接触网参数检测研究(调研报告)

中南大学

本科生毕业论文（调研报告）

题 目

学生姓名 指导教师

学 院

专业班级 接触网参数检测研究 ** 王莉 信息科学与工程学院 自动化0903

本科生院制

摘要

铁路速度的发展经历了从蒸汽时代、内燃时代到电气时代的过程,提速离不开电气化铁路。影响列车运行速度的主要因素除线路曲线半径、无缝钢轨、牵引机车、列车车辆等外,接触网的质量也是影响列车运行速度的重要因素。

接触网是沿铁路线上空架设的向电力机车供电的特殊形式的输电线路，接触网担负着把从牵引变电所获得的电能直接输送给电力机车使用的重要任务。因此接触网的质量和工作状态将直接影响着电气化铁道的运输能力。如何提高接触网的稳定性、平滑度，减少接触网硬点、火花、碰弓、脱弓，消除接触网事故及行车事故隐患，延长接触网使用寿命，减少接触网维护工作量，降低接触网维护成本,是铁路提速中必须解决的问题。

本文从接触网检测来源及意义，接触网国内外发展状况以及存在的问题等方面揭示了接触网参数检测的重要，简要介绍了有关接触网参数及检测方法的有关内容，最后列写了本次毕业设计的初步方案。

关键词： 电气化铁路 接触网 参数 检测方法

目录

摘要......................................................................................................................... I 目录....................................................................................................................... II

一 绪论................................................................................................................ 1

1.1 接触网概述............................................................................................. 1

1.1.1 接触网.......................................................................................... 1

1.1.2 接触网特点.................................................................................. 3

1.2 接触网检测............................................................................................. 3

1.2.1 检测的目的.................................................................................. 3

1.2.2接触网检测系统组成及分类....................................................... 5

二 国内外研究现状............................................................................................ 7

2.1 国内外发展状况..................................................................................... 7

2.1.1国内接触网检测现状................................................................... 7

2.1.2 国外接触网检测现状.................................................................. 8

2.2 接触网检测存在的问题及发展前景..................................................... 9

2.2.1 接触网检测存在的问题.............................................................. 9

2.2.2 关于接触网参数检测设备发展趋势........................................ 10

三 参数检测方法.............................................................................................. 12

3.1 接触网检测车检测原理和方法........................................................... 12

3.1.1 接触网检测车检测.................................................................... 12

3.2基于DSP和DDC的接触网检测系统 ................................................ 15

3.2.1 总体设计.................................................................................... 15

3.3 一种全新的智能接触网检测系统....................................................... 17

3.3.1 系统概述.................................................................................... 17

3.3.2 整体光机设计结构................................................................ 18

四 结论................................................................................................................ 20

4.1论文设计初步方案................................................................................ 20

五 参考文献...................................................................................................... 22

一 绪论

1.1 接触网概述

1.1.1 接触网

接触网是在电气化铁道中，沿钢轨上空“之”字形架设的，供受电弓取流的高压输电线。接触网是铁路电气化工程的主构架，是沿铁路线上空架设的向电力机车供电的特殊形式的输电线路。其由接触悬挂、支持装置、定位装置、支柱与基础几部分组成。接触网主要包含以下几项内容：1、基础构件，如水泥支柱、钢柱及支撑这些结构物的基础；2、基础安装结构件，这项内容的作用主要是连接接触网导线和基础构件；3、接触网导线，这部分作用就是传输电流给电力机车；4、其他辅助构件，包括回流线、附加悬挂等[1]。

接触悬挂包括接触线、吊弦、承力索以及连接零件。接触悬挂通过支持装置架设在支柱上，其功用是将从牵引变电所获得的电能输送给电力机车。铁路电气化是中国铁路发展的最终目标。

支持装置用以支持接触悬挂，并将其负荷传给支柱或其它建筑物。根据接触网所在区间、站场和大型建筑物而有所不同。支持装置包括腕臂、水平拉杆、悬式绝缘子串，棒式绝缘子及其它建筑物的特殊支持设备。

定位装置包括定位管和定位器，其功用是固定接触线的位置，使接触线在受电弓滑板运行轨迹范围内，保证接触线与受电弓不脱离，并将接触线的水平负荷传给支柱。

支柱与基础用以承受接触悬挂、支持和定位装置的全部负荷，并将接触悬挂固定在规定的位置和高度上。我国接触网中采用预应力钢筋混凝土支柱和钢柱，基础是对钢支柱而言的，即钢支柱固定在下面的钢筋混凝土制成的基础上，由基础承受支柱传给的全部负荷，并保证支柱的稳定性。预应力钢筋混凝土支柱与基础制成一个整体，下端直接埋入地下。

支柱装置用以支持接触悬挂，并将其负荷传给支柱或其它建筑物。支持装置包括腕臂、水平拉杆、悬式绝缘子串，棒式绝缘子及其它建筑物的特殊支持设备。

支柱是接触网中最基本、应用最广泛的支撑设备，用来承受接触悬挂与支持设备的负荷。接触网支柱，按其使用材质分为预应力钢筋混凝土支柱和钢支柱两大类。

支柱按其在接触网中的作用可分为中间支柱、转换支柱、中心支柱、锚柱、

定位支柱道岔支柱、软横跨支柱、硬横跨支柱及桥梁支柱等几种。

电气化铁路工程又称为“四电工程”，包括“接触网”、“变电”、“信号”、“通信”，其中以接触网作为铁路电气化工程的主构架。接触网、钢轨与大地、回流线统称为牵引网。接触网、钢轨与大地、回流线统称为牵引网。如图1.1所示。

图1.1 铁道干线悬挂式接触网示意图

电力牵引机车从接触网取得电能的电气设备，安装在机车或动车车顶上。受电弓可分单臂弓和双臂弓两种，均由滑板、上框架、下臂杆（双臂弓用下框架）、底架、升弓弹簧、传动气缸、支持绝缘子等部件组成。菱形受电弓，也称钻石受电弓，以前非常普遍，后由于维护成本较高及容易在故障时拉断接触网而逐渐被淘汰，近年来多采用单臂弓（如图1-2）。负荷电流通过接触线和受电弓滑板接触面的流畅程度，它与滑板与接触线间的接触压力、过渡电阻、接触面积有关，取决于受电弓和接触网之间的相互作用[2]。

1 滑板 2 支架 3 平衡杆 4 上框架 5 铰链座 6 下臂杆 7 扇形板 8 缓冲阀

9 传动气缸 10 活塞 11降弓弹簧 12 连杆绝缘子 13滑环 14连杆

15 支持绝缘子 16 升弓弹簧 17 底架 18推杆

图1.2 单臂受电弓结构图

弓网接触压力能直观的反映受电弓滑板和接触线间的接触情况，它必须符合

正态分布规律，在一定范围内波动。如果太小，会增加离线率；如果太大，会使

滑板和接触线间产生较大的机械磨耗。为保证受电弓具有可靠的受流质量，应尽量减小受电弓的归算质量 ，增加接触悬挂的弹性均匀性。

接触网是一种特殊形式的供电线路，它的任务是保证对电力机车提供可靠的不间断的电能。在电气化铁道设备故障中，无备用的接触网发生故障所占比例相当大。接触网的施工质量、接触网零部件的老化等一系列因素都会引起接触网设备质量的变化，接触网状况的好坏直接关系到电气化铁道能否安全运营。因此，在电气化铁路的运营过程中必须进行一系列的接触网检测工作，以便及时发现隐患并克服存在的问题，保证良好的受流[2,3]。

1.1.2 接触网特点

接触网担负着把从牵引变电所获得的电能直接输送给电力机车使用的重要任务。因此接触网的质量和工作状态将直接影响着电气化铁道的运输能力。由于接触网是露天设置，没有备用，线路上的负荷又是随着电力机车的运行而沿接触线移动和变化的，对接触网提出以下要求：

1、在高速运行和恶劣的气候条件下，能保证电力机车正常取流，要求接触网在机械结构上具有稳定性和足够的弹性。

2、接触网设备及零件要有互换性，应具有足够的耐磨性和抗腐蚀能力并尽量延长设备的使用年限。

3、要求接触网对地绝缘好，安全可靠。

4、设备结构尽量简单，便于施工，有利于运营及维修。在事故情况下，便于抢修和迅速恢复送电。

5、尽可能地降低成本，特别要注意节约有色金属及钢材。总的来说，要求接触网无论在任何条件下，都能保证良好地供给电力机车电能，保证电力机车在线路上安全，高速运行，并在符合上述要求的情况下，尽可能地节省投资、结构合理、维修简便、便于新技术的应用[4]。

1.2 接触网检测

1.2.1 检测的目的

1.目的：

（1）接触网检测是接触网施工调整和运营维护不可缺少的技术基础，它为施工部门的冷滑试验和工程交验提供技术依据；

（2）为设计部门评判，为运营管理部门的维修调整提供必要信息；为接触

网状态检修提供理论基础和技术条件；

（3）为弓网关系评价提供数据，为接触网施工调整和运营维护提供依据；

（4）检测不能代替维修，但可以根据检测结果制定必要的维修措施，避免无效的维修措施[5]。

2.接触网检测的要求

误差要小；检测装置的接入不能影响被测量；检测装置的接入不能影响被测量；测量结果受非被测量的影响要小；测量装置要有好的复现性；应用的测量装置要有适合工作现场条件的能力；检测装置要安全可靠、容易维修和校准。

由于接触网安装于室外线路，其受外部环境干扰的因素也较多，因此我们建议：（1） 检测时要尽量避免阳光直射，特别是避免正午进行拍摄

（2） 若在自动模式下热像图不清晰，可先使用自动模式测量接触网的温度范围，然后手动设置水平及跨度，将温度范围设置在最小，并包含有先前测量的温度范围（各款仪器最小温度范围不同）

（3）若现场有多个接触网连接件，请互相对比其温度，这样可及时发现接触网连接件的发热故障[6,16]。

3 接触网检测设备的发展趋势

(1) 产品多样化

铁路局、供电段、接触网工区、工程施工单位等对接触网检测设备的要求根据它们自身的情况有所不同，铁路局侧重于局管内接触网的宏观状况；供电段及其接触网工区的检测设备则主要是查找接触网的缺陷，预防事故发生；工程施工单位主要在施工后期对接触网进行冷滑检测，对不符合设计标准的地方进行调整，保证施工质量。不同的检测设备其配置、检测速度、检测参数的数量也不同。

(2) 多种检测方式并存

接触网参数有接触与非接触两种检测方法。接触检测是利用模拟受电弓上安装传感器对接触网的部分参数如拉出值、接触线高度、弓网冲击(硬点)等进行检测，非接触检测则是利用光学成像原理进行检测，只适合于部分几何参数的检测。接触检测与非接触检测各有优缺点。

(3) 广泛应用先进技术

高性能传感器、高速数据采集与处理采集系统、先进的摄、录、监视系统、 模糊识别技术等先进技术的发明和应用

(4) 以多种方式输出检测结果

为使检测的结果更能反映实际情况，除采用定位点数据输出方式外，还可以用曲线、表格、评估报告、弓网图像实时合成等方式输出检测结果。

(5) 向高速发展

随着我国电气化铁道列车运行速度的不断提高，接触网设计、施工、运行维护部门非常关心高速情况下的弓网关系。高速情况下的弓网接触压力、弓网冲击、受电弓的高度变化、接触网的弹性及其均匀系数等是反映弓网运行状况的重要参数。利用这些参数可以对弓网关系进行综合评判，反过来也可以指导设计单位对接触悬挂及受电弓的特性进行改进。这就要求接触网检测设备的检测速度能满足高速运行的要求。高速检测设备需要动作时间很短的传感器、传输速度较高的数据通道、运行速度很高的计算机。

(6) 检测设备的方便使用与容易维护

再先进的检测设备，如果操作复杂且故障率高，也不能满足现场的要求。这就要求检测设备先进的同时，要使用方便且易维护。

(7) 图像与检测结果的合成

将检测结果合成在弓网关系的动态视频画面上，能使数字化的检测结果与动态的弓网关系联系在一起。接触网的调整与维护最终是由现场的工人完成的，合成了检测结果的弓网视频图像对他们来说更直观、更有说服力[10]。

1.2.2接触网检测系统组成及分类

随着列车速度的提高，对于接触悬挂的要求也越来越高，为了保证运营和正确的评述受流质量，测试的范围也更加广泛。同时为了获得准确的测试结果，其测试手段和技术也日趋观代化。由于测试是在一定运行速度下进行的，因此各种设备是安装在车上的。信号检测系统包括接触网的检测项目、愿望及实现方法。

（1）检测信号按其功能和内容而言可分为三种类型：

功能性检测：这是检测不同接触悬挂类型功能的好坏与优劣，以便选择适合于高速运行的悬挂方式和性能优良的受电弓。其检测项目有：空气动力、接触压力、受电弓铅垂方向的最大幅度、受电弓运行轨迹及离线状态等。其目的是选择和设计性能优良的受电弓及接触悬挂类型提供理论和实验数据。

状态性检测： 这是对已投入运行的电气化铁路，检测接触悬挂的工作状态，以便及时发现隐患，消除各种病态，保证安全运行。检测项目有：运行轨迹、离线状态、导线磨损、接触线高度、拉出值及导线偏位等。其目的是为保证安全运营，维护管理提供检修依据。

工程性检测：这是在冷滑阶段的检测，在调整阶段以借检查工程质量，发现工程弊病，寻觅工程隐患，提高施工标准。检测项目有：接触线高度、拉出值、导线偏位、定位管斜度、悬挂硬点、导线接头质量以及支柱面限界等。其目的是为了提高工程质量、进行悬挂调整和开通试验及交接验收提供数据。

以上三种检测，在内容上又各有异同点，这是基于研究（含设计）、运营及

工程部门的不同要求，达到相应的检测目的。

图1.3 检测系统构造框图

（2）根据检测方式分：接触式检测和非接触式检测

非接触式检测：在机械制造行业中，为了使机加工的产品能达到设计精度和质量要求，除了传统的物理计量与检测实现方法，可以运用高性能计算机及软件技术、光学、光学成像、声学与机器动作多种混合技术实现的逻辑计量与检测，我们习惯将这些复杂的计量与检测技术称之为非接触计量与检测技术。

（3）根据运载工具分：静态检测（便携）和动态检测（车载）

动态检测（车载）：接触网动态检测就是以接触网检测车（客车车辆或电力机车）为载体，利用安装于检测车上的检测设备，在列车运行中对接触网设备的几何﹑电器参数和弓网关系进行测量和评判的一种方法。

动态检测与静态检测相比，有许多优点：一是可以根据需要随时检测，周期短，节省大量的人力物力；二是检测在动态下进行，反映了运行中的接触网真实技术状态和参数；三是了运行状态下的弓网关系，为改善弓网关系提供了科学、可靠的依据。

（4）按接触网检测的内容分：几何参数、弓网关系参数和辅助参数

拉出值，导线高度，平行线间距，定位器坡度等属于接触网几何参数，他们是接触网中与运营安全密切相关的接触网自身结构参数；接触压力，硬点等是弓网关系参数，他们是影响弓网关系之间的受流质量的重要因素；其他一些比如速度，定位点，温度，补偿等是接触网检测的辅助参数，对检测结果起到定位参考，辅助分析等作用。

二 国内外研究现状

2.1 国内外发展状况

2.1.1国内接触网检测现状

我国自己开发生产接触网检测车始于20世纪80年代，简单的检测设备安装在经过改造的客车车体上，主要测量接触线高度和拉出值等参数。20世纪90年代，随着电气化铁道的发展及检测技术的提高，接触网检测设备也有了长足的进步。到目前为止，接触网检测车已成为系列产品，以JJC系列为例分述如下:

1.JJC-1型接触网检测车- 安装在不带动力客车内

由豪华型软卧车体和检测设备两部分组成，不带动力，和客车联挂编组运行，一般加挂于客车的尾部。该型接触网检测车具有全面的检测功能。能检测接触线的拉出值、接触线高度、定位器坡度、线岔状态、锚段关节处两导线相对位置、电网电压、悬挂硬点、弓网离线、支柱位置、行车速度和里程、大气温度、弓网接触压力等参数，该车还装配有测量车体侧滚、水平摆动的检测设备，因此能检测出接触网动态、静态两种状态下的技术参数。

该型车具有一套多种供电方式的供电系统和完备的生活设施，在全天侯、不间断地昼夜运行时，能保证乘员有一个良好的工作和生活环境；该型车的运行速度主要取决于车体的构造速度，当车体适合高速运行要求时，便能实现高速检测；该型车制造成本高，设备配置先进，对操作人员的要求较高。本型车投入使用后，保养、维护方面的花费较大，适合接触网营运里程较多的铁路局级单位使用，用于对本局所属的接触网工作状态进行宏观检测。目前，国内配置JJC.1型接触网检测车或同档次车的单位有北京、兰州、成都、郑州铁路局、电气化工程局及福州铁路分局。

2.JJC-2型接触网检测车- 安装在不带动力的简易客车内

由车体和检测设备两部分组成，车体为不带动力的轨道车辆，需要牵引车拖动运行，检测的参数与JJC.1型接触网检测车相同。该型车的主电源为一台30kW柴油发电机组，车内的生活设施比较简单，一般配置于供电段。该型车的运行速度一般不超过1l0km/h。目前，神华集团下属的准煤公司铁路供电段、武汉分局及衡阳供电段等单位配置了JJC-2型接触网检测车或同档次车。

3.JJC-3型接触网巡检车-- 安装在自带动力的轨道车内

在JJC-2型接触网检测车的基础上增加动力便演化成为JJC-3型接触网巡检

车，它是中国国情与中国路情相结合的产物。JJC-3 型接触网巡检车不受牵引车的限制，既可以单独运行，也可以与客车联挂编组运行，具有机动灵活的特点。该车既可检测又可检查，在特殊情况下又可作为局、分局、段等各级领导的指挥车，具有一车多用的功能。

该型车检测的参数与JJC-1型接触网检测车所检测的参数相当，检测速度能达到1l0km/h，对车辆进行改造后可以达到140km/h；该型车的主电源为一台30kw柴油发电机组，车内的生活设施能满足乘员长途检测时的需要；该型车是专为铁路供电段一级单位研制生产的车辆，保养、维护方面的花费较少，一般也不需配置专人负责管理，在国内众多铁路供电段已被广泛应用。

4.JJC-4型接触网巡检作业车- 安装在接触网作业车内

将JJC-3型接触网巡检车的部分检测功能移植到接触网作业车上，组成一种新的车辆，称它为接触网巡检作业车，其配置对象为供电段下属的接触网领工区或工区，也可配置于工程局下属的接触网施工单位或城市架空接触网的轨道交通系统。接触网巡检作业车除具有接触网作业车的全部功能外，还能对接触网的主要参数，如接触线的几何参数、承力索及吊弦的状态、定位器的坡度、弓网冲击(硬点)情况等进行测量及直接观察。接触网巡检作业车上装有受电弓，可在接触网带电与不带电等情况下使用。

JJC- 4 型接触网巡检作业车可以把接触网工区人员、车辆往返天窗工作点的时间、机会利用起来，稍带着对接触网进行巡检，为下一次开天窗做准备，巡检、检修两不误，两全其美[7]。

5.安装在电力机车受电弓上的检测设备

将检测部分接触网参数的设备安装在运营的电力机车受电弓上，检测结果反馈给供电部门。至于人工携带的便携式检测设备，目前主要有测杆、光学测量设备等。

2.1.2 国外接触网检测现状

日本（突出弓网离线、接触线磨耗）是研究接触网检测车较早的国家，在20世纪60年代初就研制开发了测定弹性和受流情况的测试车，不过这些测试车的设备较为简单。1991年，日本急行电铁公司拥有了集接触网检测、信号检测和无线电检测于一身的新型电气检测车，该车可在l00km/h速度下检测接触线的高度、拉出值、定位器坡度、离线、硬点、支柱号和跨距等参数。东京都交通局1991年研制的接触网检测车装有磨耗、拉出值、硬点、位置等参数的检测装置。

法国（突出弓网动态弹性）国铁研制的新型接触网检测车可以测试接触网静态几何特性，也可试验受电弓和接触网的动态情况，该车采用Y32EIS型转向架，

可以在270km/h的运行速度下检测接触线高度和拉出值。

匈牙利研制了在高速运行情况下对接触线静态位置和受电弓滑行轨迹进行检测的设备，它采用非接触式图像处理技术，可在160km/h的运行速度下对接触网的动态参数进行检测。

德国（突出弓网接触压力）的接触网检测车只检测高速情况下的弓网接触压力，以便对接触悬挂和受电弓两者之间的关系进行评判。

奥地利（突出非接触检测）生产的接触网检测车采用非接触方式测量接触线的高度和拉出值等参数，采用接触方式测量弓网接触压力等参数。非接触检测方式和接触检测方式不能同时使用[8]。

2.2 接触网检测存在的问题及发展前景

2.2.1 接触网检测存在的问题

我国的接触网检测技术经过10多年不断发展，已经取得了很大进步，为电气化铁道事业作出了一定的贡献。接触网检测设备的应用，避免了许多弓网事故的发生，在接触网的调整与维护过程中，提高了劳动生产率，降低了工人的劳动强度。但还应看到，一些接触网参数的检测技术在我国还是空白，如接触线磨耗的动态测量、非接触检测在高速检测中的应用等。此外，将多种参数检测装置安装在一个受电弓上也不太合理。国内外现场目前使用的检测系统大多属于低速接触网检测系统，只能在一定速度范围内对接触网进行检测，检测参数不全面，很难满足用户的需要。

目前，全路各供电段接触网日常测量检修的技术手段较为落后，主要是用吊杆进行接触网参数测量，该技术受天气影响较大，测量精度差，效率低。虽然新近研制出超声波或激光测量仪，但由于价格昂贵、体积较重、操作时间长、易损坏，在使用上有一定的局限性。接触网施工的主要基础技术工作包括支柱悬挂装置、吊弦和软横跨等的测量及装配计算。目前上述工作仅靠经验及人工进行一些简单计算来完成，存在计算精度差、装配误差大、网上调整作业多、返工次数多、施工效率低、施工质量差和占用“天窗”时间长等诸多问题。虽然国内个别施工单位也开发了一些计算软件，但它需采用昂贵测量仪器进行测量，测量人数多、测量时间长，需要经验丰富的专业人员进行装配。接触网检测技术能完全满足我国的实际需要还有很长的路要走。

2.2.2 关于接触网参数检测设备发展趋势

电气化铁道比重较大的国家均在研制适合自己实际情况的接触网检测设备。 每个国家的电气化铁道接触悬挂都具有各自的特点，对接触网的运行要求也不尽相同，接触网参数检测设备在功能上也各有侧重。在我国，接触网运营里程长、车流密度大、车速相对较低，维修接触网的天窗点少且时问短，对接触网检测设备的要求如下。

1.产品多样化

铁路局、供电段、接触网工区、工程施工单位等对接触网检测设备的要求根据它们自身的情况有所不同，铁路局侧重于局管内接触网的宏观状况；供电段及其接触网工区的检测设备则主要是查找接触网的缺陷，预防事故发生；工程施工单位主要在施工后期对接触网进行冷滑检测，对不符合设计标准的地方进行调整，保证施工质量。不同的检测设备其配置、检测速度、检测参数的数量也不同。

2.向高速发展

随着我国电气化铁道列车运行速度的不断提高，接触网设计、施工、运行维护部门非常关心高速情况下的弓网关系。高速情况下的弓网接触压力、弓网冲击、受电弓的高度变化、接触网的弹性及其均匀系数等是反映弓网运行状况的重要参数。利用这些参数可以对弓网关系进行综合评判，反过来也可以指导设计单位对接触悬挂及受电弓的特性进行改进。这就要求接触网检测设备的检测速度能满足高速运行的要求。高速检测设备需要动作时间很短的传感器、传输速度较高的数据通道、运行速度很高的计算机。

3.接触与非接触检测并存

接触网参数有接触与非接触两种检测方法。接触检测是利用模拟受电弓上安装传感器对接触网的部分参数如拉出值、接触线高度、弓网冲击(硬点)等进行检测，非接触检测则是利用光学成像原理进行检测，只适合于部分几何参数的检测。接触检测与非接触检测各有优缺点。

4.先进传感器的应用

为了使接触网检测时使用的受电弓的弓头质量与实际电力机车的弓头质量相当，要求受电弓上安装的传感器尽可能地少，且重量要尽可能地轻，以适应高速检测的要求。如检测拉出值使用的接近传感器、检测定位点位置的红外光电传感器、检测弓网冲击的加速度传感器、检测接触线高度的绝对编码器等。这些传感器体积小、重量轻、反应时问短、可靠性高、寿命长[9,15]。

5.检测结果以多种方式输出

为使检测的结果更能反映实际情况，除采用定位点数据输出方式外， 还可

以用曲线方式输出检测结果。

6.检测设备的方便使用与容易维护

再先进的检测设备，如果操作复杂且故障率高，也不能满足现场的要求。这就要求检测设备先进的同时，要使用方便且易维护。

7.图像与检测结果的合成

将检测结果合成在弓网关系的动态视频画面上，能使数字化的检测结果与动态的弓网关系联系在一起。接触网的调整与维护最终是由现场的工人完成的，合成了检测结果的弓网视频图像对他们来说更直观、更有说服力[10,11]。

三 参数检测方法

3.1 接触网检测车检测原理和方法

3.1.1 接触网检测车检测

接触网检测车是为保证电气化铁路接触网的安全运营，用于检测接触网技术参数的专用车辆。该车具有特殊功能的检测装置及设备，能够检测接触线的拉出值、导线高度、定位管坡度、线岔状态、接触网供电电压、接触网供电压力、接触悬挂硬点（冲击）、离线、杆位（杆号）和速度（里程）等诸多项机械及电气技术参数。

接触网检测系统，一般包括：信号检测系统、信号隔离与传递系统、数据采集系统。就整个系统的信号而论，可以分为检测信号、补偿信号和定位信号3 种。检测信号是从被检测对象那里摄取的信号信息，这种信息的获取方法是由被检测对象的性质决定的[12-14]。

1.导高与拉出值的检测

接触网导高与拉出值作为接触网的基本参数，工程上有着重要作用，具体表现在：

（1）承力索架设后的测量：核实悬挂点处承力索的实际高度与相对于线路中心线的偏移值，检查支柱装配的结果是否符合要求，为接触线架设创造条件。

（2）接触线架设后的测量：核实悬挂点处承力索的实际高度与相对于线路中心线的偏移值，检查支柱装配的结果是否符合要求，为悬挂调整提供基础参数，尤其是为整体吊弦的预制与安装提供计算依据。

（3）悬挂调整后的测量：核实悬挂点处承力索的实际高度与相对于线路中心线的偏移值，检查悬挂调整结果是否符合要求。

接触网导高与拉出值测量方法有直接测量和间接测量两种方法

（1）直接测量法：较为简单，实训时采用；

(2) 间接测量法：工程检测时采用，具体有两种方法：TR-2型测距器配专用计算三角形测量法与接触网参数激光测量法。

2.接触压力的检测

检测接触压力的意义：在高速铁路中，与列车速度直接相关的一个重要参数是受流质量。受电弓与接触线之间的可靠接触和相互作用，是保证电力机车良好受流的重要条件，即受电弓与接触线之间要有一定的接触压力。当接触压力过大

时，会增加受电弓和接触线的异常磨损，缩短其使用寿命；接触压力过小时，会使它们之间接触不良，使供电时断时续，甚至引起火花或电弧，以致烧损接触线。因此，为发展我国的高速铁路接触网技术，经常检测受电弓和接触线间的接触压力是十分必要的。

接触导线呈„之‟字形布置，接触力的作用点在滑板的工作范围内左右的移动，加之车体的晃动，不仅接触力的作用位置随机变化，而且接触力的方向也是变化的，这无疑增加了测量的难度，但任何方向的接触力都可以分解为2个相互垂直的力，其中一个力与滑板面垂直。接触压力检测装置的任务是在带电的情况下，正确测量导线在任意位置时垂直方向的接触力。

3.硬点的检测

硬点的产生原因主要有以下几个方面：（1）线夹倾斜过大，会对受电弓滑板造成较大冲击;（2）线岔叠压关系反向；（3）分段器磨损变形，也会形成硬点；

（4）定位器的倾角不够，接触网的振动较大，可能与受电弓滑板发生撞击；（5）动车组在弯道上行驶时，受电弓滑板平面和接触导线“之”字形平面不平行，引起弓网撞击。这些所谓的硬点在车速不高时，一般不会表现出来。当动车组高速运行时，动车组、受电弓和接触网都大幅振动，接触网硬点就可能被激发出来，从而引发弓网故障[15]。

接触网不但存在“固有硬点”，而且还存在“弹性硬点”和“速度硬点”

固有硬点：接触网硬点是由于某些部件的自重过大或安装不良造成的。所谓接触网硬点是指在接触网接点、区分绝缘器、定位装置以及中心锚结等处，接触线柔性变差或形成集中质量的现象，故称为固有硬点。凡有此类硬点的地方，易造成受电弓和接触线机械损伤和电弧烧伤，严重时可能诱发弓网故障。在接触网动态参数检测过程中，固有硬点带有比较明确的位置信息，所以极易被识别和读取。

弹性硬点：弓网系统结构的动态特性很复杂，受电弓对接触线的作用，可以看作是一个随坐标和时间变化的动荷载。在动荷载与接触线的接触点会产生以接触点为中心的振动波，沿线路向前后方传播。反射波与发射波相叠加使振动更加复杂化。接触网和受电弓是2个自成独立体系的弹性系统。受电弓与接触线在高速运动中的接触，是在振动条件下实现的。两者的振动频率一致时，可认为受电弓对接触线的运动是平滑的，或者说受电弓在某种频率下对接触网具有良好的跟随性。而当两者之一受到某种因素的干扰，使其振动频率发生变化，两者的协调关系被破坏，受电弓与接触线之间即发生冲撞而产生冲击力，经传感器检出即为“硬点”。这类硬点与固有硬点性质有所不同，可称其为“弹性”硬点。从理论上来讲，弹性硬点的信息是能够全部采集到的。

速度硬点：在运行速度大于160km/h 的检测过程中发现，跨中导高动抬升量最高达到 100mm 以上。在此情况下，受电弓在通过定位器时，运动方向产生变化，即每个定位点都成为“速度硬点”。速度硬点的成因显而易见，其位置就在每个定位点处，它的严重程度与行车速度有直接的关系，很容易检测出来。

目前，传统用于评价接触网硬点的加速度就是受电弓滑板质心的垂向加速度。要从理论上来研究接触网硬点加速度的合理值，首先应分析受电弓滑板在运行过程中的受力状态。假设动车组匀速运行，受电弓不存在沿运行方向的加速度，只有沿垂向的加速度。实际上动车组在加速与减速过程中沿运行方向产生的加速度与弓网动态接触过程中产生的垂向和横向加速度相比是很小的，故可以忽略不计。其所受力之间的相互关系为：

ma-P+G-T-M （3-1） 式（3-1）中m为受电弓滑板归算质量；a为受电弓滑板质心垂向加速度；P为弓网接触压力；

G为受电弓滑板重力；T为受电弓滑板所受的弹簧支撑力；N为受电弓滑板所受的空气抬升力。

受电弓滑板质心的垂向加速度与滑板质量、滑板弹簧的支撑力、滑板重力、滑板的空气抬升力以及弓网接触压力都有关系。式（3-1）可以改写为式（3-2） a=(P+G-T-N)/m （3-2）

加速度a 的值与受电弓滑板的质量成反比。加速度a的值与弓网接触压力值P不是严格地成正比例关系，这是因为，当弓网撞击时，不仅撞击力N 是变化的，而且滑板的空气抬升力也是变化的。如果给出其它变化量的范围，就能确定加速度的取值范围。

从上述计算分析结果来看，利用加速度来判别接触网硬点是不完善的。根据式(5），弓网撞击时受电弓滑板的加速度不仅与弓网撞击力有关，而且与滑板的质量以及受电弓支架的支撑力有关，而目前用加速度判别硬点的方法只测试了受电弓滑板的垂向加速度，至于滑板自重和受电弓支架支撑力都没有被考虑。所以，这种检测方法难以准确地检测弓网硬点。

国际上先进的检测方法是基于检测弓网的接触压力。弓网接触压力从根本上反映了弓网接触的本质。与检测弓网撞击加速度不同，检测弓网撞击压力需要综合考虑受电弓滑板质量、支架的支撑力、空气气动力和受电弓的加速度，这样能比较全面的反映弓网的运行状况，是一种更合理的检测方法[16]。

检测硬点的意义：通过检测弓网的接触压力不仅可以反映受电弓与接触网硬点撞击的程度，而且可以从测试波形分析出很多深层次的问题；还可以连续记录接触线偏离受电弓滑板中心距离（拉出值）；同时还能够定量地评价弓网之间的

动态耦合平衡程度等。

4.速度、里程的检测

速度传感器是一种光电旋转编码器，将它配置于检测车上，和车轴同步转动，每转一周输出1000个脉冲，用一个计数器专门用来计数，其计数值除以1000，再乘以车轮直径，即可得到车行走的距离。

5.定位管坡度定量测试

检测车车顶配置有一台检测受电弓，在受电弓两端距中心500mm处，安装高速激光测距传感器（响应时间

3.2基于DSP和DDC的接触网检测系统

3.2.1 总体设计

该系统由以下几个部分组成：①利用高速线阵CCD实现接触网图像的数字化；②利用数字信号处理器TMS320C6211实现数字信号的采集和处理；③利用PDIUSBDl2 USB接口芯片完成整个系统与PC机之间的数据通信，如图3.1所示。由于系统要进行快速实时的信号分析和解算等，要求有较高运算速度，所以选用TI公司DSP芯片—TMS320C6211。该芯片时钟速度可大于100M，读写周期小于10 ns，且片上资源丰富。

图3.1 系统总体框图

1.数字图像信号的实时处理与传输

为了实现数字图像的实时传输，必须解决影响实时传输的几大因素：一是图像芯片CCD的数据采集速度；二是图像芯片CCD与DSP之间的传输速度；三是DSP与计算机之间的传输速度，以下将分别加以具体说明。

（1）图像芯片采集速度

图像芯片采集速度是关键指标，为了满足该指标，线阵CCD采用TOSHIBA的TCDl209D，该线阵芯片的分辨率高达2048像素，其驱动频率可高达20 MHz，特别适用于高速条件下尺寸的测量和动态分析。线阵CCD TCDl209D及其驱动时序图如图3.2(CCD能够输出与光像位置相对应的时序信号)所示

3.2 线阵CCD TCD1209D及其驱动时序图

（2）CCD与DSP芯片的传输速度

为了提高对CCD的数据采集速度，减少转换时间，需采用高速A/D转换器，使其能与DSP进行高速数据交换。A/D转换器采用Analog公司出品的纳秒级(ns)转换器件ADC08200。ADC08200是一个单通道8位的A/D转换器，其工作温度范围宽、速度快，数据吞吐量可高达230 MBPS(每秒百万次采样)，能实现对线阵CCD的全信号采集。

为解决DSP与A/D速度的协调问题，通过FIFO对数据进行过渡和缓冲。FIFO存储器是一个有2个端口(输入输出口)，并按先进先出的顺序来暂时存放数据的存储器，由于向FIFO写入数据的时问远小于A/D的转换时间，所以采集速度取决于A/D的转换速度。为保证系统中各芯片时序的协调性，进一步提高整个测量系统的速度，整个电路的时序由CPLD来精确控制，CCD的驱动信号、积分时间控制、地址译码、A/D转换控制、数据缓存及数据采集等时序驱动逻辑全部集成在CPLD中，使整个电路结构简单，驱动可靠。为了进一步提高系统的速度，在系统启动后，采取将系统程序由Flash调入速度较高的SRAM中运行，用SDRAM进行数据存储；设计时SRAM、SDRAM部分尽量靠近DSP，

且信号

线尽可能短。DSP(TMS320C621 1)是整个硬件系统的信号处理核心，它从FIFO里面读取CCD传来的光强数据信号，调用相应算法计算接触网图像在CCD上的分布，经解算处理后通过USB口将结果传给下位机。

（3）DSP与计算机之间的传输速度

为了提高数据传输速度，减少传输时延，采用USB接口进行数据传输。在USB l.1接口中，支持低速和全速2种传输方式，在低速方式下其最大传输速度已达1.5M bps，在全速方式下其传输速度可达12M bps。USB芯片采用Philips公司的PDIUSBDl2。当USB设备插入计算机时，计算机将自动对USB设备进行枚举。计算机检测到有设备插入，发出查询请求，USB设备则回应这个请求，送出设备的Vendor ID和Product ID，计算机根据这2个ID装载相应的设备驱动 程序，来完成枚举过程[17]。

3.3 一种全新的智能接触网检测系统

3.3.1 系统概述

该系统融合激光测距，倾角、水平、光栅传感技术，以及CCD视频成像技术，并配合网络化的接触网数据管理模式，为铁路电气化接触网检测提供完美的解决方案，大大提高了检测和数据管理的工作效率。

“DJJ-8数字化激光接触网检测仪”是最新研制的新一代智能接触网几何参数检测管理系统。该系统由数据采集、数据分析、数据网络管理三部分构成，在接触网工区、供电段、铁路局之间实现无缝连接，形成一个有机整体。

数据采集部分是检测仪的重要部分，利用激光测距技术和多种传感器融合技术测量接触网多种几何参数，并对数据进行初步分析和保存。数据分析和网络管理两部分是系统的核心部分，利用基于B/S架构的网络化数据分析软件，实现数据的智能化分析和数据共享，为铁路部门搭建接触网参数数字化管理平台。

DJJ-8系统的数据采集部分由主机和测量架两部分组成。参数测量时，先根据放置标准将测量架卡在钢轨上，主机卡在测量架固定座上，形成一个以钢轨面和钢轨中心为基准的测量平台。测量过程中，旋转主机或前后移动测量架，使激光点打在目标测量点中心，按“测量键”即完成测量工作。

在仪器内部，主机会根据键盘指令调动激光测距模块，光栅测角模块和内部各种传感器分别测量距离和角度，距离，水平，位移数据，按照一定的公式计算计算参数结果，最终在显示屏上输出导高，拉出值，轨距，水平等几何参数，同时存储测量数据。接触网几何参数原理示意图见图3.3。

图3.3 接触网几何参数原理示意图

主要公式：

H=h⨯sinα C=D⨯sinβ

式中 D――轨距传感器测得的轨距

C――钢轨水平高差 H――导高 L――拉出值

m——主机在测量架上的固定补偿值

1

L=(D

-m)-(h⨯cosα)

2

l——激光测得的斜距离 α——光栅测得的旋转角度 β——水平传感器测得的倾角

3.3.2 整体光机设计结构

1 设计结构

系统的上位机和下位机都是51单片机及其外设组成的数据处理系统。下位机利用位移、水平、光栅、脉冲激光等传感器和测量模块采集数据，然后把处理后的数据传到上位机系统。上位机实现导高、拉出值、超高、轨距线岔等计算。其原理框图见图3-4。

2 数据分析、数据网络管理

DJJ-8配套了基于B/S架构及大型数据库的计算机系统软件，用于实现测量数据的深度分析和网络化管理。DJJ-8最大的特点就在于免去了传统接触网测量工具需要手工现场记录数据，然后再手工将所有数据录入微机的繁琐低效的工作，代之以高效快捷的自动存储和一键式数据录入功能。海量的数据都将被有序的保存于数据库中，工作人员能以多种方式查询、检索、筛选、分析所需要

的数据。甚至提供网络权限用户在线数据库访问功能，实现了网络数据共享和数据的权限管理，从而真正意义上实现数据管理的信息化、数字化[17,18]

图3.4 系统原理框图

四 结论

4.1论文设计初步方案

论文设计的初步方案：包括硬件设计和软件设计。接触网检测系统的硬件设计，包括数据采集、数据通信模块及抗干扰的设计；接触网检测系统的软件设计，包括采集单元、控制模块、主机通信模块及上位机界面，系统原理如图4.1所示。

图4.1 系统原理框图

硬件设计：一是采集调理单元，包括传感器和信号采集设备，负责对传感器信号进行调理和采集；二是前置单元，这一部分的设备起承上启下的作用，要对采集设备采集的数据进行接收并记录，经处理后送入主机单元，还要接收主机单元的控制信息，并作出反应；三是主机单元，主机单元是接触网参数检测数据的处理中心，具有对检测数据进行接收、存储、分析、处理等功能，还要向前置单元发送控制信息。

软件设计是根据系统功能进行总体设计, 即建立软件系统结构(程序结构和数据结构)，然后利用模块技术, 进行模块划分和联结。其次是根据各个模块自上而下逐步细分，最后定义出每个模块的输入、输出及功能, 为各模块的联结创造条件[19-21]。

系统总体设计：对高压设备中的模拟量信号，可通过高压数据采集模块进行信号采集，采集完成的数据传送给前置通信单元接收缓存，然后才传给主机，

其

中电路间必须采取一定隔离措施来确保安全可靠；低压环境下的信号，可经调理电路后直接送入主机，由主机完成采集和转换；另外，如果有观察窗，主机还需把结果及时地发送到观察窗上，以便显示装置显示结果。

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