sick技術(shù)參考文獻(xiàn)歸檔軟件代碼閱讀

ResearchontheDetectionMethodandSystemofCatenary'sGeometryParametersAthesissubmittedinpartialsatisfactionoftherequirementsforthedegreeofintheHunan摘要電氣化機(jī)車以其環(huán)境污染小、速度快、安全可靠程度高等特點(diǎn)，逐步取代了內(nèi)燃、蒸汽機(jī)車。近幾年隨著我國普速火車速度的提高和高速鐵路建設(shè)的發(fā)展，為電氣化機(jī)車輸送電能的接觸網(wǎng)施工標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)格，日常任務(wù)更加繁重。但國內(nèi)接觸網(wǎng)檢測(cè)技術(shù)相對(duì)滯后，大量的接觸網(wǎng)檢測(cè)任務(wù)和相對(duì)滯后的檢測(cè)儀器之間的亟待解決。本文依托天格高通合作項(xiàng)目，針對(duì)接觸網(wǎng)施工期間，無法使用檢測(cè)機(jī)車，且人工檢測(cè)方法效率低、連續(xù)性不足、穩(wěn)定性差等問題，在基于激光雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，使用高分辨率單線，對(duì)接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)方法及其系統(tǒng)進(jìn)行研究。具體工作如下：通過分析目前常用的兩種接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)方法的性能，結(jié)合系統(tǒng)便攜性需求，本文選擇了基于的檢測(cè)方法。針對(duì)現(xiàn)有方法檢測(cè)結(jié)果只與時(shí)間相關(guān)，無法直接反映接觸網(wǎng)的走勢(shì)，提出了一種基于的接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)方法及其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并引入系統(tǒng)位移信息。針對(duì)接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)的需求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了硬件和軟件系統(tǒng)，提出了一種基于單線掃描的接觸網(wǎng)幾何參數(shù)分析算法，該算法可通過按距離或按時(shí)間兩種方式分析數(shù)據(jù)，并利用卡爾曼濾波算法優(yōu)化了分析結(jié)果。通過一種簡(jiǎn)單有效的上位機(jī)下位機(jī)聯(lián)合認(rèn)證方式解決了系統(tǒng)認(rèn)證保護(hù)的問題。本文系統(tǒng)已經(jīng)成功運(yùn)用于接觸網(wǎng)檢測(cè)小車上，在大西高鐵、廣西和貴陽地區(qū)普速鐵路線上做了系統(tǒng)分析實(shí)驗(yàn)，并已推出產(chǎn)品開始銷售。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文系統(tǒng)達(dá)到檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)比現(xiàn)有檢測(cè)方法，在穩(wěn)定性、連續(xù)性和檢測(cè)效率方面得到了改善。：接觸網(wǎng)；幾何參數(shù) ；檢測(cè)系統(tǒng) otivesgraduallyrecethediesel otiveand foritsenvironmentalpollution,fast,andhighdegreeofsafetyandreliability.Inrecentyears,withtheincreasedspeedofnormal-speedtrainandthedevelopmentofhigh-speedrailway,theconstructionstandardsofcatenary,whichsupplyelectricpowerforthe andtheroutinemaintenancetasksemorearduous.Butthedetectiontechnologyofcatenaryislaggingbehindinourcountry.ThecontradictionsbetweentheheavydetectiontaskandthelaggingequipmentneedtobeThisdissertationreliesontheprojectwithBeijingTiangegaotongTechnologyCorporation.Duringtheconstructionofcatenary,thecatenarycannotbedetectedwithdetection otiveandmanualtestingmethodsarelowefficiency,lackofcontinuityandpoorstability.Onthebasisofthedetectiontechnology,weresearchthedetectionmethodandsystemofcatenary'sgeometryparameterswithhigh-resolutionsingle-linelidar.Detailedworksareasfollows:Byyzingtheperformanceoftwocommoncatenary’sgeometryparametersdetectionmethods,weselecteddetectionmethodwithridarbecauseofsystemportabilityrequirements.Theconventionalmethodisonlytime-relatedandcan'tshowtherealshapeofcatenary.Wehaveproposedadetectionmethodofcatenary'sgeometryparametersbasedlidarandaddedthediscementofthesystem.Forrequirementsofdetectionsystem,wehavedesignedthehardwareandsoftware,andproposedanalgorithmofcatenary'sgeometryparametersusingsinglelinelidar.Thealgorithmcanyzethedataintwoways:bytimeorbydistanceandusingKalmanfilteralgorithmtooptimizetheresults.Wehavefoundthesolutionstotheproblemwiththesystemprotectionthroughasimpleandeffectivemethod.Theproposedsystemhasbeensuccessfullyappliedtoasmalltrolleyforcatenarydetection.WehavedonesomeexperimentsinDaxihigh-speedrailwayandnormal-speedrailwayinGuangxiandGuiyangandlaunchedproductsonsale.Theresultsshowthatoursystemreachesthedetectionstandardsanddobetterthantheexistingdetectionmethodsonstability,continuityandtestingefficiency.:Catenary;GeometryParameters;Lidar;Detection目錄性..........................................................................................................使用書 摘 目 插圖索 附表索 第1章緒 研究背 接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)方法國內(nèi)外研究現(xiàn) 研究?jī)?nèi)容及意 組織結(jié) 第2章相關(guān)研 基于的目標(biāo)位置測(cè)量方 2.1.1基于目標(biāo)位置測(cè)量方 卡爾曼濾波方法的動(dòng)態(tài)估 卡爾曼濾波概 卡爾曼濾波算 卡爾曼濾波應(yīng) 應(yīng)用系統(tǒng)認(rèn) 終端系統(tǒng)中的認(rèn) 網(wǎng)絡(luò)傳輸中的認(rèn) 應(yīng)用服務(wù)中的認(rèn) 本章小 第3章一種基于的接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)方 接觸網(wǎng)及其幾何參 接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)方法研 基于圖像處理的檢測(cè)方 基于的檢測(cè)方 振動(dòng)產(chǎn)生位移變化對(duì)系統(tǒng)檢測(cè)的影 振動(dòng)產(chǎn)生角度變化對(duì)系統(tǒng)檢測(cè)的影 檢測(cè)設(shè)備安裝偏差對(duì)系統(tǒng)檢測(cè)的影 現(xiàn)有檢測(cè)系統(tǒng)的不 一種基于的接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)系 系統(tǒng)結(jié) 位移測(cè) 系統(tǒng)認(rèn) 本章小 第4章接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí) 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)與實(shí) 硬件系 工控機(jī)的選 控制電 系統(tǒng)位移檢測(cè)方 接觸網(wǎng)幾何參數(shù)分析算 按距離分析方 按時(shí)間分析方 卡爾曼濾波算法優(yōu)化結(jié) 接觸網(wǎng)幾何參數(shù)實(shí)時(shí)分析算 系統(tǒng)認(rèn)證解決方 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí) 實(shí)時(shí)檢測(cè)軟 數(shù)據(jù)分析軟 上位機(jī)和下位機(jī)的通信協(xié) 上位機(jī)下傳指令 下位機(jī)上傳數(shù)據(jù) 本章小 第5章系統(tǒng)應(yīng)用與性能分 基于的檢測(cè)小 系統(tǒng)功能說 實(shí)時(shí)檢測(cè)軟 數(shù)據(jù)分析軟 控制電路說 系統(tǒng)性能分 初始標(biāo)定與參數(shù)設(shè) 卡爾曼濾波效果分 檢測(cè)結(jié)果對(duì)比分 本章小 結(jié) 參考文 附錄A攻讀期間及申請(qǐng)專 附錄B攻 期間所參加的科研項(xiàng)目 致 插圖索引圖1.1接觸網(wǎng)實(shí)物.....................................................................................................圖1.2連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu) 圖1.3德國接觸網(wǎng)檢測(cè)車系統(tǒng) 圖1.4SURCAT系統(tǒng)檢測(cè)原 圖1.5激光三角測(cè)量 圖1.6激光掃描法檢測(cè)接觸線幾何參 圖1.7激光測(cè)距儀測(cè)量接觸網(wǎng)的幾何參 圖1.8DJJ-8多功能接觸網(wǎng)幾何參數(shù)測(cè)量 圖2.1激光探測(cè)與測(cè)量系 圖3.1接觸網(wǎng)系統(tǒng)結(jié) 圖3.2接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)俯視 圖3.3基于圖像處理的檢測(cè)方法原理 圖3.4基于激光掃描檢測(cè)方法原理 圖3.5位移變化對(duì)激光掃描檢測(cè)系統(tǒng)影 圖3.6位移變化對(duì)基于圖像檢測(cè)系統(tǒng)影 圖3.7角度變化對(duì)激光掃描檢測(cè)系統(tǒng)影 圖3.8角度變化對(duì)基于圖像檢測(cè)系統(tǒng)影 圖3.9安裝偏差對(duì)激光掃描檢測(cè)影 圖3.10安裝偏差對(duì)基于圖像檢測(cè)影 圖3.11系統(tǒng)坐標(biāo)系示意 圖3.12軌道坐標(biāo)系與坐標(biāo)系之間的關(guān) 圖3.13系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu) 圖3.14前進(jìn)狀態(tài)AB相編波 圖3.15后退狀態(tài)AB相編波 圖4.1硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖4.2控制電路原理 圖4.3鐵片切割形狀示意 圖4.4鐵片與接近開關(guān)相對(duì)位 圖4.5編電 圖4.6按距離分析算法流 圖4.7掃描平面示意 圖4.8拉出值均值化簡(jiǎn)示意 圖4.9導(dǎo)高數(shù)據(jù)卡爾曼濾波分析 圖4.10實(shí)時(shí)分析算法流程 圖4.11系統(tǒng)認(rèn)證流程 圖4.12實(shí)時(shí)檢測(cè)軟件功能結(jié)構(gòu) 圖4.13數(shù)據(jù)分析軟件功能結(jié)構(gòu) 圖4.14上位機(jī)下傳指令包格 圖4.15下位機(jī)上傳數(shù)據(jù)包格 圖5.1接觸網(wǎng)檢測(cè)小車實(shí)物 圖5.2實(shí)時(shí)檢測(cè)軟件界 圖5.3數(shù)據(jù)分析軟件界 圖5.4按時(shí)間分析結(jié)果(左)與按距離分析結(jié)果(右 圖5.5水平縮放與導(dǎo)高縮 圖5.6導(dǎo)出的Excel表格數(shù)據(jù)格 圖5.7控制電路實(shí)物 附表索引表3.1檢測(cè)小車前進(jìn)時(shí)編狀態(tài) 表3.2檢測(cè)小車后退時(shí)編狀態(tài) 表4.1接近開關(guān)輸出狀態(tài) 表4.2卡爾曼濾波實(shí)驗(yàn)仿真統(tǒng)計(jì)數(shù) 表4.3上位機(jī)下傳的控制指 表5.1卡爾曼濾波優(yōu)化計(jì)算結(jié) 表5.2檢測(cè)小車和DJJ-8測(cè)量?jī)x測(cè)量結(jié)果（單位：毫米 表5.3測(cè)量結(jié)果均值與方差分 第1章緒論研究背景近些年來，隨著我國高速電氣化鐵路建設(shè)的迅猛發(fā)展，鐵路系統(tǒng)安全問題日益顯著。如圖1.1所示，接觸網(wǎng)[1]是電氣化鐵路的主要供電設(shè)備，它將電能從牽引變電所直接輸送給電力機(jī)車，一般要承載27.5千伏的電壓[2]和幾千安的電流同時(shí)還要承受受電弓[4]300公里/小時(shí)的高速摩擦。為了確保電力機(jī)車有良好的受流特性[5]，這就要求接觸網(wǎng)具有良好的電氣特性和機(jī)械性能[6]。圖1.1接觸網(wǎng)實(shí)物由于接觸網(wǎng)是露天設(shè)置，沒有備用，平時(shí)要承受風(fēng)吹日曬，高溫極寒等氣候條件的影響。接觸線上的負(fù)荷又是隨著電力機(jī)車的運(yùn)行不斷變化，機(jī)車通過時(shí)與受電弓接觸產(chǎn)生磨損。磨損是由于載荷、取流、變形、振動(dòng)等多方面因素所造成的結(jié)果[7]，主要包括機(jī)械磨損和電氣磨損。由于接觸網(wǎng)沒有備用，并且對(duì)接觸網(wǎng)更換耗時(shí)耗力，增加了鐵路的運(yùn)營成本。同時(shí)，當(dāng)接觸網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，使鐵路中斷，在時(shí)間上和經(jīng)濟(jì)上給國家和人民帶來損失。所以，為了保證接觸網(wǎng)系統(tǒng)的可靠使用時(shí)間，就需要進(jìn)行周期性的檢查和運(yùn)營工作[8]。接觸網(wǎng)的幾何參數(shù)[9]直接影響著電力機(jī)車的受流質(zhì)量，甚至影響機(jī)車的行駛安全[6]，因此鐵路部門相當(dāng)重視接觸網(wǎng)導(dǎo)線的高度、拉出值等幾何參數(shù)的檢測(cè)。目前，我國電氣化鐵路對(duì)接觸網(wǎng)幾何參數(shù)的檢測(cè)有兩種方式：式是依靠檢測(cè)機(jī)車巡檢[10]，造價(jià)昂貴，并且由于檢測(cè)機(jī)車體積龐大，裝配、設(shè)置復(fù)雜，檢測(cè)時(shí)間需要統(tǒng)一調(diào)度，在實(shí)際應(yīng)用上多有不便；另式是靠檢測(cè)人員使用DJJ-8數(shù)字化激光接觸網(wǎng)測(cè)量?jī)x[11]逐點(diǎn)檢測(cè)，效率很低，而且檢測(cè)數(shù)據(jù)不連續(xù)。鐵路施工具有長期性和復(fù)雜性，在每一段工程完成后，需要對(duì)接觸網(wǎng)的施工完成情況做出大致的評(píng)估，不論是施工方還是驗(yàn)收方，都希望能夠及時(shí)了解施工的進(jìn)展情況以及是否符合施工的標(biāo)準(zhǔn)。由于接觸網(wǎng)和軌道施工一般分屬于不同施工方負(fù)責(zé)，也就是說接觸網(wǎng)施工完成時(shí)，軌道的施工可能還未完成。因此對(duì)于施工方和驗(yàn)收方來說，一種高效、便捷、操作簡(jiǎn)單的接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)更受歡迎。本課題是基于天格高通科技合作項(xiàng)目——“鐵路接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)”，研究了一種基于的接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)。通常對(duì)接觸網(wǎng)幾何參數(shù)的測(cè)量分為接觸式和非接觸式兩大類[12]。最早的接觸式檢測(cè)方式就是依靠檢測(cè)人員登上支柱，用一條鉛垂線逐點(diǎn)檢測(cè)接觸線高度，檢測(cè)效率極低，而且容易發(fā)生事故。后來人們利用連桿機(jī)構(gòu)的相關(guān)原理[13]，如1.2所示，按照受電弓的結(jié)構(gòu)制造一個(gè)模擬弓，通過一個(gè)傳動(dòng)裝置連接起來。受電弓的高度變化和模擬弓的變化呈線性關(guān)系，通過一個(gè)電位器來測(cè)量模擬弓的位移變化，從而推導(dǎo)出接觸線的高度。圖1.2連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖在這種利用連桿機(jī)構(gòu)的測(cè)量系統(tǒng)中，受電弓和電位器機(jī)械部分傳動(dòng)和同步響應(yīng)速度比較慢。而且接觸式測(cè)量需要受電弓與導(dǎo)線接觸，必然對(duì)接觸線原本的高度造成干擾[14]，直接影響到測(cè)量的精度。由于有時(shí)候需要接觸網(wǎng)帶電檢測(cè)，整個(gè)系統(tǒng)的絕緣性和電壓方法也十分關(guān)鍵。在低速測(cè)量時(shí)，受電弓振動(dòng)較弱[15]，一旦速度提升，機(jī)車車體和受電弓的振動(dòng)變得強(qiáng)烈，對(duì)接觸線高度的測(cè)量影響更加明顯[16]。相對(duì)于接觸式測(cè)量方法，非接觸式測(cè)量方法更加安全可靠。非接觸式測(cè)量方法一般采用了[17]、光柵傳感器[18]和高速相機(jī)[19]等先進(jìn)的科學(xué)儀器，由于無需接觸導(dǎo)線，因此非接觸式測(cè)量方法相對(duì)于接觸式測(cè)量的精度更高，而且激光等測(cè)量?jī)x器本身精度很高，因此在靜態(tài)或低速狀態(tài)下接觸線的測(cè)量結(jié)果很精確。目前非接觸式測(cè)量接觸線幾何參數(shù)的主要方法有基于圖像處理的方法和基于的方法。德國設(shè)計(jì)的鐵路接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)是利用光學(xué)原理進(jìn)行檢測(cè)[20]。他們將檢測(cè)系統(tǒng)裝置安裝在檢測(cè)車車頂，在同一底座上有四個(gè)高分辨率機(jī)，依據(jù)三角形測(cè)量法原理進(jìn)行檢測(cè)[21]。該檢測(cè)系統(tǒng)具有自動(dòng)減小測(cè)量偏差的功能，車體上安裝有位移傳感器，通過測(cè)量系統(tǒng)隨車體產(chǎn)生的位移偏差校正的接觸網(wǎng)測(cè)量結(jié)果[22]，提高系統(tǒng)測(cè)量精度。由于采用圖像方式，因此該測(cè)量系統(tǒng)設(shè)有輔助光源，在光照不足的情況下進(jìn)行補(bǔ)光[23]。如圖1.3所示，展示檢測(cè)列車上安裝測(cè)量系統(tǒng)功能部分布局。該測(cè)量系統(tǒng)還能夠分析接觸線的彈性大小，通過對(duì)比接觸線高度動(dòng)態(tài)檢測(cè)結(jié)果和靜態(tài)檢測(cè)結(jié)果，判斷在有機(jī)車通過時(shí)接觸網(wǎng)幾何參數(shù)的變化。測(cè)量系統(tǒng)采用高分辨率面陣相機(jī)，在拍攝接觸線的同時(shí)，也拍攝到接觸網(wǎng)吊弦和錨段關(guān)節(jié)的位置，通過對(duì)比動(dòng)態(tài)檢測(cè)中的接觸線缺陷點(diǎn)位置，可以迅速確定缺陷點(diǎn)類型，如錨段關(guān)節(jié)的位置是否調(diào)整不當(dāng)，吊弦安裝位置是否出錯(cuò)等[24]，有助于人員迅速調(diào)整。圖1.3德國接觸網(wǎng)檢測(cè)車系統(tǒng)圖法國Cybernetix公司與Cogifer公司聯(lián)合設(shè)計(jì)研發(fā)的SURCAT檢測(cè)系統(tǒng)[25]可直接檢測(cè)接觸線的磨損量大小[26]。該系統(tǒng)可安裝在時(shí)速40公里/小時(shí)的檢測(cè)車上，系統(tǒng)工作原理如圖1.4所示。激光和分別放置在受電弓的兩端，從激光器發(fā)射的平行光束被中間的接觸線阻擋一部分，未被阻擋的激光束被接收裝置接收，通過分析接收到的激光信號(hào)判斷接觸線磨損量的大小。該系統(tǒng)檢測(cè)頻率可達(dá)600Hz，磨損量檢測(cè)精度可達(dá)±0.1毫米。而且該檢測(cè)系統(tǒng)成本較低，既能測(cè)量單導(dǎo)線，又能測(cè)量雙導(dǎo)線。圖1.4SURCAT意大利MERMEC公司設(shè)計(jì)研發(fā)的測(cè)量系統(tǒng)[27]采用激光三角測(cè)距原理，接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)結(jié)果較為精確。如圖1.5所示，系統(tǒng)采用激光和圖像相結(jié)合的方法，通過激光和數(shù)字相機(jī)實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)參數(shù)快速檢測(cè)。激光器發(fā)射光束照射到待測(cè)物體表面反射后，經(jīng)過光學(xué)鏡頭將圖像呈現(xiàn)在感光CMOS元件上。當(dāng)激光器與待測(cè)物體之間的距離變化時(shí)，激光束在感光CMOS元件上成像點(diǎn)位置也會(huì)發(fā)生變化。利用平面三角形原理，計(jì)算出待測(cè)物體與激光器之間距離和感光CMOS元件上激光成像點(diǎn)坐標(biāo)之間的關(guān)系。計(jì)算機(jī)將數(shù)字相機(jī)到的圖像處理后，就能得到接觸網(wǎng)在各個(gè)參考點(diǎn)處的幾何參數(shù)。該檢測(cè)系統(tǒng)便于安裝在各種鐵路車輛上，能夠?qū)崿F(xiàn)接觸網(wǎng)參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)。其測(cè)量范圍較廣，最多可同時(shí)測(cè)量8根接觸線，該檢測(cè)系統(tǒng)最大速度為350公里/小時(shí)。圖1.5激光三角測(cè)量法西南交通大學(xué)彭朝勇等人設(shè)計(jì)的基于激光掃描接觸線幾何參數(shù)測(cè)量裝置[28]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1.6所示，將單線激光安裝在鐵軌上方，激光束旋轉(zhuǎn)掃描一周，通過提取接觸線和鐵軌數(shù)據(jù)計(jì)算接觸線幾何參數(shù)，測(cè)量結(jié)果精度很高。圖1.6激光掃描法檢測(cè)接觸線幾何參數(shù)華東交通大學(xué)的傅可佳等人方案是利用單點(diǎn)激光測(cè)距儀測(cè)量接觸網(wǎng)的幾何參數(shù)[29]，如圖1.7所示，將軌距尺放在鐵軌上，再將單點(diǎn)激光測(cè)距儀放在軌矩尺上使激光束垂直于軌道平面，平移激光測(cè)距儀，使得激光束對(duì)準(zhǔn)接觸線，激光測(cè)距儀在軌距尺上的平移位置即為接觸線的拉出值數(shù)據(jù)，激光測(cè)距儀測(cè)量的距離結(jié)果即為接觸線的高度數(shù)據(jù)。圖1.7激光測(cè)距儀測(cè)量接觸網(wǎng)的幾何參數(shù)山東省激光研究開發(fā)的DJJ-8多功能接觸網(wǎng)幾何參數(shù)測(cè)量?jī)x[30]（以下簡(jiǎn)稱DJJ-8測(cè)量?jī)x）也是使用單點(diǎn)激光測(cè)距儀進(jìn)行檢測(cè)的。該測(cè)試系統(tǒng)將激光測(cè)距儀固定在軌距尺上，旋轉(zhuǎn)激光測(cè)距儀使激光束對(duì)準(zhǔn)接觸線，利用激光測(cè)距儀檢測(cè)的距離和旋轉(zhuǎn)角度計(jì)算出接觸線的導(dǎo)高和拉出值。該系統(tǒng)測(cè)量精度最低是4毫米誤差，最高可達(dá)2毫米誤差。測(cè)量裝置如圖1.8所示。圖1.8DJJ-8多功能接觸網(wǎng)幾何參數(shù)測(cè)量?jī)x在我國，軌道交通逐漸成為人們出行的主要方式，高速電氣化鐵路縮短了人們中短距離出行的時(shí)間，地鐵有效緩解了城市交通的壓力，也為人們出行提供了一個(gè)舒適便捷的交通環(huán)境。與此同時(shí)，對(duì)軌道交通系統(tǒng)中接觸網(wǎng)幾何參數(shù)的檢測(cè)和任務(wù)也日益繁重。因此迫切需要便、快捷、有效的檢測(cè)方法。根據(jù)現(xiàn)有的接觸網(wǎng)幾何參數(shù)非接觸式檢測(cè)方法的研究基礎(chǔ)，對(duì)比常見的檢測(cè)，尋求一種性能良好的連續(xù)性檢測(cè)方式；分析出的接觸網(wǎng)幾何參數(shù)數(shù)據(jù)不僅和時(shí)間相關(guān)，也和系統(tǒng)位移相關(guān)；精簡(jiǎn)系統(tǒng)的體積，簡(jiǎn)化設(shè)備的操作，方便接觸網(wǎng)的施工方和驗(yàn)收方使用；注重產(chǎn)品知識(shí)保護(hù)，設(shè)計(jì)一種安全有效的系統(tǒng)認(rèn)證方式。隨著激光測(cè)距技術(shù)的日益成熟，的精度不斷提高，對(duì)外界環(huán)境的干擾能力增強(qiáng)，成本逐漸降低，尤其是單線的角分辨率的提高，使得對(duì)遠(yuǎn)距離小物的檢測(cè)成為可能。本文提出一種高效、準(zhǔn)確、方便的接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)方法，有效提高接觸網(wǎng)檢測(cè)效率，降低接觸網(wǎng)日常所消耗的人力物力，保證接觸網(wǎng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，確保了旅客生命和財(cái)產(chǎn)安全。由于接觸線的高度一般在5-7米的范圍內(nèi)，而接觸線的直徑只有14毫米左右，本文的研究為遠(yuǎn)距離小物檢測(cè)提供參考，對(duì)無人駕駛汽車的路徑規(guī)劃，機(jī)器人避障等研究具有重要意義。不僅可以應(yīng)用于目標(biāo)物體的定位，還可以確定目標(biāo)物體大致外形尺寸，比如在快速測(cè)量汽車長度，在港口測(cè)量貨箱的長、寬、高，以及測(cè)量散貨如煤堆的體積等。如果將激光測(cè)距設(shè)備檢測(cè)到的周圍物的數(shù)據(jù)全部融合起來，就可以簡(jiǎn)單構(gòu)建物的分布圖，如果在已知的環(huán)境中，比如大型超市，商場(chǎng)，車站候車廳等，通過已構(gòu)建的分布圖，可以對(duì)自身進(jìn)行定位，為室內(nèi)提供參考。組織結(jié)構(gòu)本文的章節(jié)與內(nèi)容組織安排如下：第1章，緒論。主要介紹本文的選題背景、研究意義，并分析接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)方法的研究現(xiàn)狀，總結(jié)歸納本文的工作重點(diǎn)。第2章，相關(guān)研究。主要介紹了目標(biāo)位置測(cè)量方法、卡爾曼濾波算法的概念及應(yīng)用和常見的系統(tǒng)認(rèn)證方法，為后續(xù)研究工作奠定理論基礎(chǔ)。第3章，一種基于的接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)方法。對(duì)比基于圖像處理的接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)方法，提出了一種基于的接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)，第4章，接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。介紹系統(tǒng)硬件與軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，描述了基于單線掃描的接觸網(wǎng)幾何參數(shù)分析算法，設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單有效的系統(tǒng)認(rèn)證方案。第5章，系統(tǒng)應(yīng)用與性能分析。首先介紹了基于的檢測(cè)小車產(chǎn)品，然后描述了系統(tǒng)的相關(guān)功能，最后分析了卡爾曼濾波算法對(duì)系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果的優(yōu)化，并對(duì)比國內(nèi)接觸網(wǎng)檢測(cè)經(jīng)常使用和認(rèn)可的DJJ-8測(cè)量?jī)x的檢測(cè)結(jié)果，表明了本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和高效性方面的提高與改善。最后是文章的總結(jié)和展望。對(duì)本文的主要工作進(jìn)行了歸納總結(jié)，并對(duì)未來研究的方向進(jìn)行了展望。文章末尾是參考文獻(xiàn)以及致謝。第2章相關(guān)研究隨著科學(xué)技術(shù)日新月異，各類傳感器的性能逐漸提高，算法不斷改進(jìn)，從而推動(dòng)接觸網(wǎng)檢測(cè)方法不斷更新，且檢測(cè)更加高效，分析結(jié)果更為準(zhǔn)確。本章主要介紹檢測(cè)系統(tǒng)中使用到的的特點(diǎn)及其應(yīng)用、卡爾曼濾波算法的相關(guān)知識(shí)以及常見的系統(tǒng)認(rèn)證方式?；诘哪繕?biāo)位置測(cè)量方2.1.1是以激光為工作光束 [31]，其光束工作在紅外和可見光波段常見的由激光發(fā)射機(jī)、光學(xué)、信息處理系統(tǒng)等組成，激光發(fā)射機(jī)將電脈沖信號(hào)變成光脈沖信號(hào)發(fā)射出去，光再把從目標(biāo)反射回來的光脈沖信號(hào)還原成為電脈沖信號(hào)，通過信息處理系統(tǒng)計(jì)算出目標(biāo)到的距離。系統(tǒng)是以發(fā)射激光束探測(cè)目標(biāo)的速度、位置、大小等特征量的系統(tǒng)。從工作原理上講，與傳統(tǒng)的微波沒有根本的區(qū)別：向目標(biāo)發(fā)射探測(cè)信號(hào)（激光束），然后將接收到的從目標(biāo)反射回來的信號(hào)（目標(biāo)回波）與發(fā)射信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，作適當(dāng)處理后，就可獲得目標(biāo)的有關(guān)信息，如目標(biāo)距離、方位、高度、速度、姿態(tài)、甚至形狀等參數(shù)。最早應(yīng)用于軍事方面，主要用于對(duì)飛機(jī)、等目標(biāo)的探測(cè)、和識(shí)別，后來逐漸進(jìn)入民用領(lǐng)域，主要用于無人駕駛汽車避障、煤堆等大型貨物體積估計(jì)、目標(biāo)物距離測(cè)量等。發(fā)射的是激光束，工作頻率很高，因此探測(cè)性能很好，主要有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：分辨率高。掃描的角度、距離和速度分辨率極高。通常角分辨率不低于0.0001弧度，也就是說可以分辨3公里距離上相距0.3米的兩個(gè)目標(biāo)，并且可以同時(shí)多個(gè)目標(biāo)；其距離分辨率可達(dá)1毫米，甚至更高；速度分辨率能達(dá)到10米/秒以內(nèi)。的距離和速度分辨率高，使得它能夠利用多譜勒成像技術(shù)來獲得目標(biāo)的清晰圖像。高分辨率，是的最顯著的優(yōu)點(diǎn)，大部分的應(yīng)用都是基于此特點(diǎn)。隱蔽性好、抗有源干擾能力強(qiáng)。激光沿直線方向性好，而且光束非常窄，只有在光束的路徑上才能接收到光信號(hào)，因此截獲信號(hào)非常，而且發(fā)射后的信號(hào)可接收區(qū)域窄，有意發(fā)射的干擾信號(hào)進(jìn)入的概率極低；此外，在自然界中能對(duì)產(chǎn)生干擾作用的信號(hào)源不多，因此激光雷達(dá)系統(tǒng)抗有源干擾的能力很強(qiáng)。體積小、質(zhì)量輕。比較輕便、靈巧，激光的口徑一般只有厘米級(jí)，整套系統(tǒng)的質(zhì)量最小的只有幾十公斤，組裝、架設(shè)、拆收以及都很方便。而且的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，日常成本低，性強(qiáng)?；谀繕?biāo)位置測(cè)量方LiDAR(LightDetectionandRanging)[32]即激光探測(cè)與測(cè)量是一種利用機(jī)載激光快速掃描獲取地面和地物三維信息的新技術(shù)。它包含激光技術(shù)、高精度動(dòng)態(tài)GPS、高動(dòng)態(tài)載體姿態(tài)測(cè)定技術(shù)[33]與傳統(tǒng)攝影測(cè)量方法相比，LiDAR能夠更快速更精確地獲取地面和地物三維信息。如圖2.1所示，在飛機(jī)上安裝的系統(tǒng)獲取一系列空間分布不規(guī)則的離散的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并從中提取有用的地形和地物信息。LiDAR技術(shù)在城市建設(shè)[34]、林業(yè)規(guī)劃[35]、山區(qū)地形測(cè)繪及海岸線測(cè)繪[37]等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。圖2.1激光探測(cè)與測(cè)量系統(tǒng)掃描還廣泛應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人[38]。室內(nèi)環(huán)境是人們工作和生活的主要場(chǎng)所，也是移動(dòng)機(jī)器人主要工作環(huán)境之一。在大型工廠貨物搬運(yùn)，商場(chǎng)車站衛(wèi)生清潔，甚至一些高作業(yè)中都出現(xiàn)了機(jī)器人的身影。在機(jī)器人上安裝激光[39]，掃描機(jī)器人周圍物的位置信息，通過計(jì)算，構(gòu)建機(jī)器人所處環(huán)境的模型，實(shí)現(xiàn)在室內(nèi)環(huán)境中移動(dòng)機(jī)器人的完全自主導(dǎo)航，并讓機(jī)器人建立信息豐富的次特征地圖。在無人駕駛汽車領(lǐng)域， 也得到了廣泛的應(yīng)用。隨著智能交通的逐漸興起，無人駕駛汽車成為全球研究的熱點(diǎn)[40]。一般在無人駕駛汽車上，除了安裝GPS和高速相機(jī)之外，還需要一臺(tái)設(shè)備。負(fù)責(zé)汽車周圍物信息，通過與其他傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，作為汽車決策控制的依據(jù)。谷歌公司的X研發(fā)的無人駕駛汽車上[41]，就采用Velodyne公司的車頂激光測(cè)距系統(tǒng)。卡爾曼濾波方法的動(dòng)態(tài)估計(jì)卡爾曼濾波概念1960年，Kalman(R．EKalman)提出卡爾曼(Kalman)濾波算法[42]，該方法是通過計(jì)算被提取信號(hào)有關(guān)的觀測(cè)量，從而估計(jì)出所需的信號(hào)。卡爾曼濾波算法引入了狀態(tài)空間的概念和系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程，并根據(jù)上一時(shí)刻的狀態(tài)和當(dāng)前時(shí)刻的數(shù)據(jù)遞推出新的狀態(tài)估計(jì)?？柭鼮V波算法是一種動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理遞推算法。所謂遞推是指，在計(jì)算過程中不需要保存以前的測(cè)量數(shù)據(jù)，只需要計(jì)算處理當(dāng)前時(shí)刻取得的新的測(cè)值量和上一時(shí)刻的估計(jì)值?？柭鼮V波算法能處理僅與部分狀態(tài)有關(guān)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，從某種統(tǒng)計(jì)意義上講，濾波的結(jié)果是估計(jì)誤差最小的狀態(tài)估計(jì)值。在卡爾曼濾波引入的狀態(tài)空間的概念后，人們改變了對(duì)濾波問題的一般描述。之前描述濾波問題會(huì)直接給出信號(hào)過程的二階特性或頻譜度函數(shù)，而現(xiàn)在人們通過用狀態(tài)方程來描述系統(tǒng)輸入輸出關(guān)系，把信號(hào)看作是白噪聲作用下的線性系統(tǒng)輸出?？柭鼮V波算法卡爾曼濾波器的狀態(tài)空間模型如(2.1)和(2.2)所示xn1An1ynBnxn

其中狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣An1,n是可逆的，測(cè)量矩陣Bn通常情況下是長方形矩陣，高斯動(dòng)態(tài)噪聲n假設(shè)它具有零均值且有協(xié)方差矩陣Q,n；高斯測(cè)量噪聲vn，假設(shè)它具有零均值且有協(xié)方差矩陣Qv,n。現(xiàn)給定一組觀測(cè)值{y}n，要求最小均方誤差意義下狀態(tài)x的最優(yōu)估計(jì)值。nk 現(xiàn)將濾波的討論限定在kn，單步預(yù)測(cè)kn1的情況。新息過程處理此類優(yōu)化估計(jì)問題的一個(gè)有效辦法，是利用關(guān)于觀測(cè)量yn的所謂的新息過程[43]。其定義如下：anyn y?n|n1是在給定至n1時(shí)刻（n1時(shí)刻）所有觀測(cè)值的情況下，對(duì)yn的最小均方差的估計(jì)。實(shí)際上，我們可以說：新息過程an是包含在測(cè)量值yn但不在y?n|n1的預(yù)測(cè)部分的新信息的測(cè)量，因?yàn)閥n可以預(yù)測(cè)的部分（記為y?n|n1）是完全由nk序列{ynk新息過程有如下重要性質(zhì)：性質(zhì)1與觀測(cè)值yn有關(guān)的新息過程n與之前的所有觀測(cè)值y1y2,yn1正交，表示為：E[nykT]0,1kn2新息過程由一系列相互正交的隨機(jī)向量構(gòu)成，表示為：nE[T]0,1knn

性質(zhì)3代表觀察數(shù)據(jù)的隨機(jī)向量序列{y1,y2 ,yn1}，與表示更新過程的序,yn},yn} {y1,y2 鑒于上述特性，就能理解為什么使用更新過程比使用觀測(cè)值本身要簡(jiǎn)單：總的來說，觀測(cè)值是相關(guān)的，而與之對(duì)應(yīng)的更新過程中的部分是無關(guān)的。新息過程的協(xié)方差矩從初始狀態(tài)x0開始，可以用(2.1)所描述的系統(tǒng)模型表示k時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)：kxkAk,0Ak(2.7)表明狀態(tài)xk是x0以及1,2 ,n的線性組合

根據(jù)假設(shè)，測(cè)量噪聲vn與初始狀態(tài)x0以及動(dòng)態(tài)噪聲i無關(guān)。因此， n兩邊同乘以vTn同理，可以從測(cè)量E[xkvnT]0,k,n(2.2)得到：E[ykvnT]0,0kn和E[ykn]0,0kT給定先前的觀測(cè)值y1,y2,,yn1，可以從測(cè)量(2.2)中得出當(dāng)前觀測(cè)值yn的最小均方估計(jì)為： v?n|n1是給定先前的觀測(cè)值y1y2,,yn1后所對(duì)應(yīng)的測(cè)量噪聲估計(jì)。因?yàn)楦鶕?jù)(2.9)，vn與先前的觀測(cè)值是正交的，因此估計(jì)值v?n|n1為零。于是化簡(jiǎn)將(2.2)和(2.12)代入(2.3)，將項(xiàng)合并得anBnn|n1其中，新引入的項(xiàng)n|n1是狀態(tài)預(yù)測(cè)誤差向量。其定義為：n|n1xn定義零均值新息過程an的協(xié)方差矩陣為：

RE[T 利用(2.13)容易得到

nRB BnT n Qv,nvn的協(xié)方差矩陣，新引入的項(xiàng)

T

為預(yù)測(cè)誤差協(xié)方差矩陣。(2.16)是理解濾波算法的第一步。利用新息過程進(jìn)行濾波狀態(tài)估計(jì)：預(yù)測(cè)修正下一步的任務(wù)是利用新息過程實(shí)現(xiàn)任意時(shí)刻i系統(tǒng)狀態(tài)xi的最小均方誤差估計(jì)。為此，給定新息序列1,2, ,m，首先線性展開的形式表示對(duì)狀態(tài)xi的估計(jì)：nnxi|nk

其中{C}ni時(shí)刻的展開式系數(shù)矩陣的集合。狀態(tài)預(yù)測(cè)誤差與新息過程滿i,kk足下述正交條件：iE[xT] 當(dāng)k1, ,n且ii因此，將(2.18)代入(2.19)并使用(2.5)所描述的新息過程的正交性，可得：i i,kE[xTi i,k其中根據(jù)先前定義，Rn是新息過程的協(xié)方差矩陣。解此方程的系數(shù)矩陣Ci,k，得到： E[xT]R i 再利用(2.18)中表示方法得x?E[xT]R ik k1當(dāng)in時(shí)，為濾波方程，因此可用(2.21)描述該狀態(tài)的濾波估計(jì)為

n E[xTn k n1E[xT]R1E[xT]Rk

n n 在等式的第二行，kn的項(xiàng)從求和中分離出來。為了將(2.22)轉(zhuǎn)換為更容易理解的形式，首先用(2.21) E[x

T]R

k

n 為了化簡(jiǎn)(2.22)的第二項(xiàng)，引入下述定義：GE[xT]R n 由此，可以將狀態(tài)濾波估計(jì)表示為下述遞歸的形式：(2.25)等號(hào)右邊的兩項(xiàng)意義如下：

x?n|n1n1時(shí)刻前（n1時(shí)刻）所有觀測(cè)值的基礎(chǔ)上對(duì)狀態(tài)xn的預(yù)測(cè)估計(jì)。Gnn表示修正項(xiàng)，新息過程n表示由觀測(cè)值yn引入濾波過程的新信息，乘以“增益因子”Gn。因此，Gn通常被稱為增益。根據(jù)上述兩點(diǎn)，(2.25)在濾波理論中被稱為預(yù)測(cè)修正。增益的計(jì)算(2.25)是我們擁有的第二個(gè)用于濾波器遞歸計(jì)算的。然而，為了讓這一具備使用價(jià)值，需要計(jì)算增益的。該能夠用于狀態(tài)估計(jì)中的遞歸計(jì)算。有了這一目標(biāo)，可以應(yīng)用(2.13)得：E[xT]E[x(B v)T]E[x T]B n n n 在上式中，利用狀態(tài)xn與測(cè)量噪聲vn無關(guān)性。注意到，根據(jù)正交原理，狀態(tài)預(yù)測(cè)誤差向量n|n1與狀態(tài)估計(jì)x?n|n1是正交的。因此，n|n1與x?n|n1外積的期望為零，進(jìn)而用 代替x不影響期望值E[xT]。由此可得： nE[xT] T]BT B n n|n1 n所以， (2.24)中E[xT]一項(xiàng)使用這 ，可以用預(yù)測(cè)誤差協(xié)方差n陣Pn|n1將增益Gn表示為：G BTR n|n1 這就是濾波器遞推算法所需的第三個(gè)等式。用于更新預(yù)測(cè)誤差協(xié)方差矩陣的黎卡堤(Riccati)差分方程為了完成濾波器的遞歸計(jì)算過程，需要一個(gè)迭代，從一個(gè)迭代到下一次迭代中更新預(yù)測(cè)誤差協(xié)方差矩陣。為了解決這一狀態(tài)估計(jì)過程中的最后一步，在(2.14)中用n1替代n到：n1|nxn1 隨后發(fā)現(xiàn)用含有濾波估計(jì)的項(xiàng)表示狀態(tài)的預(yù)測(cè)估計(jì)是有益的。故而將(2.23)中的n替換為n1并應(yīng)用(2.1)，可得n n

E[xT]R1

x)T]R kn

n1,n E[xT]R1 nn n1n|nk1(2.30)的第一行，因?yàn)閯?dòng)態(tài)噪聲 與觀測(cè)值是相互獨(dú)立的，故期 E[T]為零。對(duì)濾波估計(jì) ，應(yīng)用(2.22)的定義的第一行，以 (2.30)和對(duì)狀態(tài)xn的預(yù)測(cè)濾波估計(jì)的關(guān)系，利n1|n得到：n1|n(An1,nxnn)An1,nx?n|nAn1,nx?n|n)nAn1,nn|n其中，濾波誤差向量的定義為：n|nxn因?yàn)闉V波誤差向量n|n與動(dòng)態(tài)噪聲n是無關(guān)的，可以將預(yù)測(cè)誤差協(xié)方差矩陣表示為： T] P T n1|n n1,nn|n 其中Q,n為動(dòng)態(tài)噪聲n的誤差協(xié)方差矩陣。在 (2.33)中引入了最后一個(gè)參數(shù)，稱為濾波誤差協(xié)方差矩陣，其定義為： E[T n|n為了完成濾波算法的遞歸循環(huán)，需要用于計(jì)算濾波誤差協(xié)方差矩陣的式子。因此首先將(2.25)代入(2.32)得：n|nxnx?n|n1Gnnn|n1然后應(yīng)用2.34，得到：

G G)T

n T]GE[

nT) T]GTGE[T]G n|n1 n n|n1 n GE[ T] T]GTGRG n n|n1 nn接著，注意到因?yàn)閤?n|n1與新息過程n正交，于是可得： T ]E[(xn|n1 n同理：E[ T]E[xTn n利用這一對(duì)關(guān)系以及GE[(2.24)中對(duì)增益的定義，易得T] T]GTGRG n n|n1 nn至此，得到了(2.39)和(2.33)這一對(duì)更新預(yù)測(cè)誤差協(xié)方差矩陣的重要。特別是(2.39)，其通常被看做控制論中著名的黎卡堤方程的離散形式。這一對(duì)等連同(2.30)完成了濾波算法的化濾波應(yīng)用簡(jiǎn)單的講，濾波器是一種最優(yōu)化自適應(yīng)數(shù)據(jù)處理算法。對(duì)于解決大部分問題，該方法是效率最高，也是應(yīng)用最好的方法。濾波算法已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，例如機(jī)器人導(dǎo)航、控制計(jì)算，多傳感器的數(shù)據(jù)融合，軍事領(lǐng)域中飛機(jī)定位和追蹤，圖像處理中人臉識(shí)別、圖像分割、邊緣檢測(cè)等。而近些年來，濾波算法在掃描數(shù)據(jù)分析中得到了的應(yīng)用。應(yīng)用系統(tǒng)認(rèn)證隨著信息系統(tǒng)應(yīng)用的不斷普及和深化，各個(gè)公司更加重視其科研產(chǎn)品及知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)。加密認(rèn)證功能也成為一個(gè)成熟產(chǎn)品的必備技術(shù)。從應(yīng)用軟件的序列號(hào)、激活碼等驗(yàn)證方式，到硬件產(chǎn)品加密狗、電子的綁定保護(hù)，以及各種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的認(rèn)證計(jì)費(fèi)方式，都體現(xiàn)的對(duì)產(chǎn)品保護(hù)的重視程度。如果沒有一種合適的認(rèn)證保護(hù)機(jī)制，一個(gè)產(chǎn)品很可能用或仿制，給產(chǎn)品研發(fā)團(tuán)隊(duì)及生產(chǎn)者造成極大的損失。終端系統(tǒng)中的認(rèn)證終端系統(tǒng)中的認(rèn)證包括操作系統(tǒng)的認(rèn)證以及引導(dǎo)過程認(rèn)證。傳統(tǒng)的使用口令開機(jī)驗(yàn)證方式，就是在CMOS中設(shè)置口令，開機(jī)后計(jì)算機(jī)引導(dǎo)BIOS過程中，通過用戶輸令來驗(yàn)證用戶的。網(wǎng)絡(luò)傳輸中的認(rèn)證TCP/IP互聯(lián)協(xié)議和開放系統(tǒng)互連模型在制訂協(xié)議時(shí)是以可信用戶為前提基礎(chǔ)的，所以它們只以可靠的信息傳輸和資源共享為目標(biāo)，而忽視了傳輸過程和信息應(yīng)用中的安全性。鑒于信息系統(tǒng)使用過程中不斷出現(xiàn)的安全和頻繁發(fā)生的安全事故，為提高信息系統(tǒng)中信息應(yīng)用和傳輸過程中信息的安全性，針對(duì)OSI/RM模型，人們?cè)诟鲗哟紊祥_發(fā)了IPSec[44]，SSL[45]Socks[46]等具有安全機(jī)制的協(xié)議。應(yīng)用服務(wù)中的認(rèn)證目前，一個(gè)公司或組織的信息系統(tǒng)中普遍存在多個(gè)業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)。例如，一個(gè)學(xué)?？赡芡瑫r(shí)擁有教務(wù)系統(tǒng)、辦公自動(dòng)化系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)往往是由不同的技術(shù)人員在不同的時(shí)期采取不同的技術(shù)建立起來的；它們可能運(yùn)行在多種操作系統(tǒng)和多個(gè)應(yīng)用服務(wù)器之上，采用不同的用戶管理和認(rèn)證措施。在特定的服務(wù)域內(nèi)控制用戶的標(biāo)識(shí)空間并為用戶分配標(biāo)識(shí)。用戶從服務(wù)提供者處獲取獨(dú)立的唯一標(biāo)識(shí)。除此之外，用戶還需要與標(biāo)識(shí)相關(guān)的單獨(dú)的，比如口令等。本章小結(jié)本章主要介紹基于檢測(cè)接觸網(wǎng)幾何參數(shù)系統(tǒng)使用到的相關(guān)技術(shù)。首先介紹了的特點(diǎn)及在目標(biāo)位置測(cè)量方法領(lǐng)域的應(yīng)用，包括城市建設(shè)、林業(yè)規(guī)劃、山區(qū)地形測(cè)繪及海岸線測(cè)繪等；然后介紹了濾波算法的概念及其應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)估計(jì)的優(yōu)化處理；最后介紹系統(tǒng)認(rèn)證的相關(guān)技術(shù)，包括常見的三種認(rèn)證。第3章一種基于的接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)方法隨著電氣化鐵路建設(shè)的不斷發(fā)展，接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)方法也不斷改進(jìn)。本章從抗機(jī)械振動(dòng)性能方面對(duì)比了基于圖像處理和基于兩種接觸網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)的性能，并針對(duì)現(xiàn)有接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)方法只與時(shí)間相關(guān)，檢測(cè)結(jié)果無法直接反映出接觸網(wǎng)的整體走勢(shì)這一問題，在檢測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，引入系統(tǒng)位移信息，并介紹了檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。接觸網(wǎng)及其幾何參數(shù)接觸網(wǎng)是在電氣化軌道鐵路中，沿鐵軌上空“之”字形架設(shè)的，為機(jī)車受電弓取流的高壓輸電線。接觸網(wǎng)是為電氣化鐵路供電的主要構(gòu)架，是沿鐵軌上空架設(shè)向電力機(jī)車輸送電能的特殊形式的線路。如圖3.1所示，接觸網(wǎng)主要由接觸線、承力索、吊弦、支柱、腕臂等部分組成。圖3.1接觸網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)接觸線是與受電弓接觸為機(jī)車輸出電能的導(dǎo)線，直徑為十幾毫米左右，其相對(duì)于軌道平面的垂直高度保持一致，通常將這個(gè)高度稱為導(dǎo)高。水平方向以折線形式架設(shè)，如圖3.2所示，接觸線相對(duì)于軌道中心線的水平偏移距離稱為拉出值。這樣架設(shè)的目的是為了使得接觸線不總摩擦受電弓的同一點(diǎn)，增加受電弓的使用壽命。在支柱處固定接觸線，相鄰兩支柱的距離有一般有幾十米，固定點(diǎn)一般為接觸線“之”字形的拐點(diǎn)。在兩支柱之間，為防止接觸線下垂導(dǎo)致高度不一致，使用吊弦來固定接觸線。吊弦一頭固定在承力索上，另一頭固定在接觸線上，通過調(diào)整吊弦的長度，使接觸線保持在同一高度。由于機(jī)車受電弓長度有限，一般有效接觸長度為1000毫米左右，因此，支柱在固定接觸線時(shí)，不能將拐點(diǎn)偏離中心過遠(yuǎn)。如果接觸線高度不一致，或是偏離中心過遠(yuǎn)，輕則導(dǎo)致機(jī)車短時(shí)間無法受流，重則導(dǎo)致接觸網(wǎng)損壞造成嚴(yán)重事故。因此對(duì)接觸線的導(dǎo)高和拉出值都有嚴(yán)格要求，這就是本文主要研究的接觸網(wǎng)幾何參數(shù)。圖3.2接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)俯視圖接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)方法研究接觸線導(dǎo)高一般在5米到7米之間，拉出值一般在-300毫米到300毫米之間。在鐵路正常運(yùn)行后，接觸線上承載27.5千伏的電壓，檢測(cè)距離從幾公里到上百公里不等，同時(shí)還有受到外界溫度，光照等條件的影響。如何在非接觸的情況下，從5-7米的距離內(nèi)高效準(zhǔn)確地檢測(cè)到直徑為十幾毫米接觸線的位置，就是接觸網(wǎng)檢測(cè)的主要問題?；趫D像處理的檢測(cè)方法基于圖像處理檢測(cè)接觸網(wǎng)幾何參數(shù)的方法一般是使用兩個(gè)高速相機(jī)[47]，對(duì)接觸線拍攝，通過圖像處理的方法[48]，確定中接觸線的位置，并計(jì)算出接觸線實(shí)際的幾何參數(shù)。圖3.3基于圖像處理的檢測(cè)方法原理圖如圖3.3所示，相機(jī)A和相機(jī)B固定在一個(gè)平面上，使的兩相機(jī)的視角范圍能覆蓋接觸線的可能出現(xiàn)的位置?，F(xiàn)假設(shè)兩相機(jī)距離為D，接觸線在相機(jī)A視角范圍內(nèi)與水平夾角為，接觸線在相機(jī)B視角范圍內(nèi)，與水平夾角為。以相機(jī)A，相B和接觸線C為頂點(diǎn)組成一個(gè)三角形，可以通過距離D，夾角求出接觸線C的坐標(biāo)[49]。其中兩相機(jī)的距離D是很容易測(cè)量得到的，問題的關(guān)鍵就是如何得到夾角和的值。相機(jī)拍攝的雖然不能很好的反映出距離，但相機(jī)的視野角度范圍是一定的，那么中每個(gè)像素的位置對(duì)應(yīng)一定的角度[50]?；趫D像處理檢測(cè)接觸線的方法，就是運(yùn)用像素與角度的對(duì)應(yīng)關(guān)系和平面三角形的知識(shí)計(jì)算接觸線的位置。為保證接觸網(wǎng)幾何參數(shù)分析的精確性，每米至少有一組數(shù)據(jù)。如果檢測(cè)車是依靠人力推行，假設(shè)速度為1米/至少拍攝一張；如果檢測(cè)車是靠機(jī)械動(dòng)力，假設(shè)速度為20米/秒，即72公里/小時(shí)，則要求相機(jī)每秒至少拍攝20張接觸網(wǎng)幾何參數(shù)要求接觸線的高度和拉出值測(cè)量結(jié)果精確到毫米。如圖3.3所示，令相機(jī)A和相機(jī)B的中點(diǎn)為原點(diǎn)O，建立XOY平面坐標(biāo)系。接觸線高度變化不大，以高速鐵路為例，接觸線高度在5300毫米附近。接觸線拉出值從-毫米到300毫米范圍內(nèi)，為保證檢測(cè)范圍，將相機(jī)在5300毫米距離的視覺范圍定為2000毫米，相機(jī)的視角角度至少為：arctan(2000/2/5300)*2 在不考慮圖像清晰度和識(shí)別方法的前提下，要在20001毫米的精度，要求相機(jī)拍攝的寬度至少有2000像素?；诘臋z測(cè)方法基于檢測(cè)接觸網(wǎng)幾何參數(shù)的方法就是依靠掃描，得到接觸網(wǎng)的數(shù)據(jù)。圖3.4基于激光掃描檢測(cè)方法原理圖如圖3.4所示， 有一個(gè)激光源，從起始角度到終止角度進(jìn)行反復(fù)掃描，掃描區(qū)域是一個(gè)扇形的平面。掃描遇到物時(shí)，返回物到激光源的距離。掃描點(diǎn)并不是真正連續(xù)的，從起始角度開始返回第一個(gè)數(shù)據(jù)，每一個(gè)角度間隔返回一個(gè)數(shù)據(jù)，到終止角度返回最后一個(gè)數(shù)據(jù)。這個(gè)角度間隔稱為的角分辨率。實(shí)質(zhì)上，返回的數(shù)據(jù)是以激光源為原點(diǎn)的極坐標(biāo)數(shù)據(jù)。對(duì)于接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)來講，將獲得的極坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為平面坐標(biāo)數(shù)據(jù)，就能求出接觸線的位置。在每一米至少有一組數(shù)據(jù)的條件下，按照人力推行1米/秒的速度計(jì)算，激光掃描頻率至少為1Hz；如果以20米/秒的速度檢測(cè)，掃描頻率至少為20Hz。如圖3.4所示，以高速鐵路為例，接觸線高度為h5300毫米，拉出值掃描范圍為L2000毫米，的掃描角度范圍：arctan(2000/2/5300)*2 假設(shè)接觸線的直徑為14毫米，如果保證能夠掃描到接觸線，激光掃描分辨率arctan(14/5300) 角分辨率的不足是制約檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的主要瓶頸，接觸網(wǎng)的檢測(cè)要求的角分辨率極高，才能保證在5至7米的距離范圍內(nèi)，能夠掃描到直徑為十幾毫米的接觸線。高角分辨率的價(jià)格昂貴，且設(shè)備的防護(hù)等級(jí)較低，一般只適用于在等環(huán)境較好的場(chǎng)所使用，不適合在戶外使用。因此考慮到檢測(cè)系統(tǒng)的成本，現(xiàn)有的接觸網(wǎng)檢測(cè)方法研究方向更偏向于圖像檢測(cè)。振動(dòng)產(chǎn)生位移變化對(duì)系統(tǒng)檢測(cè)的影響接觸網(wǎng)檢測(cè)時(shí)，主要的干擾來自于系統(tǒng)的機(jī)械振動(dòng)，使得檢測(cè)儀器產(chǎn)生位移和角度上的微小變動(dòng)。接下來，本文就機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的微小變動(dòng)對(duì)系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果的影響進(jìn)行分析。圖3.5位移變化對(duì)激光掃描檢測(cè)系統(tǒng)影響在掃描檢測(cè)系統(tǒng)中，如果由于振動(dòng)產(chǎn)生水平方向的位移3.5所示，相當(dāng)于以激光發(fā)射源為原點(diǎn)的平面坐標(biāo)系統(tǒng)整體發(fā)生平移，則接觸線的檢測(cè)結(jié)果也會(huì)發(fā)生一樣的平移偏差。在基于圖像處理的檢測(cè)系統(tǒng)中，如果相機(jī)由于振動(dòng)發(fā)生平移，如圖3.6所示，假設(shè)相機(jī)A、相機(jī)B和接觸線C組成三角形ABC，相機(jī)A向左平移的距離為d，平移后接觸線在相機(jī)A的檢測(cè)角度變?yōu)镈d。但在計(jì)算中，并不知道位移的變化，兩相機(jī)的距離仍然按照D來計(jì)算，因此就變?yōu)橛?jì)算三角形ABCC的位置坐標(biāo)。從圖中可以很容易的看出來，C的位置與C的位置相比，在高度和水平偏移量上都發(fā)生了變化。圖3.6位移變化對(duì)基于圖像檢測(cè)系統(tǒng)影響假設(shè)相機(jī)A和相B的距離為D1000毫米，接觸線原始高度y5300mm，拉x0mm，由于振動(dòng)相機(jī)A向左偏移d1mm。則原始系統(tǒng)中，相機(jī)A和相機(jī)B檢測(cè)接觸線C的夾角為：arctan(5300/500) 由于振動(dòng)發(fā)生偏移的夾角： 現(xiàn)在求接觸線高度和拉出值的問題就轉(zhuǎn)化為已知三角形ABC兩頂點(diǎn)A坐標(biāo)和兩個(gè)角的度數(shù)C坐標(biāo)。首先求斜邊AC'長度：則接觸線高度：

AC' Dsin sin(180')y'AC'sin'

x'AC'cos'500 通過以上計(jì)算得出，當(dāng)一個(gè)相機(jī)產(chǎn)生1毫米水平位移時(shí)，接觸線高度變化毫米，拉出值變化-0.50毫米。相機(jī)水平位移對(duì)接觸線導(dǎo)高參數(shù)的影響較大，對(duì)拉出值參數(shù)影響較小。雖然這個(gè)影響并不是線性的，但也能反映出其影響程度。振動(dòng)產(chǎn)生角度變化對(duì)系統(tǒng)檢測(cè)的影響機(jī)械振動(dòng)對(duì)檢測(cè)設(shè)備不光會(huì)有位移的變化，而且還會(huì)有角度的變化，下面針對(duì)角度變化對(duì)兩種系統(tǒng)的影響進(jìn)行分析。圖3.7角度變化對(duì)激光掃描檢測(cè)系統(tǒng)影響在掃描系統(tǒng)中，如果由于振動(dòng)產(chǎn)生角度偏移，如圖3.7所示，黑色的為原始系統(tǒng)，灰色的為振動(dòng)變化的系統(tǒng)，假設(shè)兩系統(tǒng)原點(diǎn)重合，只有角度偏移。為了能更好的了解影響程度，假設(shè)接觸線原始高度y5300mm，拉x0mm，由于振動(dòng)產(chǎn)生逆時(shí)針偏移角度0.5，由于坐標(biāo)原點(diǎn)沒有變化，因此偏移前后檢測(cè)的接觸線的距離是一樣的，只有角度發(fā)生變化。在振動(dòng)系統(tǒng)中，接觸線導(dǎo)高變?yōu)椋簓'h*sinh*cos 拉出值變?yōu)椋?/p>

x'h*cosh*sin 由以上分析可以看出，當(dāng)振動(dòng)產(chǎn)生角度偏移0.5時(shí)，接觸線高度變化0.20毫米，拉出值變化-46.25毫米。在激光掃系統(tǒng)中，振動(dòng)產(chǎn)生的角度偏移對(duì)接觸線高度影響不大，但對(duì)拉出值影響較大。在基于圖像處理的檢測(cè)系統(tǒng)中，如果相機(jī)由于振動(dòng)發(fā)生角度偏移，如圖所示，相機(jī)AB檢測(cè)的接觸線的夾角分別為，兩相機(jī)的距離為D圖3.8角度變化對(duì)基于圖像檢測(cè)系統(tǒng)影響A由于振動(dòng)產(chǎn)生了逆時(shí)針方向A檢測(cè)到接觸線的夾角變?yōu)?，偏移后計(jì)算出來的接觸線位置為C所在位置。假設(shè)接觸線C原始位置為高度y5300mmx0mm，由于振動(dòng)產(chǎn)生的偏移角度0.5。之前計(jì)算過相機(jī)AB84.61' 運(yùn)用相同的方法，先求三角形ABC的邊AC則接觸線的高度：

AC' Dsin sin(180')y'AC'*sin'

接觸線的拉出值：

x'AC'*cos'D/2 由以上分析得出，在基于圖像檢測(cè)的系統(tǒng)中，如果一個(gè)相機(jī)發(fā)生0.5角度偏差，接觸線導(dǎo)高檢測(cè)結(jié)果變化236.48毫米，拉出值變化-22.31毫米。振動(dòng)產(chǎn)生的角度偏移對(duì)接觸線高度和拉出值都有較為顯著的影響。綜上分析，在相同的機(jī)械振動(dòng)條件下，基于的系統(tǒng)受影響程度小于基于圖像處理的系統(tǒng)。而且在基于圖像處理系統(tǒng)中只分析一個(gè)相機(jī)偏移的情況，但實(shí)際應(yīng)用中，兩個(gè)相機(jī)會(huì)同時(shí)受到機(jī)械振動(dòng)的影響，導(dǎo)致的偏差可能會(huì)更大。因此，檢測(cè)系統(tǒng)抗機(jī)械振動(dòng)干擾能力優(yōu)于圖像處理系統(tǒng)。檢測(cè)設(shè)備安裝偏差對(duì)系統(tǒng)檢測(cè)的影響接觸網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)要求檢測(cè)設(shè)備的檢測(cè)平面垂直與鐵軌的延伸方向。如圖所示，平 A垂直與鐵軌延伸方向，這就是理想的檢測(cè)平面。假設(shè)設(shè)備安裝產(chǎn)偏移，掃描平面B與平面A之間的夾角為，在這種情況下，檢測(cè)的接觸線高度不會(huì)，拉出值會(huì)產(chǎn)生偏差。由于接觸線拉出值范圍為-300毫米至300毫米，假設(shè)被檢測(cè)的接觸線實(shí)際拉出值為x300mm5，則檢測(cè)出拉xxcos30115m，偏xxx'1.15mm?？梢钥闯霭惭b時(shí)角度偏差對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響較小。圖3.9安裝偏差對(duì)激光掃描檢測(cè)影響激光掃描系統(tǒng)只有一個(gè)檢測(cè)設(shè)備，但基于圖像處理系統(tǒng)中有兩個(gè)相機(jī)。如果使用線陣相機(jī)檢測(cè)，理想條件是兩個(gè)相機(jī)的拍攝平面重合，但實(shí)際安裝過會(huì)出現(xiàn)偏差，這樣會(huì)導(dǎo)致兩相機(jī)同一時(shí)刻拍攝的不是接觸線的同一點(diǎn)，如圖3.10所示，假設(shè)兩相機(jī)拍攝平面夾角1，接觸線距相機(jī)的高度y5300mm相機(jī)拍攝到的接觸線的點(diǎn)為AB，距離為dy*tan92.51mm。由以上分析可得，兩相機(jī)拍攝平面夾角為1時(shí)，接觸線上的檢測(cè)點(diǎn)相距92.51毫米。陣相機(jī)檢測(cè)接觸線幾何參數(shù)的系統(tǒng)中，這個(gè)影響是顯著的。圖3.10安裝偏差對(duì)基于圖像檢測(cè)影響當(dāng)然安裝偏差可以通過系統(tǒng)的初始標(biāo)定消除一部分，但是由于接觸網(wǎng)檢測(cè)的時(shí)間和地點(diǎn)是經(jīng)常變換的，因此檢測(cè)系統(tǒng)往往需要頻繁的拆卸和重裝，每次使用前的初始標(biāo)定也會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜度。除了以上因素影響以外，基于圖像處理的方法受光照影響較為嚴(yán)重[51]，不同的光照條件圖像的處理方法不同，而且在光照條件較差的情況下，圖像中的接觸線比較模糊，定位的精度不高；在不同類型的鐵路中，接觸線高度也有所差別，由于相機(jī)存在景深問題，如果檢測(cè)地點(diǎn)發(fā)生變化，接觸線不在相機(jī)焦點(diǎn)距離附近，使得拍攝中的接觸線變得十分模糊，定位難度加大；而且基于圖像處理系統(tǒng)還要考慮兩相機(jī)拍攝的同步問題，如果兩相機(jī)不是同時(shí)拍攝，那么的兩張不是接觸線的同一點(diǎn)。而基于測(cè)量的方法不受光照條件影響，精確測(cè)量的范圍較大，適合不同類型鐵路接觸線的測(cè)量，由于只有一個(gè)激光發(fā)射源，不存在同步的問題，因此本文選擇檢測(cè)作為系統(tǒng)方案?，F(xiàn)有檢測(cè)系統(tǒng)的不由于接觸網(wǎng)高度較高，一般距軌平面有5至7米的距離，且接觸線的直徑只有十幾毫米，現(xiàn)有的激光檢測(cè)是利用單點(diǎn)人工對(duì)準(zhǔn)接觸線進(jìn)行檢測(cè)，這也是目前國內(nèi)施工階段接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)的主要。受到單線設(shè)備掃描角分辨率的制約，現(xiàn)有的基于單線檢測(cè)接觸網(wǎng)幾何參數(shù)的方法以靜態(tài)檢測(cè)為主，并且安裝高度較高，使其距離接觸線更近，保證能夠掃描到接觸線。這樣就會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)系統(tǒng)體積龐大，不利于攜帶和。如果距離接觸線太近，激光發(fā)射機(jī)和信號(hào)傳輸時(shí)間過短，會(huì)導(dǎo)致距離檢測(cè)誤差較大。因此，目前國內(nèi)動(dòng)態(tài)檢測(cè)的方法主要是利用高速相機(jī) 進(jìn)行檢測(cè)的。現(xiàn)有的動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法，其檢測(cè)結(jié)果只和時(shí)間相關(guān)，使得檢測(cè)系統(tǒng)在非勻速條件下檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)結(jié)果不能直觀的反映出接觸網(wǎng)的整體走勢(shì)。一種基于的接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)系隨著技術(shù)的成熟，低成本高防護(hù)等級(jí)高角分辨率的出現(xiàn)，為接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)的研究指引了新的方向。本文采用了德國SICK公司生產(chǎn)的一款高角分辨率的，能夠在5至7米的距離掃描到接觸線，具有高防護(hù)等級(jí)，滿足戶外使用條件，且能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)檢測(cè)。下面詳細(xì)介紹整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)思路。系統(tǒng)結(jié)如圖3.11所示，將單線固定在一輛小推車上。小車沿著鐵軌延伸方向運(yùn)動(dòng)，且掃描平面垂直于鐵軌延伸方向。在軌道坐標(biāo)系中，原點(diǎn)是軌道平面兩鐵軌中心線上小車開始運(yùn)動(dòng)的點(diǎn)；鐵軌延伸方向指向小車運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閤軸正方向，記錄小車行駛的位移或時(shí)間，位移單位為米，時(shí)間單位為秒；平行于鐵軌平面，垂直于鐵軌延伸方向，指向小車運(yùn)動(dòng)方向右側(cè)為y軸正方向，記錄接觸線的拉出值，單位為毫米；垂直于鐵軌平面，指向天空為z軸正方向，記錄接觸線導(dǎo)高，單位為毫米。圖3.11系統(tǒng)坐標(biāo)系示意圖由于固定在小車上，其在軌道坐標(biāo)系中存在一定的高度和偏移量，激光在內(nèi)部，不容易準(zhǔn)確確定的原點(diǎn)，因此 的數(shù)據(jù)不是在軌道坐標(biāo)系的數(shù)據(jù)。如圖3.12所示，假設(shè)掃描到接觸線坐標(biāo)為(ywire,zwire)，其中ywire為接觸線的拉出值，zwire為接觸線的高度。小車上的在軌道坐標(biāo)系的坐標(biāo)為(x,yradar,zradar)，則接觸線相對(duì)于軌道坐標(biāo)系的坐標(biāo)為(x,yradar,zwirezradar)，即接觸線幾何參（距離（或時(shí)間，拉出值，導(dǎo)高圖3.12軌道坐標(biāo)系與坐標(biāo)系之間的關(guān)如圖3.13所示，為系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖。將到的接觸網(wǎng)幾何參數(shù)數(shù)據(jù)傳給工控機(jī)；編將的系統(tǒng)位移脈沖數(shù)據(jù)傳給控制電路，經(jīng)過控制電路分析，判斷系統(tǒng)的位移變化，同時(shí)控制電路24V和12V電源的實(shí)際電壓值以及溫度值，并將這些信息傳給工控機(jī)。工控機(jī)收到和控制電路傳輸?shù)男畔⒑螅瑢?duì)于一些即時(shí)信息，立即判斷并給控制電路下達(dá)相應(yīng)操作的指令。比如溫度過高時(shí)，下達(dá)開啟風(fēng)扇的指令等。對(duì)于需要分析的數(shù)據(jù)，如接觸網(wǎng)幾何參數(shù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)分導(dǎo)出 分析結(jié)導(dǎo)出檢測(cè)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析與控制數(shù)據(jù)和系統(tǒng)位移數(shù)據(jù)等，進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，將分析結(jié)果呈現(xiàn)出來，并原始數(shù)據(jù)。需要注意的是，和編的數(shù)據(jù)流是不斷產(chǎn)生的，因此需要實(shí)時(shí)的將數(shù)據(jù)寫入本地磁盤，由于后期要完成按距離和按時(shí)間兩種方式分析數(shù)據(jù)，因此在記錄每一次掃描數(shù)據(jù)的同時(shí)，加上編 的距離和計(jì)算機(jī)的時(shí)間。寫入的數(shù)據(jù)必須是原始數(shù)據(jù)，因?yàn)槿绻治龊蟮臄?shù)據(jù)，有些當(dāng)時(shí)不需要的數(shù)據(jù)會(huì)被去除，以后變換分析方法的時(shí)候，就會(huì)失去一些必要的數(shù)據(jù)，因此必須最原始的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)系統(tǒng)分導(dǎo)出 分析結(jié)導(dǎo)出檢測(cè)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析與控制據(jù)接觸網(wǎng)接觸網(wǎng)幾何參數(shù) 據(jù)傳 的數(shù)編系統(tǒng)位移傳 的數(shù)編系統(tǒng)位移傳 的控制電風(fēng)扇/蜂鳴位移測(cè)量

圖3.13系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖本文系統(tǒng)添加了按距離分析的功能，因此需要記錄檢測(cè)小車的位移，在人步行速度下小車位移信息的精度達(dá)到一米就能滿足系統(tǒng)要求，并且能夠判斷檢測(cè)小車前進(jìn)、停止或后退的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。通過分析，最終選擇使用AB相編檢測(cè)小車的位移。AB相編實(shí)質(zhì)上就是脈沖發(fā)生器，如圖3.14所示，每一路產(chǎn)生方波信號(hào)，假設(shè)方波信號(hào)的周期為T，理想的條件是脈沖信號(hào)的相位差為脈沖周期的四分之一。每一個(gè)周期的脈沖，對(duì)應(yīng)檢測(cè)小車的一段位移，從計(jì)算脈沖的個(gè)數(shù)，就能判斷出小車具體的位移量。圖3.14前進(jìn)狀態(tài)AB相編波對(duì)比圖3.15和圖3.14，兩圖的差異就是AB相脈沖的相位差。圖3.14A相脈沖比B相脈沖提前T/4，圖3.15中B相脈沖比A相脈沖提前T/4。其實(shí)，就是通過脈沖的相位差判斷前進(jìn)或后退的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。圖3.15后退狀態(tài)AB相編波在實(shí)際應(yīng)用中，通常采用數(shù)字信號(hào)來判斷編的狀態(tài)，假設(shè)圖3.14表示檢測(cè)小車前進(jìn)的狀態(tài)，圖3.15表示檢測(cè)小車后退的狀態(tài)，1表示高電平，0表示低電平。那么圖3.14的狀態(tài)表如表3.1所示。表3.1檢測(cè)小車前進(jìn)時(shí)編狀態(tài)相位脈沖123A1100B0110圖3.15的狀態(tài)表如表3.2表3.2檢測(cè)小車后退時(shí)編狀態(tài)相位脈沖3A0110B1100通過查表，就可以得到小車前進(jìn)，停止，后退的狀態(tài)。比如t1時(shí)刻AB相的狀態(tài)為(1,1)，若下一時(shí)刻t2狀態(tài)為(1,1)沒有產(chǎn)生新的編碼。每一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的距離就是編的距離分辨率，在接觸網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)中能夠分辨出1米的距離即可；若下一時(shí)刻t2狀態(tài)為(0,1)，則說明小車前進(jìn)了一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的距離；若下一時(shí)刻t2狀態(tài)為(1,0)，則說明小車后退了一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的距離；若下一時(shí)刻t2狀態(tài)為(0,0)，則說明狀態(tài)錯(cuò)誤，可能是編的輸出頻率或是的采樣頻率過低，導(dǎo)致每個(gè)采樣周期內(nèi)編變化了多個(gè)狀態(tài)，這也是編的一項(xiàng)重要參數(shù)——數(shù)據(jù)輸出頻率。系統(tǒng)認(rèn)系統(tǒng)檢測(cè)設(shè)備一般在鐵路施工現(xiàn)場(chǎng)使用，沒有可靠的網(wǎng)絡(luò)通信條件，偏遠(yuǎn)之地甚至沒有信號(hào)，因此不能采用網(wǎng)絡(luò)通信認(rèn)證或是服務(wù)器認(rèn)證的方式。如果使用外部硬件認(rèn)證加密，比如加密狗認(rèn)證，這樣不但會(huì)增加產(chǎn)品的成本，而且會(huì)受到第的制約?？紤]到檢測(cè)系統(tǒng)性和安全性不像銀行等金融機(jī)構(gòu)那么關(guān)鍵，又不像服務(wù)器那么重要，只要能夠防止產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)者輕易地移植或系統(tǒng)即可，因此系統(tǒng)選擇使用終端系統(tǒng)認(rèn)證方式。由于檢測(cè)系統(tǒng)包括工控機(jī)運(yùn)行的數(shù)據(jù)處理軟件和控制電路兩部分系統(tǒng)，單獨(dú)對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行加密認(rèn)證，不僅增加認(rèn)證成本，而且會(huì)被者分割系統(tǒng)移植功能，即把加密的工控機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)處理軟件和他們?cè)O(shè)計(jì)的控制電路組合應(yīng)用，或是把加密的控制電路和他們的工控機(jī)組合應(yīng)用，這樣也會(huì)產(chǎn)生被移植的風(fēng)險(xiǎn)。于是系統(tǒng)選擇采用聯(lián)合認(rèn)證的方式，綁定系統(tǒng)的工控機(jī)和控制電路，使兩個(gè)系統(tǒng)相互認(rèn)證，這樣既能保證系統(tǒng)的整體性，也降低了系統(tǒng)被部分的可能性。本章小結(jié)本章首先介紹了接觸網(wǎng)及其幾何參數(shù)的相關(guān)知識(shí)；然后分別描述基于圖像處理的檢測(cè)系統(tǒng)和基于的檢測(cè)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和接觸網(wǎng)幾何參數(shù)計(jì)算方法，并分析檢測(cè)設(shè)備的性能需求，通過分析機(jī)械振動(dòng)和設(shè)備安裝偏差對(duì)系統(tǒng)影響，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的魯棒性要優(yōu)于圖像處理系統(tǒng)；最后介紹了本文系統(tǒng)構(gòu)架，并確定系統(tǒng)位移測(cè)量和認(rèn)證方法。第4章接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)綜合性的系統(tǒng)，它包括硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)，硬件部分是利用計(jì)算機(jī)、微控制器、傳感器等設(shè)備 所需要的信息，軟件部分主要是對(duì)數(shù)據(jù)的處理分析和優(yōu)化呈現(xiàn)，同時(shí)還需要考慮對(duì)系統(tǒng)的認(rèn)證保護(hù)，防止競(jìng)爭(zhēng)者輕易盜用系統(tǒng)。本章介紹了接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)的硬件部分與軟件部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并提出了接觸網(wǎng)幾何參數(shù)分析算法和一種簡(jiǎn)單有效的系統(tǒng)認(rèn)證的解決方案。系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)硬件系統(tǒng)如圖4.1所示，硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。主要包括工控機(jī)、、控制電路、編。工控機(jī)主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)的處理和，負(fù)責(zé)接觸網(wǎng)幾何參數(shù)數(shù)據(jù)，編負(fù)責(zé)系統(tǒng)的位移信息，控制電路負(fù)責(zé)電源管理和一些原始數(shù)據(jù)的收集，并將收集的數(shù)據(jù)通過串口傳給工控機(jī)。除此之外，控制電路負(fù)責(zé)對(duì)設(shè)備周邊的環(huán)境溫度和電源輸入電壓進(jìn)行：如果溫度過高，開啟風(fēng)扇進(jìn)行散熱；如果電源輸入電壓過高，發(fā)出異常警報(bào)；如果輸入電壓過低，提醒用戶及時(shí)充電。工控機(jī)的選擇

圖4.1硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖工控機(jī)除了要求其具有耐高溫、抗沖擊、抗振動(dòng)、抗電磁干擾等特性外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)還做了其他方面的考慮。為了盡量減少系統(tǒng)的復(fù)雜度，同時(shí)減少設(shè)備之間繁雜的連線，選擇了帶有觸屏功能的，即顯示器和主機(jī)集成在一起，這樣既減小了體積，又避免了主機(jī)和顯示器之間的連線，同時(shí)不需要額外的鼠標(biāo)和鍵盤；其次，工控機(jī)必須帶有以太網(wǎng)口、串口和USB三種接口，因?yàn)橥ㄟ^以太網(wǎng)口和工控機(jī)傳輸數(shù)據(jù)，控制電路通過串口和工控機(jī)傳輸數(shù)據(jù)，用戶需要通過USB接口將檢測(cè)的數(shù)據(jù)導(dǎo)出到移動(dòng)設(shè)備內(nèi)。控制電如圖4.2所示，是檢測(cè)系統(tǒng)的控制電路原理圖。該控制電路的控制器為STC12C2052AD單片機(jī)，該單片機(jī)有一路串口，可以與上位機(jī)通過串口進(jìn)行通信；具有多路AD轉(zhuǎn)化器，用于對(duì)系統(tǒng)電源電壓和溫度等參數(shù)；具有外部中斷功能，能夠及時(shí)獲取編產(chǎn)生的脈沖信號(hào)。圖4.2控制電路原理圖系統(tǒng)共有24V、12V和5V三種工作電壓，鋰電池輸入電壓和工作電壓為24V，工控機(jī)工作電壓為12V，單片機(jī)工作電壓為5V。用一個(gè)繼電器控制24V的電源電壓輸入，作為總電源開關(guān)，由于單片機(jī)是整個(gè)控制電路的，只要總電源接通，單片機(jī)就要持續(xù)工作，因此不再設(shè)置5V電壓的開關(guān)。系統(tǒng)在工作時(shí)，也在持續(xù)工作，其工作電流達(dá)到1A，對(duì)于依靠鋰電池供電來說功耗較高。但在實(shí)際使用過，檢測(cè)人員中途休息或是有事短暫離開，又不想關(guān)閉總電源，此時(shí)如果繼續(xù)工作，其檢測(cè)的數(shù)據(jù)是沒有意義的，因此專門設(shè)計(jì)了一個(gè)繼電器單獨(dú)控制的電源，并且設(shè)置了自動(dòng)斷電功能。當(dāng)編碼器數(shù)據(jù)不再更新，即小車靜置，且持續(xù)時(shí)間達(dá)到4分鐘以上，單片機(jī)將自動(dòng)關(guān)閉控制電源的繼電器。系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了一個(gè)繼電器控制工控機(jī)的電源。一方面，工控機(jī)工作時(shí)電流約2A，在系統(tǒng)剛啟動(dòng)時(shí)，如果工控機(jī)和其他設(shè)備也同時(shí)啟動(dòng)，整個(gè)電路功率瞬間增大，對(duì)電池和電路都是較大的沖擊，因此需要延遲打開繼電器，在系統(tǒng)啟動(dòng)幾秒后再分別啟動(dòng)和工控機(jī)等相關(guān)設(shè)備，使得電路總功率緩慢上升。其次，由于工控機(jī)12V工作電源是通過一個(gè)24V轉(zhuǎn)12V的電壓轉(zhuǎn)換模塊提供的，為了防止電壓轉(zhuǎn)換模塊產(chǎn)生故障導(dǎo)致12V電源異常，可以及時(shí)關(guān)閉繼電器切斷12V電源達(dá)到保護(hù)工控機(jī)的目的。電路中設(shè)計(jì)了蜂鳴器控制電路，在系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)，蜂鳴器，及時(shí)提醒用戶。還設(shè)計(jì)了風(fēng)扇控制電路，當(dāng)系統(tǒng)溫度過高，及時(shí)開啟風(fēng)扇散熱。系統(tǒng)位移檢測(cè)方案系統(tǒng)使用編來檢測(cè)位移，編的實(shí)質(zhì)就是波形發(fā)生器。將鐵片切割成如圖4.3所示的形狀，并固定在小車的上，隨一起轉(zhuǎn)動(dòng)，鐵片扇形部分中心夾角為90度。在鐵片附近安裝兩個(gè)接近開關(guān)感應(yīng)器，接近開關(guān)感應(yīng)器不隨輪子轉(zhuǎn)動(dòng)，且兩個(gè)接近開關(guān)的固定位置對(duì)應(yīng)的夾角為45度。當(dāng)接近開關(guān)正對(duì)鐵片時(shí)，產(chǎn)生高電平信號(hào)，當(dāng)接近開關(guān)正對(duì)鐵片間隙，產(chǎn)生低電平信號(hào)。圖4.3鐵片切割形狀示意圖假設(shè)鐵片隨順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，則鐵片和接近開關(guān)的相對(duì)位置如圖4.4所示，會(huì)出現(xiàn)4種狀態(tài)：圖4.4鐵片與接近開關(guān)相對(duì)位置將高電平記為1，低電平記為0，則順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的接近開關(guān)輸出數(shù)據(jù)如表所示：表4.1接近開關(guān)輸出