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ResearchontheDetectionMethodandSystemofCatenary'sGeometryParametersAthesissubmittedinpartialsatisfactionoftherequirementsforthedegreeofintheHunan摘要电气化机车以其环境污染小、速度快、安全可靠程度高等特点，逐步取代了内燃、蒸汽机车。近几年随着我国普速火车速度的提高和高速铁路建设的发展，为电气化机车输送电能的接触网施工标准更为严格，日常任务更加繁重。但国内接触网检测技术相对滞后，大量的接触网检测任务和相对滞后的检测仪器之间的亟待解决。本文依托天格高通合作项目，针对接触网施工期间，无法使用检测机车，且人工检测方法效率低、连续性不足、稳定性差等问题，在基于激光雷达检测技术的基础上，使用高分辨率单线，对接触网几何参数检测方法及其系统进行研究。具体工作如下：通过分析目前常用的两种接触网几何参数检测方法的性能，结合系统便携性需求，本文选择了基于的检测方法。针对现有方法检测结果只与时间相关，无法直接反映接触网的走势，提出了一种基于的接触网几何参数检测方法及其系统结构，并引入系统位移信息。针对接触网几何参数检测系统的需求，设计并实现了硬件和软件系统，提出了一种基于单线扫描的接触网几何参数分析算法，该算法可通过按距离或按时间两种方式分析数据，并利用卡尔曼滤波算法优化了分析结果。通过一种简单有效的上位机下位机联合认证方式解决了系统认证保护的问题。本文系统已经成功运用于接触网检测小车上，在大西高铁、广西和贵阳地区普速铁路线上做了系统分析实验，并已推出产品开始销售。实验结果表明，本文系统达到检测标准要求，对比现有检测方法，在稳定性、连续性和检测效率方面得到了改善。：接触网；几何参数 ；检测系统 otivesgraduallyrecethediesel otiveand foritsenvironmentalpollution,fast,andhighdegreeofsafetyandreliability.Inrecentyears,withtheincreasedspeedofnormal-speedtrainandthedevelopmentofhigh-speedrailway,theconstructionstandardsofcatenary,whichsupplyelectricpowerforthe andtheroutinemaintenancetasksemorearduous.Butthedetectiontechnologyofcatenaryislaggingbehindinourcountry.ThecontradictionsbetweentheheavydetectiontaskandthelaggingequipmentneedtobeThisdissertationreliesontheprojectwithBeijingTiangegaotongTechnologyCorporation.Duringtheconstructionofcatenary,thecatenarycannotbedetectedwithdetection otiveandmanualtestingmethodsarelowefficiency,lackofcontinuityandpoorstability.Onthebasisofthedetectiontechnology,weresearchthedetectionmethodandsystemofcatenary'sgeometryparameterswithhigh-resolutionsingle-linelidar.Detailedworksareasfollows:Byyzingtheperformanceoftwocommoncatenary’sgeometryparametersdetectionmethods,weselecteddetectionmethodwithridarbecauseofsystemportabilityrequirements.Theconventionalmethodisonlytime-relatedandcan'tshowtherealshapeofcatenary.Wehaveproposedadetectionmethodofcatenary'sgeometryparametersbasedlidarandaddedthediscementofthesystem.Forrequirementsofdetectionsystem,wehavedesignedthehardwareandsoftware,andproposedanalgorithmofcatenary'sgeometryparametersusingsinglelinelidar.Thealgorithmcanyzethedataintwoways:bytimeorbydistanceandusingKalmanfilteralgorithmtooptimizetheresults.Wehavefoundthesolutionstotheproblemwiththesystemprotectionthroughasimpleandeffectivemethod.Theproposedsystemhasbeensuccessfullyappliedtoasmalltrolleyforcatenarydetection.WehavedonesomeexperimentsinDaxihigh-speedrailwayandnormal-speedrailwayinGuangxiandGuiyangandlaunchedproductsonsale.Theresultsshowthatoursystemreachesthedetectionstandardsanddobetterthantheexistingdetectionmethodsonstability,continuityandtestingefficiency.:Catenary;GeometryParameters;Lidar;Detection目录性..........................................................................................................使用书 摘 目 插图索 附表索 第1章绪 研究背 接触网几何参数检测方法国内外研究现 研究内容及意 组织结 第2章相关研 基于的目标位置测量方 2.1.1基于目标位置测量方 卡尔曼滤波方法的动态估 卡尔曼滤波概 卡尔曼滤波算 卡尔曼滤波应 应用系统认 终端系统中的认 网络传输中的认 应用服务中的认 本章小 第3章一种基于的接触网几何参数检测方 接触网及其几何参 接触网几何参数检测方法研 基于图像处理的检测方 基于的检测方 振动产生位移变化对系统检测的影 振动产生角度变化对系统检测的影 检测设备安装偏差对系统检测的影 现有检测系统的不 一种基于的接触网几何参数检测系 系统结 位移测 系统认 本章小 第4章接触网几何参数检测系统设计与实 系统硬件的设计与实 硬件系 工控机的选 控制电 系统位移检测方 接触网几何参数分析算 按距离分析方 按时间分析方 卡尔曼滤波算法优化结 接触网几何参数实时分析算 系统认证解决方 系统软件的设计与实 实时检测软 数据分析软 上位机和下位机的通信协 上位机下传指令 下位机上传数据 本章小 第5章系统应用与性能分 基于的检测小 系统功能说 实时检测软 数据分析软 控制电路说 系统性能分 初始标定与参数设 卡尔曼滤波效果分 检测结果对比分 本章小 结 参考文 附录A攻读期间及申请专 附录B攻 期间所参加的科研项目 致 插图索引图1.1接触网实物.....................................................................................................图1.2连杆机构结构 图1.3德国接触网检测车系统 图1.4SURCAT系统检测原 图1.5激光三角测量 图1.6激光扫描法检测接触线几何参 图1.7激光测距仪测量接触网的几何参 图1.8DJJ-8多功能接触网几何参数测量 图2.1激光探测与测量系 图3.1接触网系统结 图3.2接触网结构俯视 图3.3基于图像处理的检测方法原理 图3.4基于激光扫描检测方法原理 图3.5位移变化对激光扫描检测系统影 图3.6位移变化对基于图像检测系统影 图3.7角度变化对激光扫描检测系统影 图3.8角度变化对基于图像检测系统影 图3.9安装偏差对激光扫描检测影 图3.10安装偏差对基于图像检测影 图3.11系统坐标系示意 图3.12轨道坐标系与坐标系之间的关 图3.13系统功能结构 图3.14前进状态AB相编波 图3.15后退状态AB相编波 图4.1硬件系统结构 图4.2控制电路原理 图4.3铁片切割形状示意 图4.4铁片与接近开关相对位 图4.5编电 图4.6按距离分析算法流 图4.7扫描平面示意 图4.8拉出值均值化简示意 图4.9导高数据卡尔曼滤波分析 图4.10实时分析算法流程 图4.11系统认证流程 图4.12实时检测软件功能结构 图4.13数据分析软件功能结构 图4.14上位机下传指令包格 图4.15下位机上传数据包格 图5.1接触网检测小车实物 图5.2实时检测软件界 图5.3数据分析软件界 图5.4按时间分析结果(左)与按距离分析结果(右 图5.5水平缩放与导高缩 图5.6导出的Excel表格数据格 图5.7控制电路实物 附表索引表3.1检测小车前进时编状态 表3.2检测小车后退时编状态 表4.1接近开关输出状态 表4.2卡尔曼滤波实验仿真统计数 表4.3上位机下传的控制指 表5.1卡尔曼滤波优化计算结 表5.2检测小车和DJJ-8测量仪测量结果（单位：毫米 表5.3测量结果均值与方差分 第1章绪论研究背景近些年来，随着我国高速电气化铁路建设的迅猛发展，铁路系统安全问题日益显著。如图1.1所示，接触网[1]是电气化铁路的主要供电设备，它将电能从牵引变电所直接输送给电力机车，一般要承载27.5千伏的电压[2]和几千安的电流同时还要承受受电弓[4]300公里/小时的高速摩擦。为了确保电力机车有良好的受流特性[5]，这就要求接触网具有良好的电气特性和机械性能[6]。图1.1接触网实物由于接触网是露天设置，没有备用，平时要承受风吹日晒，高温极寒等气候条件的影响。接触线上的负荷又是随着电力机车的运行不断变化，机车通过时与受电弓接触产生磨损。磨损是由于载荷、取流、变形、振动等多方面因素所造成的结果[7]，主要包括机械磨损和电气磨损。由于接触网没有备用，并且对接触网更换耗时耗力，增加了铁路的运营成本。同时，当接触网系统发生故障时，使铁路中断，在时间上和经济上给国家和人民带来损失。所以，为了保证接触网系统的可靠使用时间，就需要进行周期性的检查和运营工作[8]。接触网的几何参数[9]直接影响着电力机车的受流质量，甚至影响机车的行驶安全[6]，因此铁路部门相当重视接触网导线的高度、拉出值等几何参数的检测。目前，我国电气化铁路对接触网几何参数的检测有两种方式：式是依靠检测机车巡检[10]，造价昂贵，并且由于检测机车体积庞大，装配、设置复杂，检测时间需要统一调度，在实际应用上多有不便；另式是靠检测人员使用DJJ-8数字化激光接触网测量仪[11]逐点检测，效率很低，而且检测数据不连续。铁路施工具有长期性和复杂性，在每一段工程完成后，需要对接触网的施工完成情况做出大致的评估，不论是施工方还是验收方，都希望能够及时了解施工的进展情况以及是否符合施工的标准。由于接触网和轨道施工一般分属于不同施工方负责，也就是说接触网施工完成时，轨道的施工可能还未完成。因此对于施工方和验收方来说，一种高效、便捷、操作简单的接触网几何参数检测系统更受欢迎。本课题是基于天格高通科技合作项目——“铁路接触网几何参数检测系统”，研究了一种基于的接触网几何参数检测系统。通常对接触网几何参数的测量分为接触式和非接触式两大类[12]。最早的接触式检测方式就是依靠检测人员登上支柱，用一条铅垂线逐点检测接触线高度，检测效率极低，而且容易发生事故。后来人们利用连杆机构的相关原理[13]，如1.2所示，按照受电弓的结构制造一个模拟弓，通过一个传动装置连接起来。受电弓的高度变化和模拟弓的变化呈线性关系，通过一个电位器来测量模拟弓的位移变化，从而推导出接触线的高度。图1.2连杆机构结构图在这种利用连杆机构的测量系统中，受电弓和电位器机械部分传动和同步响应速度比较慢。而且接触式测量需要受电弓与导线接触，必然对接触线原本的高度造成干扰[14]，直接影响到测量的精度。由于有时候需要接触网带电检测，整个系统的绝缘性和电压方法也十分关键。在低速测量时，受电弓振动较弱[15]，一旦速度提升，机车车体和受电弓的振动变得强烈，对接触线高度的测量影响更加明显[16]。相对于接触式测量方法，非接触式测量方法更加安全可靠。非接触式测量方法一般采用了[17]、光栅传感器[18]和高速相机[19]等先进的科学仪器，由于无需接触导线，因此非接触式测量方法相对于接触式测量的精度更高，而且激光等测量仪器本身精度很高，因此在静态或低速状态下接触线的测量结果很精确。目前非接触式测量接触线几何参数的主要方法有基于图像处理的方法和基于的方法。德国设计的铁路接触网几何参数检测系统是利用光学原理进行检测[20]。他们将检测系统装置安装在检测车车顶，在同一底座上有四个高分辨率机，依据三角形测量法原理进行检测[21]。该检测系统具有自动减小测量偏差的功能，车体上安装有位移传感器，通过测量系统随车体产生的位移偏差校正的接触网测量结果[22]，提高系统测量精度。由于采用图像方式，因此该测量系统设有辅助光源，在光照不足的情况下进行补光[23]。如图1.3所示，展示检测列车上安装测量系统功能部分布局。该测量系统还能够分析接触线的弹性大小，通过对比接触线高度动态检测结果和静态检测结果，判断在有机车通过时接触网几何参数的变化。测量系统采用高分辨率面阵相机，在拍摄接触线的同时，也拍摄到接触网吊弦和锚段关节的位置，通过对比动态检测中的接触线缺陷点位置，可以迅速确定缺陷点类型，如锚段关节的位置是否调整不当，吊弦安装位置是否出错等[24]，有助于人员迅速调整。图1.3德国接触网检测车系统图法国Cybernetix公司与Cogifer公司联合设计研发的SURCAT检测系统[25]可直接检测接触线的磨损量大小[26]。该系统可安装在时速40公里/小时的检测车上，系统工作原理如图1.4所示。激光和分别放置在受电弓的两端，从激光器发射的平行光束被中间的接触线阻挡一部分，未被阻挡的激光束被接收装置接收，通过分析接收到的激光信号判断接触线磨损量的大小。该系统检测频率可达600Hz，磨损量检测精度可达±0.1毫米。而且该检测系统成本较低，既能测量单导线，又能测量双导线。图1.4SURCAT意大利MERMEC公司设计研发的测量系统[27]采用激光三角测距原理，接触网几何参数检测结果较为精确。如图1.5所示，系统采用激光和图像相结合的方法，通过激光和数字相机实现接触网参数快速检测。激光器发射光束照射到待测物体表面反射后，经过光学镜头将图像呈现在感光CMOS元件上。当激光器与待测物体之间的距离变化时，激光束在感光CMOS元件上成像点位置也会发生变化。利用平面三角形原理，计算出待测物体与激光器之间距离和感光CMOS元件上激光成像点坐标之间的关系。计算机将数字相机到的图像处理后，就能得到接触网在各个参考点处的几何参数。该检测系统便于安装在各种铁路车辆上，能够实现接触网参数的实时检测。其测量范围较广，最多可同时测量8根接触线，该检测系统最大速度为350公里/小时。图1.5激光三角测量法西南交通大学彭朝勇等人设计的基于激光扫描接触线几何参数测量装置[28]。系统结构如图1.6所示，将单线激光安装在铁轨上方，激光束旋转扫描一周，通过提取接触线和铁轨数据计算接触线几何参数，测量结果精度很高。图1.6激光扫描法检测接触线几何参数华东交通大学的傅可佳等人方案是利用单点激光测距仪测量接触网的几何参数[29]，如图1.7所示，将轨距尺放在铁轨上，再将单点激光测距仪放在轨矩尺上使激光束垂直于轨道平面，平移激光测距仪，使得激光束对准接触线，激光测距仪在轨距尺上的平移位置即为接触线的拉出值数据，激光测距仪测量的距离结果即为接触线的高度数据。图1.7激光测距仪测量接触网的几何参数山东省激光研究开发的DJJ-8多功能接触网几何参数测量仪[30]（以下简称DJJ-8测量仪）也是使用单点激光测距仪进行检测的。该测试系统将激光测距仪固定在轨距尺上，旋转激光测距仪使激光束对准接触线，利用激光测距仪检测的距离和旋转角度计算出接触线的导高和拉出值。该系统测量精度最低是4毫米误差，最高可达2毫米误差。测量装置如图1.8所示。图1.8DJJ-8多功能接触网几何参数测量仪在我国，轨道交通逐渐成为人们出行的主要方式，高速电气化铁路缩短了人们中短距离出行的时间，地铁有效缓解了城市交通的压力，也为人们出行提供了一个舒适便捷的交通环境。与此同时，对轨道交通系统中接触网几何参数的检测和任务也日益繁重。因此迫切需要便、快捷、有效的检测方法。根据现有的接触网几何参数非接触式检测方法的研究基础，对比常见的检测，寻求一种性能良好的连续性检测方式；分析出的接触网几何参数数据不仅和时间相关，也和系统位移相关；精简系统的体积，简化设备的操作，方便接触网的施工方和验收方使用；注重产品知识保护，设计一种安全有效的系统认证方式。随着激光测距技术的日益成熟，的精度不断提高，对外界环境的干扰能力增强，成本逐渐降低，尤其是单线的角分辨率的提高，使得对远距离小物的检测成为可能。本文提出一种高效、准确、方便的接触网几何参数检测方法，有效提高接触网检测效率，降低接触网日常所消耗的人力物力，保证接触网系统的正常运行，确保了旅客生命和财产安全。由于接触线的高度一般在5-7米的范围内，而接触线的直径只有14毫米左右，本文的研究为远距离小物检测提供参考，对无人驾驶汽车的路径规划，机器人避障等研究具有重要意义。不仅可以应用于目标物体的定位，还可以确定目标物体大致外形尺寸，比如在快速测量汽车长度，在港口测量货箱的长、宽、高，以及测量散货如煤堆的体积等。如果将激光测距设备检测到的周围物的数据全部融合起来，就可以简单构建物的分布图，如果在已知的环境中，比如大型超市，商场，车站候车厅等，通过已构建的分布图，可以对自身进行定位，为室内提供参考。组织结构本文的章节与内容组织安排如下：第1章，绪论。主要介绍本文的选题背景、研究意义，并分析接触网几何参数检测方法的研究现状，总结归纳本文的工作重点。第2章，相关研究。主要介绍了目标位置测量方法、卡尔曼滤波算法的概念及应用和常见的系统认证方法，为后续研究工作奠定理论基础。第3章，一种基于的接触网几何参数检测方法。对比基于图像处理的接触网几何参数检测方法，提出了一种基于的接触网几何参数检测系统，第4章，接触网几何参数检测系统设计与实现。介绍系统硬件与软件的设计与实现，描述了基于单线扫描的接触网几何参数分析算法，设计了一种简单有效的系统认证方案。第5章，系统应用与性能分析。首先介绍了基于的检测小车产品，然后描述了系统的相关功能，最后分析了卡尔曼滤波算法对系统检测结果的优化，并对比国内接触网检测经常使用和认可的DJJ-8测量仪的检测结果，表明了本文设计的系统在稳定性、准确性和高效性方面的提高与改善。最后是文章的总结和展望。对本文的主要工作进行了归纳总结，并对未来研究的方向进行了展望。文章末尾是参考文献以及致谢。第2章相关研究随着科学技术日新月异，各类传感器的性能逐渐提高，算法不断改进，从而推动接触网检测方法不断更新，且检测更加高效，分析结果更为准确。本章主要介绍检测系统中使用到的的特点及其应用、卡尔曼滤波算法的相关知识以及常见的系统认证方式。基于的目标位置测量方2.1.1是以激光为工作光束 [31]，其光束工作在红外和可见光波段常见的由激光发射机、光学、信息处理系统等组成，激光发射机将电脉冲信号变成光脉冲信号发射出去，光再把从目标反射回来的光脉冲信号还原成为电脉冲信号，通过信息处理系统计算出目标到的距离。系统是以发射激光束探测目标的速度、位置、大小等特征量的系统。从工作原理上讲，与传统的微波没有根本的区别：向目标发射探测信号（激光束），然后将接收到的从目标反射回来的信号（目标回波）与发射信号进行对比，作适当处理后，就可获得目标的有关信息，如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数。最早应用于军事方面，主要用于对飞机、等目标的探测、和识别，后来逐渐进入民用领域，主要用于无人驾驶汽车避障、煤堆等大型货物体积估计、目标物距离测量等。发射的是激光束，工作频率很高，因此探测性能很好，主要有以下几个方面的特点：分辨率高。扫描的角度、距离和速度分辨率极高。通常角分辨率不低于0.0001弧度，也就是说可以分辨3公里距离上相距0.3米的两个目标，并且可以同时多个目标；其距离分辨率可达1毫米，甚至更高；速度分辨率能达到10米/秒以内。的距离和速度分辨率高，使得它能够利用多谱勒成像技术来获得目标的清晰图像。高分辨率，是的最显著的优点，大部分的应用都是基于此特点。隐蔽性好、抗有源干扰能力强。激光沿直线方向性好，而且光束非常窄，只有在光束的路径上才能接收到光信号，因此截获信号非常，而且发射后的信号可接收区域窄，有意发射的干扰信号进入的概率极低；此外，在自然界中能对产生干扰作用的信号源不多，因此激光雷达系统抗有源干扰的能力很强。体积小、质量轻。比较轻便、灵巧，激光的口径一般只有厘米级，整套系统的质量最小的只有几十公斤，组装、架设、拆收以及都很方便。而且的结构相对简单，日常成本低，性强。基于目标位置测量方LiDAR(LightDetectionandRanging)[32]即激光探测与测量是一种利用机载激光快速扫描获取地面和地物三维信息的新技术。它包含激光技术、高精度动态GPS、高动态载体姿态测定技术[33]与传统摄影测量方法相比，LiDAR能够更快速更精确地获取地面和地物三维信息。如图2.1所示，在飞机上安装的系统获取一系列空间分布不规则的离散的三维点云数据，并从中提取有用的地形和地物信息。LiDAR技术在城市建设[34]、林业规划[35]、山区地形测绘及海岸线测绘[37]等领域得到广泛的应用。图2.1激光探测与测量系统扫描还广泛应用于移动机器人[38]。室内环境是人们工作和生活的主要场所，也是移动机器人主要工作环境之一。在大型工厂货物搬运，商场车站卫生清洁，甚至一些高作业中都出现了机器人的身影。在机器人上安装激光[39]，扫描机器人周围物的位置信息，通过计算，构建机器人所处环境的模型，实现在室内环境中移动机器人的完全自主导航，并让机器人建立信息丰富的次特征地图。在无人驾驶汽车领域， 也得到了广泛的应用。随着智能交通的逐渐兴起，无人驾驶汽车成为全球研究的热点[40]。一般在无人驾驶汽车上，除了安装GPS和高速相机之外，还需要一台设备。负责汽车周围物信息，通过与其他传感器的数据进行融合，作为汽车决策控制的依据。谷歌公司的X研发的无人驾驶汽车上[41]，就采用Velodyne公司的车顶激光测距系统。卡尔曼滤波方法的动态估计卡尔曼滤波概念1960年，Kalman(R．EKalman)提出卡尔曼(Kalman)滤波算法[42]，该方法是通过计算被提取信号有关的观测量，从而估计出所需的信号。卡尔曼滤波算法引入了状态空间的概念和系统状态转移方程，并根据上一时刻的状态和当前时刻的数据递推出新的状态估计。卡尔曼滤波算法是一种动态数据处理递推算法。所谓递推是指，在计算过程中不需要保存以前的测量数据，只需要计算处理当前时刻取得的新的测值量和上一时刻的估计值。卡尔曼滤波算法能处理仅与部分状态有关的观测数据，从某种统计意义上讲，滤波的结果是估计误差最小的状态估计值。在卡尔曼滤波引入的状态空间的概念后，人们改变了对滤波问题的一般描述。之前描述滤波问题会直接给出信号过程的二阶特性或频谱度函数，而现在人们通过用状态方程来描述系统输入输出关系，把信号看作是白噪声作用下的线性系统输出。卡尔曼滤波算法卡尔曼滤波器的状态空间模型如(2.1)和(2.2)所示xn1An1ynBnxn

其中状态转移矩阵An1,n是可逆的，测量矩阵Bn通常情况下是长方形矩阵，高斯动态噪声n假设它具有零均值且有协方差矩阵Q,n；高斯测量噪声vn，假设它具有零均值且有协方差矩阵Qv,n。现给定一组观测值{y}n，要求最小均方误差意义下状态x的最优估计值。nk 现将滤波的讨论限定在kn，单步预测kn1的情况。新息过程处理此类优化估计问题的一个有效办法，是利用关于观测量yn的所谓的新息过程[43]。其定义如下：anyn yˆn|n1是在给定至n1时刻（n1时刻）所有观测值的情况下，对yn的最小均方差的估计。实际上，我们可以说：新息过程an是包含在测量值yn但不在yˆn|n1的预测部分的新信息的测量，因为yn可以预测的部分（记为yˆn|n1）是完全由nk序列{ynk新息过程有如下重要性质：性质1与观测值yn有关的新息过程n与之前的所有观测值y1y2,yn1正交，表示为：E[nykT]0,1kn2新息过程由一系列相互正交的随机向量构成，表示为：nE[T]0,1knn

性质3代表观察数据的随机向量序列{y1,y2 ,yn1}，与表示更新过程的序,yn},yn} {y1,y2 鉴于上述特性，就能理解为什么使用更新过程比使用观测值本身要简单：总的来说，观测值是相关的，而与之对应的更新过程中的部分是无关的。新息过程的协方差矩从初始状态x0开始，可以用(2.1)所描述的系统模型表示k时刻的系统状态：kxkAk,0Ak(2.7)表明状态xk是x0以及1,2 ,n的线性组合

根据假设，测量噪声vn与初始状态x0以及动态噪声i无关。因此， n两边同乘以vTn同理，可以从测量E[xkvnT]0,k,n(2.2)得到：E[ykvnT]0,0kn和E[ykn]0,0kT给定先前的观测值y1,y2,,yn1，可以从测量(2.2)中得出当前观测值yn的最小均方估计为： vˆn|n1是给定先前的观测值y1y2,,yn1后所对应的测量噪声估计。因为根据(2.9)，vn与先前的观测值是正交的，因此估计值vˆn|n1为零。于是化简将(2.2)和(2.12)代入(2.3)，将项合并得anBnn|n1其中，新引入的项n|n1是状态预测误差向量。其定义为：n|n1xn定义零均值新息过程an的协方差矩阵为：

RE[T 利用(2.13)容易得到

nRB BnT n Qv,nvn的协方差矩阵，新引入的项

T

为预测误差协方差矩阵。(2.16)是理解滤波算法的第一步。利用新息过程进行滤波状态估计：预测修正下一步的任务是利用新息过程实现任意时刻i系统状态xi的最小均方误差估计。为此，给定新息序列1,2, ,m，首先线性展开的形式表示对状态xi的估计：nnxi|nk

其中{C}ni时刻的展开式系数矩阵的集合。状态预测误差与新息过程满i,kk足下述正交条件：iE[xT] 当k1, ,n且ii因此，将(2.18)代入(2.19)并使用(2.5)所描述的新息过程的正交性，可得：i i,kE[xTi i,k其中根据先前定义，Rn是新息过程的协方差矩阵。解此方程的系数矩阵Ci,k，得到： E[xT]R i 再利用(2.18)中表示方法得xˆE[xT]R ik k1当in时，为滤波方程，因此可用(2.21)描述该状态的滤波估计为

n E[xTn k n1E[xT]R1E[xT]Rk

n n 在等式的第二行，kn的项从求和中分离出来。为了将(2.22)转换为更容易理解的形式，首先用(2.21) E[x

T]R

k

n 为了化简(2.22)的第二项，引入下述定义：GE[xT]R n 由此，可以将状态滤波估计表示为下述递归的形式：(2.25)等号右边的两项意义如下：

xˆn|n1n1时刻前（n1时刻）所有观测值的基础上对状态xn的预测估计。Gnn表示修正项，新息过程n表示由观测值yn引入滤波过程的新信息，乘以“增益因子”Gn。因此，Gn通常被称为增益。根据上述两点，(2.25)在滤波理论中被称为预测修正。增益的计算(2.25)是我们拥有的第二个用于滤波器递归计算的。然而，为了让这一具备使用价值，需要计算增益的。该能够用于状态估计中的递归计算。有了这一目标，可以应用(2.13)得：E[xT]E[x(B v)T]E[x T]B n n n 在上式中，利用状态xn与测量噪声vn无关性。注意到，根据正交原理，状态预测误差向量n|n1与状态估计xˆn|n1是正交的。因此，n|n1与xˆn|n1外积的期望为零，进而用 代替x不影响期望值E[xT]。由此可得： nE[xT] T]BT B n n|n1 n所以， (2.24)中E[xT]一项使用这 ，可以用预测误差协方差n阵Pn|n1将增益Gn表示为：G BTR n|n1 这就是滤波器递推算法所需的第三个等式。用于更新预测误差协方差矩阵的黎卡堤(Riccati)差分方程为了完成滤波器的递归计算过程，需要一个迭代，从一个迭代到下一次迭代中更新预测误差协方差矩阵。为了解决这一状态估计过程中的最后一步，在(2.14)中用n1替代n到：n1|nxn1 随后发现用含有滤波估计的项表示状态的预测估计是有益的。故而将(2.23)中的n替换为n1并应用(2.1)，可得n n

E[xT]R1

x)T]R kn

n1,n E[xT]R1 nn n1n|nk1(2.30)的第一行，因为动态噪声 与观测值是相互独立的，故期 E[T]为零。对滤波估计 ，应用(2.22)的定义的第一行，以 (2.30)和对状态xn的预测滤波估计的关系，利n1|n得到：n1|n(An1,nxnn)An1,nxˆn|nAn1,nxˆn|n)nAn1,nn|n其中，滤波误差向量的定义为：n|nxn因为滤波误差向量n|n与动态噪声n是无关的，可以将预测误差协方差矩阵表示为： T] P T n1|n n1,nn|n 其中Q,n为动态噪声n的误差协方差矩阵。在 (2.33)中引入了最后一个参数，称为滤波误差协方差矩阵，其定义为： E[T n|n为了完成滤波算法的递归循环，需要用于计算滤波误差协方差矩阵的式子。因此首先将(2.25)代入(2.32)得：n|nxnxˆn|n1Gnnn|n1然后应用2.34，得到：

G G)T

n T]GE[

nT) T]GTGE[T]G n|n1 n n|n1 n GE[ T] T]GTGRG n n|n1 nn接着，注意到因为xˆn|n1与新息过程n正交，于是可得： T ]E[(xn|n1 n同理：E[ T]E[xTn n利用这一对关系以及GE[(2.24)中对增益的定义，易得T] T]GTGRG n n|n1 nn至此，得到了(2.39)和(2.33)这一对更新预测误差协方差矩阵的重要。特别是(2.39)，其通常被看做控制论中著名的黎卡堤方程的离散形式。这一对等连同(2.30)完成了滤波算法的化滤波应用简单的讲，滤波器是一种最优化自适应数据处理算法。对于解决大部分问题，该方法是效率最高，也是应用最好的方法。滤波算法已经得到广泛的应用，例如机器人导航、控制计算，多传感器的数据融合，军事领域中飞机定位和追踪，图像处理中人脸识别、图像分割、边缘检测等。而近些年来，滤波算法在扫描数据分析中得到了的应用。应用系统认证随着信息系统应用的不断普及和深化，各个公司更加重视其科研产品及知识产权的保护。加密认证功能也成为一个成熟产品的必备技术。从应用软件的序列号、激活码等验证方式，到硬件产品加密狗、电子的绑定保护，以及各种网络服务的认证计费方式，都体现的对产品保护的重视程度。如果没有一种合适的认证保护机制，一个产品很可能用或仿制，给产品研发团队及生产者造成极大的损失。终端系统中的认证终端系统中的认证包括操作系统的认证以及引导过程认证。传统的使用口令开机验证方式，就是在CMOS中设置口令，开机后计算机引导BIOS过程中，通过用户输令来验证用户的。网络传输中的认证TCP/IP互联协议和开放系统互连模型在制订协议时是以可信用户为前提基础的，所以它们只以可靠的信息传输和资源共享为目标，而忽视了传输过程和信息应用中的安全性。鉴于信息系统使用过程中不断出现的安全和频繁发生的安全事故，为提高信息系统中信息应用和传输过程中信息的安全性，针对OSI/RM模型，人们在各层次上开发了IPSec[44]，SSL[45]Socks[46]等具有安全机制的协议。应用服务中的认证目前，一个公司或组织的信息系统中普遍存在多个业务应用系统。例如，一个学校可能同时拥有教务系统、办公自动化系统和网络教学系统等。这些系统往往是由不同的技术人员在不同的时期采取不同的技术建立起来的；它们可能运行在多种操作系统和多个应用服务器之上，采用不同的用户管理和认证措施。在特定的服务域内控制用户的标识空间并为用户分配标识。用户从服务提供者处获取独立的唯一标识。除此之外，用户还需要与标识相关的单独的，比如口令等。本章小结本章主要介绍基于检测接触网几何参数系统使用到的相关技术。首先介绍了的特点及在目标位置测量方法领域的应用，包括城市建设、林业规划、山区地形测绘及海岸线测绘等；然后介绍了滤波算法的概念及其应用领域，对数据动态估计的优化处理；最后介绍系统认证的相关技术，包括常见的三种认证。第3章一种基于的接触网几何参数检测方法随着电气化铁路建设的不断发展，接触网几何参数检测方法也不断改进。本章从抗机械振动性能方面对比了基于图像处理和基于两种接触网检测系统的性能，并针对现有接触网几何参数检测方法只与时间相关，检测结果无法直接反映出接触网的整体走势这一问题，在检测系统的基础上，引入系统位移信息，并介绍了检测系统的结构。接触网及其几何参数接触网是在电气化轨道铁路中，沿铁轨上空“之”字形架设的，为机车受电弓取流的高压输电线。接触网是为电气化铁路供电的主要构架，是沿铁轨上空架设向电力机车输送电能的特殊形式的线路。如图3.1所示，接触网主要由接触线、承力索、吊弦、支柱、腕臂等部分组成。图3.1接触网系统结构接触线是与受电弓接触为机车输出电能的导线，直径为十几毫米左右，其相对于轨道平面的垂直高度保持一致，通常将这个高度称为导高。水平方向以折线形式架设，如图3.2所示，接触线相对于轨道中心线的水平偏移距离称为拉出值。这样架设的目的是为了使得接触线不总摩擦受电弓的同一点，增加受电弓的使用寿命。在支柱处固定接触线，相邻两支柱的距离有一般有几十米，固定点一般为接触线“之”字形的拐点。在两支柱之间，为防止接触线下垂导致高度不一致，使用吊弦来固定接触线。吊弦一头固定在承力索上，另一头固定在接触线上，通过调整吊弦的长度，使接触线保持在同一高度。由于机车受电弓长度有限，一般有效接触长度为1000毫米左右，因此，支柱在固定接触线时，不能将拐点偏离中心过远。如果接触线高度不一致，或是偏离中心过远，轻则导致机车短时间无法受流，重则导致接触网损坏造成严重事故。因此对接触线的导高和拉出值都有严格要求，这就是本文主要研究的接触网几何参数。图3.2接触网结构俯视图接触网几何参数检测方法研究接触线导高一般在5米到7米之间，拉出值一般在-300毫米到300毫米之间。在铁路正常运行后，接触线上承载27.5千伏的电压，检测距离从几公里到上百公里不等，同时还有受到外界温度，光照等条件的影响。如何在非接触的情况下，从5-7米的距离内高效准确地检测到直径为十几毫米接触线的位置，就是接触网检测的主要问题。基于图像处理的检测方法基于图像处理检测接触网几何参数的方法一般是使用两个高速相机[47]，对接触线拍摄，通过图像处理的方法[48]，确定中接触线的位置，并计算出接触线实际的几何参数。图3.3基于图像处理的检测方法原理图如图3.3所示，相机A和相机B固定在一个平面上，使的两相机的视角范围能覆盖接触线的可能出现的位置。现假设两相机距离为D，接触线在相机A视角范围内与水平夹角为，接触线在相机B视角范围内，与水平夹角为。以相机A，相B和接触线C为顶点组成一个三角形，可以通过距离D，夹角求出接触线C的坐标[49]。其中两相机的距离D是很容易测量得到的，问题的关键就是如何得到夹角和的值。相机拍摄的虽然不能很好的反映出距离，但相机的视野角度范围是一定的，那么中每个像素的位置对应一定的角度[50]。基于图像处理检测接触线的方法，就是运用像素与角度的对应关系和平面三角形的知识计算接触线的位置。为保证接触网几何参数分析的精确性，每米至少有一组数据。如果检测车是依靠人力推行，假设速度为1米/至少拍摄一张；如果检测车是靠机械动力，假设速度为20米/秒，即72公里/小时，则要求相机每秒至少拍摄20张接触网几何参数要求接触线的高度和拉出值测量结果精确到毫米。如图3.3所示，令相机A和相机B的中点为原点O，建立XOY平面坐标系。接触线高度变化不大，以高速铁路为例，接触线高度在5300毫米附近。接触线拉出值从-毫米到300毫米范围内，为保证检测范围，将相机在5300毫米距离的视觉范围定为2000毫米，相机的视角角度至少为：arctan(2000/2/5300)*2 在不考虑图像清晰度和识别方法的前提下，要在20001毫米的精度，要求相机拍摄的宽度至少有2000像素。基于的检测方法基于检测接触网几何参数的方法就是依靠扫描，得到接触网的数据。图3.4基于激光扫描检测方法原理图如图3.4所示， 有一个激光源，从起始角度到终止角度进行反复扫描，扫描区域是一个扇形的平面。扫描遇到物时，返回物到激光源的距离。扫描点并不是真正连续的，从起始角度开始返回第一个数据，每一个角度间隔返回一个数据，到终止角度返回最后一个数据。这个角度间隔称为的角分辨率。实质上，返回的数据是以激光源为原点的极坐标数据。对于接触网几何参数检测系统来讲，将获得的极坐标数据转化为平面坐标数据，就能求出接触线的位置。在每一米至少有一组数据的条件下，按照人力推行1米/秒的速度计算，激光扫描频率至少为1Hz；如果以20米/秒的速度检测，扫描频率至少为20Hz。如图3.4所示，以高速铁路为例，接触线高度为h5300毫米，拉出值扫描范围为L2000毫米，的扫描角度范围：arctan(2000/2/5300)*2 假设接触线的直径为14毫米，如果保证能够扫描到接触线，激光扫描分辨率arctan(14/5300) 角分辨率的不足是制约检测技术发展的主要瓶颈，接触网的检测要求的角分辨率极高，才能保证在5至7米的距离范围内，能够扫描到直径为十几毫米的接触线。高角分辨率的价格昂贵，且设备的防护等级较低，一般只适用于在等环境较好的场所使用，不适合在户外使用。因此考虑到检测系统的成本，现有的接触网检测方法研究方向更偏向于图像检测。振动产生位移变化对系统检测的影响接触网检测时，主要的干扰来自于系统的机械振动，使得检测仪器产生位移和角度上的微小变动。接下来，本文就机械振动产生的微小变动对系统检测结果的影响进行分析。图3.5位移变化对激光扫描检测系统影响在扫描检测系统中，如果由于振动产生水平方向的位移3.5所示，相当于以激光发射源为原点的平面坐标系统整体发生平移，则接触线的检测结果也会发生一样的平移偏差。在基于图像处理的检测系统中，如果相机由于振动发生平移，如图3.6所示，假设相机A、相机B和接触线C组成三角形ABC，相机A向左平移的距离为d，平移后接触线在相机A的检测角度变为Dd。但在计算中，并不知道位移的变化，两相机的距离仍然按照D来计算，因此就变为计算三角形ABCC的位置坐标。从图中可以很容易的看出来，C的位置与C的位置相比，在高度和水平偏移量上都发生了变化。图3.6位移变化对基于图像检测系统影响假设相机A和相B的距离为D1000毫米，接触线原始高度y5300mm，拉x0mm，由于振动相机A向左偏移d1mm。则原始系统中，相机A和相机B检测接触线C的夹角为：arctan(5300/500) 由于振动发生偏移的夹角： 现在求接触线高度和拉出值的问题就转化为已知三角形ABC两顶点A坐标和两个角的度数C坐标。首先求斜边AC'长度：则接触线高度：

AC' Dsin sin(180')y'AC'sin'

x'AC'cos'500 通过以上计算得出，当一个相机产生1毫米水平位移时，接触线高度变化毫米，拉出值变化-0.50毫米。相机水平位移对接触线导高参数的影响较大，对拉出值参数影响较小。虽然这个影响并不是线性的，但也能反映出其影响程度。振动产生角度变化对系统检测的影响机械振动对检测设备不光会有位移的变化，而且还会有角度的变化，下面针对角度变化对两种系统的影响进行分析。图3.7角度变化对激光扫描检测系统影响在扫描系统中，如果由于振动产生角度偏移，如图3.7所示，黑色的为原始系统，灰色的为振动变化的系统，假设两系统原点重合，只有角度偏移。为了能更好的了解影响程度，假设接触线原始高度y5300mm，拉x0mm，由于振动产生逆时针偏移角度0.5，由于坐标原点没有变化，因此偏移前后检测的接触线的距离是一样的，只有角度发生变化。在振动系统中，接触线导高变为：y'h*sinh*cos 拉出值变为：

x'h*cosh*sin 由以上分析可以看出，当振动产生角度偏移0.5时，接触线高度变化0.20毫米，拉出值变化-46.25毫米。在激光扫系统中，振动产生的角度偏移对接触线高度影响不大，但对拉出值影响较大。在基于图像处理的检测系统中，如果相机由于振动发生角度偏移，如图所示，相机AB检测的接触线的夹角分别为，两相机的距离为D图3.8角度变化对基于图像检测系统影响A由于振动产生了逆时针方向A检测到接触线的夹角变为'，偏移后计算出来的接触线位置为C所在位置。假设接触线C原始位置为高度y5300mmx0mm，由于振动产生的偏移角度0.5。之前计算过相机AB84.61' 运用相同的方法，先求三角形ABC的边AC则接触线的高度：

AC' Dsin sin(180')y'AC'*sin'

接触线的拉出值：

x'AC'*cos'D/2 由以上分析得出，在基于图像检测的系统中，如果一个相机发生0.5角度偏差，接触线导高检测结果变化236.48毫米，拉出值变化-22.31毫米。振动产生的角度偏移对接触线高度和拉出值都有较为显著的影响。综上分析，在相同的机械振动条件下，基于的系统受影响程度小于基于图像处理的系统。而且在基于图像处理系统中只分析一个相机偏移的情况，但实际应用中，两个相机会同时受到机械振动的影响，导致的偏差可能会更大。因此，检测系统抗机械振动干扰能力优于图像处理系统。检测设备安装偏差对系统检测的影响接触网检测系统要求检测设备的检测平面垂直与铁轨的延伸方向。如图所示，平 A垂直与铁轨延伸方向，这就是理想的检测平面。假设设备安装产偏移，扫描平面B与平面A之间的夹角为，在这种情况下，检测的接触线高度不会，拉出值会产生偏差。由于接触线拉出值范围为-300毫米至300毫米，假设被检测的接触线实际拉出值为x300mm5，则检测出拉xxcos30115m，偏xxx'1.15mm。可以看出安装时角度偏差对检测结果影响较小。图3.9安装偏差对激光扫描检测影响激光扫描系统只有一个检测设备，但基于图像处理系统中有两个相机。如果使用线阵相机检测，理想条件是两个相机的拍摄平面重合，但实际安装过会出现偏差，这样会导致两相机同一时刻拍摄的不是接触线的同一点，如图3.10所示，假设两相机拍摄平面夹角1，接触线距相机的高度y5300mm相机拍摄到的接触线的点为AB，距离为dy*tan92.51mm。由以上分析可得，两相机拍摄平面夹角为1时，接触线上的检测点相距92.51毫米。阵相机检测接触线几何参数的系统中，这个影响是显著的。图3.10安装偏差对基于图像检测影响当然安装偏差可以通过系统的初始标定消除一部分，但是由于接触网检测的时间和地点是经常变换的，因此检测系统往往需要频繁的拆卸和重装，每次使用前的初始标定也会增加系统的复杂度。除了以上因素影响以外，基于图像处理的方法受光照影响较为严重[51]，不同的光照条件图像的处理方法不同，而且在光照条件较差的情况下，图像中的接触线比较模糊，定位的精度不高；在不同类型的铁路中，接触线高度也有所差别，由于相机存在景深问题，如果检测地点发生变化，接触线不在相机焦点距离附近，使得拍摄中的接触线变得十分模糊，定位难度加大；而且基于图像处理系统还要考虑两相机拍摄的同步问题，如果两相机不是同时拍摄，那么的两张不是接触线的同一点。而基于测量的方法不受光照条件影响，精确测量的范围较大，适合不同类型铁路接触线的测量，由于只有一个激光发射源，不存在同步的问题，因此本文选择检测作为系统方案。现有检测系统的不由于接触网高度较高，一般距轨平面有5至7米的距离，且接触线的直径只有十几毫米，现有的激光检测是利用单点人工对准接触线进行检测，这也是目前国内施工阶段接触网几何参数检测的主要。受到单线设备扫描角分辨率的制约，现有的基于单线检测接触网几何参数的方法以静态检测为主，并且安装高度较高，使其距离接触线更近，保证能够扫描到接触线。这样就会导致检测系统体积庞大，不利于携带和。如果距离接触线太近，激光发射机和信号传输时间过短，会导致距离检测误差较大。因此，目前国内动态检测的方法主要是利用高速相机 进行检测的。现有的动态检测方法，其检测结果只和时间相关，使得检测系统在非匀速条件下检测时，检测结果不能直观的反映出接触网的整体走势。一种基于的接触网几何参数检测系随着技术的成熟，低成本高防护等级高角分辨率的出现，为接触网几何参数检测系统的研究指引了新的方向。本文采用了德国SICK公司生产的一款高角分辨率的，能够在5至7米的距离扫描到接触线，具有高防护等级，满足户外使用条件，且能够实现动态检测。下面详细介绍整个检测系统的结构与设计思路。系统结如图3.11所示，将单线固定在一辆小推车上。小车沿着铁轨延伸方向运动，且扫描平面垂直于铁轨延伸方向。在轨道坐标系中，原点是轨道平面两铁轨中心线上小车开始运动的点；铁轨延伸方向指向小车运动方向为x轴正方向，记录小车行驶的位移或时间，位移单位为米，时间单位为秒；平行于铁轨平面，垂直于铁轨延伸方向，指向小车运动方向右侧为y轴正方向，记录接触线的拉出值，单位为毫米；垂直于铁轨平面，指向天空为z轴正方向，记录接触线导高，单位为毫米。图3.11系统坐标系示意图由于固定在小车上，其在轨道坐标系中存在一定的高度和偏移量，激光在内部，不容易准确确定的原点，因此 的数据不是在轨道坐标系的数据。如图3.12所示，假设扫描到接触线坐标为(ywire,zwire)，其中ywire为接触线的拉出值，zwire为接触线的高度。小车上的在轨道坐标系的坐标为(x,yradar,zradar)，则接触线相对于轨道坐标系的坐标为(x,yradar,zwirezradar)，即接触线几何参（距离（或时间，拉出值，导高图3.12轨道坐标系与坐标系之间的关如图3.13所示，为系统功能结构图。将到的接触网几何参数数据传给工控机；编将的系统位移脉冲数据传给控制电路，经过控制电路分析，判断系统的位移变化，同时控制电路24V和12V电源的实际电压值以及温度值，并将这些信息传给工控机。工控机收到和控制电路传输的信息后，对于一些即时信息，立即判断并给控制电路下达相应操作的指令。比如温度过高时，下达开启风扇的指令等。对于需要分析的数据，如接触网几何参数数据系统分导出 分析结导出检测的数据实时分析与控制数据和系统位移数据等，进行实时分析，将分析结果呈现出来，并原始数据。需要注意的是，和编的数据流是不断产生的，因此需要实时的将数据写入本地磁盘，由于后期要完成按距离和按时间两种方式分析数据，因此在记录每一次扫描数据的同时，加上编 的距离和计算机的时间。写入的数据必须是原始数据，因为如果分析后的数据，有些当时不需要的数据会被去除，以后变换分析方法的时候，就会失去一些必要的数据，因此必须最原始的数据。数据系统分导出 分析结导出检测的数据实时分析与控制据接触网接触网几何参数 据传 的数编系统位移传 的数编系统位移传 的控制电风扇/蜂鸣位移测量

图3.13系统功能结构图本文系统添加了按距离分析的功能，因此需要记录检测小车的位移，在人步行速度下小车位移信息的精度达到一米就能满足系统要求，并且能够判断检测小车前进、停止或后退的运动状态。通过分析，最终选择使用AB相编检测小车的位移。AB相编实质上就是脉冲发生器，如图3.14所示，每一路产生方波信号，假设方波信号的周期为T，理想的条件是脉冲信号的相位差为脉冲周期的四分之一。每一个周期的脉冲，对应检测小车的一段位移，从计算脉冲的个数，就能判断出小车具体的位移量。图3.14前进状态AB相编波对比图3.15和图3.14，两图的差异就是AB相脉冲的相位差。图3.14A相脉冲比B相脉冲提前T/4，图3.15中B相脉冲比A相脉冲提前T/4。其实，就是通过脉冲的相位差判断前进或后退的运动状态。图3.15后退状态AB相编波在实际应用中，通常采用数字信号来判断编的状态，假设图3.14表示检测小车前进的状态，图3.15表示检测小车后退的状态，1表示高电平，0表示低电平。那么图3.14的状态表如表3.1所示。表3.1检测小车前进时编状态相位脉冲123A1100B0110图3.15的状态表如表3.2表3.2检测小车后退时编状态相位脉冲3A0110B1100通过查表，就可以得到小车前进，停止，后退的状态。比如t1时刻AB相的状态为(1,1)，若下一时刻t2状态为(1,1)没有产生新的编码。每一个脉冲对应的距离就是编的距离分辨率，在接触网检测系统中能够分辨出1米的距离即可；若下一时刻t2状态为(0,1)，则说明小车前进了一个脉冲对应的距离；若下一时刻t2状态为(1,0)，则说明小车后退了一个脉冲对应的距离；若下一时刻t2状态为(0,0)，则说明状态错误，可能是编的输出频率或是的采样频率过低，导致每个采样周期内编变化了多个状态，这也是编的一项重要参数——数据输出频率。系统认系统检测设备一般在铁路施工现场使用，没有可靠的网络通信条件，偏远之地甚至没有信号，因此不能采用网络通信认证或是服务器认证的方式。如果使用外部硬件认证加密，比如加密狗认证，这样不但会增加产品的成本，而且会受到第的制约。考虑到检测系统性和安全性不像银行等金融机构那么关键，又不像服务器那么重要，只要能够防止产品竞争者轻易地移植或系统即可，因此系统选择使用终端系统认证方式。由于检测系统包括工控机运行的数据处理软件和控制电路两部分系统，单独对两个系统进行加密认证，不仅增加认证成本，而且会被者分割系统移植功能，即把加密的工控机运行数据处理软件和他们设计的控制电路组合应用，或是把加密的控制电路和他们的工控机组合应用，这样也会产生被移植的风险。于是系统选择采用联合认证的方式，绑定系统的工控机和控制电路，使两个系统相互认证，这样既能保证系统的整体性，也降低了系统被部分的可能性。本章小结本章首先介绍了接触网及其几何参数的相关知识；然后分别描述基于图像处理的检测系统和基于的检测系统的基本结构和接触网几何参数计算方法，并分析检测设备的性能需求，通过分析机械振动和设备安装偏差对系统影响，发现系统的鲁棒性要优于图像处理系统；最后介绍了本文系统构架，并确定系统位移测量和认证方法。第4章接触网几何参数检测系统设计与实现接触网几何参数检测系统是一个综合性的系统，它包括硬件系统与软件系统，硬件部分是利用计算机、微控制器、传感器等设备 所需要的信息，软件部分主要是对数据的处理分析和优化呈现，同时还需要考虑对系统的认证保护，防止竞争者轻易盗用系统。本章介绍了接触网几何参数检测系统的硬件部分与软件部分的设计与实现，并提出了接触网几何参数分析算法和一种简单有效的系统认证的解决方案。系统硬件的设计与实现硬件系统如图4.1所示，硬件系统结构图。主要包括工控机、、控制电路、编。工控机主要负责系统的所有数据的处理和，负责接触网几何参数数据，编负责系统的位移信息，控制电路负责电源管理和一些原始数据的收集，并将收集的数据通过串口传给工控机。除此之外，控制电路负责对设备周边的环境温度和电源输入电压进行：如果温度过高，开启风扇进行散热；如果电源输入电压过高，发出异常警报；如果输入电压过低，提醒用户及时充电。工控机的选择

图4.1硬件系统结构图工控机除了要求其具有耐高温、抗冲击、抗振动、抗电磁干扰等特性外，系统设计时还做了其他方面的考虑。为了尽量减少系统的复杂度，同时减少设备之间繁杂的连线，选择了带有触屏功能的，即显示器和主机集成在一起，这样既减小了体积，又避免了主机和显示器之间的连线，同时不需要额外的鼠标和键盘；其次，工控机必须带有以太网口、串口和USB三种接口，因为通过以太网口和工控机传输数据，控制电路通过串口和工控机传输数据，用户需要通过USB接口将检测的数据导出到移动设备内。控制电如图4.2所示，是检测系统的控制电路原理图。该控制电路的控制器为STC12C2052AD单片机，该单片机有一路串口，可以与上位机通过串口进行通信；具有多路AD转化器，用于对系统电源电压和温度等参数；具有外部中断功能，能够及时获取编产生的脉冲信号。图4.2控制电路原理图系统共有24V、12V和5V三种工作电压，锂电池输入电压和工作电压为24V，工控机工作电压为12V，单片机工作电压为5V。用一个继电器控制24V的电源电压输入，作为总电源开关，由于单片机是整个控制电路的，只要总电源接通，单片机就要持续工作，因此不再设置5V电压的开关。系统在工作时，也在持续工作，其工作电流达到1A，对于依靠锂电池供电来说功耗较高。但在实际使用过，检测人员中途休息或是有事短暂离开，又不想关闭总电源，此时如果继续工作，其检测的数据是没有意义的，因此专门设计了一个继电器单独控制的电源，并且设置了自动断电功能。当编码器数据不再更新，即小车静置，且持续时间达到4分钟以上，单片机将自动关闭控制电源的继电器。系统还设计了一个继电器控制工控机的电源。一方面，工控机工作时电流约2A，在系统刚启动时，如果工控机和其他设备也同时启动，整个电路功率瞬间增大，对电池和电路都是较大的冲击，因此需要延迟打开继电器，在系统启动几秒后再分别启动和工控机等相关设备，使得电路总功率缓慢上升。其次，由于工控机12V工作电源是通过一个24V转12V的电压转换模块提供的，为了防止电压转换模块产生故障导致12V电源异常，可以及时关闭继电器切断12V电源达到保护工控机的目的。电路中设计了蜂鸣器控制电路，在系统出现异常时，蜂鸣器，及时提醒用户。还设计了风扇控制电路，当系统温度过高，及时开启风扇散热。系统位移检测方案系统使用编来检测位移，编的实质就是波形发生器。将铁片切割成如图4.3所示的形状，并固定在小车的上，随一起转动，铁片扇形部分中心夹角为90度。在铁片附近安装两个接近开关感应器，接近开关感应器不随轮子转动，且两个接近开关的固定位置对应的夹角为45度。当接近开关正对铁片时，产生高电平信号，当接近开关正对铁片间隙，产生低电平信号。图4.3铁片切割形状示意图假设铁片随顺时针转动，则铁片和接近开关的相对位置如图4.4所示，会出现4种状态：图4.4铁片与接近开关相对位置将高电平记为1，低电平记为0，则顺时针转动的接近开关输出数据如表所示：表4.1接近开关输出