賴文燁

（福州地鐵集團(tuán)有限公司，福建福州 350004）

0 引言

接觸網(wǎng)通過(guò)在列車行駛路線周邊架設(shè)特殊的輸電線路為機(jī)車提供電能供應(yīng)[1]，是城市軌道交通正常運(yùn)營(yíng)的重要條件和保證，其性能更是直接決定了機(jī)車弓網(wǎng)受流質(zhì)量[2]。為保障牽引供電系統(tǒng)有序運(yùn)行，保障乘客人身財(cái)產(chǎn)安全，在提升優(yōu)化接觸網(wǎng)設(shè)備的同時(shí)，增加對(duì)接觸網(wǎng)狀態(tài)檢測(cè)，并制定科學(xué)合理的檢修維護(hù)流程至關(guān)重要[3]。目前我國(guó)城市軌道交通發(fā)展受到諸多因素的影響，每個(gè)城市在接觸網(wǎng)系統(tǒng)的選取上也有所不同，需要更為全面、系統(tǒng)、科學(xué)的接觸網(wǎng)參數(shù)檢測(cè)與分析，為現(xiàn)場(chǎng)檢修工作提供真實(shí)有力的客觀依據(jù)[4]。

1 接觸網(wǎng)檢測(cè)參數(shù)概況

接觸網(wǎng)承載著機(jī)車運(yùn)行需要的電能，接觸網(wǎng)性能以及弓網(wǎng)耦合性能是決定機(jī)車接受電能質(zhì)量的關(guān)鍵[5]。優(yōu)化接觸網(wǎng)檢修內(nèi)容，需要對(duì)接觸網(wǎng)狀態(tài)檢測(cè)內(nèi)容進(jìn)行科學(xué)設(shè)定，包括檢測(cè)接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)元器件、弓網(wǎng)耦合過(guò)程，涉及多項(xiàng)機(jī)械、電氣指標(biāo)。通過(guò)科學(xué)分析評(píng)判，為牽引供電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)質(zhì)量提供可靠指標(biāo)參數(shù)[6]。接觸網(wǎng)多項(xiàng)動(dòng)靜特性檢測(cè)通常包括接觸線距離軌面的高度及其變化曲線、受電弓運(yùn)行軌跡、接觸壓力變動(dòng)情況、接觸網(wǎng)彈性性能、最大振幅、離線頻次、燃弧持續(xù)時(shí)間、振動(dòng)沖擊數(shù)值等。

由于機(jī)車運(yùn)行過(guò)程中，機(jī)車行駛速度、客運(yùn)容量、弓網(wǎng)狀態(tài)實(shí)時(shí)發(fā)生改變，因此，需要增加對(duì)接觸網(wǎng)狀態(tài)參數(shù)的檢測(cè)，包括接觸線的偏移量和拉出值、高度差值、水平差值、斜率、磨耗指標(biāo)、硬點(diǎn)檢測(cè)、溫度變化、電壓降低值等參數(shù)。

2 接觸網(wǎng)檢測(cè)技術(shù)

近年來(lái)，應(yīng)用較為廣泛的接觸網(wǎng)檢測(cè)技術(shù)包括靜態(tài)檢測(cè)、接觸式檢測(cè)、非接觸式檢測(cè)及地鐵網(wǎng)軌檢測(cè)車動(dòng)態(tài)測(cè)量[7]。

2.1 靜態(tài)檢測(cè)

靜態(tài)檢測(cè)是指通過(guò)測(cè)量接觸懸掛各個(gè)部位的靜態(tài)尺寸，判斷接觸網(wǎng)實(shí)際參數(shù)與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)之間的差距。通常在線路停運(yùn)時(shí)，由檢修人員攜帶特定檢測(cè)裝置對(duì)接觸網(wǎng)的接觸線高度、抬升值、之字值等靜態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量收集。靜態(tài)測(cè)量能夠在機(jī)車運(yùn)行之初確保接觸網(wǎng)的技術(shù)參數(shù)要求，從源頭杜絕事故風(fēng)險(xiǎn)，是日常運(yùn)維工作的一項(xiàng)常規(guī)任務(wù)，也是降低事故發(fā)生概率的有效手段。

機(jī)車運(yùn)行導(dǎo)致接觸網(wǎng)與受電弓的性能隨之發(fā)生改變，從而限制了靜態(tài)檢測(cè)的應(yīng)用范圍，但是靜態(tài)測(cè)量的檢測(cè)數(shù)據(jù)能夠真實(shí)反映接觸網(wǎng)的幾何尺寸等數(shù)據(jù)，為接觸網(wǎng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量提供參考。

2.2 接觸式檢測(cè)

圖1 接觸式檢測(cè)技術(shù)工作原理

接觸式檢測(cè)方式工作原理如圖?1?所示。在受電弓的4?個(gè)測(cè)角分別安裝結(jié)構(gòu)、性能、靈敏度、誤差和線性度相同或者接近的檢測(cè)裝置。受電弓與接觸網(wǎng)接觸完成受流的過(guò)程中，作用在距離受電弓中點(diǎn)?a?位置，使受電弓與接觸線受到彼此壓力的相互作用，產(chǎn)生相應(yīng)的形變，對(duì)應(yīng)得到弓網(wǎng)接觸力f1和f2，4?個(gè)檢測(cè)裝置通過(guò)檢測(cè)形變量計(jì)算出拉出值L。

接觸式檢測(cè)方式設(shè)計(jì)原理簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)全天候檢測(cè)，但對(duì)檢測(cè)設(shè)備及安裝過(guò)程要求較高，同時(shí)對(duì)后期維護(hù)提出更高要求，從而影響測(cè)量精度與應(yīng)用范圍。

2.3 非接觸式檢測(cè)

非接觸式檢測(cè)方式依托現(xiàn)代科技技術(shù)，特別是計(jì)算機(jī)與傳感技術(shù)的發(fā)展，從最開(kāi)始的非接觸式激光雷達(dá)掃描測(cè)量法，慢慢發(fā)展為超聲波檢測(cè)，又到現(xiàn)在的非接觸式圖像測(cè)量法，其應(yīng)用前景十分樂(lè)觀。

2.3.1 非接觸式激光雷達(dá)掃描測(cè)量法

非接觸式激光雷達(dá)掃描法利用激光反射原理（圖2），首先在機(jī)車頂部安裝雷達(dá)激光發(fā)射裝置，發(fā)出連續(xù)、穩(wěn)定的激光雷達(dá)射線，保證檢測(cè)運(yùn)行的全過(guò)程。激光雷達(dá)射線沿著直線傳播，在傳播過(guò)程中遇到障礙物（即接觸線）時(shí)，由于反射原理，反射回來(lái)的激光雷達(dá)射線被安裝在機(jī)車頂部的裝置接收后，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理為相應(yīng)的數(shù)字信息，將此信息與激光雷達(dá)射線的運(yùn)行速度、信號(hào)間隔等信息進(jìn)行計(jì)算，得出導(dǎo)高和拉出值等參數(shù)信息。

圖2 激光雷達(dá)掃描工作原理

非接觸式激光雷達(dá)掃描法速度快、穿透能力強(qiáng)，延伸了測(cè)量距離；計(jì)算機(jī)將信息進(jìn)行計(jì)算處理，結(jié)果精確、速度快。但是在機(jī)車運(yùn)行過(guò)程中，周圍分布著不斷變化的電磁環(huán)境，激光雷達(dá)射線在傳輸過(guò)程中受到干擾，使測(cè)量精度下降。

2.3.2 超聲波檢測(cè)法

超聲波檢測(cè)與非接觸式激光雷達(dá)檢測(cè)原理類似，不同之處在于檢測(cè)介質(zhì)由激光雷達(dá)轉(zhuǎn)變?yōu)槌暡ā３暡ū苊饬酥車姶怒h(huán)境的影響，并且可以實(shí)現(xiàn)在固體介質(zhì)中的傳導(dǎo)，對(duì)于檢測(cè)接觸線之間的縫隙、線夾松動(dòng)等問(wèn)題可以得到較好利用；同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)絕緣損壞的檢測(cè)，對(duì)于微小變化能夠分辨，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行中存在的隱患，減小機(jī)車運(yùn)行中存在的風(fēng)險(xiǎn)。

超聲波檢測(cè)目前成本較高，單一使用測(cè)量范圍較小，需與其他檢測(cè)裝置配合，這不僅增加了超聲波檢測(cè)的使用成本，也造成了設(shè)備后期維護(hù)的不便，導(dǎo)致超聲波檢測(cè)目前尚未得到廣泛應(yīng)用[8]。

2.3.3 非接觸式圖像測(cè)量法

基于圖像處理與計(jì)算機(jī)技術(shù)的非接觸式圖像測(cè)量法近年來(lái)得到越來(lái)越多的應(yīng)用。該技術(shù)通過(guò)在機(jī)車頂部安裝高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)對(duì)檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行圖像信息收集，利用拍攝光線條得到接觸線的位置，將信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，通過(guò)計(jì)算機(jī)處理，得到接觸線的高度和偏移參數(shù)。利用線性結(jié)構(gòu)光三維視覺(jué)原理，可以得到形象直觀、直接準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)參數(shù)及設(shè)備狀態(tài)。

非接觸式圖像測(cè)量法與紅外線技術(shù)結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)全天候全過(guò)程對(duì)接觸線的檢測(cè)，其攝像檢測(cè)效果如圖?3?所示。在應(yīng)用成本上，非接觸式圖像測(cè)量法通過(guò)對(duì)圖像信息收集、圖像處理與分析計(jì)算得到多項(xiàng)檢測(cè)數(shù)據(jù)，可以替代傳統(tǒng)檢修裝置，減少檢測(cè)裝備數(shù)量，降低檢測(cè)成本，簡(jiǎn)化后期運(yùn)維難度。同時(shí)，采集與計(jì)算過(guò)程相對(duì)獨(dú)立，提高了計(jì)算速度與精度。近年來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，使該檢測(cè)方式應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。

圖3 紅外線攝像檢測(cè)效果

2.4 地鐵網(wǎng)軌檢測(cè)車動(dòng)態(tài)測(cè)量

由于地鐵的運(yùn)行與行駛狀態(tài)實(shí)時(shí)變化，因此需要加強(qiáng)動(dòng)態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)的采集。網(wǎng)軌檢測(cè)車一般采用非接觸式光學(xué)采集原理，利用線陣攝像機(jī)三角形測(cè)量技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)檢測(cè)受電弓滑板和接觸線之間的動(dòng)態(tài)接觸力及其分布情況，精確測(cè)量、定量分析接觸網(wǎng)和受電弓的運(yùn)行狀況，保障系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

網(wǎng)軌檢測(cè)車經(jīng)常在接觸網(wǎng)帶電情況下對(duì)各項(xiàng)檢測(cè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量[9]，保證列車在正常行駛時(shí)對(duì)接觸網(wǎng)的動(dòng)態(tài)檢測(cè)測(cè)量，同時(shí)滿足精度要求。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，檢測(cè)車成為柔性接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)的重要方式，對(duì)列車正常取流和事故預(yù)防起著舉足輕重的作用。

3 接觸網(wǎng)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用

接觸網(wǎng)檢測(cè)技術(shù)為適應(yīng)新的應(yīng)用環(huán)境，在技術(shù)層面上不斷取得進(jìn)步，在實(shí)際應(yīng)用中也出現(xiàn)不同的類別。為滿足接觸網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展，需要不斷提升接觸網(wǎng)檢測(cè)技術(shù)。

3.1 針對(duì)接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)

接觸網(wǎng)幾何參數(shù)通常是指接觸網(wǎng)導(dǎo)線高度拉出值以及錨段關(guān)節(jié)兩線間距等。我國(guó)最早的地鐵接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)采用物理接觸的計(jì)算方式，通過(guò)受電弓上輸出的開(kāi)關(guān)信號(hào)，帶入計(jì)算公式，計(jì)算拉出值。測(cè)量接觸線動(dòng)態(tài)導(dǎo)高時(shí)，在受電弓上安裝反射板，利用電客車頂部的測(cè)距激光傳感器，測(cè)量受電弓與電客車頂部的距離，計(jì)算出接觸網(wǎng)幾何參數(shù)。

我國(guó)廣州地鐵?1?號(hào)線采用接觸式檢測(cè)方式（圖4），該檢測(cè)方式存在原理上的缺陷：①物理接觸使得接近開(kāi)關(guān)的可靠性較差，容易損壞，精度不高；②實(shí)際運(yùn)行中，導(dǎo)高檢測(cè)受到較大的噪聲干擾，影響了測(cè)量精度，因此有一定的局限性。

圖4 接觸式接觸網(wǎng)檢測(cè)方式

為克服上述檢測(cè)方法存在的問(wèn)題，我國(guó)蘇州地鐵、西安地鐵及上海地鐵的接觸網(wǎng)檢測(cè)采用激光雷達(dá)掃描法。該方式利用二維平面測(cè)量手段，解決了錨段關(guān)節(jié)及線岔等關(guān)鍵區(qū)域的幾何參數(shù)測(cè)量問(wèn)題，但由于技術(shù)水平有限，測(cè)量精度未達(dá)到要求，并未實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用。

廣州地鐵?2?號(hào)線剛性接觸網(wǎng)測(cè)量使用基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的接觸網(wǎng)檢測(cè)方式，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，檢測(cè)精度得到明顯提高，但受技術(shù)水平的約束，檢測(cè)范圍受限，因此在地鐵柔性接觸網(wǎng)檢測(cè)中應(yīng)用較少。

基于線陣相機(jī)的計(jì)算機(jī)視覺(jué)檢測(cè)方式克服了接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)密度小的缺陷，應(yīng)用于德國(guó)、意大利以及我國(guó)上海地鐵等接觸網(wǎng)的檢測(cè)中。如圖?5?所示，該方法采用?2?臺(tái)線陣相機(jī)，每臺(tái)相機(jī)分別獲取接觸網(wǎng)位置狀態(tài)，并以灰度值形態(tài)呈現(xiàn)；借助圖像識(shí)別、分析、處理等技術(shù)，將相機(jī)獲取的灰度值還原為目標(biāo)成像所對(duì)應(yīng)的位置坐標(biāo)；通過(guò)三角測(cè)量法，計(jì)算接觸網(wǎng)幾何參數(shù)，實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)幾何參數(shù)的高精度檢測(cè)。線陣相機(jī)的掃描頻率可達(dá)上千幀，并且不受測(cè)量范圍的限制。重慶地鐵檢修方式在此基礎(chǔ)上利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)原理，識(shí)別走行軌的特征，實(shí)時(shí)判斷車體的振動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)行車體振動(dòng)補(bǔ)償，消除機(jī)車在行駛過(guò)程中振動(dòng)造成的影響。將接觸網(wǎng)幾何參數(shù)歸算到走行軌中心，大大降低了由于車體振動(dòng)所造成的接觸網(wǎng)幾何參數(shù)的隨機(jī)性，通過(guò)實(shí)踐表明，此方法效果明顯，應(yīng)用前景良好。

圖5 基于線陣相機(jī)的接觸網(wǎng)檢測(cè)方式

3.2 針對(duì)弓網(wǎng)相互作用動(dòng)態(tài)參數(shù)檢測(cè)

弓網(wǎng)受流質(zhì)量是弓網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)與性能優(yōu)劣的客觀反映，檢測(cè)弓網(wǎng)相互作用動(dòng)態(tài)參數(shù)、探究弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)受流性能是弓網(wǎng)檢測(cè)的重要內(nèi)容。在弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)受流性能檢測(cè)中，接觸網(wǎng)檢測(cè)車得到了廣泛應(yīng)用。接觸網(wǎng)檢測(cè)車可以較好地模擬客車實(shí)際運(yùn)行效果，檢測(cè)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下的弓網(wǎng)接觸壓力、弓網(wǎng)燃弧特性，通過(guò)對(duì)動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行科學(xué)分析，可以得到較為準(zhǔn)確的弓網(wǎng)受流質(zhì)量參數(shù)，但是檢測(cè)過(guò)程中檢測(cè)車型號(hào)、行駛速度、運(yùn)行方式較為單一，檢測(cè)結(jié)果只能較為準(zhǔn)確地反映弓網(wǎng)受流質(zhì)量的部分特性，存在片面性。該檢測(cè)技術(shù)在德國(guó)、日本等國(guó)家應(yīng)用較多，我國(guó)由于受到諸多因素的影響，國(guó)內(nèi)地鐵檢測(cè)中并未配備專門電客車形式的綜合檢測(cè)車。近年來(lái)，日本以及廣州地鐵?3?號(hào)線運(yùn)營(yíng)電客車通過(guò)非接觸的檢測(cè)方式檢測(cè)弓網(wǎng)燃弧狀態(tài)，從而評(píng)價(jià)弓網(wǎng)受流質(zhì)量，從根本上反映弓網(wǎng)的動(dòng)態(tài)關(guān)系，為更好地評(píng)價(jià)弓網(wǎng)受流質(zhì)量提供更為客觀的參數(shù)。

地鐵接觸網(wǎng)檢測(cè)需要將接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)和弓網(wǎng)相互作用動(dòng)態(tài)參數(shù)檢測(cè)有機(jī)融合，將科學(xué)運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行信息與檢測(cè)車檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合，打造接觸網(wǎng)檢測(cè)車與電客車的一體化聯(lián)合檢測(cè)平臺(tái)，提升弓網(wǎng)相互作用動(dòng)態(tài)參數(shù)檢測(cè)的系統(tǒng)性與準(zhǔn)確性，提高接觸網(wǎng)維修的質(zhì)量和精準(zhǔn)度，確保弓網(wǎng)系統(tǒng)的安全服役性能，為檢修工作提供強(qiáng)有力的支撐。

4 接觸網(wǎng)檢測(cè)方式新要求

當(dāng)前，城市軌道交通進(jìn)入高速發(fā)展階段，接觸網(wǎng)技術(shù)在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)工藝上趨于成熟。接觸網(wǎng)檢測(cè)為更好地適應(yīng)復(fù)雜多變的運(yùn)行條件，兼顧接觸網(wǎng)靜態(tài)特性與動(dòng)態(tài)參數(shù)的檢測(cè)，提出接觸網(wǎng)檢測(cè)技術(shù)的新要求：

（1）不斷實(shí)現(xiàn)檢測(cè)裝置的優(yōu)化、檢測(cè)技術(shù)的更新、檢測(cè)方式的提升，使檢測(cè)結(jié)果更加全面、準(zhǔn)確，更加符合需求；

（2）將傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)與實(shí)際運(yùn)行信息進(jìn)行轉(zhuǎn)變、融合，建立一套融合檢測(cè)數(shù)據(jù)與運(yùn)行信息相互支撐的，包含接觸網(wǎng)幾何參數(shù)和弓網(wǎng)相互作用動(dòng)態(tài)參數(shù)的檢測(cè)檢修體系；

（3）統(tǒng)籌電客車與接觸網(wǎng)檢測(cè)車運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)資源有效利用，形成一種全面、精確、系統(tǒng)、科學(xué)、高效的新檢修方式。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)接觸網(wǎng)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行闡述，分析不同檢測(cè)方式的特點(diǎn)，并依據(jù)接觸網(wǎng)檢測(cè)新要求，闡述轉(zhuǎn)變接觸網(wǎng)檢測(cè)方式的必要性和可行性，為接觸網(wǎng)的檢測(cè)檢修提供一種新思路，為接觸網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供有力支撐。