（机械电子工程专业论文）接触线几何参数双目视觉测量系统研究.pdf

摘要 接触线是电气化铁路接触网的重要组成部分，机车运行时受电弓滑板与接触线 接触摩擦，从接触线获取电能。受露天环境和滑动摩擦影响，接触线高度、拉出值 以及磨损状况等几何参数极易发生变化。为保证机车运行安全，必须经常检测接触 。线参数，以便及时维护，排除安全隐患。 本文在对现有的接触线几何参数检测方法进行分析的基础上，对基于双目视觉 的接触线几何参数测量系统的测量性能和主要技术指标进行较深入研究。 首先，导出了双目视觉测量的有效视场和分辨率与系统结构参数和摄像机光学 参数的理论关系，应用m a t l a b 软件对不同结构参数和光学参数条件下的有效视场 和分辨率进行仿真。结果表明：对于确定的c c d 参数，有效视场随摄像机镜头焦距 增大而减小；若焦距不变，有效视场和分辨率分别随摄像机光轴倾斜角增大而减小 和增大。 其次，运用误差传递理论导出了测量误差与测量系统结构参数( 两c c d 光敏面 中心距和两摄像机光轴倾斜角) 的误差、摄像机镜头焦距的误差和接触线在两个 c c d 上成像位置误差之间的理论关系；并应用m a t l a b 软件对测量误差进行仿真分 析。所得结果为在满足测量精度要求的前提下，优化测量系统的结构参数和确定合 理的允差范围提供了理论依据。 然后，对接触线与承力索在两个摄像机中的成像位置关系进行分析仿真计算， 分析由双目视觉图像来区分两者的可行性和具体方法。 在理论分析的基础上，构建了测量实验装置，以验证方案是否可行。采用v i s u a l c + + 设计图像采集、图像预处理、目标识别和参数计算程序。针对接触线的成像特 点，从理论上分析了如何进行接触线的目标识别。 关键词：双目立体视觉：接触线：c c d 图像传感器：图像处理：误差分析 a b s t r a c t c o n t a c tw i r ei sa l li m p o r t a n tp a r to ft h ec o n t a c tn e to fe l e c t r i f i e dr a i l w a y 恤l et h e l o c o m o t i v ei sr u n n i n g ，i t sp a n t o g r a p hc o n t a c t sw i t ht h ew i r ea n dg e t se l e c t r i c a le n e r g y f r o mt h ew i r e b e i n ga f f e c t e db yo p e n - a i ra t m o s p h e r ea n ds l i d i n gf r i c t i o n ，c o n t a c tw i r e s g e o m e t r i cp a r a m e t e r s ，s u c ha si t sh e i g h t , s t a g g e r , a n dw e a r , a r ev e r ye a s yt oc h a n g e i n o r d e rt oe n s u r et h a tt h el o c o m o t i v er u n ss a f e l y , i ti sn e c e s s a r yt oi n s p e c tw i r e sg e o m e t r i c p a r a m e t e r sr e g u l a r l y , s ot h a tt h ew i r ec a l lb em a i n t a i n e da n dp r o t e c t e df r o mp o t e n t i a l s a f e t yh a z a r d b a s e do nt h ea n a l y s i sf o re x i s t i n gm e t h o d st om e a s u r ec o n t a c tw i r e sg e o m e t r i c p a r a m e t e r s ，t h i st h e s i sd e e p l yr e s e a r c h e si n t ot h em e a s u r e m e n tp e r f o r m a n c e sa n dm a i n t e c h n i c a lt a r g e to fab i n o c u l a rm e a s u r i n gs y s t e mf o rt h ew i r e sg e o m e t r i cp a r a m e t e r s i nt h ef i r s tp l a c e ，t h et h e o r e t i c a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ee f f e c t i v ef i e l do fv i e w & r e s o l u t i o no fab i n o c u l a rm e a s u r i n gs y s t e ma n dt h es y s t e m ss t r u c t u r ep a r a m e t e r sa n d c a m e r ao p t i c a lp a r a m e t e r sh a sb e e na n a l y z e d t h es i m u l a t i n gc a l c u l a t i o no nt h ee f f e c t i v e f i e l do fv i e wa n dr e s o l u t i o nu n d e rd i f f e r e n ts t r u c t u r ep a r a m e t e r sa n do p t i c a lp a r a m e t e r s a r ed o n eb yu s eo fm a t l a b t h er e s u l t ss h o wt h a t , ( 1 ) o n c et h ec c di sd e t e r m i n e d ，t h e e f f e c t i v ef i e l do fv i e ww i l li n c r e a s e 谢mt h ei n c r e a s eo ft h ec a m e r a sf o c u s ；( 2 ) i ft h e f o c u sd o e sn o tc h a n g e ，t h ee f f e c t i v ef i e l do fv i e wa n dr e s o l u t i o nw i l ld e c r e a s ea n d i n c r e a s er e s p e c t i v e l y 、析t ht h ei n c r e a s eo ft h ec a m e r a so p t i c a l - a x i ss l a n ta n g l e s e c o n d l y ，t h et h e o r e t i c a lf o r m u l ab e t w e e nt h em e a s u r i n ge r r o ra n ds u c hp a r a m e t e r e r r o r sa st h es y s t e m ss t r u c t u r ep a r a m e t e r ( t h es p a c eb e t w e e nt h ec e n t e r so ft w oc c d ，t h e s l a n ta n g l eo ft o wc a m e r a ) e r r o r s ，t h ef o c u se r r o r , a n dt h ei m a g ep o s i t i o ne r r o ro ft h ew i r e o nt w oc c dh a v eb e e nd e r i v e d t h e n , t h em e a s u r i n ge r r o ra n a l y s i si ss i m u l a t e db yu s e o fm a t l a b t h er e s u l t sp r o v i d e st h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o ro p t i m i z i n gm e a s u r i n g s y s t e m sd e s i g na n dd e t e r m i n i n ga l l o w a n c ee r r o rr e a s o n a b l yu n d e rr e q u i r i n gm e a s u r i n g a c c u r a c y t h e n , t h ep o s i t i o nr e l a t i o n sb e t w e e nt h ei m a g e so fc o n t a c tw i r ea n dm e s s e n g e rw i r e o nt w oc c dh a v eb e e ns i m u l a t e d , a n dt h ef e a s i b i l i t ya n dc o n c r e t em e t h o d st od i s t i n g u i s h t h o s et w ow i r e sh a v eb e e na n a l y z e d o nt h eb a s i so ft h e o r e t i c a la n a l y s i s ，ap r e l i m i n a r ym e a s u r i n gd e v i c eh a sb e e nb u i l t u pa n du s e dt ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t y v i s u a lc + + h a sb e e nu s e dt od e v e l o pt h ep r o g r a mo f i m a g ea c q u i s i t i o n , i m a g ep r e - p r o c e s s i n g ，o b j e c ti d e n t i f i c a t i o n , a n dp a r a m e t e rc a l c u l a t i n g a i m e da tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o n t a c tw i r e si m a g e ，i ti sa n a l y z e di nt h e o r yt h a th o wt o i d e n t i f yt h ew i r e k e y w o r d s ：b i n o c u l a rs t e r e ov i s i o n ；c o n t a c tw i r e ；c c di m a g es e n s o r ；i m a g e p r o c e s s i n g ；e r r o ra n a l y s i s 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题的目的和意义 电气化铁路具有速度快、运载能力强和运行可靠等优点，而且不污染环境，特 别适用于运输繁忙的铁路干线和坡度大、隧道多的山区铁路，是铁路向高速化、现 代化发展的重要途径，也是新线路建设的首选，在社会发展和国民经济建设中具有 重要战略地位。截止2 0 1 0 年，我国的电气化铁路总里程已达3 2 万公里，而且目前 发展迅速。 电力机车本身并不带有电力源，是通过接触网来获得电能。接触线是接触网的 重要组成部分，接触线的高度、拉出值和磨损状态与机车运行安全密切相关【2 】。 接触线高度( 即导高) 是指接触线底面至两钢轨轨面连线的垂直距离，接触线 位置过高或过低，都会影响受电弓的受流质量和设备磨损，严重时会出现“刮弓 事故而造成重大损失或安全事故。 拉出值是指定位点处接触线距受电弓滑板中心的距离。在直线区段上，拉出值 是接触线在定位点处相对于线路中心的偏移距离，称为之字值：在曲线段上是定位 点处接触线距受电弓中心行迹的距离，称为拉出值。接触线拉出值有严格的设计要 求，如果拉出值太小则达不到均匀滑板磨耗和延长受电弓使用寿命的目的；如果拉 出值太大，在某些特殊情况下，如遇到大风时，接触线的某些部位就会超出受电弓 有效工作长度而造成弓网事故。 磨损是由于接触线和受电弓滑板滑动接触摩擦取流所产生的机械磨损。磨损检 测直接关系到接触线与受电弓动态受流的质量。当接触线磨损到一定程度时有影响 运行安全和断线的危险，造成重大损失或安全事故；若能及时检测出接触线的磨损 状态，当磨损达到一定程度时及时补强或更换，即可杜绝隐患或事故。 为确保电力机车运行安全，必须经常对接触线的高度、拉出值和磨损状况进行 检测，以便及时维护，排除隐患。目前，用于接触线检测的方法有多种，分接触式 和非接触式两类。接触式检测尽管可以达到一定的测量精度，但测量过程繁琐、费 时费力、检测效率低，应用的局限性很大。非接触式检测主要有激光测距法、超声 波测量法和图像处理法等，其中，采用图像处理法测量接触线几何参数尤为引入关 注，其原因之一是该测量方法在测量速度、精度、仪器成本和实现在线动态检测等 方面具有综合优势，原因之二是目前计算机、图像传感器和图像处理技术的发展水 平为图像处理法的应用奠定了基础。 本文研究基于双目视觉原理的接触线几何参数测量，这是目前本领域研究的热 点之一。 青岛大学硕士学位论文 1 2 国内外研究动态 接触线的几何参数检测是接触网检测的重要组成部分。接触网的检测是指运用 技术手段对接触网的各种参数进行检测，根据检测结果对其工作状况进行评价。接 触网的检测内容分为三种类型的参数【3 】：( 1 ) 几何参数，如拉出值、导线高度、定 位器坡度等；( 2 ) 弓网关系参数，如接触压力、硬点等；( 3 ) 辅助参数，如定位点、 温度、补偿等。 1 2 1 国外研究动态 研究接触线参数检测最早的国家是前联邦德国，早在1 9 5 1 年，该国就在线路 上进行了包括空气动力、受电弓特性和质量、接触悬挂的振动及受流的实验【4 】。目 前，德国、意大利和日本等国研制的接触线参数检测装置最具代表性。此外，西班 牙和法国也分别研制出了基于不同原理的接触线检测装置。 德国开发的高速铁路接触网检测车可以检测接触线高度、拉出值、接触压力、 导线接近、接触网弹性等项卧5 】【6 l 。检测车的动态接触压力检测系统将检测受电弓 安装在牵引机车上，替换原有的机车受电弓取流，通过安装在检测受电弓不同位置 的各种传感器，如压力传感器、加速度传感器、光感式定位器等，在运营时速下实 现对弓网间接触压力以及接触网的导线高度、拉出值、网压等参数的动态检测。检 测车的接触网光学检测系统由安装在车顶部同一个底上的4 个高分辨率摄像机组 成，如图1 1 所示。利用三角测量原理计算接触线位置，通过传感器纪录车体晃动 引起的偏移，对测量的接触线位置进行修正。该检测车的优点是，光学检测装置测 得的静态数据与动态检测时测得的动态数据相互比较，可以进一步分析接触网弹性 和缺陷点类型；高分辨率的摄像机使得检测精度很高，提高了检测效率。缺点是， 检测接触压力设备需要频繁调试；摄像机的安装精度要求比较高。 意大利t e c n o g a m m a 公司研制的w i r ec h e c k 接触网导线几何位置( 水 2 第一章绪论 平和垂直) 和磨损测量系统1 7 1 ，由安装在车体下部的钢轨位置检测单元和安装在车 顶的接触线检测单元组成。钢轨位置检测单元实时测量车体相对于钢轨中心线的位 置，从而对接触线参数测量提供补偿：接触线检测单元用六组激光器发射平行激光 束照亮导线，被导线反射回来的激光束分别由六组对应的高速c m o s ( 互补金属氧 化物半导体，c o m p l e m e n t a r ym e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r ) 全数字摄像机接收，经数 据处理后由安装在车体内部的工业计算机完成接触线导高、拉出值和磨损宽度的测 量。 意大利m e r m e c 公司开发的接触网检测系统采用激光束和高清晰数字相机， 通过激光三角测量原理在非接触状态下检测接触线的高度和拉出值。检测系统的设 计方便在各种铁路机车上安装和集成，例如专门的检测车辆或商业运营车辆( 机车、 客车和货车) ，如图1 2 所示。测量系统的优点是，非常复杂的图像轮廓采集，基于 高清晰图像的强大后期处理，实时的运动补偿，保障了测量装置的高性能和检测结 果的高精度；无任何移动部件，整个检测系统的可靠性非常高。不足之处在于不能 检测弓网接触下的动力学参数。 日本的s h u n i c h ik u s u m i 等人开发了铁路、公路两用高架接触线检测系统【8 】o 该系统由安装在检测车上的小型接触网检测仪和装有多种传感器的小型受电弓组 成。接触网检测仪通过图像传感器实现对接触网磨损及偏差的非接触式检测；装有 各种传感器的受电弓能够探测接触网的高度、硬度、推杆和落弓位置等参数。检测 系统安装在铁路、公路两用车上，白天以3 0 k m h 的最大检查速度运行，实验室与 青岛大学硕士学位论文 现场试验结果均证明其在实际检测中的结果十分准确，测量误差的平均值大约为 0 0 4 m m ，标准偏差约为0 4 m m ，并且系统结构简单，便于维修，制造成本也比较低。 日本瓜( 新干线) 使用激光扫描技术对接触网的几何参数进行检测【7 】，这套装 置安装在检测车项，采用泵浦钇铝石榴石( y a g ) 激光器做为扫描激光光源，反复 扫描整个接触线的拉出值范围，并利用旋转反射棱镜和光学反射镜片来使激光对准 接触线，通过光电接收器接收反射光，根据反射光的强度和持续时间计算接触线的 相关几何参数，该系统中大量光学元件的使用增加了设备的安装调试难度。 。西班牙u p m d i e 公司开发的m e d e s 系统采用光源摄像检测原理检测接触 线的磨损状态阴。检测系统由5 套激光光源、5 套c c d ( 电耦合器件，c h a r g ec o u p l e d d e v i c e ) 摄像机和计算机组成。检测过程中接触线是基于光源照射的，利用高速摄 像机采集接触线的图像信号，经硬件和软件的数字图像处理后得到导线的磨损面宽 度值，并以数字报表或图形形式保存和实时显示，检测精度可以达到磨损面宽度值 的5 。该检测系统的应用单位有s n c f ( 法国国家铁路公司) 和r e n f e ( 西班牙国 家铁路) 。荷兰t n ot d b 公司开发的a t o n 检测系统也是采用光源摄像检测原理 检测接触线的磨损状态【1 0 】，该系统的处理单元是d s p s ( 数字信号处理器) ，检测精 度可以达到0 1 5 m m 。 法 c y b e m e t i x 公司与c o g i f e r 公司合作开发的s u r c a t 接触导线磨耗检测系统 直接检测导线的残高【1 1 1 。在受电弓两端分别安装激光束发射和接收装置，发射装置 发射片状平行激光束照射导线侧面，当遇到导线时部分激光被挡住，因此激光接收 装置接收到的信号直接反映了导线的残高值，从受电弓采集的信号通过光纤传输到 机车内，由计算机进行后续处理。s u r c a t 允许在接触网带电情况下，以车速4 0 k m h 对导线残高进行检测，检测频率为6 0 0 h z ，残高检测精度0 1 m m 。测量残高的最大 优点是低成本且易实现。s u r c a t 有单导线和双导线两种测量模式，目前已应用在法 国s n c f 的检测车上。 由于接触网检测的项目众多，各国对接触网检测技术的研究一般是根据实际情 况，选择适合本国线路的项目作为研究重点。德国的接触网检测车检测项目相对比 较全面，动态检测与静态检测相结合，无论是精度还是效率都比较高；意大利的接 触网检测主要采用激光扫描和图像处理技术，对动态拉出值和导线高度测量较准 确，但不能测试接触网动力学参数；日本的检测装置比较精巧，对接触线几何参数 的检测精度比较高。西班牙、法国和荷兰则侧重于接触线磨损状态的检测。 1 2 2 国内研究动态 我国的接触网检测技术研究始于2 0 世纪6 0 年代，并于2 0 世纪8 0 年代研制出 了接触网检测车。作为突出代表的是西南交通大学研发的j j c 系列接触网检测车【1 2 】。 j j c 系列检测车的车顶安装了检测受电弓，在检测受电弓上又安装有检测接触压力、 4 第一章绪论 角位移和加速度等参数的传感器。通过受电弓上弓网接触压力的分布情况计算拉出 值，根据受电弓的抬升量计算导高。该检测车的优点是对拉出值和导高的动态检测 比较准确，并且价格低，在实际运用中取得了较好的效果；缺点则在于静态检测不 准确。 西南交通大学的彭朝勇、高晓蓉等人对便携式接触线几何参数检测系统进行了 研究【1 3 l ，提出了利用激光扫描测量接触线几何参数的新方法。测量项目包括接触线 导高、拉出值和磨损宽度，还可附带检测出轨距和外轨超高。测量原理如图1 3 所 示，运用激光扫描技术，使激光束旋转扫描一周，该激光束为连续脉冲调制激光， 遇到内外钢轨和导线后反射回来被雪崩光电二级管接收，获得携带距离信息的高频 脉冲电信号，经过电路处理，计算出内外钢轨和导线到测量仪器的距离，即实现激 光脉冲相位高精度测距。再根据扫描内外钢轨和导线时激光束的旋转角度，计算出 实际的导线高度、拉出值、轨距和外轨超高，对扫描导线时光电二级管接收到的光 电转换信号进行处理便可得到导线的磨耗面宽度值。但是目前该系统仅仅停留在理 论研究阶段，尚无产品问世。 ，接触线 。磐酣驰饿3 6 0 。 激光发射器 ，豢。一 ：、瀑、 。o 、釜轨工，、i 钢轨 华东交通大学的傅可佳、傅钦翠等人提出了基于$ 3 c 2 4 4 0 ( 三星公司开发的 1 6 3 2 位r i s c 微处理器) 的接触线几何参数测量仪的设计方案1 1 4 1 。该测量仪由主 机和轨距尺组成，测量时把仪器放置在钢轨上，轨距尺下底面与钢轨上表面紧贴， 并使轨距尺的凸块与钢轨的内侧面靠紧，滑块顶住另一根钢轨的内侧，测量原理如 图1 4 所示。测量是以钢轨的上表面以及内侧面为基准，对架空接触线进行测量的。 测量过程中，发射激光，旋转激光测距仪或前后移动激光测量架，使激光照射到接 触线的中心，然后通过激光测距传感器、旋转光栅角度传感器测得相应的参数，经 $ 3 c 2 4 4 0 芯片的内置程序计算后就可算得接触线的导高、拉出值等几何参数。这种 5 _盼 。i。， 一一一一一一h二二二| 青岛大学硕士学位论文 测量仪器的优点是，设计轻便，精度可以达到3 5 肋疗；不足之处在于无法进行 动态检测。 9 黻 f j jj ? j 激光束、i i j ： f f j t o ： 州j j 、：- 概t , 1 1 , t i2 竺， 主t 钢轨 西安工业学院的徐昌杰、董威等人提出了一种电气化铁路接触线高度和拉出值 的光学测量方法【j 5 1 。测量装置由底座和可动部分组成，如图i 5 所示。底座的下表 面与钢轨上表面紧贴，底座上的凸块紧靠钢轨内侧面，以此作为测量时的基准。装 置的可动部分中有光学系统，通过调节反光镜的角度使接触线在分划板上成清晰图 像，分划板上刻有十字线，使接触线的图像与分划板上的十字线对准。根据反光镜 的反转角度和可动部分在底座上的移动量，经过数学运算求取接触线的高度和拉出 值。相对于传统的吊杆式测量，这种测量方法具有安全，降低劳动强度等优点，不 足之处在于操作过于繁琐。 固定 底座 图1 5 测量装置图 6 第一章绪论 上海铁路局科研所的朱挺、汤友福研发了一种非接触式接触线磨损动态测试系 统【1 6 1 。该系统由高速摄像机、高亮度光源、计算机、全球卫星定位系统( g p s ) 组成。 测量过程中，在高亮度光源的照射下利用两台线阵c c d 摄像机获取接触线的图像 信息，然后传给后台的计算机，经软件分析后找出接触线的真实图像，计算接触线 的坐标位置，并最终计算出接触线的磨损面积，g p s 定位系统则用以提供检测车 的地理位置。上海铁路局电气化铁路接触网养护维修部门试用表明，该系统能够满 足国内外各种列车在不同运行速度下对接触线磨损状态检测和分析的需求，提高了 检测效率，节约了养护维修成本。 西南交通大学的高晓蓉、王黎、马莉等人提出采用两个或多个线阵c c d 摄像 机对接触线几何参数进行测量【l 刀【1 8 】。利用合理的照明，通过接触线在线阵c c d 摄 像机上的成像位置，基于视差原理和三角测量法，对接触线进行空间定位，得到拉 出值、导高和磨损宽度。这种方法的优点是测量精度高，能够检测接触线的多个参 数，并且运算量小( 线阵c c d 采集的是一维信息) 。但目前为止仍处在实验阶段。 南京理工大学的潘雪涛、朱丽芳等人提出了利用双c m o s 摄像机对接触线几何 参数进行测量【1 9 1 1 2 0 。利用对称安装在电力机车上的两台c m o s 摄像机，同时对接 触线进行图像采集，然后运用边缘检测算法寻找磨损创面的边界点坐标，实现导线 高度、拉出值和磨损宽度的测量。该方法测量精度较高，但尚无正式产品问世。 山东省科学院激光研究所和济南蓝动激光技术有限公司合作开发的d j j 7 多功 能激光接触网检测仪，采用先进的激光测距技术，对接触网的导高、拉出值、线岔、 锚段关节、外轨超高、轨距以及红线等1 4 个几何参数进行快速精确测量，其中对 拉出值的测量精度达到4 m m ，对导高的测量精度可达到3 i 衄；北京佳和未来科 技发展有限公司开发了r o m 电气化铁路接触网综合测试仪，该仪器采用超声波测 量原理和各种先进技术，安装在各类运行的铁路车体上，克服车体震动和摇摆在火 车动态运行中对接触网的参数进行测量，测量项目包括导高、拉出值、外轨超高和 锚段关节等，系统精度优于3 m m 。 目前，国内对接触网的检测主要依赖人工直接测量或者进口的专业检测车。近 年来，也出现了部分在国外先进检测技术基础上研制的便携式检测仪器，但是这些 仪器大都功能不全，精度不高，还有的仅仅停留在理论研究阶段。 1 3 本文的主要工作 本文充分研究了国内外接触线检测现状，在此基础上对接触线几何参数的测量 方法进行了分析比较，提出了基于双目视觉原理的接触线几何参数测量方案，并完 成了测量系统的方案设计，论文主要包括以下几个方面的内容： 1 、双目视觉测量原理的分析。研究了基于双目视觉技术的测量原理，根据接 7 青岛大学硕士学位论文 触线几何参数的测量要求，建立合理的世界坐标系和图像坐标系，通过坐标变换， 推导出接触线空间位置的二维坐标，给出了接触线几何参数( 拉出值、导高和磨损 宽度) 的计算公式。 2 、系统的方案设计。在双目视觉测量原理的基础上，结合接触线几何参数的 技术要求，对测量装置进行了初步的结构设计，并指出摄像机光学元器件以及辅助 光源的选择标准。 3 、测量系统的分辨率以及测量误差的分析仿真。根据空间任意点的二维坐标， 推导出测量系统有效视场内分辨率以及测量误差的计算公式，并运用m a t l a b 对 其进行仿真。在此基础上，对如何提高系统测量精度提出了若干建议，并对本文所 采用的测量系统进行了结构参数优化。对接触线与承力索在两个摄像机中的成像位 置关系进行分析仿真计算，分析由双目视觉图像来区分两者的可行性和具体方法。 4 、测量系统的实验结果及分析。采用v i s u a lc + + 设计图像采集、图像预处理、 目标识别和参数计算程序。针对接触线的成像特点，从理论上分析了如何进行接触 线的目标识别。在现有的实验条件下对接触线的成像位置进行检测，通过大量的实 验对测量方案的可行性进行验证。 8 第二章接触线几何参数及其测量方法 第二章接触线几何参数及其测量方法 2 1 接触线及其几何参数 2 1 1 接触线 接触网导线也称接触线，是接触网的重要组成部分。电力机车运行时受电弓项 部的滑板与接触线紧密接触，摩擦滑行取流，如图2 1 所示。为了保证接触线与受 电弓之间的良好接触，接触线在接触网中的定位有严格要求。接触网通过接触悬挂 和定位支撑装置来限制接触线导高和拉出值的范卧l 】【2 】。 图2 1 接触线与受电弓示意图 接触悬挂的作用是确保接触线对轨面的高度尽量相等并避免高度变化出现陡 坡。接触悬挂由吊弦、承力索以及连接零件组成，如图2 2 ( a ) 所示。承力索的作 用是通过吊弦将接触线悬挂起来，接触网的设计要求规定，承力索和接触线之间的 距离应不小于3 5 0 r a m ，且不大于7 5 0 m m 。定位装置是对接触线实现相对于线路中 心横向定位的装置，使接触线在受电弓滑板运行轨迹范围内，保证接触线与受电弓 不脱离。定位器是定位装置的主体，它通过线夹把接触线固定到相应位置上，如图 2 2 ( b ) 所示。 接触线要有较小的电阻率、较强的导电能力，同时还要有良好的抗磨损性能和 高机械强度。接触线的选材一般为铜合金或者钢铝复合型材料，因为纯铜接触线虽 然具有良好的导电性，但抗拉能力、耐磨与耐高温性能均较差，而且成本高，采用 铜合金或者钢铝复合型材料，虽然导电性能不如纯铜，但抗拉能力、耐磨和耐高温 性能却明显提高。 9 青岛大学硕士学位论文 接触线直径一般为1 0 1 9 1 4 4 m m ，并制成两边带沟槽的圆柱状，其横截面如 图2 3 所示。沟槽是为了安装线夹，并按技术要求悬挂固定接触线而又不影响受电 弓滑板的滑动取流。接触线的下面与受电弓滑板接触的部分呈圆弧状，是接触线的 工作面。 ( a ) t c g - 1 0 0 ( 8 5 ) 型( b ) g l c a 型 图2 3 我国电气化铁路的主型接触线 我国电气化铁路初期采用的是铜接触线，型号有t c g 1 0 0 和t c g 8 5 ，其中a 型尺寸如图2 3 ( a ) 所示。字母t 表示铜材，c 表示电车线，g 表示带沟槽形式， 后面的数字表示该型铜接触线的截面积。2 0 世纪7 0 年代我国研制了型号为 g l c a l 0 0 2 1 5 和g l c a 8 0 1 7 3 的钢铝复合新型接触线，其a 型断面形状如图2 3 ( b ) 所示。字母g l c 表示钢铝电车线，a 、b 表示线型，分式中分母表示该型钢铝接触 线的截面积，分子表示该型钢铝接触线的载流量当量于铜接触线的截面积，钢铝接 1 0 第二章接触线几何参数及其测量方法 触线以铝和钢两种金属压接制成，以铝作为导电部分，与受电弓滑板接触磨擦的是 钢面，既保证了导电性能又提高了工作面的耐磨性。我国还开发了g l c n 型钢铝电 车线，这种接触线将承受张力的钢包在铝内，既保留了耐磨性和抗拉性好的优点， 又提高了它的防腐蚀性，延长了使用寿命，提高了受流效果。随着铁路提速和高速 电气化铁路的建设，我国又陆续开发了连铸连轧、无焊接头的t c w - 1 1 0 型、t c w - 8 5 型接触线，还有c t h a 1 1 0 型、c t h b 1 2 0 型银铜合金接触线。我国主型接触线的 电器及机械性能如表2 1 所示。 表2 1 我国主型接触线电器及机械性能表 断面尺寸拉断力 2 0 电阻值载流量 单位重量 型号 ( m m )( k n )( q k i n ) ( a )( k g m ) t c g 1 0 0a = 1 1 8 ，b = 1 2 83 5 0o 】7 96 0 0o 8 9 t c g t c g 8 5 a = 1 0 8 ，b = 1 1 83 0 6 o 2 1 05 5 0 0 7 6 g l c a l 0 0 2 1 5a = 1 6 5 ，b = 1 9 54 0 00 1 8 44 7 00 9 2 5 g l c g l c a 8 0 17 3a = i6 7 ，b = 1 3 23 0 1 0 2 3 04 4 00 7 4 4 g l c n 2 5 0a = 1 8 5 ，b = 1 8 05 4 00 1 4 97 0 00 9 9 4 g l c n g l c n 1 9 0a = l6 2 ，b = 1 6 03 9 2 2o 1 9 86 0 00 8 0 7 t c w 二1 1 0 a = 1 2 3 4 ，b = 1 2 3 43 9 o 0 1 6 16 6 00 9 8 8 t c w t c w 8 5a = 1 1 0 ，b = 1 1 03 0 90 2 0 85 5 00 7 7 4 c t h a 11 0 a = 1 2 3 4 ，b = 1 2 3 4 4 1 6o 1 7 7 77 0 00 9 9 3 c t h c t h b 1 2 0a = 1 2 7 9 ，b = 1 3 2 44 2 00 1 7 8 67 5 01 0 7 1 2 1 2 接触线几何参数及其技术要求 接触线几何参数主要包括接触线的高度( 即导高) 、拉出值和磨损状态。 1 导高 导高是指接触线底面至轨面连线的垂直距离 2 h 。导高的允许施工偏差为 3 0 r a m 。两个相邻悬挂点接触线高度施工偏差不得大于l o m m ，并且安装时要平 直以保证良好受流。具体设计规定如下l z 2 j ： 最高高度不大于6 5 0 0 m m ；最低高度：( 1 ) 区间、站场：一般中间站和区间 不小于5 7 0 0 m m 。编组站、区段站及配有调车组的大型中间站，一般不小于 6 2 0 0 m m 。确有困难时可不小于5 7 0 0 m m 。( 2 ) 隧道内( 包括按规定降低高度的隧 道d ； i - 及跨线建筑物范围内) ：正常情况( 带电通过5 3 0 0 m m 超限货物) 不小于 5 7 0 0 m m 。困难情况( 带电通过5 3 0 0 m m 超限货物) 不小于5 6 5 0 m m 。特殊情 况不小于5 2 5 0 m t 。 2 拉出值 拉出值是指定位点处接触线距受电弓滑板中心的距离，在直线区段上，拉出值 青岛大学硕士学位论文 是接触线在定位点处相对于线路中心的偏移距离，称为之字值；在曲线段上是定位 点处接触线距受电弓中心行迹的距离，称为拉出值。两者统称为拉出值。 在直线区段受电弓中心与线路中心重合，接触线之字值沿线路中心对称布置， 其标准为3 0 0 r a m ，火车提速到2 0 0 k r n h 以上后为2 0 0 2 5 0 r a m 之间；在曲线区 段，拉出值和曲线半径大小有关，在4 - 3 5 0 4 5 0 r a m 之间。 3 磨损 接触线的磨损是指由于接触线长期与受电弓滑动接触取流，产生的机械磨损。 为了保证接触线在一定张力的情况下不断线，每年至少要进行一次接触线的磨损状 况检测。磨损检测的重点在定位点、接触线接头、中心锚接、电分相、电分段接头 处。通常是通过检测磨损创面的宽度或者接触线的残余高度来判断接触线的磨损状 况。当接触线磨损到一定程度时应当补强或更换。若发现全锚段接触线平均磨损超 过该型接触线截面积的2 5 ，应当全部更换；平均磨耗没达到2 5 ，局部磨耗超过 3 0 时可局部补强；当局部磨耗达到4 0 时应更换。 2 2 接触线几何参数测量方法的分析比较 目前，应用于接触线几何参数测量的方法有多种，既有传统的人工直接测量， 也有先进的专业检测车巡检，测量方式可分为接触式和非接触式两类。 2 2 1 接触式测量方法 ( 1 ) 基于测量器具的直接测量法 轨 图2 4 接触线绝缘测杆测量原理 图2 4 是使用绝缘测杆的测量原理图】。测量时，将绝缘测杆依次联接牢固后， 悬挂在接触线被测点上。松动端头，拉出刻尺，使端头紧贴钢轨内侧面，读取刻度 1 2 第二章接触线几何参数及其测量方法 值，此值为接触线至钢轨内侧面的距离厶。再将测杆移至另一钢轨，读取另一刻度 值厶。然后，由厶、三：和铁轨间距值2 m 计算出接触线高度值h 和拉出值，。这种 测量方法不仅操作繁琐、效率低下，而且需要人工操作，准确度较低。 利用测量器具对接触线磨损进行测量则更为复杂，需要检修人员登上特殊设计 的绝缘梯，用游标卡尺直接测量接触线的磨损面宽度或者残余高度，然后对照该型 号接触线的磨损换算表，进而判断磨损状况【2 4 1 。这种测量方式精度可以达到 o 0 2 所m ，但操作起来难度很大，尤其是绝缘保护，并且绝缘梯体积庞大，移动不 便，导致检测效率很低。 ( 2 ) 基于角位移传感器的检测法 车 1 q 嘲 o ，7 7 h i o 韶k c 熊- t 图2 5 接触线高度角位移传感器检测法 接触线高度角位移传感器检测法如图2 5 所示【1 1 1 9 1 。将角位移传感器安装于受 电弓的底座绞支轴c 处，随着绞支轴的转动，即可直接获得受电弓下臂杆与水平面 之间的角度p 。受电弓的机械结构决定了滑板上的位置o 点只能沿铅垂线o o 上下 运动，由此可得出日与卢的函数关系： 日= 厶s i n f l + 厶2 一( 厶+ 2 c o s 3 ) 2 2 一( 1 ) 日为受电弓滑板上表面距c 点的垂直距离，因为c 点到轨面的距离日。在受电弓安 装后就已经确定了，故可计算接触线的导高h ： 1 3 青岛大学硕士学位论文 h = h + h o 2 _ ( 2 ) 该方法的优点是在检测过程传感器不受磨损，限制条件也比较少，不足之处在 于受电弓及感应器机械部分的转动和同步响应速度较慢，对测量精度有一定影响， 尤其是受电弓上下震动会使测量误差增大；此外，检测项目有限，只能实现对导高 的检测，并且依赖于专门的检测车。 2 2 2 非接触式测量方法 ( 1 ) 基于电子接近器的检测法 在受电弓渭板上安装电子接近检测器( 电磁式、光电式或光纤式) ，如图2 6 所示【l j 。接近检测器不与接触线直接接触，而是利用电磁感应( 光敏感应) 原理实 现位置检测。当某一个电子接近器上方有接触线时，便产生感应电流，同时产生电 压输出信号，以此来进行动态检测。 这种检测方法的优点是：电子接近器不受磨损，检测不受气候、昼夜及线路情 况( 有无隧道、站场) 等条件的限制，反应灵敏可靠。缺点是：安装过多的电子接 近器会增加受电弓的附加重量并加大设备的维修难度；受电弓上产生的电弧会对电 子接近器产生干扰，从而降低测量精度；检测项目有限，只能实现对拉出值的检测； 需要安装在专门的检测车上，附加成本高。 图2 6 接触线拉出值电子接近器检测法 ( 2 ) 激光扫描法 激光扫描法由安装在车顶的激光传感器和光学扫描机构组成( 刀1 1 9 】，如图2 7 所 示。从激光器发出的激光经过扫描机构反射后形成了图2 7 ( b ) 中锥角为么的锥形 扫描激光，激光遇到接触线而反射，根据光路可逆原理，反射的激光将沿原路返回， 通过传感器的内部测量电路即可计算出激光所走过的折返距离。由于激光传感器到 扫描镜面的距离可以看成是固定的，从而可以计算出扫描机构到接触线的距离，即 1 4 第二章接触线几何参数及其测量方法 图2 7 ( a ) 中的l 值。而扫描机构内装有角度位移传感器，可以测量出当前扫描机 构转过的角度，即图2 7 ( b ) 中的扫描角p ，通过以下计算公式就可以得出当前接 触线的拉出值，和导高h ： z = z ；s i n ( ，一a 2 ) 2 一( 3 ) h = l c o s ( # 一a 2 ) + h 2 一( 4 ) 接触线 激光传感器 光学扫描机 ( a ) 接触线 、 a ， 。、二、。，_-_。-， ，_ ， 、， 7 、 ， 。、， ， 、 ， ， 图2 7 激光扫描法示意图 ( b ) 式2 一( 4 ) 中的日为扫描机构距钢轨上表面的距离。 激光束通过扫描镜反复扫描整个接触线拉出值范围，当激光束遇到接触线磨损 面时，会引起漫反射，由于导线磨损面有一定宽度，激光束以恒定速度扫描的时候， 光电转换器接收漫反射时间将与磨损宽度成正比，由此便可测得接触线的磨损宽 度。 这种方法的优点是：不依赖弓网之间的接触，不用在受电弓弓头上安装传感器， 不会引起附加的接触线升高和振动，对受电弓不产生附加重量，从而使检测更接近 实际情况。但该方法的不足之处是对光学扫描机构的加工与安装精度要求非常高， 较小的加工或安装误差都会引起较大的检测误差。 ( 3 ) 采用c c d ( 或c m o s ) 摄像机的图像检测法 只用一台摄像机，将其安装在电力机车车顶，面对受电弓和接触线，运行完一 段线路后，摄像机拍摄的录像带作为图像摄取部分的输出交予图像处理部分，然后 通过二值化、模式识别等图像处理手段，将接触线在受电弓上的相对位置计算出来， 进而得到接触线的拉出值、导高等几何参数【2 5 1 。该方法优点是只用一台摄像机，安 装使用都很方便，而且不需要在受电弓上安装附加设备，能更真实的反应动态下的 1 5 青岛大学硕士学位论文 弓网关系。缺点就是所拍摄的动态图像非常复杂，所用的算法也非常复杂，检测精 度相对较低。 采用两个或多个c c d 摄像机是利用合理照明同时获取接触线的图像，通过接 触线在c c d 上的成像位置，利用图像测量原理，对接触线进行空间定位，得到几 何参数值【l 引。该检测方法的优点是：测量精度高，能同时检测多个参数，实时性强， 可实现在线动态检测。缺点是对摄像机的安装精度要求高，如果两个或多个c c d 安装不在同一平面上，对测量精度影响较大。 ( 4 ) 超声波测距法 超声波是频率高于2 0 0 0 0 赫