電氣化鐵路限界及幾何參數智能測量儀

茹振華

（中國鐵路青藏集團有限公司拉薩基礎設施段,西藏 拉薩 850000）

0 引言

鐵路限界的主要作用是保證設備、建筑和機車能安全行駛在彼此的線路上，避免逾越各自的輪廓線。鐵路限界對于運輸安全起到了重要的保障作用，是避免發生機車碰撞的主要屏障。由于鐵路限界的重要意義，因此輪廓線和幾何參數的檢測十分必要，傳統檢測手段在進行電氣化鐵路限界及幾何參數檢測時存在測量精度差、掃描盲區大等問題，要解決這些問題，需對現行的檢測儀器進行創新升級，賦予其更高效、更準確的檢測能力，以此讓接觸網的安全得到充分保障。

1 檢測儀器對電氣化鐵路的意義

電氣化鐵路是指為電力機車沿途提供大量動力能源的鐵路類型，這類鐵路為了滿足電力機車的動力需求，在沿途設置了大量的電氣設備，電氣設備的制造精密、構造復雜、技術密度高，因此對工作環境也有較為苛刻的要求[1]。

接觸網幾何參數是確保電氣設備正常運作的重要前提，其參數的優劣不僅會影響到弓網的受流質量，也會對列車的安全行駛產生深遠的影響[2]。當檢測儀器不能在高速動態條件精準獲取到接觸網的幾何參數，就會對接觸網的安全運作帶來嚴重的威脅。故加強儀器檢測精確度成為了電氣化鐵路限界及幾何參數智能測量儀改良的重要一環，需不斷提高儀器的檢測精確度，才能保證接觸網的安全運作，為電氣化鐵路的穩定供能提供牢固的技術支持[3]。

2 傳統檢測儀器類別及問題

2.1 傳統檢測儀器類別

常見傳統檢測儀器有人工采用接觸網幾何參數測量儀、車載式激光掃描動態檢測儀和斷面攝像檢測儀等幾種，這幾類儀器可以動態、精準檢測電氣化鐵路限界及幾何參數，保證電氣化鐵路限界及幾何參數檢測的精準性和可靠性。若計量檢測設備在監控中發現參數數值的變化異常，將立刻進行預警和上傳信息數據，便于相關人員在運作過程中對接觸網的參數進行調整，保證接觸網運作過程的穩定性[4]。

2.2 傳統檢測儀器問題

人工采用接觸網幾何參數測量儀、車載式激光掃描動態檢測儀和斷面攝像檢測儀等設備盡管長期應用于鐵路限界的檢測，但存在檢測精度不足等問題，這些問題影響最終檢測結果的精確性[5]。

人工采用接觸網幾何參數測量儀是電氣化鐵路限界檢測中的常見檢測設備，該儀器是一種一體機設備，它的測量主機和測量架連接互為一體，儀器的主機部分功能有激光測量和垂直角度測量，測量架屬于平放在鋼軌中的橫桿，其不足在于對限界測量的操作有較高的復雜度，測量人員需要承擔的工作量會大幅度增加，對測量效率帶來負面影響[6]。

車載式激光掃描動態檢測儀器是以激光對限界進行動態檢測的儀器，其檢測速度快、效率高，是當前電氣化鐵路限界檢測的主要儀器。但掃描盲區過大，如車載式激光掃描動態檢測儀器在一些聯絡線、站場側線上的檢測效果不佳，因為組織行車不易，容易形成檢測盲區，造成漏檢等現象發生，影響到檢測結果的精確性。此外，車載式動態檢測的掃描間隔大，在吊柱、腕臂等地方容易形成漏檢的情況，為接觸網的運行埋下安全隱患[7]。

斷面攝像檢測儀器是基于斷面判斷限界是否有逾越斷面，以此推導出檢測結果的儀器，儀器主要通過對當前斷面、前后方斷面進行測距，來判定限界是否逾越斷面。設備對環境的敏感度較高，如果測量場地的陽光或者環境因素的干擾較大，儀器的測量結果就容易失實，因此只適合于隧道等外界干擾因素較少的封閉環境[8]。

綜上，要為接觸網安全運行提供充分保障，所設計的檢測儀器必須具備對環境的抗干擾能力、簡易的操作程序、高效的檢測過程和全面的檢測覆蓋。結合這些要求，擬設計一種電氣化鐵路限界及幾何參數智能測量儀。該測量儀選擇以便攜式小推車為測量載體，采用激光相位掃描技術，相比上述儀器有更高的便攜性，且能夠快速實現對電氣化鐵路接觸網及其相關設備限界、幾何參數自動手動測量，該測量儀專門針對供電專業的相關設備進行動態掃描檢測，排除了其他專業的干擾信息，不受組織行車的影響，因此檢測結果有很高的精確性，測量效率也要遠遠高于上述三種儀器。

3 電氣化鐵路限界及幾何參數智能測量儀的優勢

3.1 便攜性

該儀器以便攜式小推車為測量載體，具備易攜帶、組裝方便、手推式等優點，這些優點可以幫助檢測人員快速實現對任何區段的線路巡檢。如此便打破了車載式限界檢測裝置中，因為組織行車問題而存在大量檢測盲區的桎梏。儀器可以省略軌道車出動的步驟，直接對待巡檢區間進行封鎖便可順利進行檢測作業，并獲取到準確的接觸網幾何參數，為接觸網的安全運作提供充分保障。

3.2 高效性

電氣化鐵路限界智能測量儀的效率高于人工采用接觸網幾何參數測量儀、車載式激光掃描動態檢測儀和斷面攝像檢測儀等儀器。相比人工采用接觸網幾何參數測量儀復雜繁瑣的操作，該儀器的使用程序簡單、上手快，檢測人員不需要花費太多時間進行操作方式學習就能掌握該儀器的操作方式，能大幅度提升檢測效率。在具體的檢測過程中，封鎖區間后儀器能以0～5 km/h 速度對電氣化鐵路限界進行連續檢測，人工測量效率比傳統的檢測儀器更高，效率優勢明顯。

3.3 性價比

儀器采用高頻激光相位掃描技術，能對電氣化鐵路沿線的關鍵設備、關鍵區域進行動態自動、手動掃描測量，并通過二維建模算法生成限界斷面圖，有助于檢測人員直觀了解接觸網的運作情況。同時，可以對關鍵部位的限界值進行自動、手動標識，超限數據報警，方便了檢測人員的檢測。采用該測量儀可以用較低的成本，高效、專業地解決長期以來困擾檢測人員的繁雜測量工作，對于電氣化鐵路限界測量、管理以及維護有著較大的經濟意義，能減少電氣化鐵路限界測量中的人工成本，提高測量效率，起到“節本增效”的作用。

4 電氣化鐵路限界及幾何參數智能測量儀的方案設計

4.1 便攜式巡檢系統總體方案設計

根據設計需求，便攜式巡檢系統主要由七個部分組成，分別是便攜式手推小車檢測平臺、高頻激光相位掃描雷達、軌距測量模塊、電源管理模塊、觸發模塊、中央處理MCU 單元和人機交互接口，其結構圖1 所示。

圖1 智能測量儀的結構藍圖

測量儀整體采用模塊化設計，不同的功能模塊保持良好的獨立性，所有的模塊都可以獨立拆裝、維護和運輸，即使后期發生元件超限，整個儀器依然能保持大部分功能，只需針對超限元件進行更換即可。

在應用該儀器檢測電氣化鐵路限界及幾何參數時，可以運用電氣化鐵路內部自帶電子檢測系統聯合電子控制單元（EUC）、傳感器等實現全方位檢測電氣化鐵路內部執行器的目的，技術人員可借助電子檢測儀獲得超限信息，以便確定超限的位置及原因。該儀器同時還具備監測電氣化鐵路接觸網狀態的功能，當系統存在異常時警報燈處于閃爍狀態，提醒系統存在超限。

該儀器存在良好的兼容性和可擴充性，電氣化鐵路限界智能測量儀的數據兼容可直接或者間接兼容目前路局的限界管理系統，同時采用觸摸面板可對測量儀線路、狀態、類型等參數進行直接交互，該儀器的測量限界可以與標準限界進行對比分析，超限實時預警，測量的限界值和斷面圖進行一桿一檔管理、回放，并統計每一條測量線路中限界超限數量、超限值等，同時根據后期對巡檢設備的要求，可以加裝對應的功能模塊，實現儀器的功能擴展。

4.2 主要功能模塊的設計

電氣化鐵路限界及幾何參數智能測量儀的主要功能模塊共有激光相位掃描模塊、自動/手動觸發模塊和便攜式手推小車測量平臺三部分。

一是激光相位掃描模塊，該模塊封裝是該智能測量儀的核心零部件和核心算法，采用高頻激光相位掃描雷達實時對電氣化鐵路支柱及其相關設備實時動態掃描，根據三點定位原理、三角函數關系和高斯濾波算法進行二維建模并生成供電系統關鍵設備的斷面圖，通過可視化斷面圖的提供，幫助檢測人員判斷接觸網的運行情況以及是否存在逾越斷面的現象。激光相位掃描模塊以掃描信號為觸發點，每當收到自動或者手動限界掃描觸發信號時，該模塊立即對觸發點0.5～1.2 m 范圍內的截面以20 mm 為步進單位進行覆蓋式掃描檢測，確保檢測中不會出現掃描盲區和漏檢部分。同時，激光相位掃描模塊會將每一個步進幀的數據進行對比換算出離鋼軌中心最近的點，即該點就為當前限界測量的實際點。當掃描完當前斷面后，測量小車走行一段距離后自動觸發攝像系統，以1 920×1 080 P 的分辨率拍攝并輸出當前掃描斷面的全景高清圖像，為檢測人員提供可視化的圖像資料，方便檢測人員觀察接觸網運作情況。

二是自動/手動觸發模塊，測量儀采用巡檢線路跨距信息、里程累計光電編碼器和左右激光測距傳感器相結合的組合定位方式實現測量儀的全自動觸發掃描。測量儀光電編碼器具有自動記錄和存儲功能，可以自動累計檢測平臺的里程，并將累計的里程與線路的跨距信息進行自動化對比。當對比信息達到跨距的距離時，電編碼器就會向激光相位掃描模塊發送一個斷面掃描信號。接收到信號的激光相位掃描模塊便會開始掃描檢測。光電編碼器累計的里程有一定概率發生累計誤差問題，每當巡檢小車通過定位點的正下方時，左右激光測距儀會在掃描到定位點的同時發送處理MCU 校準信號，接收到信號的系統就會自動對跨距信息進行重新計算，這種自我校準的設計有助于消除累計誤差，提高定位的精度，避免因為累計誤差發生檢測失準的情況。當所檢測的線路存在的基礎數據跨距誤差較大，也會造成激光測距儀無法自動發送處理MCU 校準信號。為了應對這種情況，該模塊也提供了手動觸發的備用選項，當自動觸發無法執行時，操作人員可以通過手動觸發來執行斷面掃描測量。此時結合光電編碼器自動累計的里程信息，系統可以自動對當前線路基礎數據中的跨距信息進行較準，方便以后測量時實時全自動觸發測量。

最后是便攜式手推小車測量平臺。測量平臺采用T形結構，總重量小于20 kg，該測量平臺的單輪側安裝有U 形伸縮結構，該伸縮結構可以確保在軌距變化時，手推小車始終與鋼軌緊密接觸，并實時測量當前軌距變化值；同時該U 型伸縮結構還可以旋轉30°，該旋轉功能，實現了設備在通過鋼軌道岔時不發生卡輪；小車采用折疊式推把，節約了運輸時所占用的體積；小車雙輪側固定有激光相位掃描模塊底座，橫梁內部集成有巡檢系統信號處理器、電源轉換器和微型電腦。

5 結語

我國的電氣化鐵路數量正在增多，接觸網的供能需求也在增加，為了保證接觸網的穩定運作，就要結合當前檢測儀器的不足之處，積極對儀器進行改進。該次所提的電氣化鐵路限界及幾何參數智能測量儀在功能設計上克服了傳統檢測儀器的缺陷，能夠提高電氣化鐵路的檢測效率，因此具有良好的推廣價值，值得在電氣化鐵路限界及幾何參數檢測中推廣應用。