隨著電氣化鐵路的飛速發(fā)展，電氣化鐵路越來越多，同時對鐵路的安全運營要求也越來越高，因為接觸網(wǎng)是一種特殊對電力機(jī)車提供不間斷的電能形式的供電線路，所以在電氣化鐵路的運營過程中必須進(jìn)行一系列的接觸網(wǎng)檢測工作，以便及時發(fā)現(xiàn)隱患并克服存在的問題，保證良好的受流。

從國內(nèi)國際來看，現(xiàn)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)動力學(xué)參數(shù)測試，非接觸式只能測量接觸網(wǎng)幾何參數(shù)，當(dāng)前接觸網(wǎng)檢測技術(shù)已達(dá)到一個相當(dāng)高的水平，基本解決250公里/小時及以下時速的接觸網(wǎng)檢測技術(shù)。但有接觸網(wǎng)檢測數(shù)據(jù)的定位問題一直沒有得到很好解決。

由于數(shù)據(jù)定位不準(zhǔn)，導(dǎo)致檢測數(shù)據(jù)出現(xiàn)張冠李戴的問題，但在發(fā)展檢測技術(shù)的初級階段，對這個問題沒有足夠重視，導(dǎo)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，制約了整個檢測技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

1 接觸網(wǎng)檢測數(shù)據(jù)的定位技術(shù)分析

1.1 接觸網(wǎng)定位技術(shù)現(xiàn)狀

目前，縱觀國內(nèi)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(shù)據(jù)庫定位技術(shù)(通過建立線路桿號數(shù)據(jù)庫,并給定支柱之間的跨距，通過車輛運行是對速度進(jìn)行處理算出累積里程,對數(shù)據(jù)庫內(nèi)跨距進(jìn)行判斷,得到支柱位置)；

第二，拉出值拐點處理技術(shù)(利用接觸網(wǎng)固有特點呈之字形設(shè)計,通過拉出值檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,找出拉出值檢測數(shù)據(jù)拐點位置從而確定為定位位置)；

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

目前國內(nèi)大多數(shù)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(jié)合，個別企業(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有附加輔助定位系統(tǒng)。

1.2 存在的問題

通過采用以上三種對接觸網(wǎng)檢測數(shù)據(jù)定位的方法，大量的實驗表明，這三種方法有自己的優(yōu)缺點。

第一種方法的優(yōu)點是能在確保數(shù)據(jù)庫很準(zhǔn)的前提下，如果速度傳感器不出問題，桿號識別率達(dá)到80%，且只是通過軟件實現(xiàn)，不涉及硬件，工作量相對較??；它的缺點是由于鐵路系統(tǒng)線路比較長，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性沒法保證，再有就是速度傳感器與車軸連接部位存在打滑，可能導(dǎo)致車輛繼續(xù)行走但速度傳感器沒有數(shù)據(jù)采集，上位機(jī)在計算里程時出錯，導(dǎo)致桿號測量不準(zhǔn)。

第二種方法是基于純軟件測量方法，依據(jù)線路特點（定位點一般在拉出值最大處）對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到桿號位置，通過對軟件不斷修改，桿號正確識別率有可能達(dá)到80%，且不需要硬件設(shè)備，維護(hù)工作量大大減少；該方法缺點是由于線路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，軟件處理不了時，只能不處理，這樣就導(dǎo)致檢測數(shù)據(jù)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題。

1.3 相應(yīng)的改進(jìn)措施

基于接觸網(wǎng)檢測在定位方面存在的問題，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(biāo)就是桿號，這樣就從根本上解決了桿號不準(zhǔn)問題。實踐也證明了本文的理論分析以及測試的精確性和可行性。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

接觸網(wǎng)檢測車動態(tài)桿號測試系統(tǒng)由接觸網(wǎng)定位器，激光傳感器，以太網(wǎng)，工業(yè)計算機(jī)，DSP嵌入式系統(tǒng)，以及監(jiān)視器和相應(yīng)數(shù)據(jù)采集處理軟件組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。通過在車頂兩側(cè)垂直向上各安裝一臺二維激光傳感器,激光傳感器對準(zhǔn)接觸網(wǎng)定位器，通過二維激光傳感器實時對定位器進(jìn)行掃描，激光傳感器將掃描得到桿號信息，通過以太網(wǎng)傳輸接口將信息傳送到嵌入式處理系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，通過嵌入式處理系統(tǒng)處理后形成所需桿號信息，最后再通過以太網(wǎng)接口將最終有用信息送往上位機(jī)供檢測系統(tǒng)使用，進(jìn)而對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行一一定位。

圖1 基于二維激光桿號測量原理框圖

由于感光元件是固定在傳感器上并有一定區(qū)域的，所以只有當(dāng)發(fā)射光以一定的角度從被測物體反射時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。

所以激光在這個速度下完全可以達(dá)到實時掃描的目的。

現(xiàn)有檢測車檢測的動態(tài)數(shù)據(jù)和靜態(tài)數(shù)據(jù)多以受電弓為基準(zhǔn)位置，基于此本系統(tǒng)將安裝多組OPTIMESS S1 CCD激光傳感器于車體A、B兩側(cè)，并通過校準(zhǔn)使其精確的對準(zhǔn)定位管，如圖2所示。避免了單個傳感器由于定位器的環(huán)境污染，反射能力不夠造成的數(shù)據(jù)丟失，極大的提高了系統(tǒng)的可靠性。

圖2 車體安裝示意圖

3 數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)由DSP+FPGA嵌入式開發(fā)板、接口電路（USB及RS485）、存儲器、上位機(jī)等幾部分構(gòu)成。其工作流程是：定位管桿位信號通過前端激光傳感器及傳輸系統(tǒng)經(jīng)過以太網(wǎng)接口送至DSP數(shù)據(jù)采集及分析處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由FPGA構(gòu)成以太網(wǎng)接口電路以及DSP實現(xiàn)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。

通過FPGA實現(xiàn)信號的預(yù)處理，送至DSP實現(xiàn)信號的再處理標(biāo)定出當(dāng)前桿號信息，通過LCD液晶顯示模塊進(jìn)行實時顯示。另外，還需要將重要的數(shù)據(jù)存入SD卡存儲系統(tǒng)中。，通過以太網(wǎng)接口實現(xiàn)與上位機(jī)進(jìn)行通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。如圖3所示：

圖3 數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)功能框圖

嵌入式系統(tǒng)采用先進(jìn)的DSP+FPGA架構(gòu)，使用TI公司的TMS320C6713，最高運算速度達(dá)到1350MIPS，SPARTAN XC2S200板載20萬門FPGA ，系統(tǒng)最高時鐘頻率為200M，2M Bytes 大容量FLASH，AM29LV1605，4M*16 bit SDRAM，MT48LC4M16A2，100M 工作時鐘，最高工作頻率143MHz。保證了足夠的系統(tǒng)資源。適用于高速實時檢測的需要。FPGA與DSP采用EMIF接口進(jìn)行通訊，F(xiàn)PGA/DSP通信電路如圖4所示：

圖4 FPGA/DSP通信電路

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.2.1 DSP處理程序

設(shè)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(tǒng)復(fù)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。本文只簡單介紹軟件的功能。程序從結(jié)構(gòu)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(tǒng)初始化程序。設(shè)置外部存儲器接口、串口、定時器、中斷、中斷向量表、鍵盤接口等參數(shù),確定系統(tǒng)的運行模式。

②數(shù)據(jù)處理程序。把激光傳感器送來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成實際的桿號信息,將多組傳感器送來的信號進(jìn)行數(shù)據(jù)的融合確定實際的桿號信息,采集數(shù)據(jù)的高頻噪聲濾波,最終得到反應(yīng)系統(tǒng)實際工況定位信息。

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 鍵盤掃描程序。當(dāng)有按鍵動作時,讀取按鍵編碼。占用6713的INT7中斷。

③ 通信程序。實現(xiàn)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)控制器的實現(xiàn)：

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

2、LCD接口的實現(xiàn)：

FPGA主要產(chǎn)生LCD顯示所需要的時序，并接受來自DSP的指令和數(shù)據(jù)執(zhí)行和顯示。

3、按鍵接口：

實現(xiàn)按鍵去抖動處理，并讀取鍵值發(fā)送中斷至DSP進(jìn)行處理和響應(yīng)。

4 系統(tǒng)的應(yīng)用實例分析

基于二維激光檢測技術(shù)的接觸網(wǎng)動態(tài)桿位定位系統(tǒng)結(jié)合現(xiàn)有接觸網(wǎng)檢測車通過對金堂到遂寧現(xiàn)場試驗，通過對接觸網(wǎng)參數(shù)的檢測和數(shù)據(jù)的實時傳送，接觸網(wǎng)檢測車精確捕捉到了桿號，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確實時，實時采集，實時傳送，從而實現(xiàn)了檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確定位，采集桿號的效果如圖5所示：

圖5 實驗結(jié)果

在接觸線走線標(biāo)準(zhǔn)，沒有橫跨和下錨的情況下，該定位系統(tǒng)效果良好，能夠精確的定位到每一個桿號，為接觸網(wǎng)動態(tài)參數(shù)檢測提供參數(shù)位置信息。

5 總結(jié)

本文通過對當(dāng)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，研究了基于二維激光檢測技術(shù)的接觸網(wǎng)動態(tài)桿位定位系統(tǒng)，實驗結(jié)果證明了該系統(tǒng)在接觸線走線標(biāo)準(zhǔn)，沒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(tǒng)的精確性。所以整個系統(tǒng)仍需進(jìn)一步完善，以便對檢測數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確的實時的定位，為以后研究接觸網(wǎng)檢測數(shù)據(jù)的更精確定位提供了新方法。

本文編自《電氣技術(shù)》，原文標(biāo)題為“基于激光檢測技術(shù)的接觸網(wǎng)動態(tài)桿位定位系統(tǒng)的研究”，作者為張士奎、王元貴 等。