一种激光雷达接触网施工同步检测装置与方法与流程

本发明涉及一种施工同步检测装置与方法，尤其是一种激光雷达接触网施工同步检测装置与方法。

背景技术：

在接触网系统中，通常利用接触网的几何参数和动力学参数两类参数来评估接触悬挂在电气化铁道的受流质量。一般把接触线高度、拉出值、线岔位置、支柱位置、侧面界限、双支高度差等划分为几何参数；把硬点、接触压力、离线率等划分为动力学参数。通常检测几何参数为重中之重，同时也会对一些辅助参数：如定位信号、环境温度、补偿等进行检测。

目前，国内铁道接触网的状态检测基本是在全线施工完成后，集中使用接触网专用检测车对接触网进行冷滑、热滑及动态检测，通过检测车检测发现竣工后接触网施工存在的问题。

在既有接触网改造施工中，主要通过激光测量仪等测量设备对改造后的接触网状态及各部位参数进行静态测量，并通过分析测量数据，判断改造后接触网的状态是否满足列车运行条件。

但是上述方法都是施工后对接触网进行检测，无法实现施工和检测的同步，容易导致施工质量不合格的二次改造。

技术实现要素：

为解决接触网施工同步检测的技术问题，本发明提出一种激光雷达接触网施工同步检测装置及方法。

一种激光雷达接触网施工同步检测装置，同步检测接触网拉出值、导线高度以及受电弓动态包络线，对调整完成后的接触网状态进行同步检测，其特征在于：包括信号检测系统、信号隔离与传输系统、数据采集系统、接口系统、数据处理系统、数据记录与显示系统以及终端设备；

其中，信号检测系统，包括传感器或测量仪等测量装置，用来测量接触网的相关参数的原始数据；

信号隔离与传输系统，主要用于隔离线路上的高低压端电气设备引起的电磁干扰以及信号的传输，一般由屏蔽仪、电光转换装置和光电转换装置组成；

数据采集系统，主要用来接收传感器或测量仪等测量装置采集的原始数据，形成预设格式的数据；

接口系统，由多种线缆、接口、转换装置组成，可以实现终端设备和外围设备的连接，用于检测系统中各硬件设备之间的数据传输，从而完成系统间的信息交互；数据处理系统，用于将通过接口系统传送来的数据进行过滤筛选储存和处理；数据记录与显示系统，用于将处理后的数据在终端设备上显示。

所述接触网施工同步检测装置所检测的具体参数包括几何参数以及辅助参数，其中几何参数具体包括：导线高度、拉出值、导高坡度、定位器坡度、支柱限界、轨道超高、双支接触线的高度差、线岔处始触点位置，辅助参数包括：定位信号、环境温度、补偿、速度等，通过激光雷达扫描仪对上述参数进行无接触式检测。进一步，数据处理系统还包括接触线拉出值测量模块，计算方法如下公式所示：

z＝lcosθ+xc

其中：z－拉出值；l－激光雷达中心与被测接触线的距离；θ－激光雷达和目标点之间的连线与扫描线的夹角；xc－水平方向的振动补偿。

进一步，数据处理系统还包括导线高度测量模块，计算方法如下公式所示：

h＝hv+lsinθ+yc

其中：l－激光雷达中心与被测接触线的距离；θ－激光雷达和目标点之间的连线与扫描线的夹角；hv－车顶高度；yc－水平与垂直方向的振动补偿。

进一步，数据处理系统还包括侧面限界测量模块和线岔始触点高度差测量模块；所述侧面限界测量模块，用激光雷达扫描时能够扫描到支柱的内侧区域，并且扫描出来的轮廓内缘为近似垂线的距离即为支柱到激光雷达中心的距离，再求出激光雷达与轨面中心线的距离就可以得出侧面限界的值；所述线岔始触点高度差测量模块，用于计算两根均位于受电弓上方的接触线的高度差。

一种利用激光雷达接触网施工同步检测装置实现的激光雷达接触网施工同步检测方法，包括以下步骤：

步骤s11：在开始数据通信前，由上位机向检测装置发送检测信号，如果收到的返回值表示设备正常，则执行步骤s12，如果收到的返回值表示设备不正常，则执行步骤s13；

步骤s12：激光雷达检测装置开始循环检测，并将检测数据发送给上位机实时显示在显示装置上，包括角度、距离和坐标数据；

步骤s13：返回检测设备异常。

在所述步骤s12中，通过激光雷达检测装置进行扫描后，能够实现对接触网轮廓的扫描，并通过显示装置显示所述接触网轮廓；同时，利用激光雷达的扫描功能，将扫描到的接触线的数据进行简单的计算就能够实现对接触线的导高、拉出值的快速准确检测。

所述导线高度的计算方式如下：

h＝hv+lsinθ+yc

其中：l－激光雷达中心与被测接触线的距离；θ－激光雷达和目标点之间的连线与扫描线的夹角；hv－车顶高度；yc－水平与垂直方向的振动补偿。

所述拉出值的计算公式如下：

z＝lcosθ+xc

其中：z－拉出值；l－激光雷达中心与被测接触线的距离；θ－激光雷达和目标点之间的连线与扫描线的夹角；xc－水平方向的振动补偿。

另外，本发明还对接触网施工同步检测系统的硬件结构及其连接进行具体描述，同时也描述了利用所述系统实现的lms激光检测仪数据的接收、解析以及处理的方法。

一种接触网施工同步检测系统，其特征在于：包括lms扫描模块、lms信号处理机模块、前置机模块、主机模块，该套检测系统配置在检测作业车上，利用所述检测作业车完成接触网施工几何参数的检测；

所述lms扫描模块和所述lms信号处理机模块通过有线或无线连接；所述前置机模块置于所述作业车箱底部，包括速度传感器、补偿传感器、温度传感器以及与每个传感器对应的信号调理器；所述信号调理器和所述检测主机模块连接；所述检测主机通过交换机与所述lms信号处理机连接。

所述几何参数具体包括：导线高度、拉出值、导高坡度、定位器坡度、支柱限界、轨道超高、双支接触线的高度差、线岔处始触点位置。

通过本发明的激光雷达接触网施工同步检测装置与方法，能跟随施工对接触网的各项参数进行测量，满足对调整完成后的接触网状态进行同步动态检测的目的，减少重复施工，可以大量节约长期成本，不增加额外负担，实现接触网的施工与检测同步。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明。

图1为本发明激光雷达接触网参数检测系统示意图；

图2为本发明接触网施工同步检测系统硬件连接示意图；

图3为本发明激光检测仪的数据的接收、解析以及处理方法流程图；

图4为本发明激光雷达接触网施工同步检测方法流程图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含有相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“或/和”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

涉及接触网的主要参数包括导线高度、拉出值、侧面限界和岔始触点高度差。根据铁路部门定义：接触线最大弛度下与轨平面的垂直距离作为导线高度；接触线定位点处至受电弓中心线的沿轨面连线距离称为拉出值；侧面限界是指轨面处支柱内侧到线路中心的水平距离。

导线高度测量在接触网中的重要性毋庸置疑。接触线上无运行机车时测量接触线高度可作为工程和维修单位维护和维修的技术参数。同时，为了给研究悬挂的质量、弓网关系以及受流状况提供对比资料可以通过接触线上有无运行机车时测量接触线高度。从接触网弓网几何关系角度来说，机车车顶高度与受电弓的最小有效工作高度决定了接触线的最低高度。从运营角度来说，线路运营性质决定了接触线最低高度。对于客货混运线路和货运线路，运输货物的尺寸、最小安全绝缘间隙、列车上下振动幅度决定了接触线最低高度。电气化铁道一般规定：区间和站场接触网的高度要一致。接触线最低悬挂高度大于等于5300mm；接触线最低高度大于等于5150mm。对于如今的高速客专接触网，接触网要有更高的要求，其接触线高度变化率控制在0.1％以下。接触线高度必须要严格要求，特别在高铁上。有细微的差别都可能会引起不能想象的事故，给机车运营带来安全隐患。同时，架设接触线时，把它架成之字型是为了让受电弓碳滑板与接触线摩擦在不同的部位，从而可以让它的各个部分都利用上，避免了局部过分摩擦，从而让它可以使用的更久。接触线拉出值的设置对机车的运营具有很大影响得，如果设置得过小，则会使导线在受电弓滑板有效工作范围内上不能均匀地摩擦，造成局部摩擦，容易让受电弓受磨不均匀，且用的时间也短，需要经常更换，造成维修成本变大。反之，拉出值设置过大，就可能在某些部位由于超出受电弓的有效工作范围而容易发生脱弓事故。为了让机车运行的更加合理，并能增加受电弓使用时间，要频繁检测拉出值的大小及变化率。

如图1所示，为本发明激光雷达接触网施工同步检测装置，能够在施工时，同步检测接触网拉出值、导线高度以及受电弓动态包络线，对调整完成后的接触网状态进行同步检测，尤其针对既有线路接触网改造工程。

所述激光雷达接触网施工同步检测装置包括：信号检测系统、信号隔离与传输系统、数据采集系统、接口系统、数据处理系统、数据记录与显示系统以及终端设备。

其中，信号检测系统，包括传感器或测量仪等测量装置，用来测量接触网的相关参数的原始数据；

信号隔离与传输系统，主要用于隔离线路上的高低压端电气设备引起的电磁干扰以及信号的传输，一般由屏蔽仪、电光转换装置和光电转换装置组成；

数据采集系统，主要用来接收传感器或测量仪等测量装置采集的原始数据，形成预设格式的数据；

接口系统，由多种线缆、接口、转换装置组成，可以实现终端设备和外围设备的连接，用于检测系统中各硬件设备之间的数据传输，从而完成系统间的信息交互；数据处理系统，用于将通过接口系统传送来的数据进行过滤筛选储存和处理；数据记录与显示系统，用于将处理后的数据在终端设备上显示。

具体地，所述接触网施工同步检测装置所检测的具体参数包括几何参数以及辅助参数，其中几何参数具体包括：导线高度、拉出值、导高坡度、定位器坡度、支柱限界、轨道超高、双支接触线的高度差、线岔处始触点位置，辅助参数包括：定位信号、环境温度、补偿、速度等，通过激光雷达扫描仪对上述参数进行无接触式检测。

具体地，数据处理系统还包括接触线拉出值测量模块，计算方法如公式(1)所示：

z＝lcosθ+xc(1)

其中：z－拉出值；l－激光雷达中心与被测接触线的距离；θ－激光雷达和目标点之间的连线与扫描线的夹角；xc－水平方向的振动补偿。

具体地，数据处理系统进一步包括导线高度测量模块，计算方法如公式(2)所示：

h＝hv+lcosθ+yc(2)

其中：l－激光雷达中心与被测接触线的距离；θ－激光雷达和目标点之间的连线与扫描线的夹角；hv－车顶高度；yc－水平与垂直方向的振动补偿。

具体地，数据处理系统进一步包括侧面限界测量模块，用激光雷达扫描时能够扫描到支柱的内侧区域，并且扫描出来的轮廓内缘为近似垂线的距离即为支柱到激光雷达中心的距离，再求出激光雷达与轨面中心线的距离就可以得出侧面限界的值。

具体地，数据处理系统进一步包括线岔始触点高度差测量模块，用于计算两根均位于受电弓上方的接触线的高度差。在铁路上，特别是在站场区段，经常会出现多股道交汇的路线，这样就会形成铁路上所谓的道岔，而线岔是指道岔上方接触线交叉的部分。为了确保机车受电弓能够从一悬挂安全平滑地过渡到另一悬挂，以致达到转换线路的目的，其中线岔起着非常重要的作用。一定长度的碳滑板构成受电弓的基本结构。受电弓起到将接触网提供的电能传递给列车的电动机促使机车运行的连接作用。当列车继续驶向多股道路线的交汇处时，受电弓就已经碰到另一根接触线，刚好接触到的点就称为“始触点”。如果此时交互处高度差偏大，很容易使受电弓接触不到接触线从而发生脱弓事故，从而使列车无法行驶。为防止此类事故的发生，检测始触点的位置和两线高度差成为必要。

具体地，数据处理系统进一步包括环境温度测量模块，用于检测接触网当前工作外界温度。当外界环境温度和定义的正常温度不同时，接触网会出现跟其他物质一样的热胀冷缩特性，此时，整个接触网系统的每个部件都会发生不一样的改变，细微的变化最终会改变接触网的一些参数。所以，当检测时就会出现与历史测量的值不一致的现象，可以通过数据的对比来制定出最好的架设方案，从而可以在考虑的范围内设定接触线的最佳拉出值和弛度等。

如图2所示，为本发明接触网施工同步检测系统硬件结构及连接关系，主要包括lms扫描模块、lms信号处理机模块、前置机模块、主机模块等模块，该套检测系统配置在检测作业车上，利用检测作业车完成接触网施工几何参数的检测。具体地，lms扫描模块和lms信号处理机模块通过有线或无线连接。前置机模块置于车箱底部，包括速度传感器、补偿传感器、温度传感器以及与每个传感器对应的信号调理器；信号调理器和检测主机模块连接；检测主机通过交换机与lms信号处理机连接。

接触网施工同步检测系统每一组成部分都是必不可少的，但应用最广的当属计算机。接触网的框架基本上是以计算机为核心搭建起来的。一个检测系统必定是通过一个个小模块组合起来的。本系统是基于激光雷达的接触网检测系统，通过激光雷达扫描仪对被测目标有关数据进行采集，然后通过特定的信息传输通道传给计算机进行处理和显示。将激光雷达安装在作业车或专用检测车的车顶，车厢内安装有lms信号处理机、交换机、检测主机、前置机，它们进过一定的关系和顺序构成一个完整的接触网参数检测系统。该系统主要用来对接触网几何参数的实时检测以保证接触网的几何参数在正常的范围内，及时发现接触网故障点，从而实现电力机车又好又快运行。

如图3所示，为本发明lms激光检测仪数据的接收、解析以及处理流程，包括以下步骤：

步骤s1：准备lms数据捕获的数据结构；

步骤s2：发送命令设置所需的测量模式；

步骤s3：开始lms数据的连续输出；

步骤s4：解析lms数据流的输出字符串头，若发现存在字符串头，则执行步骤s5，否则持续解析，直至lms数据流末尾；

步骤s5：估算lms数据流字节长度；

步骤s6：计算数据结构中lms数据点的缓冲长度；

步骤s7：对获取的lms数据进行滤波、显示以及评估，返回步骤s4。

其中步骤s3中的lms数据根据测量模式，从0°开始，按照顺序递增排列，得到的返回数据流中，前七个字节为字符头，用于识别解析正确数据流，最后三个字节为状态位和校验位，作为整个数据流的结尾。

另外，输出数据字符串开始时有一个stx字符，但结尾没有etx字符。因此，本发明通过以下两种方式来识别数据字符串：(1)下一个输出数据解析字符串头；(2)缓冲固定数量的数据值计算长度信息的输出字符串数据头。为了确定lms的数据字符串的开始，需要在输入数据流中定义一个特殊的字符串头。每种测量模式的输出数据字符串头是不同的。

如图4所示为本发明的激光雷达接触网施工同步检测方法，包括以下步骤：

步骤s1：在开始数据通信前，由上位机向检测装置发送检测信号，如果收到的返回值表示设备正常，则执行步骤s2，如果收到的返回值表示设备不正常，则执行步骤s3；

步骤s2：激光雷达检测装置开始循环检测，并将检测数据发送给上位机实时显示在显示装置上，包括角度、距离和坐标数据；

步骤s3：返回检测设备异常。

具体地，在所述步骤s2中，通过激光雷达检测装置进行扫描后，能够实现对接触网轮廓的扫描，并通过显示装置显示所述接触网轮廓；同时，利用激光雷达的扫描功能，将扫描到的接触线的数据进行简单的计算就能够实现对接触线的导线高度、拉出值的快速准确检测。

进一步地，所述导线高度的计算方式如下：

h＝hv+lsinθ+yc(3)

其中：l－激光雷达中心与被测接触线的距离；θ－激光雷达和目标点之间的连线与扫描线的夹角；hv－车顶高度；yc－水平与垂直方向的振动补偿。

所述拉出值的计算公式如下：

z＝lcosθ+xc(4)

其中：z－拉出值；l－激光雷达中心与被测接触线的距离；θ－激光雷达和目标点之间的连线与扫描线的夹角；xc－水平方向的振动补偿。

具体地，所述步骤s3中返回检测设备异常并将异常信息显示在上位机的显示装置上。

本发明的激光雷达接触网施工同步检测装置适用于对国铁27.5kv接触网或城铁接触网进行检测，搭载于自制的移动检测平台或者专制的检测小车上，对接触网的导线高度、拉出值、导高坡度、定位器坡度、包络线、关节、道岔、轨道超高进行检测、分析、记录。

通过本发明的激光雷达接触网施工同步检测装置与方法，能跟随施工对接触网的各项参数进行测量，满足对调整完成后的接触网状态进行同步动态检测的目的，减少重复施工，可以大量节约长期成本，不增加额外负担，实现接触网的施工与检测同步。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即所述系统的内部结构划分成不同的功能单元或整体，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元或模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元或模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。

所属领域的技术人员还可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序或指令相关的硬件完成，所述的程序可以在存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，包括rom/ram、磁盘、光盘等。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。