高铁接触网吊弦标定装备系统研究

明奇 郝登运 刘春雨 张贺

摘要：针对高铁接触网吊弦标定施工机械化、智能化的作业要求，设计了一款吊弦标定施工装备，能够完成不同跨度吊弦安装位置的连续标定、接触网几何参数的自动测量。介绍了设备系统设计、系统组成、软件组成及外场功能试验等。试验数据表明：综合定位测距方案所有测试数据均小于±20 mm的定位精度要求，選取关键点腕臂定位器中心处接触线参数（导高和拉出值）检测数据误差均小于±5mm ，优于±10 mm的测量精度要求。

关键词：高铁接触网;吊弦标定;接触网几何参数;施工装备

中图分类号：U225文献标志码：A文章编号：1009-9492（2021）11-0220-03

Dropper Calibration Equipment of High-speed Railway Catenary System Research

Ming Qi1，Hao Dengyun1，Liu Chunyu2，Zhang He1

（1. CSIC Haiwei Zhengzhou High-tech Co.， Ltd.， Zhengzhou 450000， China;2. The 3rd Engineering Co.， Ltd.， China Railway Construction Electrification Bureau Group， Baoding， Hebei 074000， China）

Abstract： Aiming at the mechanized and intelligent operation requirements for the dropper calibration of the high-speed railway catenary system， a construction equipment that can adapt to the continuous calibration of the dropper installation positions of different spans was designed. The equipment system design， system composition， software composition and field function test were introduced. The test data show that all the test data of the comprehensive positioning and ranging scheme are less than the positioning accuracy requirements of ±20mm， and the error of the test data of the contact line parameters （lead height and pull-out value） at the center of the selected key point cantilever locator is less than ±5mm， which is better than the measurement accuracy requirements of ±10mm.

Key words： high-speed railway catenary; dropper calibration; catenary geometric parameters; construction equipment

0 引言

传统铁路接触网施工多以接触网作业车、人工梯车为主。接触网作业车成本昂贵、施工可控时间短暂;人工梯车随意性大、安全性差、效率低、人力成本高等，对当前接触网安全高效的现代化施工提出严峻挑战。

随着电气化铁路的高速发展，接触网的现代化施工和技术应用显得日益迫切。该套装备是基于现有一体化工艺数据信息、标准化工序、工人施工技能等一系列技术要求，实现可靠精准的数据信息智能化施工控制和管理，降低施工人员的体力劳动强度，提高施工效率、施工质量，进一步提升高速铁路接触网系统安全可靠性，实现建筑企业接触网工程的全面自动机械化，打造智能高铁建设[1-3]。

吊弦标定装备作为接触网施工系列装备的组成部分，其设计以作业量程最大化、通用化及自动化为目标，能够适应高铁接触网的现场施工作业环境，充分发挥其精确定位优势，最大程度减小施工人员作业强度，并能够代替现有吊弦标定的部分施工作业流程，完全配合施工人员进行吊弦安装施工作业，具有精度高、操作简单、安装调试方便及维护性好等特点[4]。

1 系统设计

吊弦标定装备具有不同跨度吊弦安装位置的自动定位和标定、接触线几何参数（导高和拉出值）的自动测量等功能，可采用自动运行模式，减少操作，降低对工人技术水平的要求，提高设备使用效率。在吊弦标定过程中，可对前期的基础施工情况进行检测和测量，作为一种检查复核的手段。设备所检测的数据，可与用户 BIM 管理系统进行对接，实时传输，实现共享标定过程数据和测量数据信息。

根据施工要求，吊弦标定装备主要技术指标：标定精度小于或等于±20mm;测量精度（导高和拉出值）小于或等于±10mm。

2 系统组成

吊弦标定装备系统结构如图1所示，主要包含行走作业平台、接触网参数检测系统、机械手系统、喷码系统、控制系统及测距整定系统等。

行走作业平台是吊弦标定装备实现功能的关键载体，负责在高速铁路的轨道上自主行走，能够快速上下道，避让过往车辆，具有较好的灵活性。

接触网参数检测系统是吊弦标定装备实现功能的眼睛，负责接触线关键位置参数（导高、拉出值等）的精确测量。接触网参数检测系统主要由安装在车顶的接触线参数测量模块、安装在车下底架上的车体振动补偿测量模块及安装在车内的数据采集与处理系统模块及显示模块等组成。接触线参数测量模块和车体振动补偿测量模块输出的测量信号均由安装在车内的数据采集与处理系统进行分析处理，通过特定的智能算法计算出接触线几何参数的静态值。系统控制原理如图2所示[5-8]。

机械手是吊弦标定装备实现功能的手臂，负责在标定过程中跟随接触线走向实时移动喷枪位置，保持喷枪和接触线在合适的喷涂范围内，使得喷涂标记能够准确地落在接触线上。机械手控制系统主要包括交流伺服电机、支柱检测模块、限位光电开关等，其控制原理如图3所示。系统通过伺服电机完成机械手的位置调整。

喷码系统是吊弦标定装备实现功能的执行机构，负责接收控制系统指令，实现精准标记。喷涂系统是由计算机控制系统构成的主机，主要包括 CPU中央处理器、 EPROM 存储器、触摸屏、编码器等组成，由光电传感器接收装备移动信号，控制微型电磁阀式的喷头，对接触线进行无接触式喷码。喷涂控制系统包括 PLC 、测距编码器及 I/O站等，其控制原理如图4所示。测距整定系统将采集到的设备速度信号传输给喷涂系统，喷涂系统根据速度信号自动匹配对应的喷涂速度，从而保证喷涂效果。控制系统 PLC 通过 Modbus 主从协议控制多输出 IO 站耦合器发出 I/O 信号，从而控制喷涂系统按照设定参数完成喷涂标记。

控制系统是吊弦标定装备实现功能的核心，吊弦标定装备由支柱零点定位模块扫描到支柱时的状态记为单跨度作业的参考零点，吊弦标定装备根据接触网参数检测系统测量的数据实时调整机械手始终与接触线保持合适的设计位置，当吊弦标定装备系统到达吊弦标定位置时，控制系统控制自动喷枪进行喷码标记[9]。

测距整定系统是吊弦标定装备实现功能的标尺，接触线上吊弦标定位置的定位通过测距传感器和车体振动补偿装置进行综合参数计算实现。测距整定系统由2套测距轮单元、2套编码器构成，选用德国进口高精度、高分辨率增量型编码器，其具备 Z 相圈数输出功能，并安装在不承重的专用测距轮上，将车轮打滑、抱轮、车轮不圆、快速加减速造成的精度变差降至最低。

3 软件设计

采用台达高性能 PLC作为主控制器，选用官方开发软件ISPSoft进行程序开发，采用多种通信协议并行进行通信，如 CAN2.0、TCP/IP 、Modbus TCP 。CAN通信主要用于 PLC与Y 轴伺服控制器和 Z 轴伺服控制器之间的通信;TCP/IP通信协议用于 PLC与触控屏的通信; Modbus TCP 通信协议用于 PLC 与接触网参数检测系统间的通信。控制软件流程如图5所示。

4 系统功能测试

根据现场作业调试条件，先后在京沈客专、京雄城际铁路，针对特定段（曲线段、直线段、锚段关节及隧道）吊弦标定实际作业流程，根据现场施工的实际工作状态进行外场试验测试，并依据试验计划完成测试。

4.1 吊弦标定测试（含直线段、曲线段和隧道内）

根据试验现场情况，京沈客专选择上行6锚段直线段的10～30支柱、曲线段80～100支柱和隧道 A2～ A22支柱，采用不停車、支柱零点定位作业方式进行吊弦安装位置的自动标定功能测试，反复测试10次，测试结果如表1所示。试验数据表明，直线段支柱号（10～30）区间、曲线段支柱号（80～100）区间及隧道支柱号（ A2～ A22）区间内所有数据共计1760组，综合定位测距方案所有测试数据均满足小于或等于±20 mm的定位精度要求。

4.2 接触线参数检测测试

根据试验现场情况，选择京雄城际铁路上行2-288跨（含直线段、曲线段和隧道内）进行接触网参数检测方案试验验证，采用不停车匀速测试，选取关键点腕臂定位器中心处的接触线参数数据，与用接触网激光测量仪（DJJ-8）手工测量的对应处接触线参数数据进行对比，测试结果如表2所示。试验数据表明，选取关键点腕臂定位器中心处接触线参数（导高和拉出值）检测数据误差均小于±5mm ，优于±10 mm的测量精度要求。

5 结束语

本文设计的吊弦标定装备基于现场施工工艺，融合了激光、视觉、机械手和高速喷码等先进技术，实现了行走状态下吊弦安装位置的精确标定和接触线导高、拉出值等接触网相关数据的精确测量，解决了支柱零点精确识别、接触线精确定位、机械手精准跟随与测距轮精确测距等难题，可适用不同跨度的吊弦连续标定，达到了降低劳动强度、提高施工效率的设计初衷，为自动化机械进行了有效地探索。

高铁接触网户外施工环境复杂，吊弦安装又属于高空作业，利用成熟的行业经验和先进技术，实现吊弦机械化自动安装功能，保证吊弦安装后接触线几何参数满足施工验收的精度要求，可进一步提高高铁接触网施工机械化程度，降低施工人员的劳动强度，提高施工效率、施工质量，对实现接触网工程的全面自动机械化意义重大。

参考文献：

[1] TB 10009-2016.铁路电力牵引供电设计规范[S].

[2] TB 10621-2014.高速铁路设施规范[S].

[3] GB/T25119-2010.轨道交通机车车辆电子装置（IEC 60571：2006，MOD）[S].

[4]于万聚.高速电气化铁路接触网[M].成都：西南交通大学出版社，2003.

[5]周威， 薛宪堂， 张文轩，等.接触网几何参数测量中的车辆振动补偿方法研究[J].中国铁路，2018（4）：92-97.

[6]占栋， 于龙， 肖建，等.接触网几何参数高速动态视觉测量方法研究[J].仪器仪表学报，2014（8）：1852-1859.

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[8] PAN X T，ZHANG Y F，MENG F.Measurement of the geometric parameters of power contact wire based on binocular stereovision [C]//5th International Symposium on Advanced Optical Manufac- turing and Testing Technologies： Optical Testing and Measure- ment Technology and Equipment，2010.

[9]赵小刚.基于 CAN总线技术的机械臂自动控制系统设计[J].自动化与仪器仪表，2016（10）：56-58.

第一作者简介：明奇（1985-），男，河南滑县人，硕士，工程师，研究领域为高铁施工装备智能化。 （编辑：刁少华）