線路及桿位測量系統(tǒng)集線路中心樁放樣、接觸網(wǎng)縱向/橫向測量以及相對高程差測量功能于一體，可直接測定接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)位置，且誤差不大于20 mm，解決了鋼卷尺測量時效率低、誤差大、全站儀與經(jīng)緯儀測量受地形影響通視、GPS 接收機（GPS-RTK）測量短時間信號弱與測量精度低等問題，以及既有線軟/硬橫跨跨度測量時需利用有限的封鎖時間進行的難題。測量精度和基于GPS 測量儀器精度相當(dāng)，但更適合于中國國情?；贑PⅢ數(shù)據(jù)的接觸網(wǎng)測量系統(tǒng)應(yīng)用促進了無鋼軌條件下接觸網(wǎng)有效施工組織生產(chǎn)，填補了國內(nèi)空白。

（3）研制高速接觸網(wǎng)腕臂預(yù)配與吊弦預(yù)制自動化生產(chǎn)線，預(yù)制精度在±1.5 mm 內(nèi)，大幅度降低了人為因素干擾，確保了關(guān)鍵工序質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

（4）高速鐵路接觸網(wǎng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)安全智能識別系統(tǒng)適用于軌行作業(yè)車，國外相應(yīng)檢測系統(tǒng)適用于動車組或?qū)Ｓ脵z測車。接觸線高度和定位點拉出值檢測精度與國外技術(shù)相當(dāng)，但國外相應(yīng)檢測系統(tǒng)沒有定位器角度、定位管角度、預(yù)配零部件標(biāo)識線及間距、零部件是否松動等檢測內(nèi)容。國內(nèi)外接觸網(wǎng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)安全智能識別系統(tǒng)檢測項目與技術(shù)指標(biāo)對比見表1。

表1 國內(nèi)外接觸網(wǎng)檢測項目與技術(shù)指標(biāo)對比

3 結(jié)語

本文系統(tǒng)梳理的高速鐵路接觸網(wǎng)工程數(shù)字化安裝關(guān)鍵技術(shù)研究成果，已先后應(yīng)用于京沈、京張、贛深、貴南等多項高鐵工程項目，應(yīng)用效果良好。隨著系統(tǒng)技術(shù)迭代升級，將持續(xù)提升接觸網(wǎng)工程建設(shè)智能建造技術(shù)水平，提高工程質(zhì)量和綜合效益，實現(xiàn)“精確化測量計算、工廠自動化預(yù)配、機械手安裝、智能化檢測”的電氣化鐵路建設(shè)新模式，為推動中國高鐵持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展提供有力技術(shù)支撐。