接觸線磨耗測(cè)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(shí)，接觸面會(huì)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(hù)周期過長(zhǎng)、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(dòng)、導(dǎo)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(dǎo)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(yùn)行安全及接觸網(wǎng)機(jī)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(yùn)行，帶來安全隱患[1]。

傳統(tǒng)磨耗檢測(cè)為人工檢測(cè)，檢測(cè)人員在軌道上進(jìn)行巡檢，作業(yè)過程復(fù)雜、效率低、風(fēng)險(xiǎn)高。自動(dòng)化磨耗測(cè)量與定位融合技術(shù)的研究對(duì)接觸線磨耗的檢測(cè)具有重要意義[2]。

1 接觸線磨耗檢測(cè)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成及功能

接觸線磨耗檢測(cè)系統(tǒng)主要由車頂設(shè)備、車內(nèi)設(shè)備兩部分構(gòu)成。車頂設(shè)備主要包括接觸線磨耗采集系統(tǒng)和相機(jī)補(bǔ)償照明系統(tǒng)，車內(nèi)設(shè)備由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和定位系統(tǒng)組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 接觸線磨耗檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該檢測(cè)系統(tǒng)的主要功能：（1）測(cè)量功能，對(duì)接觸線磨耗進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量；（2）成像功能，對(duì)接觸線磨耗面進(jìn)行高清成像；（3）輸出功能，將磨耗面積、磨耗高度、檢測(cè)日期、區(qū)間、公里標(biāo)等檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)及輸出；（4）展示功能，以缺陷報(bào)表、圖片、數(shù)據(jù)曲線和打印等方式輸出所有檢測(cè)數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)缺陷位置與對(duì)應(yīng)圖片的關(guān)聯(lián)分析及查看。

1.2 檢測(cè)原理

采用機(jī)器視覺及接觸線定位跟蹤圖像識(shí)別技術(shù)，利用高清成像相機(jī)組，動(dòng)態(tài)獲取接觸線的斷面圖像，進(jìn)而調(diào)用接觸線定位圖像識(shí)別算法及磨耗計(jì)算算法，實(shí)時(shí)測(cè)算接觸線的殘存直徑y(tǒng)，進(jìn)而計(jì)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(yùn)行維修規(guī)則》（TG/GD 116—2017）中對(duì)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(duì)我國常用的接觸線類型，可分別給出如下計(jì)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(gè)非同心圓相交而成，其截面積可基于CAD軟件中圖形的實(shí)體性進(jìn)行特性匹配后計(jì)算得到。

為準(zhǔn)確獲得上述接觸線的截面特征，主要采用激光成像技術(shù)，其光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖3 所示。

圖3 光學(xué)系統(tǒng)方案示意圖

光學(xué)系統(tǒng)主要由相機(jī)補(bǔ)償照明光源、鏡頭及濾光組件組成。相機(jī)補(bǔ)償照明光源采用大功率激光光源并構(gòu)成光源陣列，便于夜間及隧道檢測(cè)目標(biāo)的捕獲；根據(jù)不同線路檢測(cè)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(zhì)及光源特性，采用對(duì)相應(yīng)波段敏感的特殊波長(zhǎng)濾波器，消除白天太陽光、線路沿線燈光及信號(hào)燈等光源對(duì)目標(biāo)識(shí)別的干擾。

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

圖4 線陣磨耗檢測(cè)裝置設(shè)備組成

裝置通過高幀率相機(jī)的圖像數(shù)據(jù)采集技術(shù)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(jī)實(shí)際成像示意圖

圖5 中，導(dǎo)線可劃分為3 個(gè)區(qū)域，采用線陣磨耗檢測(cè)裝置，結(jié)合勻化光路整形技術(shù)即可獲得對(duì)應(yīng)的細(xì)節(jié)成像，從而直觀地看出接觸線狀態(tài)。

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

圖6 線陣磨耗測(cè)量算法基本流程

1.3 實(shí)際應(yīng)用

基于線陣接觸線磨耗檢測(cè)裝置的實(shí)際應(yīng)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(cè)裝置成像效果

圖8 所示為實(shí)際測(cè)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(jī)的磨耗測(cè)量技術(shù)具有下述優(yōu)勢(shì)：（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(diǎn)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(duì)于檢測(cè)系統(tǒng)而言，核心評(píng)價(jià)指標(biāo)之一在于數(shù)據(jù)定位的精確性，應(yīng)用精準(zhǔn)的定位系統(tǒng)，可快速找到缺陷位置，復(fù)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(jī)接入綜合定位板，與定位計(jì)算機(jī)以及需要定位信息的子系統(tǒng)相連。綜合定位板作為服務(wù)端，綜合定位計(jì)算機(jī)作為客戶端。在綜合定位計(jì)算機(jī)下發(fā)定位信息時(shí)，綜合定位計(jì)算機(jī)作為服務(wù)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(fù)責(zé)采集定位信號(hào)，對(duì)速度、里程進(jìn)行計(jì)算，以及對(duì)外設(shè)按要求進(jìn)行觸發(fā)。其軟件部分負(fù)責(zé)采集硬件反饋的速度里程信息，并結(jié)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(duì)硬件產(chǎn)生的誤差（累積誤差）進(jìn)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(zhì)是光電編碼器，其安裝在接觸網(wǎng)檢測(cè)車軸端部，隨著車輪轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生脈沖信號(hào)（A相和B 相），距離車內(nèi)綜合定位電路板接口有較長(zhǎng)距離（10 m 左右），在速度信號(hào)傳輸過程中會(huì)因外界環(huán)境導(dǎo)致信號(hào)干擾，因此加入濾波模塊濾除浪涌脈沖群等干擾，進(jìn)而經(jīng)過光耦進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，計(jì)數(shù)模塊FPGA 接收轉(zhuǎn)換后的電平信號(hào)。速度傳感器信號(hào)接入流程如圖10 所示，其脈沖信號(hào)及觸發(fā)輸出示意圖見圖11。

圖10 速度傳感器信號(hào)接入流程

圖11 脈沖信號(hào)及觸發(fā)輸出示意圖

如圖11 所示，速度傳感器信號(hào)輸出一般有A相信號(hào)和B 相信號(hào)，且A 相和B 相之間相位相差90°，若定義A 相信號(hào)為參考，A 相信號(hào)上升時(shí)刻，B 相信號(hào)為高電平，則方向寄存器輸出“1”，正脈沖計(jì)數(shù)器自加1，當(dāng)脈沖計(jì)數(shù)大于等于等脈沖觸發(fā)個(gè)數(shù)時(shí)，等脈沖觸發(fā)線產(chǎn)生一個(gè)脈沖輸出（圖例為計(jì)數(shù)200 個(gè)）。計(jì)數(shù)模塊FPGA 對(duì)速度傳感器上傳的脈沖信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并將計(jì)算結(jié)果上傳至上位機(jī)，最后上位機(jī)主動(dòng)發(fā)起與服務(wù)端的連接，將TTL觸發(fā)信號(hào)或差分觸發(fā)信號(hào)發(fā)送至外部設(shè)備使用。

獲得上述觸發(fā)脈沖信號(hào)后，即可對(duì)單位脈沖距離、車速、里程信息進(jìn)行計(jì)算。

（1）單位脈沖距離計(jì)算。單位脈沖距離計(jì)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(duì)應(yīng)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(zhuǎn)一周產(chǎn)生的總脈沖數(shù)。

（2）車速計(jì)算。車速計(jì)算式為

式中：t為列車運(yùn)行時(shí)間；P為在一定時(shí)間t內(nèi)，速度傳感器產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)；V為在一定時(shí)間t內(nèi)的車速。

（3）里程計(jì)算。里程計(jì)算式為

式中：S為相對(duì)位移距離，即運(yùn)行里程。

實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，由于車輪存在打滑及蛇形蠕動(dòng)，速度傳感器計(jì)算的里程信息并不十分準(zhǔn)確，隨著車輛運(yùn)行距離的增加，累計(jì)誤差會(huì)增大。因此，在速度傳感器作為主要定位方法的基礎(chǔ)上，增添了部分輔助定位的手段。

2.2.2 電子標(biāo)簽

在車體下方安裝電子標(biāo)簽閱讀器，并在鐵軌正中間每隔一段距離安裝電子標(biāo)簽，電子標(biāo)簽本身屬于無源信號(hào)，不會(huì)影響列車安全運(yùn)行。一旦檢測(cè)車行駛至電子標(biāo)簽位置，可通過電子標(biāo)簽閱讀器獲取電子標(biāo)簽信息，進(jìn)而校正桿號(hào)，達(dá)到消除累計(jì)誤差的目的。

2.2.3 錨段識(shí)別

弓網(wǎng)在線檢測(cè)系統(tǒng)中的幾何參數(shù)檢測(cè)模塊采用非接觸式測(cè)量技術(shù)，在錨段處根據(jù)成像本身特點(diǎn)，可輸出部分定位信息，當(dāng)相機(jī)識(shí)別到錨段位置后，算法即將該定位標(biāo)識(shí)輸出至綜合定位系統(tǒng)。

2.2.4 激光雷達(dá)

采用基于時(shí)間飛行原理的高幀率雷達(dá)。時(shí)間飛行：當(dāng)雷達(dá)發(fā)出激光脈沖，內(nèi)部會(huì)存一個(gè)開始時(shí)間t1；當(dāng)激光波接觸到物體后返回，雷達(dá)收到脈沖信號(hào)，內(nèi)部會(huì)存一個(gè)結(jié)束時(shí)間t2。其距離計(jì)算式為

式中：c為光速。

雷達(dá)會(huì)連續(xù)發(fā)射激光脈沖，通過旋轉(zhuǎn)光學(xué)機(jī)構(gòu)將激光脈沖按一定角度間隔（角度分辨率）發(fā)射出信號(hào)，為一個(gè)個(gè)扇形掃描面，最終形成一個(gè)以徑向坐標(biāo)為基準(zhǔn)的二維掃描面。通過掃描距離及對(duì)應(yīng)的角度計(jì)算出探測(cè)物體與雷達(dá)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(shí)際線路情況及車輛特點(diǎn)，還有以下幾種輔助定位信息：

（1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。在接觸網(wǎng)架設(shè)時(shí)，作業(yè)人員按照CAD 圖紙施工，基于此轉(zhuǎn)換成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，其包含站區(qū)、上下行、公里標(biāo)、支柱號(hào)等信息。

（2）人工矯正定位信息。人工可實(shí)時(shí)對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行定位校正，修正站區(qū)、桿號(hào)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(jié)構(gòu)

綜合定位軟件體系結(jié)構(gòu)如圖12 所示。該結(jié)構(gòu)分3 層：第1 層為外部接口層，主要用于對(duì)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(shè)計(jì)設(shè)備進(jìn)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(jié)構(gòu)

外部接口層：主要完成對(duì)綜合定位軟件的參數(shù)設(shè)置，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的錄入，當(dāng)前線路的設(shè)置，人工校準(zhǔn)當(dāng)前定位信息，設(shè)置速度傳感器的參數(shù)，是否自動(dòng)生成雷達(dá)和公里標(biāo)的定位關(guān)系等；負(fù)責(zé)向其他系統(tǒng)發(fā)送定位信息（程序啟動(dòng)時(shí)，服務(wù)端口開啟并監(jiān)聽外部系統(tǒng)的接入；當(dāng)綜合定位算法計(jì)算出當(dāng)前定位信息后，由定位服務(wù)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(jì)算出當(dāng)前位置；數(shù)據(jù)庫模塊負(fù)責(zé)所有數(shù)據(jù)庫操作，如數(shù)據(jù)庫的打開、關(guān)閉、查詢、插入、更新等。

硬件接入層：負(fù)責(zé)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(shí)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(shí)序

從用戶使用角度，綜合定位軟件常規(guī)時(shí)序如圖13 所示。

圖13 綜合定位軟件時(shí)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(shí)查詢基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，才能得到當(dāng)前位置。綜合定位接入的硬件信息包括絕對(duì)定位信息和相對(duì)定位信息，絕對(duì)定位信息來自電子標(biāo)簽和人工校準(zhǔn)，相對(duì)定位信息來自雷達(dá)識(shí)別、錨段識(shí)別和速度傳感器。

綜合定位需要結(jié)合絕對(duì)定位信息和相對(duì)定位信息進(jìn)行精確定位，一般通過速度傳感器實(shí)現(xiàn)當(dāng)前位置的計(jì)算，同時(shí)通過絕對(duì)定位以及其他相對(duì)定位來矯正當(dāng)前位置。首先定義各定位信息的優(yōu)先級(jí)，如圖14 所示。

圖14 定位信息優(yōu)先級(jí)

結(jié)合上述定位方法和邏輯，可實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)定位到每根桿號(hào)以內(nèi)，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(shí)際效果

綜合定位校正實(shí)際效果如圖15 所示。綜合定位融合了電子標(biāo)簽定位信息、錨段關(guān)節(jié)定位校正信息、雷達(dá)支柱定位校正信息等，能夠?qū)﹀^段和支柱進(jìn)行精準(zhǔn)定位與識(shí)別，實(shí)現(xiàn)不錯(cuò)桿、不漏桿的定位目標(biāo)。

圖15 綜合定位校正示意圖

3 線上測(cè)試試驗(yàn)

接觸線磨耗檢測(cè)裝置調(diào)試試驗(yàn)主要在遂成線上行八里—龍?zhí)端隆瓦_(dá)線上行覃家壩—渡市、達(dá)成線下行達(dá)州—遂寧區(qū)段進(jìn)行，對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行抽樣分析。接觸線磨耗統(tǒng)計(jì)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(jì)

從表2 統(tǒng)計(jì)結(jié)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(nèi)，該區(qū)段接觸線磨損很小，接觸壓力合理。

如圖16 所示，有個(gè)別點(diǎn)導(dǎo)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(biāo)K9+790）超限磨耗

從表3 的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，巴達(dá)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(nèi)，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(jì)

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(jì)結(jié)果可以看出，達(dá)成線下行達(dá)州—遂寧區(qū)段99.73%的磨耗分布于[0mm,3.6mm)范圍內(nèi)，該區(qū)段的接觸線磨耗較小，處于合理范圍。

通過對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集和定位，可以大大減少維護(hù)工作量；可以對(duì)柔性接觸網(wǎng)進(jìn)行覆蓋檢測(cè)，通過自動(dòng)化采集數(shù)據(jù)對(duì)檢測(cè)線路的接觸線磨損情況進(jìn)行整體評(píng)估，提前對(duì)磨損嚴(yán)重位置提示預(yù)警，提高列車運(yùn)行安全性。

4 結(jié)語

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