地铁非接触式靴轨关系在线检测技术研究

2022-07-15佘朝富邱启盛谢强斌王志惠

城市轨道交通研究 2022年6期

佘朝富邱启盛占栋刘兰谢强斌王志惠

(1.成都唐源电气股份有限公司， 610046，成都；2.广州地铁集团有限公司， 510308，广州∥第一作者，工程师)

集电靴与接触轨的滑动电接触是地铁车辆获取电能的重要方式。因此，地铁牵引供电系统的安全性与接触轨是否能长期保持良好状态有着重要关系。

靴轨关系在线检测包括接触轨几何参数检测和靴轨燃弧检测。接触轨几何参数检测包括人工检测和机器检测两种方式[1]。随着科技的发展，人工检测逐渐被机器检测替代。非接触式靴轨关系在线检测技术是目前地铁中常用的靴轨关系检测技术。其采用激光摄像测距原理对接触轨进行检测，不与靴轨系统直接接触，检测精度高，并可实时检测[4-6]。

靴轨燃弧检测是利用一种特殊光学采集系统，在滤除太阳光及其他杂散光的干扰后，选取特定波长的紫外光段作为检测特征量，从而实现燃弧检测[7-8]。

1 地铁非接触式靴轨关系在线检测技术原理

1.1 线结构光测量技术原理

线结构光向物体表面投射时，产生了物体对光束的空间调制，进而形成了激光轮廓线，该轮廓线能够反映物体的形貌。

接触轨几何参数检测系统测量参数的需求为：①走行轨中心与接触轨中心间的距离；②接触轨受流面距相邻走行轨轨面的垂直距离。

接触轨几何参数检测示意如图1所示。标准接触轨外侧到接触轨中心的距离为46 mm,已知C0、C1、C2、C11、C12(见图1)，故仅需测量C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10(见图1)，即可得到接触轨几何参数:

(1)

(2)

式中：

x0、x1——分别为左、右接触轨中心距线路中心的水平距离，即轨偏,mm；

y0、y1——分别为左、右接触轨受流面与轨面的垂直距离，即轨高,mm。

注：C0为走行轨轨距；C1为0#与1#摄像机中心的水平距离；C2为2#与3#摄像机中心的水平距离；C3、C4分别为1#、3#摄像机中心到相邻走行轨内侧下方16 mm处的水平距离；C5、C6分别为1#、3#摄像机中心到相邻走行轨轨面的垂直距离；C7、C8分别为0#、2#摄像机中心到相邻接触轨外侧的水平距离；C9、C10分别为0#、2#摄像机中心到相邻接触轨受流面的垂直距离；C11为0#与1#摄像机中心的垂直距离；C12为2#与3#摄像机中心的垂直距离。

1.2 紫外光子检测技术检测原理

通过光谱分析仪，可以得到太阳光和弓网燃弧的光谱特性曲线，如图2所示。由图2可见，相对太阳光光谱，弓网燃弧光谱辐射强度相对较低，在240～260 nm、300～330 nm、390～400 nm等 3个波长范围内分布有紫外光频谱波段。200～300 nm波段处于太阳光盲区，如果采用240～260 nm波段的紫外光作为燃弧检测的目标特征量，便可以排除太阳光干扰，从而准确地检测到由弓网燃弧发出的紫外光，进而就可以判断弓网燃弧现象是否发生。

图2 太阳光谱与弓网燃弧光谱特性曲线

2 非接触式靴轨关系在线检测系统的构成

非接触式靴轨关系在线检测系统以运营车辆为载体，采用模块化设计。整个检测系统主要由接触轨几何参数检测系统、靴轨燃弧检测系统、综合定位系统3部分组成，如图3所示。

2.1 接触轨几何参数检测系统

接触轨几何参数检测系统由图像采集、偏移补偿、融合处理3个模块构成。

图3 非接触式靴轨关系在线检测系统结构图

2.1.1 图像采集模块

二维激光测距传感器(2D传感器)为图像采集模块中的核心组件。该传感器由线激光和相机组成。其工作原理是：利用三角成像原理，首先将激光光源投射在接触轨表面；然后令摄像机在其他角度对接触轨表面进行拍摄；最后利用视觉成像模型，计算目标点所在的世界坐标位置。

2.1.2 偏移补偿模块

偏移补偿系统是将测量到的车体左、右侧的偏移距离和车体倾角，通过现场总线传送到处理主机。

分别运用两套2D传感器，扫描轨道测量基准。车体静态时由左、右2D传感器计算车体与轨面的几何位置关系，并将该位置标定为静态初始原点。检测车运行时，通过2D传感器实时测量来获取车体与轨面的动态位置关系。由车体动态与静态位置间的几何关系换算，精确获取车体倾角及偏移量。通过车体与轨面的倾角与偏移，将以车体作为测量基准的数据换算到轨道中心，实现车体振动测量误差补偿。

2.1.3 融合处理模块

融合处理系统接收图像采集模块、偏移补偿模块、综合定位模块所测量的数据，并进行数据处理分析，实现实时在线检测功能。

2.2 靴轨燃弧检测系统

靴轨燃弧检测系统主要由专用光学采集模块、紫外光电传感模块、供电模块及数据处理模块组成。

2.2.1 专用光学采集模块

专用光学采集系统是将弓网燃弧发出的特定谱段的紫外光进行高效捕捉，并有效滤除多余的太阳光或其他杂散光，这样便可提取到弓网燃弧的特征光。专用光学采集模块的采集示意如图4所示。

图4 专用光学采集系统的采集示意图Fig.4 Schematic diagram of optical acquisition system

2.2.2 紫外光电传感模块

紫外光电传感系统由信号处理电路、紫外光电传感器、电源模块构成。该模块的工作原理是：将获取的燃弧特征光变成可处理的电信号。

2.2.3 数据处理模块

小信号调理电路、AD转换及发送电路、弓网监控图像采集及嵌入式计算机构成了数据处理模块。而AD采集电路、FPGA模块电路构成了AD转换及发送电路。

3 现场试验验证

以广州地铁4号线(以下简为“4号线”)、上海轨道交通17号线(以下简为“17号线”)为依托，进行系统数据分析，验证靴轨关系非接触式在线检测技术的可行性。

3.1 接触轨几何参数检测

3.1.1 列车相同速度下接触轨轨高、轨偏重复性误差对比

为验证接触轨几何参数检测装置的检测效果，对4号线黄村站—石碁站区间(以下简为“黄石区间”)，以正向和反向采用40 km/h的速度对试验区段各检测3次，如图5～6所示。

a) 列车运行方向为正向

b) 列车运行方向为反向图5 4号线黄石区间接触轨轨高-列车运行距离曲线

a) 列车运行方向为正向

b) 列车运行方向为反向图6 4号线黄石区间接触轨轨偏-列车运行距离曲线

对4号线新造站—石碁站区间(以下简为“新石区间”)采用60 km/h的速度进行检测，对比接触轨轨高、轨偏重复性误差是否合格。以第1次检测数据为基准值，得到第2次、第3次接触轨轨高、轨偏与第1次的差值曲线见图7～8。

3.1.2 列车不同速度下接触轨轨高、轨偏重复性误差对比

选取4号线新石区间，列车分别采用30 km/h、60 km/h的速度对该区间的接触轨进行检测(见图9～10)。随机抽取接触轨检测数据，对比该数据的重复性误差是否合格，具体如表1所示。

a) 列车运行方向为正向

b) 列车运行方向为反向图7 4号线新石区间接触轨轨偏差值-列车运行距离曲线

a) 列车运行方向为正向

b) 列车运行方向为反向图8 4号线新石区间接触轨轨高差值-列车运行距离曲线

a) 轨高

b) 轨高差值图9 列车不同速度下接触轨轨高-列车运行距离曲线

a) 轨偏

b) 轨偏差值图10 列车不同速度下接触轨轨偏-列车运行距离曲线图

表1 列车相同速度下黄石区间接触轨轨高、轨偏重复性误差

由表1可知，4号线新石区间接触轨轨偏、轨高的重复性误差大多在±3 mm以内；系统轨偏的ε1，i,95%的最大值为0.9 mm,轨高的ε1，i,95%的最大值为0.7 mm。

3.2 靴轨燃弧检测

为验证靴轨动态检测装置的检测效果，在17号线上进行了动态试验。本试验选取东方绿洲站—虹桥火车站站区间(以下简为“东虹区间”)，列车运行速度分别选取80 km/h和100 km/h，对该区间进行靴轨燃弧检测。

由图11～12可见，在下行线路中,列车以80 km/h和100 km/h的速度运行时，燃弧持续时间最大值变化曲线大致相同，在蟠龙路站—诸光路站区间燃弧持续时间出现最大值87.1 ms。燃弧率变化曲线走势亦大致相同，仅在最大值处略有偏差。列车以80 km/h的速度运行时，在蟠龙路站—诸光路站区间燃弧率出现最大值0.023%；列车以100 km/h的速度运行时，在诸光路站—虹桥火车站区间燃弧率出现最大值0.032%。列车在两种运行速度下燃弧率均小于EN 50367—2012规定的 0.1%，靴轨受流质量良好。

图11 17号线东虹区间下行线靴轨燃弧率曲线

图12 17号线东虹区间下行线燃弧持续时间最大值曲线

由图13～14可见，在上行线路中,列车分别以 80 km/h和100 km/h的速度运行时，燃弧持续时间最大值变化曲线大致相同，徐盈路站—蟠龙路站区间燃弧持续时间出现最大值86.4 ms；燃弧率变化曲线亦大致相同，在徐盈路站—蟠龙路站区间燃弧率出现最大值0.021%，且燃弧率小于EN 50367—2012规定的0.1%，靴轨受流质量良好；徐盈路站—蟠龙路站为高架线至地下线的过渡区间，出现燃弧次数最多。