随着电气化铁路的飞速发展，电气化铁路越来越多，同时对铁路的安全运营要求也越来越高，因为接触网是一种特殊对电力机车提供不间断的电能形式的供电线路，所以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。
从国内国际来看，现在对接触网测试的方法主要包括接触式和非接触式两种测量方式，接触式主要偏重于接触网动力学参数测试，非接触式只能测量接触网几何参数，当前接触网检测技术已达到一个相当高的水平，基本解决250公里/小时及以下时速的接触网检测技术。但有接触网检测数据的定位问题一直没有得到很好解决。
由于数据定位不准，导致检测数据出现张冠李戴的问题，但在发展检测技术的初级阶段，对这个问题没有足够重视，导致接触网定位检测技术跟不上其它技术发展的步伐，最终由于定位技术的限制，制约了整个检测技术的进一步发展。
1 接触网检测数据的定位技术分析
1.1 接触网定位技术现状
目前，纵观国内外接触网检测定位技术,主要包括如下三种方法：
第一，数据库定位技术(通过建立线路杆号数据库,并给定支柱之间的跨距，通过车辆运行是对速度进行处理算出累积里程,对数据库内跨距进行判断,得到支柱位置)；
第二，拉出值拐点处理技术(利用接触网固有特点呈之字形设计,通过拉出值检测数据进行分析处理,找出拉出值检测数据拐点位置从而确定为定位位置)；
第三，基于公里标测试方法（该方法抛开杆号不管，只对公里标进行校对，感觉上误差比较小运行100公里误差1公里也就误差1%，但对于接触网维护是基于杆号进行，每个杆号之间距离仅为10～60米，这样就导致维修无法进行，国内采用此方法的，同时还增加了辅助定位系统，才能缩小误差，即是将100公里分成100份进行公里标测试，且每1公里系统自动定位校准，这样确保1公里误差不超过100米，即使将误差控制1-2个杆号内）。
目前国内大多数做接触网检测企业采用第一种，部分企业采用将两种方法结合，个别企业是采用第三种方法，国外产品则主要使用第二种方法和第三种但没有附加辅助定位系统。
1.2 存在的问题
通过采用以上三种对接触网检测数据定位的方法，大量的实验表明，这三种方法有自己的优缺点。
第一种方法的优点是能在确保数据库很准的前提下，如果速度传感器不出问题，杆号识别率达到80%，且只是通过软件实现，不涉及硬件，工作量相对较小；它的缺点是由于铁路系统线路比较长，数据准确性没法保证，再有就是速度传感器与车轴连接部位存在打滑，可能导致车辆继续行走但速度传感器没有数据采集，上位机在计算里程时出错，导致杆号测量不准。
第二种方法是基于纯软件测量方法，依据线路特点（定位点一般在拉出值最大处）对测量数据进行分析，得到杆号位置，通过对软件不断修改，杆号正确识别率有可能达到80%，且不需要硬件设备，维护工作量大大减少；该方法缺点是由于线路结构比较复杂，软件处理不了时，只能不处理，这样就导致检测数据错位。
上述三种方法都是间接对杆号进行测量，不能从根本上解决杆号测量问题。
1.3 相应的改进措施
基于接触网检测在定位方面存在的问题，本文提出一种基于二维激光的杆号直接测量方法，这种方法目标就是杆号，这样就从根本上解决了杆号不准问题。实践也证明了本文的理论分析以及测试的精确性和可行性。
2 系统结构和工作原理
接触网检测车动态杆号测试系统由接触网定位器，激光传感器，以太网，工业计算机，DSP嵌入式系统，以及监视器和相应数据采集处理软件组成。系统结构图如图1所示。通过在车顶两侧垂直向上各安装一台二维激光传感器,激光传感器对准接触网定位器，通过二维激光传感器实时对定位器进行扫描，激光传感器将扫描得到杆号信息，通过以太网传输接口将信息传送到嵌入式处理系统，进行数据分析和处理，通过嵌入式处理系统处理后形成所需杆号信息，最后再通过以太网接口将最终有用信息送往上位机供检测系统使用，进而对检测数据进行一一定位。
图1 基于二维激光杆号测量原理框图
由于感光元件是固定在传感器上并有一定区域的，所以只有当发射光以一定的角度从被测物体反射时才能被感光元件接收。该传感器的安装方法是发射光必须垂直于被测物体，决定反射角度的因素有光源与被测物的距离和物体的形状。
所以激光在这个速度下完全可以达到实时扫描的目的。
现有检测车检测的动态数据和静态数据多以受电弓为基准位置，基于此本系统将安装多组OPTIMESS S1 CCD激光传感器于车体A、B两侧，并通过校准使其精确的对准定位管，如图2所示。避免了单个传感器由于定位器的环境污染，反射能力不够造成的数据丢失，极大的提高了系统的可靠性。
图2 车体安装示意图
3 数据分析处理系统
3.1 系统的硬件设计
数据分析处理系统由DSP+FPGA嵌入式开发板、接口电路（USB及RS485）、存储器、上位机等几部分构成。其工作流程是：定位管杆位信号通过前端激光传感器及传输系统经过以太网接口送至DSP数据采集及分析处理系统，该系统主要由FPGA构成以太网接口电路以及DSP实现的数据处理系统组成。
通过FPGA实现信号的预处理，送至DSP实现信号的再处理标定出当前杆号信息，通过LCD液晶显示模块进行实时显示。另外，还需要将重要的数据存入SD卡存储系统中。，通过以太网接口实现与上位机进行通信，进行数据融合。如图3所示：
图3 数据分析处理系统功能框图
嵌入式系统采用先进的DSP+FPGA架构，使用TI公司的TMS320C6713，最高运算速度达到1350MIPS，SPARTAN XC2S200板载20万门FPGA ，系统最高时钟频率为200M，2M Bytes 大容量Flash，AM29LV1605，4M*16 bit SDRAM，MT48LC4M16A2，100M 工作时钟，最高工作频率143MHz。保证了足够的系统资源。适用于高速实时检测的需要。FPGA与DSP采用EMIF接口进行通讯，FPGA/DSP通信电路如图4所示：
图4 FPGA/DSP通信电路
3.2 系统软件设计
3.2.1 DSP处理程序
设定Microcomputer/ Bootloader 为VC33 的运行模式。运行前程序存放在存取速度较低的Flash 中，系统复位后，由固化在DSP 芯片上的Bootloader， 把程序搬移到高速SRAM 中全速运行。本文只简单介绍软件的功能。程序从结构上分为主程序和中断服务程序两部分。
主程序包括:
①系统初始化程序。设置外部存储器接口、串口、定时器、中断、中断向量表、键盘接口等参数,确定系统的运行模式。
②数据处理程序。把激光传感器送来的数据转化成实际的杆号信息,将多组传感器送来的信号进行数据的融合确定实际的杆号信息,采集数据的高频噪声滤波,最终得到反应系统实际工况定位信息。
中断服务程序包括:
① 信号采集程序。完成四路激光传感器的信号采集。A/D采集程序占用6713的INT0中断。
② 键盘扫描程序。当有按键动作时,读取按键编码。占用6713的INT7中断。
③ 通信程序。实现DSP与FPGA的通讯、与PC 通信的功能。占用6713的INT7中断。
3.2.2 FPGA程序包括
1、以太网控制器的实现：
以太网控制器的FPGA设计工作包括以太网MAC子层的FPGA设计、MAC子层与上层协议的接口设计以及MAC与物理层的MII接口设计。
2、LCD接口的实现：
FPGA主要产生LCD显示所需要的时序，并接受来自DSP的指令和数据执行和显示。
3、按键接口：
实现按键去抖动处理，并读取键值发送中断至DSP进行处理和响应。
4 系统的应用实例分析
基于二维激光检测技术的接触网动态杆位定位系统结合现有接触网检测车通过对金堂到遂宁现场试验，通过对接触网参数的检测和数据的实时传送，接触网检测车精确捕捉到了杆号，该系统数据传输准确实时，实时采集，实时传送，从而实现了检测数据的准确定位，采集杆号的效果如图5所示：
图5 实验结果
在接触线走线标准，没有横跨和下锚的情况下，该定位系统效果良好，能够精确的定位到每一个杆号，为接触网动态参数检测提供参数位置信息。
5 总结
本文通过对当前的接触网检测定位技术的分析，对比各种方法的优缺点，研究了基于二维激光检测技术的接触网动态杆位定位系统，实验结果证明了该系统在接触线走线标准，没有横跨和下锚的情况下，定位效果良好，但在存在下锚和横跨，以及隧道的情况下，激光传感器将受到干扰，输出干扰信号，引起定位的误判，影响系统的精确性。所以整个系统仍需进一步完善，以便对检测数据更加准确的实时的定位，为以后研究接触网检测数据的更精确定位提供了新方法。
本文编自《电气技术》，原文标题为“基于激光检测技术的接触网动态杆位定位系统的研究”，作者为张士奎、王元贵 等。
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