毛 虹

(焦煤集團(tuán)計(jì)訊處，河南 焦作454150)

1 .引言

鐵路接觸網(wǎng)擔(dān)負(fù)著從牽引變電所所獲得的電能，直接供給電力機(jī)車使用的重要任務(wù)，它的質(zhì)量和工作狀態(tài)直接影響著電氣化鐵路的運(yùn)輸能力。［1－3］對(duì)其檢修和維護(hù)，首先要進(jìn)行有關(guān)參數(shù)(導(dǎo)高、承力索高度、接觸網(wǎng)和承力索高差、外軌超高、拉出值、跨距等)的測(cè)量。隨著鐵路大規(guī)模提速以及高速鐵路的建設(shè)，要求對(duì)接觸網(wǎng)參數(shù)測(cè)量的速度不但要快，而且要更精確。［4］

目前國(guó)內(nèi)在鐵路接觸網(wǎng)方面的測(cè)量方法主要有兩種：

(1)吊桿與卷尺相結(jié)合的測(cè)量方法;

(2)激光測(cè)距儀與光學(xué)觀察系統(tǒng)相結(jié)合的測(cè)量方法。

吊桿與卷尺相結(jié)合的測(cè)量方法，測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，精度低，需要進(jìn)行人工記錄和計(jì)算;激光測(cè)距儀與光學(xué)觀察系統(tǒng)相結(jié)合的測(cè)量方法，只能在軌平面垂直方向測(cè)量而不能在軌平面水平方向測(cè)量，即只能測(cè)量俯仰方向角度而無法測(cè)量方位方向角度，從而限制了對(duì)軌距、跨距、建筑側(cè)面限界等參數(shù)的測(cè)量。

分析以上兩種測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)和不足，根據(jù)接觸網(wǎng)檢修和維護(hù)的實(shí)際需求，本文研究了一種利用距離傳感器、角度傳感器、位移傳感器、CCD攝像機(jī)和嵌入式數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，進(jìn)行鐵路接觸網(wǎng)參數(shù)測(cè)量的新方法，開發(fā)了一種高性能的接觸網(wǎng)測(cè)量系統(tǒng)，不僅可以測(cè)量接觸網(wǎng)的導(dǎo)高、拉出值、接觸網(wǎng)和承力索高差、外軌超高等參數(shù)，而且可以測(cè)量軌距、跨距、側(cè)面限界、紅線等參數(shù)。整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便、對(duì)各個(gè)參數(shù)的測(cè)量速度快、精度高。

2 .系統(tǒng)的硬件組成及工作原理

系統(tǒng)的硬件部分由測(cè)量?jī)x、CCD攝像組件、顯示及操作面板和測(cè)量架組成，如圖1所示。

測(cè)量?jī)x用來測(cè)量目標(biāo)的距離、方位角度和俯仰角度參數(shù)，它主要由半導(dǎo)體激光器、測(cè)距發(fā)射和測(cè)距接收部分、方位角度測(cè)量光柵和俯仰角度測(cè)量光柵等組成。

CCD攝像組件用來對(duì)測(cè)量目標(biāo)進(jìn)行觀察和瞄準(zhǔn)，它主要由物鏡和CCD組成，其中物鏡的焦距和口徑根據(jù)觀察目標(biāo)的距離和大小來確定，CCD采用高分辨率像素以使目標(biāo)的成像更清晰，從而減小瞄準(zhǔn)誤差。

顯示及操作面板用來顯示測(cè)量目標(biāo)和測(cè)量參數(shù)信息，顯示屏為3.5英寸液晶屏，在面板上布局各種操作按鈕，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同參數(shù)的測(cè)量和對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、刪除、導(dǎo)出等操作。

測(cè)量架用來支撐測(cè)量?jī)x并實(shí)現(xiàn)和鐵軌的測(cè)量定位，測(cè)量架上有位移傳感器和傾斜傳感器，位移傳感器用來測(cè)量軌距，傾斜傳感器用來測(cè)量軌平面相對(duì)大地水平面的夾角。

系統(tǒng)工作原理如圖2所示。把測(cè)量系統(tǒng)安裝在鐵軌上，通過旋轉(zhuǎn)測(cè)量?jī)x的高低和水平向，使測(cè)距的激光點(diǎn)可以精確地瞄準(zhǔn)測(cè)量目標(biāo)。測(cè)量系統(tǒng)瞄準(zhǔn)光軸和激光測(cè)距光軸同軸，同時(shí)在顯示屏上有十字分劃，十字分劃和測(cè)距激光點(diǎn)校為重合，則十字分劃的中心壓住接觸網(wǎng)線的中心時(shí)即為精確瞄準(zhǔn)，此時(shí)通過操作面板就可對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。

A點(diǎn)是測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)，A＇是A點(diǎn)在軌平面內(nèi)的投影，B點(diǎn)是A＇在兩鐵軌中心線上的垂足，D點(diǎn)是測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)，O是D點(diǎn)在鐵軌1上的垂足，α是A＇D和DO的夾角，β是DA和軌平面夾角。利用三角形的邊角關(guān)系計(jì)算出 AA＇(導(dǎo)高)和 A＇B(拉出值)等參數(shù);再利用不同點(diǎn)的導(dǎo)高、拉出值，可以計(jì)算出水平間距、垂直高差及偏移角度。利用位移傳感器測(cè)量軌距，結(jié)合傾斜傳感器，便可測(cè)量出外軌超高。用光柵進(jìn)行高精度角度測(cè)量，相位激光測(cè)距儀進(jìn)行目標(biāo)距離高精度測(cè)量。其中觀察光軸、激光測(cè)距發(fā)射和激光測(cè)距接收光軸三軸重合，確保測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖1 系統(tǒng)組成

圖2 系統(tǒng)工作原理

3 .測(cè)量數(shù)學(xué)模型和誤差分析

測(cè)量接觸網(wǎng)參數(shù)所用到的數(shù)據(jù)：位移傳感器電阻值，傾斜傳感器的角度值，測(cè)距儀的距離值和光柵的角度值。

位移傳感器電阻值：5KΩ，對(duì)應(yīng)距離555 mm;傾斜傳感器的角度：范圍［－10～ +10］°，精度1';測(cè)距儀測(cè)量的距離 L：范圍［0.5～70］m，精度ΔL為2mm;

光柵的角度值：和軌平面垂直向夾角β，在軌平面內(nèi)的角度α;精度Δβ、Δα為2″。

3.1 目標(biāo)點(diǎn)在軌平面內(nèi)的投影和基準(zhǔn)軌的距離

其中L//為目標(biāo)點(diǎn)在軌平面內(nèi)的投影和基準(zhǔn)軌的距離;L為測(cè)距儀測(cè)量目標(biāo)距離;α為目標(biāo)點(diǎn)在軌平面內(nèi)的投影和基準(zhǔn)軌法線夾角;β為目標(biāo)點(diǎn)和軌平面夾角。

公式(1)誤差傳遞公式為：

當(dāng)α、β為0 時(shí)，ΔL//值最大：

由公式(3)知，目標(biāo)點(diǎn)在軌平面內(nèi)的投影和基準(zhǔn)軌的距離誤差主要由測(cè)距儀的誤差傳遞影響。

3.2 導(dǎo)高的測(cè)量

其中H為接觸線的導(dǎo)高;L為測(cè)距儀測(cè)量的目標(biāo)點(diǎn)距離;β為目標(biāo)點(diǎn)和軌平面夾角。

3.3 拉出值的測(cè)量

測(cè)量要求范圍：(－600 mm～600 mm)，一般默認(rèn)測(cè)量位置在鐵軌左側(cè)。

其中D為拉出值;L為測(cè)距儀測(cè)量的目標(biāo)點(diǎn)距離;α為目標(biāo)點(diǎn)和基準(zhǔn)軌法線夾角;β為目標(biāo)點(diǎn)和軌平面夾角。

4 .系統(tǒng)的軟件部分

系統(tǒng)軟件是專門為圖像采集顯示工業(yè)控制終端定制的一套軟件解決方案，采用自下而上的層次化分析和構(gòu)建方法，把整個(gè)系統(tǒng)的軟件劃分為操作系、設(shè)備驅(qū)動(dòng)層與應(yīng)用軟件層，采用嵌入式linux操作系統(tǒng)作為應(yīng)用軟件的運(yùn)行環(huán)境。

嵌入式系統(tǒng)是嵌入式操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理程序運(yùn)行的平臺(tái)，進(jìn)行各種參數(shù)測(cè)量的操作控制和計(jì)算，同時(shí)對(duì)測(cè)量目標(biāo)在CCD上的圖像進(jìn)行采集并顯示。

根據(jù)外部具體接口設(shè)計(jì)接口驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)應(yīng)用軟件具有以下幾個(gè)功能：

(1)提供友好的人機(jī)界面功能，用戶能夠方便的進(jìn)行操作;

(2)實(shí)現(xiàn)圖像采集顯示功能;

(3)可對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行記錄、存儲(chǔ)和導(dǎo)出;

軟件部分的工作流程為：觀察通道CCD圖像經(jīng)采集卡傳給主板CPU，經(jīng)處理后傳給顯示屏顯示;傳感器測(cè)量500mm處線岔間距、軌距和傾角，測(cè)量?jī)x測(cè)量導(dǎo)線的斜距和角度等參數(shù)，傳感器和測(cè)量?jī)x測(cè)量的參數(shù)傳給嵌入式主板ARM9 CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到測(cè)量項(xiàng)目的參數(shù)，并把有用的數(shù)據(jù)保存起來，然后利用電子報(bào)表自動(dòng)生成系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的歸類統(tǒng)計(jì)，形成標(biāo)準(zhǔn)電子文檔。

5 .測(cè)量系統(tǒng)的不確定度分析

把接觸網(wǎng)激光測(cè)量系統(tǒng)放在標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)軌上，對(duì)標(biāo)定的接觸網(wǎng)的高度和拉出值進(jìn)行測(cè)量，按照J(rèn)JF1059－1999對(duì)測(cè)試結(jié)果的不確定度分量進(jìn)行分析和評(píng)定，結(jié)果可得出其測(cè)量精度為±5 mm。

系統(tǒng)的不確定度來源主要由測(cè)量重復(fù)性、環(huán)境、測(cè)量目標(biāo)位置差異和標(biāo)準(zhǔn)器引起。

5.1 測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度分量

在標(biāo)準(zhǔn)軌的固定點(diǎn)，裝上測(cè)量系統(tǒng)，進(jìn)行測(cè)量，然后取下測(cè)量系統(tǒng)，這樣重復(fù)10次類同的操作測(cè)量，測(cè)得10組數(shù)據(jù)如表1。

H是接觸線高度;L表示拉出值。

表1 測(cè)量結(jié)果(測(cè)量重復(fù)性)

5.2 環(huán)境引入的不確定度分量

在標(biāo)準(zhǔn)軌的固定點(diǎn)，裝上測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)接觸線高度連續(xù)10次測(cè)量，測(cè)得10組數(shù)據(jù)如表2。

表2 測(cè)量結(jié)果(環(huán)境因素)

同理可計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)偏差為：SH2=0.63，SL2=0.28。

5.3 測(cè)量目標(biāo)的位置差異引起的不確定度分量

在標(biāo)準(zhǔn)軌的固定點(diǎn)，裝上測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)準(zhǔn)接觸線，進(jìn)行測(cè)量，每測(cè)量完一次，再重新對(duì)準(zhǔn)接觸線，同樣步驟進(jìn)行10次測(cè)量，測(cè)得10組數(shù)據(jù)如表3。

表3 測(cè)量結(jié)果(目標(biāo)的位置差異)

同理可計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)偏差為：SH3=0.51，SL3=0.28。

5.4 標(biāo)準(zhǔn)器引入的不確定度分量

在測(cè)量時(shí)，用10 m卷尺，準(zhǔn)確度為II級(jí)，用其測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)鐵軌，在軌距1435 mm距離上的誤差為：Δ=0.2*1.435=0.287 mm。由此引入的不確定度分量為：SL4=0.287 mm。

試驗(yàn)用0.02 mm/m水平儀校正標(biāo)準(zhǔn)鐵軌上的平面，按最大量程軌距1435 mm計(jì)算，帶來的誤差為0.0287，由此引入的不確定度分量為：

5.5 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

各不確定度分量為獨(dú)立分量，不存在相關(guān)性，則合成不確定度為：

相關(guān)的數(shù)據(jù)帶入計(jì)算可得：SH=1.2，SL=0.61。

由此可得出接觸線高度和拉出值合成不確定度3SH和3SL分別小于5 mm，因而該測(cè)量系統(tǒng)滿足精度±5 mm誤差要求。

6 .結(jié)論

作為接觸網(wǎng)測(cè)量中心任務(wù)之一的接觸網(wǎng)幾何參數(shù)自動(dòng)測(cè)量，已引起國(guó)內(nèi)外有關(guān)專家的極大關(guān)注。本文介紹了一種距離傳感器、角度傳感器、位移傳感器、單CCD攝像機(jī)和嵌入式數(shù)據(jù)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路接觸網(wǎng)參數(shù)的激光測(cè)量系統(tǒng)。相比國(guó)內(nèi)目前的幾種測(cè)量方法，這種測(cè)量系統(tǒng)原理正確、精度高達(dá)±5mm、速度快、測(cè)量的參數(shù)全，測(cè)量數(shù)據(jù)可自動(dòng)生成電子報(bào)表格式。它將被廣泛應(yīng)用于鐵路接觸網(wǎng)的日常檢修和維護(hù)中，對(duì)高速鐵路的正常運(yùn)行具有極其重要的作用。

［1］吳昌博，周洪.接觸網(wǎng)應(yīng)力實(shí)時(shí)檢測(cè)及短線事故預(yù)警系統(tǒng)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2009(25)：102－103.

［2］邸榮光.準(zhǔn)高速鐵路接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)量研究［J］.科技廣場(chǎng)，2005(1)：90－92.

［3］于萬聚.高速電氣化鐵路接觸網(wǎng)［M］.成都：西南交通大學(xué)出版社，2001.

［4］吳健，張華.接觸網(wǎng)多參數(shù)測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2008(10)：47－50.