非接觸式車載動(dòng)態(tài)接觸線幾何參數(shù)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

陶前林， 方 林， 李華權(quán)

（合肥中車軌道交通車輛有限公司， 安徽 合肥 230011）

0 引言

隨著國內(nèi)城市軌道交通建設(shè)的逐步鋪開，多個(gè)城市開始了地鐵時(shí)代，而作為一種最廣泛使用的城市軌道交通電客車受流方式，受電弓與接觸線的滑動(dòng)接觸受流使用范圍非常廣闊， 接觸線的日常健康監(jiān)測(cè)和維護(hù)需求日益增長，如何能夠高效、準(zhǔn)確、智能的開展這項(xiàng)工作逐漸成為多家地鐵運(yùn)營單位的迫切需求，本文就基于安裝在電客車上的動(dòng)態(tài)接觸線幾何參數(shù)測(cè)量方案，進(jìn)行分析及比較研究。

1 技術(shù)描述

1.1 技術(shù)說明

本文中主要介紹、比較的2D 及3D 版本方案，均是基于非接觸式測(cè)量方式， 通過將接觸線幾何參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)安裝于運(yùn)營車輛上，在列車運(yùn)行期間，對(duì)接觸線幾何參數(shù)實(shí)時(shí)進(jìn)行測(cè)量、分析及統(tǒng)計(jì)，并可實(shí)現(xiàn)對(duì)異?，F(xiàn)象進(jìn)行預(yù)警、報(bào)警，利用車載定位功能實(shí)現(xiàn)對(duì)異常的精確定位，達(dá)到提升接觸網(wǎng)維護(hù)效率的目的。

列車運(yùn)行過程中， 會(huì)在不同方向上發(fā)生不同程度的振動(dòng)、擺動(dòng)，對(duì)于導(dǎo)高、拉出值的測(cè)量而言，影響最大的是側(cè)滾振動(dòng)與浮沉振動(dòng)。 本方案采用車底振動(dòng)補(bǔ)償置于兩側(cè)軌道的上方，測(cè)量它們距離軌平面的距離分別為d1，d2，測(cè)量兩車底振動(dòng)補(bǔ)償間距為d，車頂檢測(cè)設(shè)備位置為O'，車底與車頂檢測(cè)設(shè)備距離為H，建立XOY 坐標(biāo)系（見圖1）[1]，其中P 為接觸網(wǎng)與受電弓的交點(diǎn)。

圖1 導(dǎo)高值及拉出值測(cè)量分解計(jì)算原理

本方案可實(shí)現(xiàn)接觸線導(dǎo)高值、拉出值、線間距、坡度、跨距內(nèi)高低差、磨耗等幾何參數(shù)的精確測(cè)量。

1.2 接觸線導(dǎo)高值及拉出值檢測(cè)原理

幾何參數(shù)檢測(cè)原理根據(jù)車頂測(cè)量方式及采用的設(shè)備不同，可區(qū)分為2D 版本及3D 版本，但究其原理均相通，均是為了獲取車頂平面至接觸線的距離。

基于上述圖的分解，在整個(gè)車輛動(dòng)態(tài)條件下，接觸線的導(dǎo)高值h' 以及拉出值s' 的測(cè)量原理具體如下：

（1）導(dǎo)高值測(cè)量。 靜態(tài)條件下，導(dǎo)高值可分解為兩部分進(jìn)行計(jì)算，即車頂平面至接觸線的高度h1，加上車頂平面至軌平面的高度h2， 其中h1由車頂測(cè)量設(shè)備直接測(cè)量得出，h2由車體高度及車底平面至軌平面的高度組成，在靜態(tài)條件下h2為固定值，即h'=h1+h2。

但在動(dòng)態(tài)條件下， 由于車體本身可能處于側(cè)滾或沉浮振動(dòng)，車底平面至軌平面的高度是不等的，就需要借助車底模塊的測(cè)量數(shù)據(jù)予以修正。因此，動(dòng)態(tài)條件下的導(dǎo)高值由三部分組成， 分別是車頂平面至接觸線的高度在Y軸的投影h1，加上車體高度在Y 軸的投影h2，加上車底平面至軌平面的高度在Y 軸的投影h3， 其中h1也是由車頂測(cè)量設(shè)備直接測(cè)量得出，h2為固定值，h3由車底振動(dòng)補(bǔ)償模塊計(jì)算得出，即h'=h1+h2+h3。 而由于h3是隨著車體運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)計(jì)算， 采用時(shí)間戳或控制線與車頂設(shè)備測(cè)量保持同頻率，因此，測(cè)量精確度非常高。

具體的計(jì)算過程如下：

根據(jù)圖1 可知，在動(dòng)態(tài)條件下，車體的擺動(dòng)角度α 為：

車頂平面為基準(zhǔn)中，O’P 與OO’延長線的夾角β 為：

其中，s 及h 值為車頂測(cè)量設(shè)備直接計(jì)算得出。因此，整個(gè)導(dǎo)高值h' 計(jì)算結(jié)果為：

（2）拉出值測(cè)量。拉出值測(cè)量的原理與上述導(dǎo)高值測(cè)量原理相同，在靜態(tài)條件下，拉出值即為車頂測(cè)量設(shè)備直接測(cè)量出的s'，在動(dòng)態(tài)條件下拉出值s'也被分解為兩個(gè)部分進(jìn)行計(jì)算，即車頂中心點(diǎn)O'在X 軸上的投影s1，加上O'P在X 軸上的投影s2，如圖2 所示。

圖2 動(dòng)態(tài)條件下的拉出值計(jì)算說明

具體的計(jì)算過程如下：

按照上述方法，亦可計(jì)算出其他所需測(cè)量的如接觸線坡度、 跨距內(nèi)高低差等其他幾何參數(shù)。

通過上述方法的介紹，也已知曉在幾何參數(shù)測(cè)量過程中，車頂與車底的測(cè)量數(shù)據(jù)非常重要，由于車底環(huán)境的特點(diǎn)，車底振動(dòng)補(bǔ)償模塊普遍采用激光三角測(cè)距模塊即可便捷的實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償修正功能，而車頂設(shè)備因測(cè)量數(shù)據(jù)的種類及其他要求，有著不同的版本方案可以實(shí)現(xiàn)不同測(cè)量效果。 具體介紹如下。

1.3 接觸線磨耗檢測(cè)原理

若需檢測(cè)接觸線磨耗，則需利用2D 方案中的激光三角測(cè)距模塊或3D 方案中的3D 相機(jī)，激光雷達(dá)無法實(shí)現(xiàn)。

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w，進(jìn)而計(jì)算出接觸線磨耗值x[2]。 根據(jù)此原理，利用接觸線幾何參數(shù)及磨耗檢測(cè)模組來對(duì)接觸線的輪廓進(jìn)行捕獲， 獲得的輪廓與標(biāo)準(zhǔn)接觸線輪廓進(jìn)行比對(duì)，然后再根據(jù)幾何校正，即可獲得接觸線磨耗程度，再利用剩余直徑計(jì)算公式，即可獲取磨耗高度值（見圖3）。

圖3 接觸線磨耗高精度測(cè)量

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，可在系統(tǒng)內(nèi)預(yù)設(shè)上述為閾值，實(shí)現(xiàn)智能計(jì)算及故障預(yù)測(cè)。

根據(jù)圖3 中的分析，剩余高度d 的計(jì)算公式如下：

1.4 接觸線高低差及導(dǎo)線坡度檢測(cè)原理

利用上述導(dǎo)高、拉出值的計(jì)算方法，連續(xù)測(cè)量來獲得跨距范圍內(nèi)的接觸線高度值。 導(dǎo)線坡度是指接觸線高度變換情況，即A、B 兩點(diǎn)之間的接觸線高度差除以兩點(diǎn)之間的距離的千分比。

未經(jīng)補(bǔ)充的拉出值a、導(dǎo)高h(yuǎn)、導(dǎo)線坡度i 和跨距內(nèi)接觸線高低差（Ha-Hb）的計(jì)算如下所示。

2 發(fā)展方向

2.1 2D 版本接觸線幾何參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)方案

2D 版本接觸線幾何參數(shù)檢測(cè)原理， 是通過在車頂設(shè)備內(nèi)設(shè)置的激光雷達(dá)或幾何參數(shù)測(cè)量模塊及車底振動(dòng)補(bǔ)償模塊，來獲得導(dǎo)線的拉出值（s'）、導(dǎo)高值（h'）的檢測(cè)，利用車底振動(dòng)補(bǔ)償設(shè)備可修正列車在動(dòng)態(tài)條件下的測(cè)量偏差。

2.1.1 選用激光雷達(dá)的系統(tǒng)方案

選用激光雷達(dá)設(shè)備作為車頂測(cè)量設(shè)備時(shí)， 激光雷達(dá)在車頂安裝面上打出扇形激光測(cè)量區(qū)域， 接觸線將清晰的顯示在圖像中， 并在系統(tǒng)內(nèi)建立以車頂平面為X 軸，垂直車頂平面的方向?yàn)閅 軸的二維坐標(biāo)系，坐標(biāo)系原點(diǎn)在激光雷達(dá)， 此時(shí)， 可直讀此時(shí)車頂平面至接觸線的s 值及h值，并自動(dòng)計(jì)算出夾角β。 通過上述兩值，系統(tǒng)可計(jì)算出接觸線的s 值及h 值，此時(shí)，僅需將s 值及h 值帶入，軟件即可計(jì)算出當(dāng)前接觸網(wǎng)導(dǎo)高值及拉出值，如圖4、圖5 所示。

圖4 激光雷達(dá)測(cè)量界面

圖5 激光雷達(dá)測(cè)量原理

激光雷達(dá)以激光作為載波，其工作原理是通過測(cè)量發(fā)射信號(hào)與被目標(biāo)反射回來的回波信號(hào)之間的時(shí)間差獲得距離信息[4]。 目前適用于電客車車載的激光雷達(dá)型號(hào)要求比較高，要求具備抗沖擊振動(dòng)、高防水防水防塵等級(jí)、使用壽命及免維護(hù)周期較長等要求， 因此，多采用脈沖信號(hào)法進(jìn)行測(cè)距。 脈沖法激光測(cè)距通過激光雷達(dá)的信號(hào)處理系統(tǒng)控制發(fā)射端發(fā)出激光脈沖， 與目標(biāo)物體接觸后產(chǎn)生漫反射，雷達(dá)接收端捕捉到反射后的激光，通過高精度的時(shí)間計(jì)數(shù)器測(cè)量激光在大氣空間中的飛行時(shí)間，由于激光在自然條件下的傳播速度是恒定的，進(jìn)而可以計(jì)算出目標(biāo)與激光雷達(dá)之間的距離[5]。

當(dāng)采用激光雷達(dá)對(duì)接觸網(wǎng)導(dǎo)高值及拉出值時(shí)， 電客車靜態(tài)條件下，測(cè)量數(shù)值會(huì)出現(xiàn)跳動(dòng)現(xiàn)象，這是由于接觸線下部為半圓形，脈沖信號(hào)在掃描到接觸線時(shí)，每次掃描的點(diǎn)并不相同，如圖6 所示，兩次掃描點(diǎn)存在高低差，差值最大為激光與導(dǎo)線切點(diǎn)所在弦與導(dǎo)線底部切線的高度差，因此，最終測(cè)量數(shù)值可能出現(xiàn)較大幅度跳動(dòng)。 當(dāng)車輛靜止時(shí)，尚可采取多點(diǎn)測(cè)量取最小值方法，但當(dāng)車輛正線運(yùn)營時(shí)，受限于激光雷達(dá)掃描頻率，每個(gè)點(diǎn)不可能被掃描多次，導(dǎo)致數(shù)據(jù)偏差增大。

圖6 激光雷達(dá)測(cè)量誤差圖示

表1 為選裝激光雷達(dá)方案的某城市弓網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)， 通過車載系統(tǒng)的檢測(cè)數(shù)據(jù)與人工測(cè)量的數(shù)據(jù)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，測(cè)量偏差較大，如圖7、圖8 所示。。

表1 部分區(qū)間測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比

圖7 部分區(qū)間接觸線導(dǎo)高值測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比

圖8 部分區(qū)間接觸線拉出值測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比

2.1.2 選用激光三角測(cè)距模塊的系統(tǒng)方案

選用激光三角測(cè)距模塊時(shí)， 需使用線激光器與2D 相機(jī)（CMOS 圖像傳感器）組合，采用機(jī)器視覺算法在圖像中識(shí)別接觸線，并根據(jù)受電弓和接觸網(wǎng)的交點(diǎn)的坐標(biāo)位置，計(jì)算出接觸線與車頂?shù)木嚯xHa，以及拉出值L。 由于標(biāo)定時(shí)的結(jié)果是離散的，因此可使用雙線性插值獲得Ha與L，見圖9。

圖9 三角測(cè)距測(cè)量原理圖

圖中Q11Q12Q21Q22為標(biāo)定結(jié)果中的已標(biāo)定點(diǎn)，而P 是原始圖像中接觸線、受電弓的交點(diǎn)。 設(shè)P0為標(biāo)定結(jié)果圖，則有：

激光三角測(cè)距模塊中的激光器選用線激光器，在200mm 至500mm 高度范圍內(nèi)形成線寬不超過1mm 的線型激光，激光線長度不小于1200mm，覆蓋接觸線拉出值范圍（±450mm）。 在該模塊中，激光器垂直向上投射激光線，相機(jī)以一定角度傾斜安裝并捕獲接觸線。 激光平面與接觸線截面相交后，會(huì)在接觸線（匯流排）上形成一條高亮的接觸線激光輪廓曲線（見圖10），車內(nèi)服務(wù)器對(duì)捕捉到的輪廓曲線進(jìn)行解析。

圖10 激光三角測(cè)距實(shí)測(cè)效果

CMOS 傳感器鏡頭選用與激光器發(fā)射激光波形頻率相同的濾光透鏡，過濾背景光線， 使其圖像中僅體現(xiàn)接觸線反射回的光線圖形，如下圖。 當(dāng)接觸線的位置發(fā)生改變時(shí)，其所成的像在CMOS 圖像傳感器中也發(fā)生相應(yīng)的位移。 通過像移和實(shí)際位移之間的關(guān)系式， 真實(shí)的物體位移可以由對(duì)像移的檢測(cè)和計(jì)算得到[6]。

由于激光三角測(cè)距中，接觸線圖像完整且明確，可以輕易分辨接觸線端部位置形狀， 并且圖像在車輛靜態(tài)與動(dòng)態(tài)條件下沒有明顯差異，更適合動(dòng)態(tài)條件下對(duì)接觸線幾何參數(shù)實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量。 因此，在實(shí)際測(cè)量過程中，測(cè)量精度較高，與人工測(cè)量誤差較小。

表2 為選裝激光三角測(cè)距模塊系統(tǒng)方案的某城市弓網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可以明顯看出其測(cè)量偏差較小，如圖11、圖12 所示。

表2 部分區(qū)間測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比

圖11 部分區(qū)間接觸線導(dǎo)高值測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比

圖12 部分區(qū)間接觸線拉出值測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比

2.2 3D 版本接觸線幾何參數(shù)檢測(cè)原理

3D 版本選用激光結(jié)構(gòu)光3D 相機(jī)， 在運(yùn)營車車頂安裝3D 相機(jī)組件，垂直向上拍攝接觸網(wǎng)，獲取接觸網(wǎng)的3維坐標(biāo)（見圖13），再結(jié)合振動(dòng)補(bǔ)償，通過坐標(biāo)變換計(jì)算得到接觸網(wǎng)導(dǎo)高及拉出值。

圖13 剛性接觸網(wǎng)及柔性接觸網(wǎng)3D 測(cè)量實(shí)例

通過3D 相機(jī)建立的3維坐標(biāo)系， 可直接計(jì)算出接觸線的s 值及h 值， 測(cè)量計(jì)算原理同2D 方案。

激光結(jié)構(gòu)光3D 相機(jī)屬于主動(dòng)式深度圖像獲取技術(shù)，是指目標(biāo)發(fā)射電磁波或激光等能量信息，然后收集從目標(biāo)反射回來的能量信息的傳感器[7]。 由于采用的是3D視覺成像，對(duì)于測(cè)量目標(biāo)的深度、高度等三維數(shù)據(jù)可以直接進(jìn)行三維重建，實(shí)時(shí)測(cè)量深度、高度信息，并且測(cè)量范圍大， 近端視野通?？梢赃_(dá)到1100mm×900mm 以上，遠(yuǎn)端視野通?？梢赃_(dá)到3000mm×2000mm 以上， 測(cè)量精度更是可以達(dá)到0.5mm 級(jí)別， 能夠覆蓋整個(gè)柔性及剛性接觸網(wǎng)組件，甚至可以取代接觸網(wǎng)關(guān)鍵懸掛測(cè)量相機(jī)，對(duì)接觸網(wǎng)關(guān)鍵懸掛進(jìn)行缺陷檢測(cè)。

目前，激光結(jié)構(gòu)光3D 相機(jī)在車載接觸網(wǎng)檢測(cè)技術(shù)上已在開展應(yīng)用性研究，現(xiàn)有的2D 方式對(duì)接觸網(wǎng)健康狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)需要采用的2D 相機(jī)數(shù)量較多，每臺(tái)2D 相機(jī)僅能負(fù)責(zé)單個(gè)功能甚至是單個(gè)部位的檢測(cè)，但3D 視覺相機(jī)可以直接進(jìn)行三維重建， 測(cè)量精度也可以達(dá)到0.5mm 級(jí)別，采用2 臺(tái)3D 視覺相機(jī)相對(duì)布置即可實(shí)現(xiàn)對(duì)全部接觸網(wǎng)組件的掃描，而未來在3D 視覺相機(jī)成本進(jìn)一步降低，測(cè)量穩(wěn)定性進(jìn)一步提高后，具備較大潛力替代現(xiàn)有2D 方式對(duì)接觸網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)健康檢測(cè)。

3 硬件配置方案

3.1 整體配置方案

本文中所提到的非接觸式接觸線幾何參數(shù)測(cè)量方案，其中的硬件共涉及車頂、車內(nèi)、車底三個(gè)部分，車頂部分幾何參數(shù)測(cè)量模塊整體集成于車頂數(shù)據(jù)采集模塊內(nèi)部，用于采集幾何參數(shù)數(shù)據(jù)，本文介紹的各項(xiàng)方案均為車頂幾何參數(shù)測(cè)量模塊方案，車內(nèi)部分為車載服務(wù)器，用于數(shù)據(jù)的計(jì)算、分析、處理、儲(chǔ)存，車底部分為車底振動(dòng)補(bǔ)償模塊，分別照射2 側(cè)鋼軌，計(jì)算車輛動(dòng)態(tài)條件下的車底平面至軌平面的距離。 各方案僅在車頂部分硬件有所不同，其他部分均相同，如圖14 所示。

圖14 系統(tǒng)整體硬件配置示意圖

3.2 車頂部分硬件配置方案

車頂部分可根據(jù)用戶不同的技術(shù)要求進(jìn)行搭配，選擇 任一2D 或3D 方案。 并且，根據(jù)技術(shù)參數(shù)要求，可設(shè)置是否前端數(shù)據(jù)預(yù)處理，當(dāng)需求前端預(yù)處理時(shí)， 需加裝前端分析主板，如表3 所示。

4 各版本優(yōu)缺點(diǎn)

通過上述介紹可以看出， 各版本由于采取了不同的測(cè)量技術(shù)及硬件配置，因此，其各版本之間存在的不同的優(yōu)勢(shì)，也存在著不同的缺點(diǎn)，最終可根據(jù)用戶的技術(shù)需求來搭配不同的方案，本文也根據(jù)對(duì)各方案的分析，給出推薦使用的場(chǎng)景，供用戶選擇時(shí)參考，如表4 所示。

表4 各版本優(yōu)缺點(diǎn)及適用場(chǎng)景

5 結(jié)束語

本文提出并分析對(duì)比了多種不同的安裝于運(yùn)營車輛的非接觸式接觸線幾何參數(shù)測(cè)量方案。 通過對(duì)其測(cè)量原理的研究，對(duì)采用硬件設(shè)備的分析，得出不同的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)于后續(xù)城市軌道交通非接觸式弓網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)、研制、應(yīng)用提供了充分的指導(dǎo)依據(jù)。