（电力系统及其自动化专业论文）基于模块化的接触网参数检测系统的设计与实现.pdf

a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r i cr a i l w a y , t h eu s e r s d e m a n d i n go ft h e c a t e n a r y sp a r a m e t e r si n s p e c t i o ne q u i p m e n ti sb e c o m i n gm o r ev a r i o u s a d e s i g n m o d ef o r c a t e n a r y sp a r a m e t e r si n s p e c t i o ns y s t e m b a s e do n m o d u l a r i z a t i o ni sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r ，i td i v i d et h ec a t e n a r y ：sp a r a m e t e r s i n s p e c t i o ns y s t e mi n t od i f f e r e n tf u n c t i o nm o d u l e s ，t h e nu s ed i f f e r e n tm o d u l e s t oi n t e g r a t ed i f f e r e n tp r o d u c t st om e e td i f f e r e n tu s e r sd e m a n d i nt h i sw a yt h e p r o d u c i n g t i m eb e c o m es h o r t e ra n dt h ec o s tb e c o m el i t t e r o nt h eb a s eo fa n a l y z i n gt h et r a d i t i o n a lm o d u l a rd e s i g no fm e c h a n i c a l p r o d u c t s ，“l o g i c m o d u l e i s p r e s e n t e d a san e w c o n c e p ta c c o r d i n g t h e c h a r a c t e r i s t i co f c a t e n a r y sp a r a m e t e r si n s p e c t i o ns y s t e m t h ef u n c t i o nm o d u l e i sr e g a r d e da saw h o l e p a r tl o g i c a l l y , b u ti t i sd i v i d e di n t ot h r e el a y e r sa sl i n k l a y e r , d a t al a y e r , a p p l i c a t i o nl a y e r i n p h y s i c a lw a y a n d i t ss o f t w a r ea n d h a r d w a r ea r ed e s i g n e di n d i v i d u a l l y i nt h eh a r d w a r es t r u c t ，t h eh i g hv o l t a g e s i d em o d u l e sw h i c hs e n s o r sa r es e to nt h ei n s p e c t i o nc a r sh i g hv o l t a g ep a r t t r a n s m i tt h e i rd a t at om a i nc o m p u t e rb yc a n b u s ，a n dt h el o wv o l t a g es i d e m o d u l e s d a t a i n p u t t om a i nc o m p u t e r b y a dc o n v e r t o rc a r d f o rt h en o d e so f c a nb u sa n dt h ei n p u tc h a n n e l so fa dc a r dc a r lb ee o n f i g e d o p t i o n a l l y ， m o d u l a rd e s i g nc a nb er e a l i z e de a s i l y a n dt h e n ，t h ed a t aa c q u i s i t i o no fh i g h v o l t a g e s i d em o d u l e su s e 、淹c o n v e r t o r w h i c hc a l lm a k et h e s y s t e nm o r e s t a b l eb e c a u s eo ft h ed a t ap r o c e s s i n gi nt h el o wv o l t a g es i d eo f t e s t i n gc a r ，a n d t h ed a t ac a nt r a n s m i tb yf i b e rm o r ee a s i l y t h es o f t w a r ei s d e s i g n e dt ot h r e e l a y e r s ，w h i c hm a k e d a t al a y e ra n da p p l i c a t i o nl a y e rb e c o m e i n d e p e n d e n t o ft h e h a r d w a r e t h el o g i cm o d u l e sf u n c t i o ni sp r e s e n t e db yt h es o f t w a r ef u n c t i o no f e a c hl a y e r sc o r r e s p o n d i n gm o d u l e t h ec a t e n a r y sp a r a m e t e r si n s p e c t i o ns y s t e mb a s e do nm o d u l a r i z a t i o n b u i l da p l a t f o r m f o rt h e c a t c n a r y sp a r a m e t e r si n s p e c t i o ne q u i p m e n t s e q u i p m e n tb a s e do nt h i sp l a t f o r mi sp r o v e dt os t e a d i l ya n de a s yt o r u c t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 e x p a n d i n ga f t e rb e i n gd e b u g g e da n d t e s t e d k e yw o r d s ：c a t e n a r y ；c a t e n a r yp a r a m e t e r si n s p e c t i o n ；m o d u l a rd e s i g n d a t aa c q u i s i t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 课题的提出 第1 章绪论 接触网是电气化铁路的重要设备，是架设在铁路上空为电力机车提供电 能的特殊供电装置。机车受电弓与接触网在露天情况下滑动弹性接触，工作 环境恶劣，在高速运行的情况下，弓网系统出现任何的偏差，都有可能引发 弓网故障“1 。而接触网为无备用设备，一旦发生故障，将中断列车运营，造 成巨大的经济损失。因此，在电气化铁路的施工和日常运营中，必须加强对 接触网各项机械电气参数的检测，防患于未然。 随着我高速电气化铁路的大力发展，对接触网检测技术不断提出了新的 要求： 1 ) 列车的运行速度越来越高。近年来为了适应社会和经济的发展，我 国先后对广( 州) 一一深( 圳) 线及哈( 尔滨) 大( 连) 线进行了目标 为16 0 2 0 0 k m h 的电气化改造，接着又着手修建了时速为2 0 0 2 5 0 k m h 的秦 ( 皇岛) 沈( 阳) 高速客运专线，并正在筹建时速为3 0 0 3 5 0 k m h 的( 北) 京一一沪( 上海) 高速铁路1 2 1 。这要求新的接触网检测装置能够模拟高速列 车运行时的工况，并在高速运行的情况下，准确真实的记录弓网关系各项参 数。 2 ) 不同速度等级的线路并存。目前我国正在运营的电气化铁路既有运 行速度不高于l o o k m h 的早期修建的线路，也有运行速度高于2 0 0 k m h 的高 速线路，还有各城市采用不同接触悬挂形式的地铁接触网也有定期检测的要 求。对于运行速度高于1 6 0 k m h 的电气化铁路，接触网检测车不再是仅仅测 量接触网的几何参数，更注重对列车运行时弓网关系的检测。因此弓网接触 压力、弓网冲击、受电弓的高度变化等反映弓网运行状况的参数成为接触网 检测的重点”“1 1 7 | 。不同速度等级的线路对检测项目提出了不同要求。 3 ) 对检测设备的需求多样化。随着作业自动亿水平的不断提高，电气 化铁路的施工、管理、维护部门都需要运用检测设备，利用检测结果对接触 网的施工质量、运营质量进行评判，并为接触网的维护调整提供依据“1 。不 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 同的部门对检测项目关注的重点也不相同。 以往接触网检测设备的设计，往往针对具体用户当时的具体现场要求进 行，开发成本大，而且随着现有电气化线路的不断提速改造，不便于功能升 级扩展的弊端也日渐显露出来。本文在以往的接触网参数检测设备的基础上， 提出了基于模块化的接触网参数检测系统设计方案，在满足运用于高速线路 的前提下，将要检测的项目细分为单个的功能模块，通过不同功能模块的组 合来形成不同的产品，以适应不同运用场合，并具有良好的升级扩展性能。 1 2 接触网参数检测的发展历程 接触网参数检测技术发展较早的是前联邦德国，早在上个世纪5 0 年代 初，他们就进行了包括受电弓空气动力学特性、接触网悬挂的振动及受流等 试验。其后，法国进行了大量的实际线路受流试验；日本在这方面也做了大 量的研究和试验，开发出一系列根据不同的要求丽设计的接触网参数检测车； 奥地利在光学非接触法检测接触网参数的研究中取得了很大的进展。国外的 接触网检测技术的研究一般是根据本国的实际情况，选择适合本国线路状况 的研究重点，如德国的检测车突出检测弓网间的接触压力，法国突出检测接 触悬挂的动态弹性，日本则突出检测弓网离线、接触线磨耗“”“”“”“小”。 国内最早进行接触网参数检测技术研究的是铁道部铁道科学研究院，他 们从上世纪6 0 年代开始跟踪和学习国外的技术。1 9 6 1 年我国第一条电气化 铁路宝( 鸡) 凤( 州) 段通车，1 9 6 2 年由铁道部科学研究院装备了第一 辆接触网检测车，当时仅能检测导线高度和弓网间的大离线。7 0 年代后期成 都铁路局和原西安铁路局也参加到研究接触网检测设备的行列。8 0 年代开始 随着计算机技术和传感器技术的发展，我国接触网检测技术有了长足的发展 “。以西南交通大学陆续开发的j j c 系列检测车来看： j j c 一1 型接触网检测车将检测设备安装在客车车体上，连挂在列车尾部 运行，能检测接触线拉出值、接触导线高度、定位器坡度、线岔状态、锚段 关节处两导线处相对位置、电网电压、悬挂硬点、弓网离线、支柱位置、行 车速度和里程、大气温度等参数。还配有车辆测量车辆侧滚、水平摆动的检 测设备。主机采用h p 9 0 0 0 3 6 0 控制器，数据采集采用仪器h p 3 8 5 2 s ，h p u x 操作系统，数据处理用c 语言编码，数据采集采用b a s i c 控制“”。该设备制 造成本高、对操作维护人员要求较高，维护保养花费也较大，实用于接触网 运营里程较多的铁路局级单位使用“1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 j c 一2 型接触网检测车车体为不带动力的轨道车辆，需牵引车牵引运行。 主机采用p c 微机，采用s t d 工控机作为采集前置机，该设备实用于铁路分局 或者供电段使用。 j j c 一3 型接触网检测车车体采用带动力的轨道车，既可单独运行，也可 与客车编组联挂，具有机动灵活的特点，在各铁路供电段得到了广泛的运用。 主机采用p c 微机，前置机采对每一检测项目采用单片机进行处理。操作系统 采用d o s ，后升级为w i n d o w s 。j j c 一3 型接触网检测车自上世纪九十年代研制 成功后，根据检测需要和技术的发展，不断推出新版本。逐步发展到将车内 高压室设备转移安装至车顶，大大增加了设备的安全性，节省了车内空间， 由原来的只采集定位点处数据改为检测车每走行一米采集一次数据，并采用 双微机系统组成局域网，完成对数据的实时采集、实时显示及弓网视频图象 的字幕叠加及保存“盯“”即”。 j j c - 4 型接触网检测作业车是将检测设备安装于接触网施工维修作业车 上，配置给接触网工区或者城市轨道交通维修部门，用于在接触网日常维护 中进行检测，以取代原有维修部门人工手动测量，大大减小了维修人员的劳 动强度。该设备功能相对简单，操作维护方便“1 。 我国接触网检测设备正朝着高速、产品的多样化发展，并且不断的运用 新技术和新型传感器。因此，在现阶段接触网检测设备的研制中，必须着眼 于高速，即能满足日益提高的运行速度要求，而且要考虑普遍适用性，设计 方案框架能方便的运用于接触网各级施工、管理、维护部门所需求的不同检 测设备，还要便于日后随着运行速度的提高和新技术新传感器的运用而不断 进行升级。 1 3 本论文的主要内容 本论文根据接触网参数检测技术的发展现状，提出了模块化的接触网参 数检测系统设计方法，针对接触网检测设备与普通机械产品的不同，提出了 “逻辑模块”的概念。实现了系统软硬件模块在功能上的统一。内容涉及模 块化产品的设计方法，接触网参数检测系统的功能分解、模块组合，以及在 硬件和软件上各功能模块的实现。由于有些参数检测的具体实现硬件在参考 文献 2 1 】中已有比较详细的介绍，本文在硬件方面主要介绍了模块的划分和 模块化的实现，对于一些与以前检测系统实现方法雷同的硬件设计没有作详 细的介绍。主要包括以下内容： 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 ) 分析当前接触网参数检测设备研制的技术现状和用户需求特点，针 对已有的接触网参数检测系统存在的不足，提出采用模块化设计方法。 2 ) 对模块化设计的概念、模块化设计与传统产品设计的区别和模块化 产品的设计方法进行了一定的探讨。 3 ) 综合分析各类用户需求，对系统进行功能划分，并组合成功能模块， 然后从结构设计的角度提出了模块化参数检测系统的总体设计方案。 4 ) 对系统软硬件从模块化设计角度进行了详细的模块划分，并设计相 应电路和软件以实现其功能。 5 ) 对系统进行了综合调试，找出其中需要改进的地方，并提出改进意 见。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章模块化设计理论 2 1 模块化设计概念 模块化设计( m o d u l a rd e s i g n ) 是在对一定范围内的不同功能或相同功 能不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列 功能模块，通过模块的选择和组合可以构成不同的产品，以满足市场不同的 需求的设计方法“1 。模块化设计的基本原则是以少变应多变，用少量模块组 合成多种产品，以优质、高效、低成本满足用户多样化、多层次的要求。因 此特别适合象接触网参数检测设备这样的多样化、小批量生产的要求，可以 减少大量的重复性劳动，降低产品的成本。 2 2 模块化设计与传统设计方法的区别 模块化设计方法与传统设计方法有着原则上的区别。 2 2 1 设计的对象不同 传统设计针对某一专项任务，从产品的具体功能、具体结构入手进行设 计“”。以大连城市轻轨铁路使用的j j c 4 型接触网检测作业车为例，该设备 要求在接触网作业车上安装检测设备进行带电检测，由于作业车还要同时用 于接触网日常维修作业，没有原有接触网检测车在车内设置高压室的空间， 对该设备的设计从将高压室设备转移至车顶入手进行设计。 模块化设计面向某一产品系统以至有相同功能的产品系统，例如美国 i n t e l 公司o e m 系列模块、各种计算机主板、存储器、接臼板等模块不仅 是面向本公司的各类产品的系统，而且面向各个领域的计算机控制系统。基 于模块化的接触网参数检测系统，面向对接触网检测的不同要求。不论是在 高速线路还是低速线路下运行，无论是铁路局用户，还是城市轨道交通维修 部门，都能通过对不同的模块组合来形成满足用户要求的产品。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 2 2 2 设计程序不同 传统设计主要是根据产品功能要求，设计各零部件，然后由这些零部件 构成整机，虽然在设计中也有些总体的方案及协调要求，但从实质上来看， 它主要着眼于功能设计、详细设计，其基本特征是由下而上，由细而总的。 模块化设计的程序完全相反，采用自顶向下的设计方法，首先着眼于概 要设计，而不是详细设计。开发人员首先对所设计的系统有一个全面的理解， 然后由顶层开始，连续地逐层向下分解，直到对系统的所有模块都小到便于 设计为止 2 4 1 。 2 2 - 3 是否标准化设计 传统的产品设计虽然也需要运用有关的标准化资源，采用一些第三方模 块、通用件、借用件等，但总体上来说，它是专用性的特定设计。而模块化 设计的对象则是通用性的，它需要全面的理解并运用标准化理论，模块是部 件级通用件，它的侧重点是在部件级标准化，进而达到产品系统的多样化“1 。 2 2 4 产品构成模式不同 传统的产品的构成模式是整体式的，虽然其中也有部件的组合，但其部 件及其组合方式是特定的。以往的接触网参数检测设备，其整个系统统是 个不可分割的整体，虽然根据信号来源的不同，设有高压侧和低压侧处理部 件，但整个系统缺少任何一个部件，将无法正常工作。 模块化产品的构成特点是组合式的，组合的基本单元模块可以独立 存在，设计中要充分考虑系统的协调性，互换性和组合性，设计难度较大。 基于模块化的接触网参数检测系统设备根据不同用户的不同需求，由设计好 的不同模块组合而成。 2 3 模块化设计的优点 模块化设计有很多优点，体现在产品设计和生产的各个方面。 2 3 1 有利于加快产品的开发速度 垄遮盐主昌盟! ：基奎置塞丝工丛全垄矍! 整塞退堡逝亟盐盟亡基塑墨生 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 功能进行分解，然后对各个部分分开设计，最后对各个部分进行组合，这样 就完成了一个产品的初步设计。在采用这种方法进行设计时，大多数时间都 花在了对各功能部分进行设计验证与组合调试。同样一个产品，如果采用模 块化设计，就可以节省时间，如图2 1 所示。 ( a ) 传统设计方法 帅n 天 ( c ) 模块化设计第二次设计 图2 - - 1 产品设计对比图 天 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 以接触网参数检测设备为例，按传统方法设计步骤，需要先后设计高压 侧数据采集电路、低压侧数据采集电路、通信电路、处理软件，如图2 - - 1 ( a ) 所示。对于首次设计，模块化模块化设计基本上也是这个顺序，如图2 一l ( b ) 所示但对于第二次设计就大不相同了，它完全可以利用已有的模块进行组装 和改造，这样可以节约设计时间，如图2 1 ( c ) 所示。 2 3 2 有利于产品的性能改进 在产品的设计过程中，经常会出现设计改进的问题。在传统的设计方法 中，在改进产品的某个功能部件时，必须对整个系统进行重新设计。但如果 采用模块化设计，就能够把各个功能部件隔离开来，可以任意改变或者改进 其中的任何部件，而对其他功能部件不会产生任何影响，只需要遵循共同的 接口约定。 以接触网检测中的硬点冲击加速度检测为例，它的结构原理基本上可以 分成三部分：数据采集部分、数据通信部分、数据处理部分。由于对冲击加 速度的测量处于2 7 5 k v 的高压环境中，干扰严重，可能需要不断对数据采集 方式进行改造。采用模块化设计时，则只需要直接改进这个模块就可以了。 而在传统设计中，则可能对相关联的数据通信，数据处理部分都进行修改。 如图2 2 所示。 可见，采用模块化设计，它只需对一个模块改进就完成了整个产品的改 进，而无需对其他部分进行更改。这种特性可以随时对产品进行改进，却不 需要对产品作出大的改动。 2 3 3 有利于产品的功能扩展 产品的功能扩展有两种方式：重新设计这个产品，并增加所需扩展的 功能；直接按照某种特定的约定，新设计一个所需扩展功能的实现模块， 直接加到系统中，从而使该系统具有这种扩展功能。不难看出，第二种方式， 基于模块化设计方法，可以省时省力，方便进行扩展。模块化设计也可以称 做为积木式设计，扩展功能就象搭积木一样方便省事。比如在接触网参数检 测系统中，有的用户需要检测检测弓网之间的接触压力，而有的用户不需要 检测接触压力，就可以简单的通过在系统中增减接触压力模块来实现。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 ( a ) 传统设计方法e t 迸 ( b ) 横块化设计改进 图2 2 产品改进对比图 2 3 4 有利于相关产品性能的共同提高 z + m 天 天 在相关的同系列产品中，应用相同功能的部件不可避免，正因为有了公 用的功能部件，才有可能一同改进这些相关产品。模块化设计使产品的各个 功能部件相互独立，互相之间不会因为某个功能部件的内部结构改变而受到 影响。所以对某一个产品的某一个功能进行升级时，只需要把改进后的功能 部件与相关产品的同一功能部件进行互换，也就等于同时改进了相关产品， 如图2 3 所示。假设产品a 与产品b 相关，x 为两产品的公用部件，y 为 产品a 改进x 功能后所得的部件。 由图2 3 可以看出，改进产品a 的x 功能的同时，产品b 也公用了x 模块， 所以在改进了产品a 的同时，也就等于改进了产品b 。模块化设计的这种特 点，使得产品的升级换代更为方便了。 一 堕里窭堕查兰堕圭堑室圭堂垡堡窒篁! ! 里 产品a产品b j 其他功能部件i + l x ij 其他功能部件i + ix t 。_ jl _ j l 一1 一 ( a ) 改进前 产品a产品b 匦囹+ 田匦巫圃+ 田 ( b ) 改进后 图2 - - 3 产品升级示意图 在接触网参数检测系统的设计中，旱些年设计的接触网检测车，大部分 由于线路提速需要改造以适应当前的检测要求，主要是需要改进通信方式， 虽然目前成熟的检测技术己经达到了2 0 0 k m h ，但由于检测车开发初期，主 要工作重心放在功能上的实现上，不是按模块化设计，无法直接用现有的通 信模块直接更换，需要重新更改整个系统，对人力物力造成了一定的浪费。 2 3 5 有利千产品的生产和调试 在模块化设计中，各种产品都是由各种基本的功能部件构成，所以在生 产过程中，只需要生产一些基本的功能部件，就象常用的标准件和通用件一 样。而调试也可以只调试这些基本功能部件，无需考虑其他功能部件。由于 产品的品种相对减少，生产批量的相对提高，从而可使装配和校验工人的熟 练程度提高，进而提高产品的质量。 2 3 5 有利于降低生产成本，提高产品的竞争能力 由于采用模块化设计，使同一功能部件的生产批量相对提高，在生产过 程中可以来用流水线作业，这既降低了工人的劳动强度，又提高了生产效率， 在相同的工作时间里可以生产出更多的产品。大批量生产，对产品所需元器 件的采购也有好处，可以降低采购价格，由此可以降低产品的生产成本，提 高产品在市场上的竞争能力。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 2 4 模块的划分 模块是一组具有同一功能和组合要素，而有不同用途( 或性能) 和不同结 构且能互换的各个单元，或是能增加系统( 产品) 功能的单元“”。模块是模 块化设计和制造的功能单元。模块具有以下特征： 1 ) 相对独立的特定功能，可以对模块单独进行生产、调试、修改和储 备； 2 ) 具有互换性，为此，模块的接口必须标准化； 3 ) 具有通用性：不仅实现横系列、纵系列通用，而且实现跨系列通用。 要实现产品的模块化设计，必须将产品的功能细分，然后组合成一个个 功能模块，因此模块的划分及实现是模块化设计的关键。接触网参数检测系 统模块化设计与常规意义上的机械产品模块化设计本质上是相同的，都是通 过相对独立功能模块之间的组合实现系统的整体功能。但是，机械模块的组 合一般通过机械刚性连接，如螺栓等，由彼此之间的几何相关条件来保证功 能的组合与实现，而接触网参数检测系统不同模块之间主要靠电气接口( 软件) 连接，并实现模块之间的信息交换及完成相关控制任务。在进行模块化划分 和设计时，为了保证模块之间可靠地工作，提高系统的可靠性，必须遵循以 下原则： 1 ) 模块间连接方式及信息交换简单、可靠： 2 ) 模块功能应相对集中、独立； 3 ) 模块组合应有明确的目的性、较大的灵活性和良好的经济性。 2 4 1 模块划分的层次化 通常情况下产品的设计过程分三个层次进行：首先分析用户需求，然后 进行产品的功能分析，最后进行产品的结构设计。对产品进行模块划分时， 同样可以分为三个层次进行： n 1 用户层：这一层从用户的角度对产品提出功能要求，并对这些要求进 行分类，从面得到对用户需求的模块划分。 f 2 ) 功能层：在用户层基础上，从功能设计的角度，对产品进行功能分析， 全面的概括产品所应具备的各项功能，并按一定的原则对这些功能进行分解、 合并，最终将产品划分为一系列功能模块。关于具体的功能模块划分原则和 方法将在后面作详细介绍。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 _ _ _ - ( 3 ) 结构层：在功能层的基础上，从结构设计的角度，对产品进行结构 上的划分。结构层模块的划分要尽量与功能模块的划分一一对应，以便把功 能模块的划分原则体现在结构中。 通过对模块划分过程层次化，可以简化整个模块划分的过程，并使得模 块划分中的问题得到多角度、全方位的考虑”。 2 4 2 不同层次上进行模块划分的过程 1 ) 用户层：在这一层中，应该全面的分析用户的各种需求，根据用户 的不同需求划分出不同的需求模块。根据用户需求的性质，可以把需求分为 两类：基本需求和辅助需求。基本需求代表了用户对产品的那些最底层，最 基本，不能被忽视的需求：辅助需求则是在基本需求的基础上派生出来的居 于次要地位的用户需求“”。在划分过程中应该注意将满足以下条件的需求划 分为独立的需求模块： 在系列产品中同时存在的需求； 可能随时间、使用环境或用户的改变而变更的需求； 辅助需求因其通用性和易变性往往应划分为独立的需求模块。 2 ) 功能层：功能层的主要任务是站在设计者的角度从原理上实现产品 功能。在功能层中首先要分析用户所提出的需求模块，然后设计出一系列的 功能元来完成一定的功能。以满足这些需求模块。最后，再对这些功能元进 行聚合，将那些关系密切的功能元划分在一起，从而形成一系列功能模块。 通过功能元的聚合可以减少组成产品的模块数量从而降低模块组合的复杂 度。下面具体讨论功能元是如何分解和聚合的。 功能元的分解 ， 首先对用户层的一个需求模块进行分析。用若干的功能元来满足该需求 模块。对所有的需求模块进行功能元分解之后，寻找具有相同类型功能元的 需求模块，分析这些需求模块是否可以共用一个该类型功能元，如果可以， 则在这些需求模块所对应的功能元中只保留一个该类型功能元。 对于那些满足独立条件的需求模块，应对其进行独立的功能元分解，即 该需求模块不与其他需求模块共享功能元。 功能元的聚合 功能元之间是相互联系的，将关系密切的功能元合并为一个模块，这样， 既减少了模块的数目，简化了新产品设计时模块的组合过程，同时使得模块 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 之间只存在较弱的联系，增加了模块的独立性。 模块的合并过程大致如下：首先确定哪些功能元满足独立条件，然后根 据模块之间的相关程度确定功能元应该如何进行合并，最后检验合并对功能 元独立性的影响程度。 3 ) 结构层：这一层中，要根据功能模块的划分结果设计模块结构或从 现有产品结构中选择合适的部分作为具体的结构模块。结构模块设计的理想 情况是与产品的功能模块达到一一对应的程度。 值得注意的是，在实际的设计过程中，由于加工条件、产品设计方案等 方面的影响，使得产品的结构模块和功能模块不能达到一一对应的程度。 一 堕宣奎望奎兰堡主堡窒竺兰焦鲨塞塑! ! 墨 第3 章系统总体方案设计 基于模块化的接触网参数检测系统总体方案设计不是针对某个具体 用户的具体要求来进行，而是要综合分析当前有接触网检测需要的不同用户 的需求，将用户需求分成不同的功能模块，通过不同功能模块的组合来形成 不同的产品以满足不同的用户需求。因此设计思想应当具有全局性，同时还 要具有前瞻性，充分考虑将来列车提速的情况，使系统能够方便的进行功能 扩展。 3 1 用户需求分析 当前国内需要用接触网检测设备的用户大致可以分为以下几类： 1 ) 铁路局用户，用于了解管内接触网运营的宏观状况，为制定接触网 维修规划提供依据，评判弓嚼运行状态。一般要检测的参数包括拉出值、导 线高度、弓网接触压力、硬点冲击加速度、导线磨耗、接触网电压、车辆振 动补偿、定位器坡度、跨距、定位、速度、里程、环境温度等。 2 ) 供电段用户，用于定期对管内接触网进行巡视检测，根据检测情况 制定检修计划，掌握接触网运行状况，还可以根据接触网运行状况好坏，对 下属接触网维修部门进行工作评比考核。一般要捡测的参数包括拉出值、导 线高度、弓网接触压力、硬点冲击加速度、导线磨耗、接触网电压、车辆振 动补偿、定位器坡度、跨距、定位、环境温度、速度、里程等。 3 ) 接触网工区用户，用于在接触网日常维修工作中对接触网进行检测， 检测参数一般有定位、跨距、拉出值、导线高度、硬点冲击加速度、速度等。 4 ) 工程局用户，用于施工中对接触网参数进行检测和接触网交付使用 前的冷滑试验，一般要求在不带电情况下进行检测。检测参数一般有定位、 跨距、拉出值、导线高度、硬点冲击加速度、速度等。 5 ) 城市轨道交通用户，目前国内城市轨道交通包括城市轻轨和城市地 铁，由于接触悬挂方式多样，对检测的需求也非常多样化。比如广州地铁3 号线和南京地铁，采用刚性悬挂，没有一般链形悬挂用到的定位器，就不存 在对定位器坡度、定位的检测，再就是接触线是镶嵌在汇流排中，拉出值在 运行中也不会产生太大的变化，所以对拉出僵的测量也没有太大的意义。还 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 5 页 一_ - - - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ 一 有深圳地铁采用双接触线，需测量两根接触线不等高所产生的偏磨情况，这 在一般接触网检测中也是没有的。 综合各类接触网检测系统用户需求，可以将系统在用户层模块按基本需 求和辅助需求做如下的划分，如图3 1 所示。 3 1 1 基本需求 图3 1 用户层模块 基本需求是指那些接触网参数检测系统用户最底层的需求，是接触网检 测的最基本的任务。 1 ) 定位检测 接触网是沿线路架设的，接触网检测的结果，无论是正常状态还是非正 常的状态，都要给出当前检测的坐标位置，才能给出正确的检修指导和分析 弓网关系。 接触网的定位信息一般有两种形式：其一是公里标信息，在线路上每公 里或者每1 0 0 m 都有一个公里标，知道了每一个检测点的公里标信息，就可 以将检测结果和实际线路位置对应起来；其二是定位号码信息，电气化铁道 接触网支柱和隧道定位都是有编号的，一般下行编号递增，上行编号递减。 不同的车站、区间和隧道都按顺序单独编号。因此只要检测出每一个定位信 息，结合距离信息，也可以把检测结果和实际线路位置对应起来。 2 ) 拉出值检测 在电气化线路上，为了延长受电弓的使用寿命，使滑板磨耗均匀，接触 线在线路的直线段布置成之字形，在曲线段布置成折线的形式。而且此折线 一般与受电弓中心的行迹相割或相切。这种折线在定位点处接触线距受电弓 中心线行迹的距离称为拉出值；在直线区段上，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。为方便起见，一般统称为接触线拉出值t i l o 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 如果接触线拉出值设置得太小，则达不到均匀滑板磨耗、延长受电弓寿 命的目的。如果拉出值设置得太大，在某些情况下，如遇到大风时，接触网 容易因为超出受电弓的有效工作范围而造成弓网事故。同时，接触网架设后， 有时候也会因为金具零件的松动，气温的变化以及支柱的倾斜等，从而使拉 出值超出标准值，为了避免这些现象的发生，要经常检测拉出值的大小及其 变化。 3 ) 接触线高度检测 接触线高度是指接触线到轨亟的距离，对它的测量有琵个方面的意义。 首先是在静止状态下，测量接触线保持的静态高度，为工程和维修单位提供 参考数据。其次是在运行状态下，即在列车运行中测量受电弓沿接触线的运 行轨迹，为研究接触悬挂的质量和受电弓的性能以及受流状态提供分析资料。 4 ) 硬点冲击加速度检测 当接触网上有吊弦脱落、线夹偏斜、分段、分相等设备安装不当，造成 接触线局部弹性变差，在列车高速运行情况下，这些部位都会出现不正常抬 高，甚至出现打弓现象，形成这种现象的本征状态称为硬点。硬点是一种结 构的本征欠缺，并且是相对的，列车速度越高硬点表现越明显。硬点是一种 有害的物理现象，它会与加速接触线和受电弓滑板的异常磨耗和撞击性损害， 同时破坏弓网间的正常接触和受流，常在这些部位造成火花或拉弧，影响弓 网良好受流和弓网寿命，情况比较严重的硬点还会危及行车安全”1 。可见， 对于高速电气化铁路接触网，硬点的检测是十分必要的。 正常情况下受电弓在短时间内可以认为是匀速运动，受电弓加速度较 小。当遭到硬点打击后，受电弓瞬间会受到一个很大的冲击力，并产生与受 到的冲击力大小成正比的加速度。可见硬点是造成受电弓加速度突变的主要 因素，检测受电弓的加速度即可确定受电弓所受冲击大小及对受电弓的影响 程度。 5 ) 弓网接触压力检测 受电弓和接触线在工作状态下是一个共生体，只有它们互相接触和作用 时才能完成电力机车获取电能的目的。在受电弓和接触线的接触中，其压力 过大时，会增加受电弓和接触线的磨损，缩短其使用寿命；当接触压力过小 时，会使弓网之问接触不良，使供电时断时续，甚至引起火花和电弧，烧伤 接触线和受电弓滑板，进一步造成接触不良，以致发生弓网事故。在接触网 运营中，要经常了解接触悬挂的工作状态，以保证良好，安全运行，所以经 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 7 页 。一 一 常检测受电弓和接触线间的接触压力，查找接触压力曲线的异常点，即压力 曲线表现出来的异常情况，如出现过大的峰值，或者出现极限谷值，或者不 均匀程度特别明显，这些地方一定是隐患点或不良状态点。同时，接触线与 受电弓间的动态接触压力及其变化分布情况是弓网系统受流特性的评价标准 之一。2 1 1 6 ) 定位器坡度检测 定位器是支持和确定接触线相对于线路中心线横向位置的装置。接触线 拉出值就是靠定位器的支持( 拉、压) 来实现的。为了避免受电弓通过定位 器的时候因抬起接触线造成受电弓滑板撞击定位器，定位器安装后应有倾斜 度，即定位器根部在安装后要适当抬高些，其倾斜度要求在l 5 一l l o 之间“”。 在长时间的运行过程中，很有可能定位器的倾斜角度会由于零件的松动等原 因发生变化，为了避免发生故障，应当经常检测定位器坡度是否超限。 7 ) 接触线磨耗测量 接触线磨耗是指接触线由于长期与受电弓滑动接触取流，从而产生的导 线磨损程度。磨耗主要由离线火花烧损和机械磨损产生，当磨耗超过一定的 限度时，导线难于维持张力，将会导致断线的恶性事故发生。因此很有必要 对接触线磨耗状况进行检测，杜绝隐患。 8 ) 线岔非支抬高测量 在两条电气化铁路交叉的上空，由两组汇交的接触线用限制管连接并固 定的装爱称为线岔。受电弓由一股道向岔尖方向通过线岔时，必须先接触另 一组接触悬挂，当刚接触另一组接触悬挂时，往往会因为两组悬挂交角太小 或其他原因，在一组悬挂被抬高后，另一组悬挂不能相应抬高，而造成钻弓 “1 。所以必须经常检测线岔处受电弓对另一组接触线的始触状态，即在始触 点处两组接触线是否等高。 9 ) 接触网电压测量 电力机车牵引运行，对接触网电压有一定的要求，在供电臂末端，如果 接触网电压过低，就会影响机车正常运行，我国规定，接触网电压不得低于 1 9 k v 。 3 1 2 辅助需求 辅助需求是指那些位居次要地位的用户需求，或由基本需求派生出来的 用户需求。接触网检测系统是一个在线检测系统，将除用户直接的检测需求 西南交通大学硕士研究生学位论文 第18 页 外的其他数据显示、保存、校正、图像监视等要求作为系统的辅助需求。 1 ) 数据显示 接触网参数在线检测系统，需要尽可能直观的将检测的结果实时的显示 出来，般用户要求能以数值形式和动态曲线的形式显示检测结果。 2 ) 结果保存 实时在线检测产生的大量结果数据，必须完整的保存下来，才能在检测 结束后，对其按不同的要求进行分析、统计、报表。 3 ) 车辆振动补偿测量 接触网参数检测系统是安装在接触网检测车上进行在线实时检测的，检 测车在运行过程中，会产生各种形式的振动，使车体产生相对于线路中心线 的水平位移和相对于线路中心的垂直位移，这样在动态情况下，受电弓中心 与线路中心就会产生一定的偏移，所以动态测量出的拉出值需要通过对车辆 振动补偿的测量来进行修正。理论和实践表明，影响拉出值的振动偏移的因 素固然很多，但起决定作用的是车体的侧滚振动，而且最为严重的是发生上 下侧滚振动，其次是横摆振动”。 4 ) 锚段关节平行线间距测量 两个相邻锚段的衔接部分称为锚段关节，为了满足锚段转换处的机械和 供电要求，在非绝缘锚段关节转换处两根平行的接触线间的距离应为 i o o m m ，绝缘锚段关节内两颗转换支柱间的接触线应保持水平，线间距为 5 0 0 r a m ”。对锚段平行线间距的测量通过对拉出值的测量计算出来。 5 ) 视频监视 在接触网检测过程中，为了更好的了解弓网接触情况，需要实时监视受 电弓和接触网运行图像，并能保存在录像带或者计算机硬盘上，供维修部门 事后回放。但如果画面上仅有弓网图像，在回放时不知道具体坐标，对检修 没有多大的参考价值，因此，需要将当前检测的车站( 区间) 名称、定位号、 主要检测参数结果等数据叠加在视频画面上。 6 ) 运行速度 接触网检测车受电弓与接触网滑动接触运行，在不同的运行速度下检 测，对检测结果的影响较大“”。因此在分析接触网参数检测结果时，必须考 虑测量时的运行速度。 7 ) 温度测量 由于热胀冷缩的缘故，温度变化会使接触网的状态发生变化，因此，测 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 量检测时的环境温度，对分析接触网参数检测的结果具有很大的参考意义。 3 2 功能模块分析 在模块化设计中，功能层模块是对用户需求进行功能分解然后合并而来 的，接触网参数检测系统是一个微机控制的智能型数据测量系统，每完成一 个检测参数的测量，都需要经过数据采集、传输、计算才能得到我们需要的 结果数据。也就是说对应于每一个用户层功能的接触网参数测量需求，都可 以分解为数据采集、数据传输、数据运算三个功能元，由这三个功能能元聚 合成为一个功能层模块，如图所示3 2 。再将相同属性的模块组合，整个接 触网参数检测系统的功能模块结构如图3 3 所示。从图3 3 中可看出，在 功能层，模块的划分不再仅仅是根据用户的具体需求来进行，而是从设计的 角度，为了实现用户需求来组织功能模块。 图3 2 拉出值测量功能分解 图3 3 系统功能模块结构 3 2 1 高压侧检测模块 接触网参数检测系统很多传感器安装在接触网检测车测量用受电弓上， 进行动态在线检测时，接触网带有2 7 5 k v 工频电压，为了保证检测车内的设 备和人身安全，必须保证带电侧信号与车内设备在电气上完全隔离。在本系 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 统中，将安装在受电弓上的传感器输出的信号称为高压侧信号，对其进行处 理的模块称为高压侧检测模块。安装在受电弓上的传感器主要包括拉出值传 感器、定位器坡度传感器、定位检测传感器、线岔非支抬高传感器、接触压 力传感器、冲击加速度传感器“”。 拉出值传感器、定位器坡度传感器、线岔非支抬高传感器分别采用电磁 接近开关和光电开关，输出为0 、1 开关量信号，为了处理和传输方便，对其 进行处理统归为开关量模块。 目前我国电气化铁道运行速度差别比较大，运行在不同的速度等级下的 机车受电弓不同，接触网检测车为了更好的模拟机车运行状况，要求测量用 受电弓与所检测线路实际机车用受电弓相同或相似。这样，不同的受电弓导 致存在不同的接触压力传感器安装方式，有的的受电弓需要安装4 个压力传 感器，而有的只需要安装两个压力传感器“”。为了便于增减压力传感器数量， 将每个压力测量作为单独的模块来设计。 受电弓在高速运行情况下，会产生垂直、水平2 个方向的冲击加速度， 垂直方向的加速度，主要是由于接触悬挂的弹性不均匀引起的，特别是高速 运行时，振动量的大小可以直接反映接触悬挂的质量和受流状况，水平冲击 除了受接触悬挂的不均质状态影响外，主要是由于接触悬挂的非正常工作状 态引起的，如分段绝缘器及中心锚结的安装达不到技术要求，接触线