地鐵接觸網(wǎng)檢測技術及發(fā)展應用分析

賴文燁

（福州地鐵集團有限公司，福建福州 350004）

0 引言

接觸網(wǎng)通過在列車行駛路線周邊架設特殊的輸電線路為機車提供電能供應[1]，是城市軌道交通正常運營的重要條件和保證，其性能更是直接決定了機車弓網(wǎng)受流質量[2]。為保障牽引供電系統(tǒng)有序運行，保障乘客人身財產(chǎn)安全，在提升優(yōu)化接觸網(wǎng)設備的同時，增加對接觸網(wǎng)狀態(tài)檢測，并制定科學合理的檢修維護流程至關重要[3]。目前我國城市軌道交通發(fā)展受到諸多因素的影響，每個城市在接觸網(wǎng)系統(tǒng)的選取上也有所不同，需要更為全面、系統(tǒng)、科學的接觸網(wǎng)參數(shù)檢測與分析，為現(xiàn)場檢修工作提供真實有力的客觀依據(jù)[4]。

1 接觸網(wǎng)檢測參數(shù)概況

接觸網(wǎng)承載著機車運行需要的電能，接觸網(wǎng)性能以及弓網(wǎng)耦合性能是決定機車接受電能質量的關鍵[5]。優(yōu)化接觸網(wǎng)檢修內容，需要對接觸網(wǎng)狀態(tài)檢測內容進行科學設定，包括檢測接觸網(wǎng)結構元器件、弓網(wǎng)耦合過程，涉及多項機械、電氣指標。通過科學分析評判，為牽引供電系統(tǒng)運營質量提供可靠指標參數(shù)[6]。接觸網(wǎng)多項動靜特性檢測通常包括接觸線距離軌面的高度及其變化曲線、受電弓運行軌跡、接觸壓力變動情況、接觸網(wǎng)彈性性能、最大振幅、離線頻次、燃弧持續(xù)時間、振動沖擊數(shù)值等。

由于機車運行過程中，機車行駛速度、客運容量、弓網(wǎng)狀態(tài)實時發(fā)生改變，因此，需要增加對接觸網(wǎng)狀態(tài)參數(shù)的檢測，包括接觸線的偏移量和拉出值、高度差值、水平差值、斜率、磨耗指標、硬點檢測、溫度變化、電壓降低值等參數(shù)。

2 接觸網(wǎng)檢測技術

近年來，應用較為廣泛的接觸網(wǎng)檢測技術包括靜態(tài)檢測、接觸式檢測、非接觸式檢測及地鐵網(wǎng)軌檢測車動態(tài)測量[7]。

2.1 靜態(tài)檢測

靜態(tài)檢測是指通過測量接觸懸掛各個部位的靜態(tài)尺寸，判斷接觸網(wǎng)實際參數(shù)與設計標準之間的差距。通常在線路停運時，由檢修人員攜帶特定檢測裝置對接觸網(wǎng)的接觸線高度、抬升值、之字值等靜態(tài)數(shù)據(jù)進行測量收集。靜態(tài)測量能夠在機車運行之初確保接觸網(wǎng)的技術參數(shù)要求，從源頭杜絕事故風險，是日常運維工作的一項常規(guī)任務，也是降低事故發(fā)生概率的有效手段。

機車運行導致接觸網(wǎng)與受電弓的性能隨之發(fā)生改變，從而限制了靜態(tài)檢測的應用范圍，但是靜態(tài)測量的檢測數(shù)據(jù)能夠真實反映接觸網(wǎng)的幾何尺寸等數(shù)據(jù)，為接觸網(wǎng)進行動態(tài)測量提供參考。

2.2 接觸式檢測

圖1 接觸式檢測技術工作原理

接觸式檢測方式工作原理如圖?1?所示。在受電弓的4?個測角分別安裝結構、性能、靈敏度、誤差和線性度相同或者接近的檢測裝置。受電弓與接觸網(wǎng)接觸完成受流的過程中，作用在距離受電弓中點?a?位置，使受電弓與接觸線受到彼此壓力的相互作用，產(chǎn)生相應的形變，對應得到弓網(wǎng)接觸力f1和f2，4?個檢測裝置通過檢測形變量計算出拉出值L。

接觸式檢測方式設計原理簡單，可以實現(xiàn)全天候檢測，但對檢測設備及安裝過程要求較高，同時對后期維護提出更高要求，從而影響測量精度與應用范圍。

2.3 非接觸式檢測

非接觸式檢測方式依托現(xiàn)代科技技術，特別是計算機與傳感技術的發(fā)展，從最開始的非接觸式激光雷達掃描測量法，慢慢發(fā)展為超聲波檢測，又到現(xiàn)在的非接觸式圖像測量法，其應用前景十分樂觀。

2.3.1 非接觸式激光雷達掃描測量法

非接觸式激光雷達掃描法利用激光反射原理（圖2），首先在機車頂部安裝雷達激光發(fā)射裝置，發(fā)出連續(xù)、穩(wěn)定的激光雷達射線，保證檢測運行的全過程。激光雷達射線沿著直線傳播，在傳播過程中遇到障礙物（即接觸線）時，由于反射原理，反射回來的激光雷達射線被安裝在機車頂部的裝置接收后，經(jīng)計算機處理為相應的數(shù)字信息，將此信息與激光雷達射線的運行速度、信號間隔等信息進行計算，得出導高和拉出值等參數(shù)信息。

圖2 激光雷達掃描工作原理

非接觸式激光雷達掃描法速度快、穿透能力強，延伸了測量距離；計算機將信息進行計算處理，結果精確、速度快。但是在機車運行過程中，周圍分布著不斷變化的電磁環(huán)境，激光雷達射線在傳輸過程中受到干擾，使測量精度下降。

2.3.2 超聲波檢測法

超聲波檢測與非接觸式激光雷達檢測原理類似，不同之處在于檢測介質由激光雷達轉變?yōu)槌暡ā３暡ū苊饬酥車姶怒h(huán)境的影響，并且可以實現(xiàn)在固體介質中的傳導，對于檢測接觸線之間的縫隙、線夾松動等問題可以得到較好利用；同時可以實現(xiàn)對絕緣損壞的檢測，對于微小變化能夠分辨，提前發(fā)現(xiàn)設備運行中存在的隱患，減小機車運行中存在的風險。

超聲波檢測目前成本較高，單一使用測量范圍較小，需與其他檢測裝置配合，這不僅增加了超聲波檢測的使用成本，也造成了設備后期維護的不便，導致超聲波檢測目前尚未得到廣泛應用[8]。

2.3.3 非接觸式圖像測量法

基于圖像處理與計算機技術的非接觸式圖像測量法近年來得到越來越多的應用。該技術通過在機車頂部安裝高速數(shù)字攝像機對檢測對象進行圖像信息收集，利用拍攝光線條得到接觸線的位置，將信號傳輸?shù)接嬎銠C，通過計算機處理，得到接觸線的高度和偏移參數(shù)。利用線性結構光三維視覺原理，可以得到形象直觀、直接準確的數(shù)據(jù)參數(shù)及設備狀態(tài)。

非接觸式圖像測量法與紅外線技術結合，可實現(xiàn)全天候全過程對接觸線的檢測，其攝像檢測效果如圖?3?所示。在應用成本上，非接觸式圖像測量法通過對圖像信息收集、圖像處理與分析計算得到多項檢測數(shù)據(jù)，可以替代傳統(tǒng)檢修裝置，減少檢測裝備數(shù)量，降低檢測成本，簡化后期運維難度。同時，采集與計算過程相對獨立，提高了計算速度與精度。近年來，計算機技術的突飛猛進，使該檢測方式應用范圍不斷擴大。

圖3 紅外線攝像檢測效果

2.4 地鐵網(wǎng)軌檢測車動態(tài)測量

由于地鐵的運行與行駛狀態(tài)實時變化，因此需要加強動態(tài)測量數(shù)據(jù)的采集。網(wǎng)軌檢測車一般采用非接觸式光學采集原理，利用線陣攝像機三角形測量技術來實現(xiàn)。通過檢測受電弓滑板和接觸線之間的動態(tài)接觸力及其分布情況，精確測量、定量分析接觸網(wǎng)和受電弓的運行狀況，保障系統(tǒng)安全可靠運行。

網(wǎng)軌檢測車經(jīng)常在接觸網(wǎng)帶電情況下對各項檢測參數(shù)進行測量[9]，保證列車在正常行駛時對接觸網(wǎng)的動態(tài)檢測測量，同時滿足精度要求。隨著技術的不斷進步，檢測車成為柔性接觸網(wǎng)動態(tài)檢測的重要方式，對列車正常取流和事故預防起著舉足輕重的作用。

3 接觸網(wǎng)檢測技術的發(fā)展應用

接觸網(wǎng)檢測技術為適應新的應用環(huán)境，在技術層面上不斷取得進步，在實際應用中也出現(xiàn)不同的類別。為滿足接觸網(wǎng)技術的應用發(fā)展，需要不斷提升接觸網(wǎng)檢測技術。

3.1 針對接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測

接觸網(wǎng)幾何參數(shù)通常是指接觸網(wǎng)導線高度拉出值以及錨段關節(jié)兩線間距等。我國最早的地鐵接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測采用物理接觸的計算方式，通過受電弓上輸出的開關信號，帶入計算公式，計算拉出值。測量接觸線動態(tài)導高時，在受電弓上安裝反射板，利用電客車頂部的測距激光傳感器，測量受電弓與電客車頂部的距離，計算出接觸網(wǎng)幾何參數(shù)。

我國廣州地鐵?1?號線采用接觸式檢測方式（圖4），該檢測方式存在原理上的缺陷：①物理接觸使得接近開關的可靠性較差，容易損壞，精度不高；②實際運行中，導高檢測受到較大的噪聲干擾，影響了測量精度，因此有一定的局限性。

圖4 接觸式接觸網(wǎng)檢測方式

為克服上述檢測方法存在的問題，我國蘇州地鐵、西安地鐵及上海地鐵的接觸網(wǎng)檢測采用激光雷達掃描法。該方式利用二維平面測量手段，解決了錨段關節(jié)及線岔等關鍵區(qū)域的幾何參數(shù)測量問題，但由于技術水平有限，測量精度未達到要求，并未實現(xiàn)廣泛應用。

廣州地鐵?2?號線剛性接觸網(wǎng)測量使用基于計算機視覺的接觸網(wǎng)檢測方式，經(jīng)過試驗，檢測精度得到明顯提高，但受技術水平的約束，檢測范圍受限，因此在地鐵柔性接觸網(wǎng)檢測中應用較少。

基于線陣相機的計算機視覺檢測方式克服了接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測密度小的缺陷，應用于德國、意大利以及我國上海地鐵等接觸網(wǎng)的檢測中。如圖?5?所示，該方法采用?2?臺線陣相機，每臺相機分別獲取接觸網(wǎng)位置狀態(tài)，并以灰度值形態(tài)呈現(xiàn)；借助圖像識別、分析、處理等技術，將相機獲取的灰度值還原為目標成像所對應的位置坐標；通過三角測量法，計算接觸網(wǎng)幾何參數(shù)，實現(xiàn)接觸網(wǎng)幾何參數(shù)的高精度檢測。線陣相機的掃描頻率可達上千幀，并且不受測量范圍的限制。重慶地鐵檢修方式在此基礎上利用計算機視覺原理，識別走行軌的特征，實時判斷車體的振動狀態(tài)，進行車體振動補償，消除機車在行駛過程中振動造成的影響。將接觸網(wǎng)幾何參數(shù)歸算到走行軌中心，大大降低了由于車體振動所造成的接觸網(wǎng)幾何參數(shù)的隨機性，通過實踐表明，此方法效果明顯，應用前景良好。

圖5 基于線陣相機的接觸網(wǎng)檢測方式

3.2 針對弓網(wǎng)相互作用動態(tài)參數(shù)檢測

弓網(wǎng)受流質量是弓網(wǎng)運行狀態(tài)與性能優(yōu)劣的客觀反映，檢測弓網(wǎng)相互作用動態(tài)參數(shù)、探究弓網(wǎng)動態(tài)受流性能是弓網(wǎng)檢測的重要內容。在弓網(wǎng)動態(tài)受流性能檢測中，接觸網(wǎng)檢測車得到了廣泛應用。接觸網(wǎng)檢測車可以較好地模擬客車實際運行效果，檢測實際運行狀態(tài)下的弓網(wǎng)接觸壓力、弓網(wǎng)燃弧特性，通過對動態(tài)參數(shù)進行科學分析，可以得到較為準確的弓網(wǎng)受流質量參數(shù)，但是檢測過程中檢測車型號、行駛速度、運行方式較為單一，檢測結果只能較為準確地反映弓網(wǎng)受流質量的部分特性，存在片面性。該檢測技術在德國、日本等國家應用較多，我國由于受到諸多因素的影響，國內地鐵檢測中并未配備專門電客車形式的綜合檢測車。近年來，日本以及廣州地鐵?3?號線運營電客車通過非接觸的檢測方式檢測弓網(wǎng)燃弧狀態(tài)，從而評價弓網(wǎng)受流質量，從根本上反映弓網(wǎng)的動態(tài)關系，為更好地評價弓網(wǎng)受流質量提供更為客觀的參數(shù)。

地鐵接觸網(wǎng)檢測需要將接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測和弓網(wǎng)相互作用動態(tài)參數(shù)檢測有機融合，將科學運行狀態(tài)、運行信息與檢測車檢測數(shù)據(jù)結合，打造接觸網(wǎng)檢測車與電客車的一體化聯(lián)合檢測平臺，提升弓網(wǎng)相互作用動態(tài)參數(shù)檢測的系統(tǒng)性與準確性，提高接觸網(wǎng)維修的質量和精準度，確保弓網(wǎng)系統(tǒng)的安全服役性能，為檢修工作提供強有力的支撐。

4 接觸網(wǎng)檢測方式新要求

當前，城市軌道交通進入高速發(fā)展階段，接觸網(wǎng)技術在設計標準與技術工藝上趨于成熟。接觸網(wǎng)檢測為更好地適應復雜多變的運行條件，兼顧接觸網(wǎng)靜態(tài)特性與動態(tài)參數(shù)的檢測，提出接觸網(wǎng)檢測技術的新要求：

（1）不斷實現(xiàn)檢測裝置的優(yōu)化、檢測技術的更新、檢測方式的提升，使檢測結果更加全面、準確，更加符合需求；

（2）將傳統(tǒng)檢測技術與實際運行信息進行轉變、融合，建立一套融合檢測數(shù)據(jù)與運行信息相互支撐的，包含接觸網(wǎng)幾何參數(shù)和弓網(wǎng)相互作用動態(tài)參數(shù)的檢測檢修體系；

（3）統(tǒng)籌電客車與接觸網(wǎng)檢測車運行數(shù)據(jù)，實現(xiàn)資源有效利用，形成一種全面、精確、系統(tǒng)、科學、高效的新檢修方式。

5 結束語

通過對接觸網(wǎng)檢測技術進行闡述，分析不同檢測方式的特點，并依據(jù)接觸網(wǎng)檢測新要求，闡述轉變接觸網(wǎng)檢測方式的必要性和可行性，為接觸網(wǎng)的檢測檢修提供一種新思路，為接觸網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行提供有力支撐。