隨著電氣化鐵路的飛速發展，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，因為接觸網是一種特殊對電力機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行一系列的接觸網檢測工作，以便及時發現隱患并克服存在的問題，保證良好的受流。
從國內國際來看，現在對接觸網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動力學參數測試，非接觸式只能測量接觸網幾何參數，當前接觸網檢測技術已達到一個相當高的水平，基本解決250公里/小時及以下時速的接觸網檢測技術。但有接觸網檢測數據的定位問題一直沒有得到很好解決。
由于數據定位不準，導致檢測數據出現張冠李戴的問題，但在發展檢測技術的初級階段，對這個問題沒有足夠重視，導致接觸網定位檢測技術跟不上其它技術發展的步伐，最終由于定位技術的限制，制約了整個檢測技術的進一步發展。
1 接觸網檢測數據的定位技術分析
1.1 接觸網定位技術現狀
目前，縱觀國內外接觸網檢測定位技術,主要包括如下三種方法：
第一，數據庫定位技術(通過建立線路桿號數據庫,并給定支柱之間的跨距，通過車輛運行是對速度進行處理算出累積里程,對數據庫內跨距進行判斷,得到支柱位置)；
第二，拉出值拐點處理技術(利用接觸網固有特點呈之字形設計,通過拉出值檢測數據進行分析處理,找出拉出值檢測數據拐點位置從而確定為定位位置)；
第三，基于公里標測試方法（該方法拋開桿號不管，只對公里標進行校對，感覺上誤差比較小運行100公里誤差1公里也就誤差1%，但對于接觸網維護是基于桿號進行，每個桿號之間距離僅為10～60米，這樣就導致維修無法進行，國內采用此方法的，同時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份進行公里標測試，且每1公里系統自動定位校準，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）。
目前國內大多數做接觸網檢測企業采用第一種，部分企業采用將兩種方法結合，個別企業是采用第三種方法，國外產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。
1.2 存在的問題
通過采用以上三種對接觸網檢測數據定位的方法，大量的實驗表明，這三種方法有自己的優缺點。
第一種方法的優點是能在確保數據庫很準的前提下，如果速度傳感器不出問題，桿號識別率達到80%，且只是通過軟件實現，不涉及硬件，工作量相對較小；它的缺點是由于鐵路系統線路比較長，數據準確性沒法保證，再有就是速度傳感器與車軸連接部位存在打滑，可能導致車輛繼續行走但速度傳感器沒有數據采集，上位機在計算里程時出錯，導致桿號測量不準。
第二種方法是基于純軟件測量方法，依據線路特點（定位點一般在拉出值最大處）對測量數據進行分析，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到80%，且不需要硬件設備，維護工作量大大減少；該方法缺點是由于線路結構比較復雜，軟件處理不了時，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行測量，不能從根本上解決桿號測量問題。
1.3 相應的改進措施
基于接觸網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，這種方法目標就是桿號，這樣就從根本上解決了桿號不準問題。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 系統結構和工作原理
接觸網檢測車動態桿號測試系統由接觸網定位器，激光傳感器，以太網，工業計算機，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。通過在車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定位器，通過二維激光傳感器實時對定位器進行掃描，激光傳感器將掃描得到桿號信息，通過以太網傳輸接口將信息傳送到嵌入式處理系統，進行數據分析和處理，通過嵌入式處理系統處理后形成所需桿號信息，最后再通過以太網接口將最終有用信息送往上位機供檢測系統使用，進而對檢測數據進行一一定位。
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域的，所以只有當發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到實時掃描的目的。
現有檢測車檢測的動態數據和靜態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激光傳感器于車體A、B兩側，并通過校準使其精確的對準定位管，如圖2所示。避免了單個傳感器由于定位器的環境污染，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。
圖2 車體安裝示意圖
3 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嵌入式開發板、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前端激光傳感器及傳輸系統經過以太網接口送至DSP數據采集及分析處理系統，該系統主要由FPGA構成以太網接口電路以及DSP實現的數據處理系統組成。
通過FPGA實現信號的預處理，送至DSP實現信號的再處理標定出當前桿號信息，通過LCD液晶顯示模塊進行實時顯示。另外，還需要將重要的數據存入SD卡存儲系統中。，通過以太網接口實現與上位機進行通信，進行數據融合。如圖3所示：
圖3 數據分析處理系統功能框圖
嵌入式系統采用先進的DSP+FPGA架構，使用TI公司的TMS320C6713，最高運算速度達到1350MIPS，SPARTAN XC2S200板載20萬門FPGA ，系統最高時鐘頻率為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。保證了足夠的系統資源。適用于高速實時檢測的需要。FPGA與DSP采用EMIF接口進行通訊，FPGA/DSP通信電路如圖4所示：
圖4 FPGA/DSP通信電路
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。本文只簡單介紹軟件的功能。程序從結構上分為主程序和中斷服務程序兩部分。
主程序包括:
①系統初始化程序。設置外部存儲器接口、串口、定時器、中斷、中斷向量表、鍵盤接口等參數,確定系統的運行模式。
②數據處理程序。把激光傳感器送來的數據轉化成實際的桿號信息,將多組傳感器送來的信號進行數據的融合確定實際的桿號信息,采集數據的高頻噪聲濾波,最終得到反應系統實際工況定位信息。
中斷服務程序包括:
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、以太網控制器的實現：
以太網控制器的FPGA設計工作包括以太網MAC子層的FPGA設計、MAC子層與上層協議的接口設計以及MAC與物理層的MII接口設計。
2、LCD接口的實現：
FPGA主要產生LCD顯示所需要的時序，并接受來自DSP的指令和數據執行和顯示。
3、按鍵接口：
實現按鍵去抖動處理，并讀取鍵值發送中斷至DSP進行處理和響應。
4 系統的應用實例分析
基于二維激光檢測技術的接觸網動態桿位定位系統結合現有接觸網檢測車通過對金堂到遂寧現場試驗，通過對接觸網參數的檢測和數據的實時傳送，接觸網檢測車精確捕捉到了桿號，該系統數據傳輸準確實時，實時采集，實時傳送，從而實現了檢測數據的準確定位，采集桿號的效果如圖5所示：
圖5 實驗結果
在接觸線走線標準，沒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桿號，為接觸網動態參數檢測提供參數位置信息。
5 總結
本文通過對當前的接觸網檢測定位技術的分析，對比各種方法的優缺點，研究了基于二維激光檢測技術的接觸網動態桿位定位系統，實驗結果證明了該系統在接觸線走線標準，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，影響系統的精確性。所以整個系統仍需進一步完善，以便對檢測數據更加準確的實時的定位，為以后研究接觸網檢測數據的更精確定位提供了新方法。
本文編自《電氣技術》，原文標題為“基于激光檢測技術的接觸網動態桿位定位系統的研究”，作者為張士奎、王元貴 等。
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