高速鐵路隧道檢測(cè)車安全設(shè)計(jì)及應(yīng)用

張世紅 徐濟(jì)松 何國華 高春雷 王鵬

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

高速鐵路隧道具有斷面大、長隧道多、施工風(fēng)險(xiǎn)大、耐久性要求高等特點(diǎn)［1］。截止2016年底，時(shí)速200 km及以上的高速鐵路隧道已有2 906座，全長達(dá)4 665.364 km［2］。為了保障高速鐵路安全高速通過隧道，必須在施工階段對(duì)隧道襯砌質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)存在問題的區(qū)域及時(shí)修補(bǔ)。傳統(tǒng)方法是人工操作雷達(dá)天線進(jìn)行檢測(cè)［3-4］，一方面對(duì)檢測(cè)人員的專業(yè)性要求較高，另一方面存在檢測(cè)效率低下，勞動(dòng)強(qiáng)度大，且人為主觀因素對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響較大。

通過大量試驗(yàn)研究，中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所自主研發(fā)了高速鐵路隧道檢測(cè)車。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研，檢測(cè)車對(duì)隧道襯砌質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)時(shí)既要保證效率和準(zhǔn)確性，又要保證作業(yè)安全。本文主要介紹高速鐵路隧道檢測(cè)車作業(yè)安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

1 高速鐵路隧道檢測(cè)車介紹

高速鐵路隧道檢測(cè)車主要用于新建隧道道床施工前的襯砌質(zhì)量檢測(cè)。對(duì)于雙線隧道，至少可檢測(cè)13條測(cè)線，其中隧道上部至少9條，仰拱4條，可根據(jù)現(xiàn)場需求對(duì)上部增加測(cè)線。作業(yè)過程中可同時(shí)檢測(cè)5條測(cè)線，包括2條仰拱測(cè)線和3條拱墻測(cè)線，檢測(cè)速度為3～10 km/h，滿足TB 10223－2004《鐵路隧道襯砌質(zhì)量無損檢測(cè)》［5］和《鐵路隧道檢測(cè)技術(shù)手冊(cè)》［6］中的檢測(cè)要求。高速鐵路隧道檢測(cè)車如圖1所示。

圖1 高速鐵路隧道檢測(cè)車

2 作業(yè)安全系統(tǒng)

根據(jù)隧道現(xiàn)場作業(yè)工況，將高速鐵路隧道檢測(cè)車作業(yè)安全系統(tǒng)分為6部分，如圖2所示。

圖2 作業(yè)安全系統(tǒng)

2.1 檢測(cè)車與其他作業(yè)車輛安全

因?yàn)闄z測(cè)車作業(yè)時(shí)隧道正處于施工狀態(tài)（圖3），灰塵大、照明差、能見度低，且經(jīng)常會(huì)有大型作業(yè)車輛進(jìn)出，如混凝土罐車、挖掘機(jī)、運(yùn)輸物料卡車等。為確保安全，在檢測(cè)車的頭尾均安裝了作業(yè)旋轉(zhuǎn)指示燈，以提醒其他車輛注意安全，如圖4所示。

圖3 隧道內(nèi)檢測(cè)

圖4 旋轉(zhuǎn)指示燈

2.2 檢測(cè)車作業(yè)區(qū)機(jī)器人安全

綜合考慮隧道實(shí)際作業(yè)工況及檢測(cè)車作業(yè)區(qū)空間，將3臺(tái)機(jī)器人按照兩兩中心距900 mm的間隔依次安裝固定，相鄰底座之間僅相距200 mm，如圖5所示。必須考慮機(jī)器人的作業(yè)安全，包括機(jī)器人與檢測(cè)艙、機(jī)器人與升降機(jī)構(gòu)、機(jī)器人與機(jī)器人之間3個(gè)方面的安全。通過示教器設(shè)置每臺(tái)機(jī)器人相關(guān)軸的運(yùn)動(dòng)范圍，即軸干涉區(qū)間，避免作業(yè)過程中發(fā)生碰撞［7-10］。機(jī)器人的軸關(guān)節(jié)及運(yùn)動(dòng)方向如圖6所示，逆時(shí)針方向?yàn)檎?，一個(gè)軸關(guān)節(jié)可旋轉(zhuǎn)±180°。

圖5 作業(yè)區(qū)機(jī)器人安裝

根據(jù)不同測(cè)試工況設(shè)置相應(yīng)的軸干涉區(qū)間，見表1和表2。首先選擇“本地模式”，通過示教器選擇軸干涉模式4；其次輸入各個(gè)軸允許運(yùn)動(dòng)角度；最后選擇“遠(yuǎn)程模式”，在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中實(shí)時(shí)判斷各個(gè)軸關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角度是否在設(shè)置區(qū)間。當(dāng)機(jī)器人在干涉區(qū)間以外時(shí)，對(duì)應(yīng)輸出信號(hào)為ON，機(jī)器人暫停運(yùn)動(dòng)且反饋報(bào)警信息。

圖6 機(jī)器人的軸關(guān)節(jié)及運(yùn)動(dòng)方向

表1 拱頂檢測(cè)軸干涉區(qū)間

表2 拱腰、邊墻檢測(cè)軸干涉區(qū)間

2.3 檢測(cè)車作業(yè)異常應(yīng)對(duì)

拱頂、拱腰和邊墻檢測(cè)作業(yè)現(xiàn)場見圖7。

圖7 檢測(cè)作業(yè)現(xiàn)場

作業(yè)過程中，安全系統(tǒng)實(shí)時(shí)反饋各子系統(tǒng)的狀態(tài)，并在人機(jī)界面上進(jìn)行顯示。當(dāng)設(shè)備系統(tǒng)出現(xiàn)異常，相應(yīng)的系統(tǒng)狀態(tài)指示燈會(huì)改變顏色，提示作業(yè)人員故障所在位置，可以及時(shí)操作人機(jī)交互界面按鍵或物理按鈕進(jìn)行急停，相應(yīng)的子系統(tǒng)進(jìn)入急停狀態(tài)，保證人員和設(shè)備安全。急停系統(tǒng)如圖8所示。

升降機(jī)構(gòu)和輔助機(jī)構(gòu)暫停：通過軟件發(fā)送停止指令到下位機(jī)，控制3套升降機(jī)構(gòu)和3套輔助機(jī)構(gòu)同時(shí)停止運(yùn)動(dòng)。

圖8 急停系統(tǒng)

機(jī)器人暫停：在“遠(yuǎn)程模式”下，軟件發(fā)送急停命令到機(jī)器人控制柜，3臺(tái)機(jī)器人同時(shí)停止動(dòng)作。

駕駛室聲光報(bào)警：安裝在駕駛室的聲光報(bào)警器開始運(yùn)行，提醒司機(jī)即刻停車，及時(shí)保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備和作業(yè)人員的安全。

2.4 檢測(cè)車作業(yè)小組人員安全

檢測(cè)車作業(yè)小組人員包括安全預(yù)警員、雷達(dá)操作員、機(jī)器人操作員和駕駛員各1名，如圖9所示。其中：安全預(yù)警員負(fù)責(zé)對(duì)隧道檢測(cè)表面平整度進(jìn)行觀測(cè)，提前預(yù)判是否需要躲避障礙，并及時(shí)通知作業(yè)小組其他3位成員；雷達(dá)操作員負(fù)責(zé)檢測(cè)臂末端雷達(dá)天線的數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)工作；機(jī)器人操作員負(fù)責(zé)升降機(jī)構(gòu)的抬升、機(jī)器人各關(guān)節(jié)按照設(shè)定展開和輔助機(jī)構(gòu)的伸展等工作；駕駛員根據(jù)終端顯示器上的相關(guān)參數(shù)及時(shí)調(diào)整車輛方向，包括檢測(cè)車實(shí)時(shí)位置、車頭車尾距離隧道側(cè)面的距離等信息。

圖9 作業(yè)小組人員

作業(yè)小組每位成員均配備大功率專業(yè)對(duì)講機(jī)，方便在隧道作業(yè)復(fù)雜環(huán)境下及時(shí)匯報(bào)所負(fù)責(zé)區(qū)域的異常情況，保證系統(tǒng)設(shè)備的安全正常運(yùn)行。為了保障作業(yè)人員的人身安全，每位成員在作業(yè)過程中必須佩戴防塵口罩、安全帽、防塵護(hù)目眼鏡、專業(yè)反光工作服、強(qiáng)光手電筒等安全防護(hù)設(shè)備。

2.5 檢測(cè)車軟件聯(lián)鎖安全

為了保證軟件操作過程中各子系統(tǒng)安全運(yùn)行，設(shè)置層層遞進(jìn)聯(lián)鎖保護(hù)。軟件操作分為3個(gè)過程，如圖10所示。

1）啟動(dòng)機(jī)器人軟件后，操作“初始位”按鍵。首先判斷檢測(cè)車的停車位置是否與設(shè)定一致，如果否，彈框提示“請(qǐng)確認(rèn)停車位置”，如果是，則進(jìn)一步判斷機(jī)器人掛鉤是否取下，如果否，彈框提示“請(qǐng)取下掛鉤”，如果是，則進(jìn)一步判斷3臺(tái)機(jī)器人是否均處于收車位，如果否，彈框提示“請(qǐng)移動(dòng)機(jī)器人到收車狀態(tài)”，如果是，則進(jìn)一步判斷升降機(jī)構(gòu)是否均處于低位狀態(tài)，如果否，則彈框提示“請(qǐng)確認(rèn)升降機(jī)構(gòu)均在低位狀態(tài)”，如果是，升降機(jī)構(gòu)開始運(yùn)動(dòng)，到達(dá)指定高度后停止運(yùn)動(dòng)。

2）操作“初始位”按鍵，判斷升降機(jī)構(gòu)是否到達(dá)指定高度，如果否，彈框提示“請(qǐng)確認(rèn)升降機(jī)構(gòu)高度位置”，如果是，3臺(tái)機(jī)器人依次運(yùn)動(dòng)到標(biāo)定位置后停止。

3）操作“工作位”按鍵，判斷機(jī)器人是否均到達(dá)標(biāo)定位置，如果否，彈框提示“請(qǐng)確認(rèn)機(jī)器人處于初始位”，如果是，則判斷輔助機(jī)構(gòu)是否在收回狀態(tài)，如果否，彈框提示“請(qǐng)確認(rèn)輔助機(jī)構(gòu)處于收回狀態(tài)，如果是，輔助機(jī)構(gòu)開始運(yùn)動(dòng)，到設(shè)定位置后停止。

圖10 軟件聯(lián)鎖安全系統(tǒng)

2.6 在不同隧道轉(zhuǎn)移過程中機(jī)器人安全

高速鐵路隧道檢測(cè)車需在不同隧道之間轉(zhuǎn)移，道路多用于施工車輛運(yùn)輸物料，具有坡度大、路面窄、平整度差等特點(diǎn)。為了保證轉(zhuǎn)移過程中機(jī)器人安全，對(duì)機(jī)器人采用焊接掛鉤鎖定，如圖11所示。

圖11 機(jī)器人的鎖定

3 結(jié)語

高速鐵路隧道檢測(cè)車作業(yè)安全系統(tǒng)的研發(fā)充分考慮了從開始作業(yè)到作業(yè)完成整個(gè)過程的安全。本文從作業(yè)設(shè)備安全（包括機(jī)器人）、作業(yè)異常應(yīng)對(duì)、軟件聯(lián)鎖等6個(gè)方面進(jìn)行了介紹。高速鐵路隧道檢測(cè)車已在多個(gè)新建高速鐵路隧道檢測(cè)作業(yè)，其安全系統(tǒng)能夠保障檢測(cè)車、人、作業(yè)設(shè)備安全。