隨著(zhù)電氣化鐵路的飛速發(fā)展，電氣化鐵路越來(lái)越多，同時(shí)對鐵路的安全運營(yíng)要求也越來(lái)越高，因為接觸網(wǎng)是一種特殊對電力機車(chē)提供不間斷的電能形式的供電線(xiàn)路，所以在電氣化鐵路的運營(yíng)過(guò)程中必須進(jìn)行一系列的接觸網(wǎng)檢測工作，以便及時(shí)發(fā)現隱患并克服存在的問(wèn)題，保證良好的受流。

      從國內國際來(lái)看，現在對接觸網(wǎng)測試的方法主要包括接觸式和非接觸式兩種測量方式，接觸式主要偏重于接觸網(wǎng)動(dòng)力學(xué)參數測試，非接觸式只能測量接觸網(wǎng)幾何參數，當前接觸網(wǎng)檢測技術(shù)已達到一個(gè)相當高的水平，基本解決250公里/小時(shí)及以下時(shí)速的接觸網(wǎng)檢測技術(shù)。但有接觸網(wǎng)檢測數據的定位問(wèn)題一直沒(méi)有得到很好解決。

      由于數據定位不準，導致檢測數據出現張冠李戴的問(wèn)題，但在發(fā)展檢測技術(shù)的初級階段，對這個(gè)問(wèn)題沒(méi)有足夠重視，導致接觸網(wǎng)定位檢測技術(shù)跟不上其它技術(shù)發(fā)展的步伐，最終由于定位技術(shù)的限制，制約了整個(gè)檢測技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

01接觸網(wǎng)檢測數據的定位技術(shù)分析

1.1 接觸網(wǎng)定位技術(shù)現狀

        目前，縱觀(guān)國內外接觸網(wǎng)檢測定位技術(shù),主要包括如下三種方法：

         第一，數據庫定位技術(shù)(通過(guò)建立線(xiàn)路桿號數據庫,并給定支柱之間的跨距，通過(guò)車(chē)輛運行是對速度進(jìn)行處理算出累積里程,對數據庫內跨距進(jìn)行判斷,得到支柱位置)；

        第二，拉出值拐點(diǎn)處理技術(shù)(利用接觸網(wǎng)固有特點(diǎn)呈之字形設計,通過(guò)拉出值檢測數據進(jìn)行分析處理,找出拉出值檢測數據拐點(diǎn)位置從而確定為定位位置)；

       第三，基于公里標測試方法（該方法拋開(kāi)桿號不管，只對公里標進(jìn)行校對，感覺(jué)上誤差比較小運行100公里誤差1公里也就誤差1%，但對于接觸網(wǎng)維護是基于桿號進(jìn)行，每個(gè)桿號之間距離僅為10～60米，這樣就導致維修無(wú)法進(jìn)行，國內采用此方法的，同時(shí)還增加了輔助定位系統，才能縮小誤差，即是將100公里分成100份進(jìn)行公里標測試，且每1公里系統自動(dòng)定位校準，這樣確保1公里誤差不超過(guò)100米，即使將誤差控制1-2個(gè)桿號內）。

       目前國內大多數做接觸網(wǎng)檢測企業(yè)采用第一種，部分企業(yè)采用將兩種方法結合，個(gè)別企業(yè)是采用第三種方法，國外產(chǎn)品則主要使用第二種方法和第三種但沒(méi)有附加輔助定位系統。

1.2 存在的問(wèn)題

       通過(guò)采用以上三種對接觸網(wǎng)檢測數據定位的方法，大量的實(shí)驗表明，這三種方法有自己的優(yōu)缺點(diǎn)。

       第一種方法的優(yōu)點(diǎn)是能在確保數據庫很準的前提下，如果速度傳感器不出問(wèn)題，桿號識別率達到80%，且只是通過(guò)軟件實(shí)現，不涉及硬件，工作量相對較��；它的缺點(diǎn)是由于鐵路系統線(xiàn)路比較長(cháng)，數據準確性沒(méi)法保證，再有就是速度傳感器與車(chē)軸連接部位存在打滑，可能導致車(chē)輛繼續行走但速度傳感器沒(méi)有數據采集，上位機在計算里程時(shí)出錯，導致桿號測量不準。

       第二種方法是基于純軟件測量方法，依據線(xiàn)路特點(diǎn)（定位點(diǎn)一般在拉出值最大處）對測量數據進(jìn)行分析，得到桿號位置，通過(guò)對軟件不斷修改，桿號正確識別率有可能達到80%，且不需要硬件設備，維護工作量大大減少；該方法缺點(diǎn)是由于線(xiàn)路結構比較復雜，軟件處理不了時(shí)，只能不處理，這樣就導致檢測數據錯位。

上述三種方法都是間接對桿號進(jìn)行測量，不能從根本上解決桿號測量問(wèn)題。

1.3 相應的改進(jìn)措施

      基于接觸網(wǎng)檢測在定位方面存在的問(wèn)題，本文提出一種基于二維激光的桿號直接測量方法，這種方法目標就是桿號，這樣就從根本上解決了桿號不準問(wèn)題。實(shí)踐也證明了本文的理論分析以及測試的精確性和可行性。

02系統結構和工作原理
     接觸網(wǎng)檢測車(chē)動(dòng)態(tài)桿號測試系統由接觸網(wǎng)定位器，激光傳感器，以太網(wǎng)，工業(yè)計算機，DSP嵌入式系統，以及監視器和相應數據采集處理軟件組成。系統結構圖如圖1所示。通過(guò)在車(chē)頂兩側垂直向上各安裝一臺二維激光傳感器,激光傳感器對準接觸網(wǎng)定位器，通過(guò)二維激光傳感器實(shí)時(shí)對定位器進(jìn)行掃描，激光傳感器將掃描得到桿號信息，通過(guò)以太網(wǎng)傳輸接口將信息傳送到嵌入式處理系統，進(jìn)行數據分析和處理，通過(guò)嵌入式處理系統處理后形成所需桿號信息，最后再通過(guò)以太網(wǎng)接口將最終有用信息送往上位機供檢測系統使用，進(jìn)而對檢測數據進(jìn)行一一定位。

      由于感光元件是固定在傳感器上并有一定區域的，所以只有當發(fā)射光以一定的角度從被測物體反射時(shí)才能被感光元件接收。該傳感器的安裝方法是發(fā)射光必須垂直于被測物體，決定反射角度的因素有光源與被測物的距離和物體的形狀。

       所以激光在這個(gè)速度下完全可以達到實(shí)時(shí)掃描的目的。

       現有檢測車(chē)檢測的動(dòng)態(tài)數據和靜態(tài)數據多以受電弓為基準位置，基于此本系統將安裝多組OPTIMESS S1 CCD激光傳感器于車(chē)體A、B兩側，并通過(guò)校準使其精確的對準定位管，如圖2所示。避免了單個(gè)傳感器由于定位器的環(huán)境污染，反射能力不夠造成的數據丟失，極大的提高了系統的可靠性。

03數據分析處理系統

3.1 系統的硬件設計

      數據分析處理系統由DSP+FPGA嵌入式開(kāi)發(fā)板、接口電路（USB及RS485）、存儲器、上位機等幾部分構成。其工作流程是：定位管桿位信號通過(guò)前端激光傳感器及傳輸系統經(jīng)過(guò)以太網(wǎng)接口送至DSP數據采集及分析處理系統，該系統主要由FPGA構成以太網(wǎng)接口電路以及DSP實(shí)現的數據處理系統組成。

       通過(guò)FPGA實(shí)現信號的預處理，送至DSP實(shí)現信號的再處理標定出當前桿號信息，通過(guò)LCD液晶顯示模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。另外，還需要將重要的數據存入SD卡存儲系統中。，通過(guò)以太網(wǎng)接口實(shí)現與上位機進(jìn)行通信，進(jìn)行數據融合。如圖3所示：

      嵌入式系統采用先進(jìn)的DSP+FPGA架構，使用TI公司的TMS320C6713，最高運算速度達到1350MIPS，SPARTAN XC2S200板載20萬(wàn)門(mén)FPGA ，系統最高時(shí)鐘頻率為200M，2M Bytes 大容量FLASH，AM29LV1605，4M*16 bit SDRAM，MT48LC4M16A2，100M 工作時(shí)鐘，最高工作頻率143MHz。保證了足夠的系統資源。適用于高速實(shí)時(shí)檢測的需要。FPGA與DSP采用EMIF接口進(jìn)行通訊，FPGA/DSP通信電路如圖4所示：

3.2 系統軟件設計

3.2.1 DSP處理程序

       設定Microcomputer/ Bootloader 為VC33 的運行模式。運行前程序存放在存取速度較低的Flash 中，系統復位后，由固化在DSP 芯片上的Bootloader， 把程序搬移到高速SRAM 中全速運行。本文只簡(jiǎn)單介紹軟件的功能。程序從結構上分為主程序和中斷服務(wù)程序兩部分。

主程序包括:

①系統初始化程序。設置外部存儲器接口、串口、定時(shí)器、中斷、中斷向量表、鍵盤(pán)接口等參數,確定系統的運行模式。

②數據處理程序。把激光傳感器送來(lái)的數據轉化成實(shí)際的桿號信息,將多組傳感器送來(lái)的信號進(jìn)行數據的融合確定實(shí)際的桿號信息,采集數據的高頻噪聲濾波,最終得到反應系統實(shí)際工況定位信息。

中斷服務(wù)程序包括:

① 信號采集程序。完成四路激光傳感器的信號采集。A/D采集程序占用6713的INT0中斷。

② 鍵盤(pán)掃描程序。當有按鍵動(dòng)作時(shí),讀取按鍵編碼。占用6713的INT7中斷。

③ 通信程序。實(shí)現DSP與FPGA的通訊、與PC 通信的功能。占用6713的INT7中斷。

3.2.2 FPGA程序包括：

1、以太網(wǎng)控制器的實(shí)現：

以太網(wǎng)控制器的FPGA設計工作包括以太網(wǎng)MAC子層的FPGA設計、MAC子層與上層協(xié)議的接口設計以及MAC與物理層的MII接口設計。

2、LCD接口的實(shí)現：

FPGA主要產(chǎn)生LCD顯示所需要的時(shí)序，并接受來(lái)自DSP的指令和數據執行和顯示。

3、按鍵接口：

實(shí)現按鍵去抖動(dòng)處理，并讀取鍵值發(fā)送中斷至DSP進(jìn)行處理和響應。

04系統的應用實(shí)例分析

      基于二維激光檢測技術(shù)的接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)桿位定位系統結合現有接觸網(wǎng)檢測車(chē)通過(guò)對金堂到遂寧現場(chǎng)試驗，通過(guò)對接觸網(wǎng)參數的檢測和數據的實(shí)時(shí)傳送，接觸網(wǎng)檢測車(chē)精確捕捉到了桿號，該系統數據傳輸準確實(shí)時(shí)，實(shí)時(shí)采集，實(shí)時(shí)傳送，從而實(shí)現了檢測數據的準確定位，采集桿號的效果如圖5所示：

      在接觸線(xiàn)走線(xiàn)標準，沒(méi)有橫跨和下錨的情況下，該定位系統效果良好，能夠精確的定位到每一個(gè)桿號，為接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)參數檢測提供參數位置信息。

05總結

      本文通過(guò)對當前的接觸網(wǎng)檢測定位技術(shù)的分析，對比各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，研究了基于二維激光檢測技術(shù)的接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)桿位定位系統，實(shí)驗結果證明了該系統在接觸線(xiàn)走線(xiàn)標準，沒(méi)有橫跨和下錨的情況下，定位效果良好，但在存在下錨和橫跨，以及隧道的情況下，激光傳感器將受到干擾，輸出干擾信號，引起定位的誤判，影響系統的精確性。所以整個(gè)系統仍需進(jìn)一步完善，以便對檢測數據更加準確的實(shí)時(shí)的定位，為以后研究接觸網(wǎng)檢測數據的更精確定位提供了新方法。

來(lái)源：電氣技術(shù)