高速铁路接触网导线高度检测方法的研究Word文件下载.docx
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我国赶上了第三次浪潮，大力发展有自主知识产权的高速铁路系统，已经建成了京津城际、昌九城际、石太客运专线、胶济客运专线、沪宁高铁、武广客运专线、郑西高速铁路等一批高速铁路，运营里程达到了7531公里，居世界第一位，已成为世界上高速铁路系统技术最全、集成能力最强、运营里程最长、运行速度最高、在建规模最大的国家。
还有京沪高铁、石武客运专线等高速铁路在建或即将开始营运。
根据《中国铁路中长期发展规划》，到2020年，为满足快速增长的旅客运输需求，建立省会城市及大中城市间的快速客运通道，规划“四纵四横”铁路快速客运通道以及四个城际快速客运系统。
建设客运专线1.2万公里以上，客车速度目标值达到每小时200公里及以上。
高速铁路必将成为未来中国客运运输的骨干。
中国高速铁路网规划图如图1-2所示。
图1-2中国高速铁路网规划图
2接触网在高速铁路中重要地位
从电气化铁路面世至今，接触网供电一直是最主要的电气化铁路的供电方式。
如果接触网发生故障或者处于较差的工作状态，将会对电气化铁路的运行带来巨大的影响，甚至造成铁路停运的严重后果[2]。
随着电气化铁路的发展，为了保证电气化铁路获得可靠的电源，就必须对接触网进行监测。
而对于接触网各种参数的测量的方法也在不断的发展。
导线高度是接触网一个主要的参数，关系到受电弓是否能够与接触网紧密接触，高效的获取电能。
对接触网导线高度的测量是接触网检测的一个重要组成部分。
世界各国的高速铁路基本都是以电能为主要动力（极少数为内燃机车），接触网设置与一般电气化铁路类似。
但是由于高速铁路运营时速高，和轨道一样，高速铁路的接触网要求的精度比一般电气化铁路高出许多。
还是由于运营速度高，高速铁路如果出现事故就将是十分严重的，而大多数事故是由于铁路接触设施故障引起的，这就对监测了解铁路接触设施情况提出了更高的要求。
接触网作为主要的供电设备，在高速铁路设备中占有举足轻重的位置。
高速铁路接触网如图1-3所示。
图1-3高速铁路接触网
接触网导线的高度作为接触网一个主要的技术参数，影响着高速铁路机车的运行。
接触网导线高度发生细微的变化，对高速运行着的机车会产生巨大影响，严重情况会导致机车的停运，这将对整条线路的运行产生巨大影响[3]。
由此可见接触网导线高度对高速铁路的运行有巨大的影响。
为了获取接触网导线高度细微的变化，就需要对接触网导线进行高精度的测量。
由此在平时对高速铁路接触网导线进行高精度测量是非常重要的，对于高速铁路网正常运行有巨大意义。
3接触网检测技术国内外研究现状
目前，接触网检测系统以意大利和德国研制的装置最具代表性。
从系统结构看，意大利和奥地利接触网检测设备比较接近，称为非接触式检测方式，主要强调接触网几何参数的测试;
法国、日本和瑞士研制的接触网检测设备与德国比较接近，称为接触式检测方式，主要强调弓网动力学参数的测试[4]。
意大利的接触网检测主要采用激光照射，伺服跟踪、图象处理技术，对非接触式检测的动态拉出值和导线高度测量较准;
但不能测试接触网动力学参数，且因其图象处理计算量很大，也不能适应高速铁路接触网在线测试[5]。
德国接触网检测侧重对接触压力和硬点的测量，优点是所获得的动力学参数较为准确，能够对弓网接触状况做出最直观的评判;
而缺点则在于测试项目不全、杆位定位不准、压力测试设备在温度变化时需要频繁标定、通过压力传感器测试得到的拉出值在高速下误差较大、定位坡度和磨耗不能检测、数据报表和测试曲线表现形式不适合中国国情且价格昂贵[6]。
日本的接触网检测，突出对弓网离线、接触线磨耗的测量。
早在上世纪九十年代，就研制出可在100km/h运行速度下检测接触网导线高度、拉出值、定位器坡度、支柱号和跨距的检测车[7]。
我国的接触网检测技术研究始于20世纪60年代，并在20世纪80年代，自行研制出主要用于检测接触线高度和拉出值等参数测量的接触网检测车。
作为突出代表的是西南交通大学研发的JJC系列接触网检测车，在实际运用中取得了较好的效果。
优点是其对动态拉出值和导线高度的非接触式检测比较准确、压力和硬点检测比较准确、定位准确、数据报表和测试曲线表现形式适合中国国情、价格低;
缺点则在于轨道静态检测不准确、定位坡度定量检测和磨耗检测误差比较大[8]。
4本文的主要工作及其内容
本文的主要工作是总结现有的各种接触网导线检测方法，理解其检测原理，同时通过各种方面比较这些检测方法，对这些方法进行评估，从中选择合适的检测方法，最后，通过对检测方法进行改进和补偿，使检测精度达到所需要的精度。
这个研究可以为以后新型高速铁路接触网巡检车的研制打下基础，具有重大的应用价值。
二接触网检测高度检测的基本概念和基本原理
1接触网检测系统简介
随着客运专线和城际高速铁路的大量建成与投入运营，我国铁路网日趋完善，交通运输能力显著提高。
高速铁路的牵引供电系统主要包括接触网和牵引变电所两部分。
接触网是与高速电气化铁路安全运营直接相关的架空设备，它的任务是保证对电力机车可靠地不间断地提供电能。
由于接触网工作环境恶劣（铁路沿线环境复杂且沿线架设无备用），使其成为整个牵引供电系统中最为薄弱的环节，它的性能直接决定了电力机车受电弓的受流质量，影响列车的运行及安全。
因此，为了保证受电弓与接触线良好接触且可靠受流，不仅要严格要求接触悬挂的设计、施工及运营，而且要不断研究高速铁路接触网检测技术，以便及时发现隐患，克服接触悬挂在某些环节存在的问题，保证接触悬挂处于良好的工作状态。
因此，动车组接触网动态参数检测系统研究对提高牵引供电系统的安全性和可靠性，满足高速电气化铁路工程运营和发展需要，实现高速电气化铁路现代化管理，具有重要的现实意义。
评价接触网受流性能优劣的参数可以分为几何参数与动力学参数两种，几何参数主要有:
接触线高度、拉出值、接触线磨耗、定位管坡度、线岔、支柱位置等;
动力学参数主要有:
悬挂硬点、接触压力、离线状态等[9]。
目前，对接触网相关技术参数进行检测主要靠安装有由传感器、处理机等设备组成的接触网检测系统的工程车实现。
通常，此系统可按功能分为如下几个部分:
前端信号检测系统，信号隔离与传递系统，接口系统，数据采集、析取与传递系统，数据显示、处理与记录系统[10]。
检测系统功能框图如图2-l所示。
图2-1检测系统功能框图
其中，前端信号检测系统由一系列的传感器或智能仪表组成，用于获得包含有待测相关技术参数的原始数据；
信号隔离与传递系统由屏蔽设备、隔离超变压器、光电转换设备等组成，用于隔离高一低压端电气设备，以尽量避免由输电线路引起的电磁干扰的不利影响;
接口系统由多种线缆、接头、转换设备组成，用于系统各硬件设备之间数据传输，完成系统间信息交换;
数据采集、析取与传递系统，用于接收原始检测数据，并进行数据预处理以便为上位机提供待检参数的粗略值;
数据显示、处理与记录系统由工控机等设备组成，用于对所检测数据做进一步处理，提供人机交互接口，生成可供理解、分析、保存的文件。
2弓网结构关系
弓网结构关系如图2-2和图2-3所示，其中，图2-2是沿火车行进方向的纵向视图，图2-3是侧向视图。
图中标识的数据来自于某铁路局检测车的真实数据。
单向向上的箭头表示距离轨道平面的高度。
机车在运行时，接触线与受电弓之间是滑动接触的，为了使受电弓的磨擦更加均匀，接触线一般被设计成“之”字型，所以，从机车的纵向来看接触线是左右摆动的。
又因为机车运行时会产生自然的振动，所以受电弓也会以波动方式与接触线接触，从而接触线也会做上下的波动，图2-2所示的虚线框为接触线系统合理的移动范围。
图2-2高速铁路接触网纵向视图
接触线悬挂在承力索之上，用来为机车提供电能，接触线的悬挂方式有很多种，图2-3所示为一种方法，也是最原始的方法，现在的悬挂方法要复杂的多，悬挂方式的改进主要是提供受电弓与接触线之间的更良好的跟随特性，另外，在某些比较恶劣的环境下，通过悬挂方式的改变，可以增加接触线的牢固性。
图2-3高速铁路接触网横向视图
受电弓是安装在机车顶部的一个受电装置，它与接触线呈交叉式接触，主要负责从接触线上获得电能，它通过一个弹性缓冲结构与机车顶部相连，这种弹性结构保证了受电弓对接触线良好的跟随特性。
另外，受电弓是可升降的，在机车停止时落下，运行时升起[11]。
3对接触网导线高度和拉出值的基本理解
（1）对接触网导线高度的基本理解
接触网导线高度（简称导高），是指悬挂定位点处接触线距轨面的垂直高度（如图2-2所示），设计规范规定如下：
最高高度：
不大于6500mm。
最低高度：
（1）区间、站场：
①一般中间站和区间不小于5700mm。
②编组站、区段站及配有调车组的大型中间站，一般情况不小于6200mm。
确有困难时可不小于5700mm。
（2）隧道内（包括按规定降低高度的隧道口外及跨线建筑物范围内）：
①正常情况（带电通过5300mm超限货物）不小于5700mm。
②困难情况（带电通过5300mm超限货物）不小于5650mm。
③特殊情况不小于5250mm。
接触线高度的允许施工偏差为±
30mm[11]。
本文的主要目的就是研究检测接触网导线高度的方法。
（2）对拉出值的基本理解
在电气化铁路中,电力机车是通过受电弓滑板与接触网导线的滑动接触而取得电能的。
为保证受电弓滑板磨耗均匀,延长其使用寿命,接触导线在线路直线段布置成“之”字形,在曲线段布置成折线。
在曲线区段定位点处接触线与受电弓中心线轨迹的距离,以及在直线区段其相对于线路中心的偏移,统称为拉出值[12]。
拉出值的检测方法本文后面也会提及。
4接触式检测方法的原理
接触式测量方法是最传统的接触网高度测量方法，从电气化铁路面世至今一直在使用和发展，技术最为成熟。
但是由于接触网带有高压电，并且测量的工具接触到了接触网导线，从而对接触网高度产生影响，还有测量工具与接触网没有良好接触的可能，测量精度有限[13]。
接触式测量是指测量工具接触到导线，通过一定的方法直接测量出导线到轨道轨面的垂直高度。
接触式测量主要有手工测量和测量受电弓高度两种方法。
手工测量接触网高度测量的方法是最传统的，现在还在我国某些地区还在使用。
手工测量主要依靠梯车、绝缘测杆线坠、钢卷尺等工具进行人工步行测量，该方法效率低、时间长、危险性大、浪费大量人力物力，处于被淘汰的境地[14]。
测量受电弓的高度，也可以通过计算得出接触网的高度。
一般测量受电弓高度的方法是通过一个与受电弓高度成线性关系的应变片，测量应变片的电阻得到受电弓高度。
还有通过非接触的方法测量受电弓高度的方法，但是由于受电弓接触到了导线，而且受电弓也是检测系统的一个部分，还是把这种方法归为接触式的测量方法。
5非接触式测量方法的原理
由于科学技术的发展，现在的检测手段也有了巨大的发展。
现在检测学科主要向非接触、无损、远程测量等方向发展，并大量使用包括激光、微波在内的先进技术作为测量的手段。
非接触式测量方法现在也在高速的发展，但是原理基本是一样的。
非接触式的测量方法，都是检测设备向被检测物体发出一束波，波在被检测物体上发生反射或透射，检测设备再接受反射波或者透射波，与发出的波进行各种对比（幅值、频率、相位以及其他的特征），进行信号的处理，从而得到我们所需要的测量值。
（1）基于激光的测量方法的原理
激光测量的方法原理与各种激光测距仪基本相同。
通过发出激光到目标物体（这里是接触网导线），通过目标物体对激光的反射，接收反射的激光，然后通过信号处理得出目标物体与测量仪器间的距离和角度。
由于距离较短，采用测量发射激光和接收到反射激光时间差的方式基本不能使用（由于时间太短，没有合适光电器件能够测量），一般采用相位法测量距离，这样就保证测量的精度。
之后再计算出接触网导线的高度以及拉出值[15]。
（2）基于图像处理的测量方法的原理
基于图像处理的测量方法与其他非接触式测量的方法有所不同。
其他非接触式测量方法都是自己发射波并接收反射或折射波，而基于图像处理的测量方法本身并不发射波。
基于图像处理的测量方法，依靠设置的CCD摄像机，拍摄目标物体的图像，然后经过图像处理的方法，计算得出接触网导线的高度和拉出值。
在图像处理技术快速发展的今天，这种方法也得到了广泛应用。
（3）基于超声波的测量方法的原理
超声波测量的方法原理与各种超声波测距仪基本相同。
通过发出超声波到目标物体（这里是接触网导线），通过目标物体对超声波的反射，接收反射的超声波，然后通过信号处理得出目标物体与测量仪器间的距离和角度。
由于声波波速较慢，可以采用测量发射声波和接收到反射声波时间差的方式进行测距。
之后在计算出接触网导线的高度以及拉出值。
（4）基于雷达的测量方法的原理
雷达测量的方法与一般雷达的原理基本相同。
通过发出电磁波到目标物体（这里是接触网导线），通过目标物体对电磁波的反射，接收反射的电磁波，然后通过信号处理得出目标物体与测量仪器间的距离和角度。
由于距离较短，采用测量发射电磁波和接收到反射电磁波时间差的方式基本不能使用（由于时间太短，没有合适光电器件能够测量），一般采用相位法或者干涉法测量距离，这样就保证测量的精度。
之后再计算出接触网导线的高度以及拉出值。
三各种接触网导线高度测量方法的比较
1接触式测量方法的优缺点
各种接触式测量方法都要接触到接触网的导线，这必然对导线是一种扰动,这将影响测量的精度，而接触式测量方式本身也无法达到非常高精度。
但是在实际运行时，电力机车的受电弓都要接触到接触网导线，这本身就是对接触网的扰动，实际运行时受电弓对接触网导线的影响非常大。
接触式测量，特别是采用受电弓作为测量工具的测量方法能够模拟机车运行时的情况，测量列车时间运行时接触网的各种参数，为列车运行提供参考。
列车在高速运行时，车体和受电弓都会发生强烈的振动，速度越高振动也越来越大，对于接触网的几何学参数要求就没有那么精确了。
接触式测量的方式由于与导线发生接触，甚至是完全模拟了列车运行时受电弓的状态，可以测量接触网在列车运行时的动力学参数，而且对于动力学参数可以进行十分准确的测量[16]。
接触式测量方法接触了导线，而一般情况下检测的同时铁路是不允许停电检修的，所以测量装置都带有接触网的27.5kV的高压电，在传输信号的时候还要特别注意高低压设备的电气隔离问题。
如果没有可靠的隔离，27.5kV的高压电可能会打坏检测设备，甚至危及到操作人员的人身安全。
在进行高低压电气隔离时，信号会发生一定程度的畸变，如果传输的信号不是数字信号，这也将在一定程度上影响了测量的精度。
对于接触网高度的接触式测量，在很多时候都需要传输模拟信号，高低压隔离设备在一定程度上限制了测量精度的提高。
2非接触式测量方法的优缺点
非接触式测量方法无需接触导线，可以很精确的测量接触网导线的原始数据，非接触式测量方法原理本身的精度也非常高，一般非接触式测量方法的静态检测精度很高。
在动态检测中，由于列车车体的振动，非接触式测量的精度受到了很大的影响，但是经过补偿，精度还是可以有一些恢复的。
非接触式测量方法中的测量设备不与接触网导线接触，全靠接受回波进行测量，所有没有高低压的电气隔离问题，安全性高，信号也不会产生畸变，保证了测量的可靠性。
但是，动力学参数是需要测量受电弓与接触网导线的接触情况的，非接触式的测量方法对此无能为力，只能依靠测量数据进行粗略的估计。
由于非接触式测量方法依靠接收回波进行测量，在自然界中和接触网的正常运行中，会产生大量的干扰波（如自然光、接触网产生的高频电磁波），如何消除这些干扰，是一个非常重要的。
在某些情况下，外界的干扰可能会造成检测系统的误判，对错误的物体进行测距或者把干扰信号误认为是回波信号，这样测量出的数据一定是错误的，这对于检测系统来说是非常大问题。
干扰信号在一般情况下也会影响测量的精度，在滤除干扰信号时，我们所需的信号也要产生一定程度的畸变，这些信号大部分都是模拟信号，这无疑会影响测量精度。
3接触式测量与非接触式测量方法的比较
接触式测量方法和非接触式测量方式在不同的测量情况下有不同的特性，下面将详细说明。
（1）接触式测量与非接触式测量方法在静态测量时的比较
静态测量时，一般只能精确测量接触网的几何参数，接触网的动力学参数无法准确测量。
由于非接触式测量方法对接触网导线无扰动，并且从原理上拥有更高的测量精度，测量时可以达到更高的精度。
非接触式测量无高低压电气隔离问题，在静态时，各种外界干扰也较容易识别，检测系统可以有很高的可靠性。
在静态测量时，非接触式的测量方式优势较大，接触式测量方式除了传统的手工测量之外，基本都用于动态测量。
本设计立足于动态测量，对于静态测量，只是作为参考。
图3-1为已经应用于工程实际的激光接触网全参数静态测量仪。
图3-1激光接触网全参数静态测量仪
（2）接触式测量与非接触式测量方法在动态测量时的比较
动态测量即可以测量接触网几何参数，也可以较精确的测量接触网动力学参数。
如果需要测量列车正常运行时的各种参数，接触式测量优势较大。
接触式测量方式不但可以测量接触网的几何参数，也可以精确测量接触网的动力学参数，测量的项目齐全，减少了设备的数量。
虽然对于几何参数的测量精度不是很高，但是考虑到列车在正常运行，速度非常快，产生的振动也就非常大，精度基本可以达到保证列车安全运行的需求。
但是高低压隔离电气仍是一个很重要的问题，现在主流的隔离方法有两种，一种是变压器隔离，一种是光电隔离。
变压器隔离技术成熟，但是变压器体积和重要均较大，而且对信号产生的波形畸变较大，现在很少使用了。
光电隔离先将电信号转行为光信号，经光纤传输到接收端，再将光信号转换为电信号，有时可能直接经空气传输光信号，这样隔离可靠性较高，产生的畸变非常小。
但是光信号只能传输数字信号，之前电信号需要从模拟信号转换到数字信号后才能转换到光信号，转换过程复杂，容易出现错误，从而对最终测量结果的精度产生影响。
但是对于导线损耗，虽然其属于接触网几何参数，但是接触式测量方法无法对其进行准确的测量[17]。
如果单纯进行几何参数测量，非接触式测量方法优势较大。
首先，没有与接触网导线接触，导线没有受到扰动，加之原理本身测量精度较高，总体的测量精度可以非常达到高的水平。
其次，没有高低压电气隔离问题，性能可靠。
列车在运行时会产生振动，这对测量无疑会产生极大的影响，现在我们只能通过补偿的方式来削弱这个影响。
列车处于运行中，来自于外部的各种干扰变多，并且干扰的形式更为复杂，滤除干扰更为困难，这增加了检测系统的设计难度。
接触式测量方式在几何参数测量方面精度无法赶上非接触式测量方法，并且存在高低压电气隔离的问题。
但是非接触式测量方法无法测量接触网动力学参数，如需测量动力学参数还需要采用接触式测量方法，这就使单纯的非接触式测量方法的测量参数过于单一，有时无法满足保证列车安全运行的需要。
在测量接触网全部参数时，现在还有一种综合两种测量方法优势的方法，即采用非接触式测量方法测量接触网几何参数，采用接触式测量方法测量接触网动力学参数。
这样可以保证接触网几何参数和动力学参数都有较高的精度，但是系统复杂，而且由于两个检测系统延时不同，数据不易定位，为后面的维护工作增加了难度。
虽然本次设计只关心接触网导线高度的测量，但是如果应用于工程实际，必然要考虑接触网各种参数的测量，因此在此讨论了两种测量方法在测量接触网几何和动力学各种参数的优缺点，为日后的工作打下基础。
4各种非接触式测量方法的比较
虽然各种非接触网式测量方法的原理非常相似，但是由于测量所应用的方式不同，其测量的特性也有所不同，下面将详细说明。
（1）基于激光的测量方法的优缺点
激光技术是近些年快速发展的技术之一，大量应用在各个领域。
激光技术还存在一些不成熟的地方。
激光具有良好的单色性，发出光波的波长相同，这为准确测量打下了基础。
由于需要测量的距离比较短，如果从轨面测量只有6米左右的高度，从车顶测量就只有不到1米的高度，这对选择合适的方法进行测距提出很高的要求。
在较长的距离上采用测量发出波和接受到反射波的时间差的脉冲法的方式在这里显然不能满足需求，这样得出的测量结果误差远大于需要测量的高度。
较为合适的方法是相位法。
相位式法是用无线电波段的频率，对激光束进行幅度调制，并测定调制光往返侧线1次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算出相位延迟所代表的距离，即用间接方法测定出光径往返侧线所需的时间，如图3-2所示[18]。
图3-2激光相位示意图
测量接触网导线的高度，需要接受从接触网导线反射回来的激光。
但是由于接触网导线不是一个垂直于激光发射器的镜面，其于激光发射器的夹角在变化，且表面比较粗糙，都将使发生散射，激光回波信号会十分微弱，使得激光接收器接受反射的激光比较困难。
特别是在动态测量中，由于接触网导线的拉出值在不断变化，反射的激光回波可能在一个较大的范围内不断变化，激光回波的接收就更为困难。
虽然存在各种不足，但是基于激光的测量方法精度还是非常的高，并且收外界的干扰比较小，性能优异。
但是激光发生设备非常精密，特别是其中有大量的光学部件，对于振动非常敏感，如果光学器件发生位移，就会对整个激光测量系统造成巨大的影响，严重影响测量的精度，同时，激光测量系统造价现在还较高，大量生产还要考虑其经济效益。
基于上面几点，激光测量系统大量应用于接触网的静态测量系统，这样，测量系统在没有振动的条件下工作，同时产量不是很高，使用单位的经济压力不是很大。
如果将激光测量系统应用于高速铁路接触网的动态检
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