便携式接触网参数智能检测装置的设计及应用

摘

要：在接触网的相关参数中，拉出值和导高是维护弓网关系的主要测量参数，传统测量方法由于工作效率低、对施工人员要求高等缺点，已经不能满足目前接触网参数测量要求。鉴于此，设计了一种采用激光雷达为主要检测装置，对接触网进行非接触式检测的软件系统。该系统的硬件部分以手推式小车为主要框架，安装有激光雷达、倾角仪、霍尔元件用于获取测量数据，然后由软件系统处理得到实时数据，并绘制出实时的导高和拉出值波形图，再导出所测量的数据，对于接触网的安全运营具有重要意义。关键词：接触网；几何参数；智能检测；连续测量

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引言接触网是电气化轨道交通中所特有的沿轨道线路上空架设的一种特殊形式的输电线路，其目的主要是为电力机车提供可靠、不间断的电能，是现代电气化轨道交通牵引供变电系统的重要构成部分。电力机车通过自身车顶的受电弓和接触网接触线的良好接触来获得电能并产生动力来源，其受流质量时刻受到接触网接触线运行状态的影响。要想保持接触网运行状态良好，除了严格要求接触悬挂的设计、施工及铁路线路的运营以外，对接触网状态进行周期性的一系列检测与记录也是极其重要的环节。接触网参数智能检测系统结合了激光扫描仪、测速装置和笔记本电脑，通过编程处理实现相关几何参数的非接触式采集、采样点定位和数据处理，以获得接触网的各个几何参数，经试验该装置能有效提高接触网几何参数的检测精度，测量精度达到±10mm。该设备安装在机车车顶或采用手推式机械方式实现对接触网参数的不间断连续测量，可以有效降低工作人员的劳动强度，提升测量精度和工作效率，解决了目前高速铁路夜间作业和传统量测、目测工作存在的实际问题。

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接触网几何参数检测方法接触网几何参数检测方法包括接触式检测和非接触式检测。接触式检测是一种直接将检测装置与接触线接触测量的方式，传统的接触式检测方法具有较大的应用缺陷：（1）效率低，许多参数不能直接获得，需要进行一些转换；（2）安全系数低，工人在高压环境下工作，需要安全防护，风险高；（3）检测精度低，容易受到环境因素（绝缘杆自重、风、湿度等）的影响。从现代角度来说，这种方法显然不能满足工程要求。非接触式检测方法分为基于激光扫描的测量、基于超声波原理的测量以及基于图像处理的测量。其中，基于超声波原理的非接触式检测方案中，超声波受到温度、湿度以及大气压等环境因素对检测结果的影响较大，设备老化程度较快；基于图像处理的非接触式检测方案中，对摄像元件和高压隔离电路的绝缘要求高，且有效信息提取、处理的算法复杂。相对前两者而言，基于激光扫描检测的方案受影响因素更小，在实际应用中，算法相对成熟可行。为了方便接触网工作业，本文从国内外接触网几何参数的众多检测方案中，优先选择基于激光扫描处理的非接触式检测方案来设计接触网检测系统。

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导高和拉出值的计算原理导高是接触线到轨平面的垂直距离，拉出值是接触线到受电弓中心的水平距离，导高和拉出值是接触网检测的核心参数，其计算原理如图1所示。根据导高的定义及计算原理图可知，接触网导高的计算公式如下：式中，Hj表示导高（mm）；H0表示激光扫描仪激光源距离铁轨表面的距离（mm）；h表示激光源距离接触线的垂直距离（mm）；s表示激光源距离接触线的距离（mm）；α表示接触线相对于激光扫描仪起始扫描角的角度（°）。拉出值的合理设置能够避免因此造成的各种弓网事故，所以对拉出值进行物理分析就显得尤为重要。拉出值计算公式如下：式中，a表示拉出值（mm），正值表示位于线路中心线的左侧，负值表示位于线路中心线的右侧；s表示激光源距离接触线的距离（mm）；α表示接触线与激光源扫描起始角的角度（°）。

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检测系统的设计与实现检测系统总体结构如图2所示。接触网参数智能检测系统由检测装置和检测软件构成。检测装置包括各种传感器，以及负责预处理数据的中转服务器，在通过数据线交由笔记本进行处理，并反馈信息。3.1

检测装置设计该检测装置如图3所示，设计了便携式车体，机械车体可做简单折叠，并和检测电脑分开存放和携带。在材料上进行了轻量化设计，车体采用航空铝材分体式设计，车身重量较轻，且包括推行把手在内的推行装置固定端均可折叠，使其可迅速切换作业和非作业工作状态。3.2

检测软件设计该装置系统软件层的通信采用接口通过数据线与装有Windows系统的笔记本电脑进行连接并接收，其功能分为以下几部分：（1）初始扫描参数设置；（2）实时数据显示；（3）动态图像绘制；（4）数据保存于数据库中便于读取、处理。在系统开始工作前，可以设定初始参数，包括激光源离轨道平面距离、激光扫描范围、公里标初始值、数据采集间隔、激光源距离接触线的纵向距离等。通过设定以上数据，可以减少一些冗杂数据，为使数据更加精确，在绘图时采用取平均值的方法使误差进一步减小，最后以公里标为基量绘制出导高、拉出值、速度，并实时显示所测得数据，如图4所示。3.3

系统调试及结果分析在进行现场调试时，采用了目前接触网检测最常用的设备（DJJ-8激光多功能接触线检测仪）进行设备的精度校准测试，如图5所示。从接触网施工同步检测装置与DJJ-8激光测量仪的测量结果（表1）对比来看，测量误差约为±10mm，满足工程要求。在接下来的研发工作中，可以通过传感器补偿及滤波算法来提高测量精度。4

结语为方便接触网几何参数的检测，本文设计了便携式接触网参数智能检测装置，车体采用航空铝材分体式设计，车身重量较轻，包括推行把手在内的推行装置固定端可折叠，使其可迅速切换作业和非作业工作状态，方便生产，且实用、耐用。与现有常用的非接触式检测设备（DJJ-8