高速鐵路接觸網工程數字化安裝關鍵技術

許建國，劉 杰，孟祥奎，李育冰，王 恒，王敬淵

0 引言

接觸網是電氣化鐵路無備用供電設備，良好的弓網關系是確保電力機車受流穩定的關鍵因素。接觸網施工質量直接影響鐵路安全運營和社會經濟效益。高鐵接觸網系統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、預配安裝、系統檢測等多方面對高鐵接觸網工程建設提出了更高要求。

智能建造是工程建造領域的發展方向，是新形勢下鐵路工程建設發展的必然趨勢，我國已系統明確了智能高速鐵路2.0 的內涵特征、體系架構與實施路徑[1]，尤其牽引供電系統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成果[5]和專業指南[6]，數字化安裝關鍵技術研究是推動接觸網智能建造高質量的基礎。建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）被普遍認為是工程領域的第二次信息革命，文獻[7-9]開展了鐵路工程建設管理創新、實踐與思考，基于BIM的鐵路工程局部工點應用已逐步成熟；文獻[10-12]開展了基于 BIM+GIS（Geographic Information System，GIS）的工程應用研究，實現了基于三維GIS 的鐵路BIM 空間信息系統構建、鐵路工程建設管理一張圖；文獻[13-16]開展了接觸網專業BIM技術應用研究，為接觸網工程數字化安裝技術提供了良好借鑒。

本文通過基礎研究、技術研發和多項工程實踐驗證，梳理總結高速接觸網腕臂與吊弦計算平臺、無鋼軌工況下的精確測量系統、接觸網腕臂結構預配與整體吊弦工廠自動化生產線、數字化安裝與調整專用工器具、高鐵接觸網關鍵結構安全智能識別系統等5 個方面關鍵技術研究成果，系統解決了高速鐵路接觸網數字化安裝關鍵技術所面臨的難題，改變傳統計算、人工安裝、反復調整的作業方式，可為推動中國高速鐵路接觸網工程智能建造提供技術支撐與借鑒。

1 高速接觸網工程數字化安裝關鍵技術

1.1 高鐵接觸網腕臂與整體吊弦計算平臺研發

研發高鐵接觸網腕臂與吊弦計算平臺，采用三維有限元建模技術，并綜合考慮線路參數對接觸網懸掛系統建模時的力學影響，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，以校驗系統參數設計是否合理。該系統適用于彈性（簡單）鏈形懸掛系統以及不同腕臂結構計算，基于計算數據的腕臂結構預配和整體吊弦預制成品滿足時速350 km 的高速接觸網驗收標準；研發基于BIM+GIS 的模型驅動接觸網三維系統技術，直觀優化結構細部設計，為接觸網工程項目信息管理和竣工交付數字資產奠定了基礎。

（1）腕臂和吊弦的計算模型采用三維有限元建模技術[17]，在建模的力學計算過程中將線路參數一并納入，相對于采用幾何算法后期修正線路參數影響的傳統做法，提高了計算精度。

（2）研發整體吊弦受力計算分析模塊，校驗設計參數是否合理；加入對輸入參數的判定和校驗模塊，及時提醒使用人員對輸入參數的把控。

（3）研發基于BIM+GIS 的三維輕量化引擎系統技術、基于參數化模型驅動的接觸網三維系統技術及基于GIS 的鐵路線路電子地圖信息生成技術，直觀優化結構細部設計。BIM+GIS 的三維輕量化引擎系統設計效果見圖1。

圖1 基于BIM+GIS 的三維輕量化引擎系統設計效果

1.2 高精度接觸網計算測量系統研發

研發基于北斗高精度定位技術的接觸網線路及桿位測量系統[18]，實現接觸網桿位測量定位的高度自動化，減輕外業操作強度，簡化傳統接觸網桿位測量放樣的工序，有效提升桿位測量整體工作效率；研發基于CPIII 數據的接觸網測量系統，實現無軌狀態下接觸網腕臂計算用數據精確測量。

（1）研發基于北斗/GPS 雙頻RTK 定位技術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，實現了水平實時定位精度達到±20 mm 以內；研發了鐵路中心線位置生成和基于Vincenty 算法的接觸網支柱定位技術，實現了鐵路中心線坐標快速生成，以及接觸網軟/硬橫跨基礎間距離和相對高程差的測量。

（2）研發基于REST 架構技術的接觸網線路及桿位測量電子地圖信息系統、標定放樣后臺管理上位機坐標轉換軟件系統、現場放樣手持終端等系統，實現接觸網線路及桿位測量手簿App 與管理平臺間的快速數據同步。北斗定位接觸網測量系統見圖2。

圖2 北斗定位接觸網測量系統

（3）研發基于CPIII 數據的接觸網測量系統，實現在鋪設鋼軌之前對接觸網腕臂計算用數據的精確測量，提高了工作效率，對合理有效組織施工生產提供支撐。

1.3 腕臂結構預配與整體吊弦預制自動化生產線研制

集成創新應用激光測距、機器視覺、信息化等技術，研制高鐵接觸網腕臂結構預配與整體吊弦預制自動化生產線，實現接觸網腕臂結構預配和整體吊弦預制自動化生產，可杜絕人為偏差，提高預制精度，進而提高接觸網系統可靠性；減少現場調整，降低現場安裝強度，提高工作效率；結合“一桿一檔”，實現產品質量可追溯，為運營維修提供準確基礎數據。

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

圖3 腕臂結構預配工廠自動化生產線

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

圖4 整體吊弦預制工廠自動化生產線

研發腕臂預配數據與基于BIM 技術的腕臂模型驗證信息管理系統，實現腕臂預配數據自動導入BIM 模型驗證準確性，確認正確后自動發送到生產線進行預配，在出口側進行二次復檢確保預配數據準確；預配時同步生成二維碼，將項目名稱、支柱號/型號、腕臂預配數據、零配件廠家信息、預配時間、負責人等裝配信息及檢測結果上傳至云端數據庫，與“一桿一檔”相匹配，實現腕臂預配信息可追溯，為竣工交付工程數字資產提供技術支撐。

1.4 接觸網上部工程安裝數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的接觸網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、背負式鋰電電連接壓接設備、便攜式接觸網幾何參數測量儀等），解決影響安全、質量、工效、成本等施工過程管控問題，確保相關工序安裝質量，提高工作效率，杜絕高空作業安全隱患。

（1）研制輕量化電子式接觸網彈性吊索安裝用張力儀（圖5），采用輕質高強結構化設計，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）研制接觸網緊固件安裝專用智能擰緊工裝（圖6），以電力為驅動，程序控制扭矩值擰緊，并配套止轉系統，確保安裝扭矩質量的一致性、穩定性；工效高，扭緊時長4～7 s，效率為傳統手動作業的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的背負式鋰電電連接壓接設備（圖7），采用輕量化和緊湊型結構，基于液壓缸桿彈簧快速回位技術、安裝自糾錯特性壓接模具和壓力控制系統，實現高空作業輕便攜帶、一鍵壓接成型，確保工作安全要求和安裝質量，保障人身安全。

圖7 背負式鋰電電連接壓接設備

（4）研制基于機器視覺與激光技術的便攜式接觸網幾何參數測量儀（圖8），可高效完成接觸線高度、拉出值、線岔中心、錨段關節等接觸網相關幾何參數的連續測量，誤差為±2 mm。

圖8 接觸網幾何參數測量儀

1.5 基于機器視覺技術的高鐵接觸網關鍵結構安全智能識別系統研發

研制適用于軌行作業車車載的高鐵接觸網關鍵結構安全智能識別系統[19]，集成應用機器視覺、集成電路、圖像預處理等技術，實現接觸網工程錨段成型后對整個系統關鍵結構進行智能檢測，對檢測數據進行系統智能分析處理，形成“一圖一弦”、“一圖一臂”、缺陷預警圖表，科學指導工程精確調整作業，為提高工程總體質量提供技術保障。

（1）研制適用于軌行作業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的偏差向量校正模型（圖9），研發嵌入式3D 圖像深度信息非線性采集技術及智能識別算法、封裝于相機芯片的空間向量拼接和迭代雙積異構算法、動態調光及鏡頭光圈無極控制算法復合控制技術，實現實時、快速、高質量采集腕臂結構支撐、整體吊弦與接觸網懸掛系統的圖像。一體化硬件采集處理系統原理如圖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原理

（2）集成應用機械、光學、電子的綜合防抖技術與基于梯度信息對光照變化的敏感性較低的思想優化SURF 特征點，研發3D 圖像無損壓縮快速處理算法（圖11）、攝像機動態調光算法及鏡頭光圈無極控制算法、強光抑制與復合同步補光單元技術（圖12），提高接觸網懸掛系統的圖像采集清晰度，降低誤檢率。接觸網關鍵結構智能識別系統如圖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 接觸網關鍵結構智能識別系統

（3）研制基于3D 視覺技術的車載補償裝置（圖14），研發導向迭代反饋算法，克服通用共面標定法經參數矩陣過濾后坐標缺少波調反饋問題，實現車輛通過曲線、岔區等部位時車身姿態精確補償，提高測量精度。

圖14 3D 視覺車載補償裝置

2 與當前國外高鐵接觸網同類技術對比

（1）腕臂與吊弦計算平臺已作為高鐵接觸網工程安裝的關鍵技術和重要工具，打破了國外在該領域的技術壟斷，主要技術指標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于國外同類產品。基于該成果實現了接觸網腕臂和吊弦的現場測量、預配和安裝“三工一體”的精確安裝工藝控制，腕臂和吊弦均實現了工廠化預配，降低了材料廢棄率和后期系統調整工作量，提高了工程質量和工作效率。

（2）基于北斗高精度定位技術的接觸網線路及桿位測量系統集線路中心樁放樣、接觸網縱向/橫向測量以及相對高程差測量功能于一體，可直接測定接觸網支柱基礎位置，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，但更適合于中國國情。基于CPⅢ數據的接觸網測量系統應用促進了無鋼軌條件下接觸網有效施工組織生產，填補了國內空白。

（3）研制高速接觸網腕臂預配與吊弦預制自動化生產線，預制精度在±1.5 mm 內，大幅度降低了人為因素干擾，確保了關鍵工序質量穩定可靠。

（4）高速鐵路接觸網關鍵結構安全智能識別系統適用于軌行作業車，國外相應檢測系統適用于動車組或專用檢測車。接觸線高度和定位點拉出值檢測精度與國外技術相當，但國外相應檢測系統沒有定位器角度、定位管角度、預配零部件標識線及間距、零部件是否松動等檢測內容。國內外接觸網關鍵結構安全智能識別系統檢測項目與技術指標對比見表1。

表1 國內外接觸網檢測項目與技術指標對比

3 結語

本文系統梳理的高速鐵路接觸網工程數字化安裝關鍵技術研究成果，已先后應用于京沈、京張、贛深、貴南等多項高鐵工程項目，應用效果良好。隨著系統技術迭代升級，將持續提升接觸網工程建設智能建造技術水平，提高工程質量和綜合效益，實現“精確化測量計算、工廠自動化預配、機械手安裝、智能化檢測”的電氣化鐵路建設新模式，為推動中國高鐵持續高質量發展提供有力技術支撐。