基于激光掃描技術(shù)的無砟軌道離縫智能檢測小車研發(fā)

許國平， 林超，2

（1. 中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北武漢 430063；2. 鐵路軌道安全服役湖北省重點實驗室，湖北武漢 430063）

0 引言

CRTSⅡ型板式無砟軌道應(yīng)用于京津、京滬、滬杭、寧杭、杭甬、杭長等10 多條高速鐵路，正線總延展里程約1 萬km。CRTSⅡ型板式無砟軌道總體使用情況良好，但在溫度、列車荷載等綜合作用下，隨著線路運營時間延長，局部地段砂漿層出現(xiàn)離縫［1-3］，影響軌道結(jié)構(gòu)整體性、穩(wěn)定性、平順性，給線路正常運營帶來安全隱患。

目前，高鐵工務(wù)部門對CRTSⅡ型板式無砟軌道砂漿層離縫檢測，主要采用人工巡檢方式。這種方式消耗大量人力，漏檢率較高，精度較低。雖然近年來國內(nèi)外相關(guān)研究單位提出采用超聲導(dǎo)波［4-5］、沖擊回波［6］、地質(zhì)雷達［7］、動檢數(shù)據(jù)分析［8］等檢測方法，但檢測效果仍無法滿足現(xiàn)場大范圍使用的要求。

離縫檢測存在普遍問題，研發(fā)針對CRTSⅡ型板式無砟軌道砂漿層離縫檢測的智能小車，實現(xiàn)天窗時間高效率、高精度識別離縫，可為高速鐵路的安全運營提供技術(shù)保障。

1 檢測主要技術(shù)難點

CRTSⅡ型板式無砟軌道砂漿層離縫檢測存在一些技術(shù)難點。

1.1 離縫檢測精度要求高

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研及統(tǒng)計［9］，CRTSⅡ型板式無砟軌道砂漿層離縫值一般為1～3 mm，現(xiàn)場需要識別1 mm以上的離縫，因此要求離縫檢測精度≤0.5 mm。

1.2 離縫狀態(tài)復(fù)雜多樣，位置具有隨機性

高速鐵路穿越不同的氣候帶，存在路基、橋梁、隧道等復(fù)雜線下基礎(chǔ)，在列車、溫度荷載等外界因素作用下，不同區(qū)域的砂漿層離縫狀態(tài)及發(fā)生、發(fā)展規(guī)律各不相同，導(dǎo)致離縫出現(xiàn)的位置具有隨機性，要求檢測方法可適用于全線各種狀態(tài)的離縫檢測。

1.3 部分離縫與裂紋、混凝土掉塊的區(qū)分難度大

砂漿層離縫附近往往伴隨有裂紋或混凝土掉塊。以圖像識別法為例，針對固定位置離縫識別精度可達0.1 mm［10］，但識別過程中會誤把軌道板側(cè)面的裂紋、混凝土掉塊等當(dāng)作是離縫，區(qū)分難度大，造成誤測，因此需要人工介入，降低了識別效率。

2 功能及技術(shù)指標(biāo)要求

2.1 功能要求

根據(jù)CRTSⅡ型板式無砟軌道離縫檢測存在的技術(shù)難點，要求離縫智能檢測小車滿足以下功能需求：

（1）離縫智能檢測小車依靠人力推動前進。在線路檢測前，可將待測線路的軌道數(shù)據(jù)（軌道板編號及對應(yīng)里程）輸入至小車數(shù)據(jù)庫。小車具備定位功能，在移動檢測過程中根據(jù)定位信號自動獲取當(dāng)前位置的軌道板編號和對應(yīng)里程，將離縫檢測結(jié)果在數(shù)據(jù)庫內(nèi)與軌道板編號和里程對應(yīng)。

（2）與路基地段相比，橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道存在側(cè)向擋塊，因此離縫智能檢測小車在移動檢測過程中需要對側(cè)向擋塊自動進行避讓。

（3）離縫智能檢測小車用戶界面要實時顯示當(dāng)前線路位置的軌道板編號和離縫值，當(dāng)離縫值超過預(yù)警門限值時，需實時進行報警。檢測完成后，數(shù)據(jù)通過4G 網(wǎng)絡(luò)上傳至云服務(wù)端，同時在本地直接生成統(tǒng)計報表。

2.2 技術(shù)指標(biāo)要求

離縫智能檢測小車需要滿足以下主要技術(shù)指標(biāo)：

（1）測量精度：≤0.5 mm；

（2）測量速度：≥3 km/h；

（3）測量點數(shù)：≥8個/每塊軌道板；

（4）定位誤差：≤±50 cm/km；

（5）連續(xù)工作時間：≥6 h；

（6）適用氣候條件：滿足雨天、雪天和大風(fēng)天氣的正常使用。

3 硬件設(shè)計

3.1 總體結(jié)構(gòu)

高速鐵路無砟軌道離縫智能檢測小車結(jié)構(gòu)示意見圖1。主要包括小車車架（1#）、控制系統(tǒng)（2#）、檢測系統(tǒng)（3#）、升降系統(tǒng)（4#）、定位系統(tǒng)（5#）和顯示系統(tǒng)（6#）。

圖1 離縫智能檢測小車結(jié)構(gòu)示意圖

小車通過人力推動前進。檢測系統(tǒng)安裝在升降系統(tǒng)上，對軌道砂漿層離縫狀態(tài)（離縫寬度和深度）進行實時檢測。控制系統(tǒng)控制升降系統(tǒng)對側(cè)向擋塊等障礙物進行躲避，同時將檢測系統(tǒng)的檢測結(jié)果實時反應(yīng)至顯示系統(tǒng)。定位系統(tǒng)進行小車?yán)锍潭ㄎ?。小車各系統(tǒng)間可組裝和拆解，運輸攜帶方便。

3.2 升降系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)

升降系統(tǒng)（4#）（見圖2）由滑臺（7#）、電機驅(qū)動模塊（8#）、支架（9#）等部件組成，主要控制檢測系統(tǒng)（3#）避開線路上側(cè)向擋塊等障礙物。

圖2 升降系統(tǒng)（4#）結(jié)構(gòu)組成示意圖

檢測系統(tǒng)（3#）（見圖3）安裝在支架上，由前端位移傳感器（3-1#）、激光輪廓儀（3-2#）及高度位移傳感器（3-3#）等部件組成，激光輪廓儀測量距離為152～248 mm，測量精度為±96 μm。檢測系統(tǒng)在行進路線上出現(xiàn)側(cè)向擋塊等障礙物時，前端位移傳感器識別障礙物距離。當(dāng)檢測系統(tǒng)與障礙物距離≤65 cm 時，電機驅(qū)動模塊帶動支架在滑臺內(nèi)向上抬升，同時高度位移傳感器識別與障礙物的垂向距離；當(dāng)小車通過障礙物后，電機驅(qū)動模塊帶動支架在滑臺內(nèi)向下回到預(yù)設(shè)測量位置；當(dāng)線路上不存在側(cè)向擋塊等障礙物時（例如在路基地段），升降系統(tǒng)位置固定不變。

圖3 檢測系統(tǒng)（3#）結(jié)構(gòu)組成示意圖

3.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)（2#）由高性能工控機和供電模塊組成。

工控機作為本系統(tǒng)的輸入、輸出控制中心，采用寬電源輸入，能夠?qū)崟r定位及傳輸數(shù)據(jù)，控制伺服電機和各類傳感器。

供電模塊由高容量鋰電池和電壓轉(zhuǎn)換模塊組成，能夠滿足小車在線6 h以上的工作需求。

3.4 定位系統(tǒng)

定位系統(tǒng)（5#）旋轉(zhuǎn)編碼器與車體車輪軸連接，通過檢測小車的移動速度，對應(yīng)換算成車體行進里程。在檢測開始前輸入起始里程和軌道板編號，并將待測線路的軌道數(shù)據(jù)（軌道板編號及對應(yīng)里程）輸入至小車數(shù)據(jù)庫，結(jié)合數(shù)據(jù)庫便可實現(xiàn)對軌道板離縫檢測結(jié)果的準(zhǔn)確定位。

4 軟件設(shè)計

高速鐵路無砟軌道離縫智能檢測小車按工作層級分為上位機軟件和嵌入式軟件2個部分，上位機軟件負(fù)責(zé)提供人機交互的圖形用戶接口，嵌入式軟件負(fù)責(zé)小車運行和檢測的底層邏輯功能實現(xiàn)。

4.1 嵌入式軟件

嵌入式軟件作為離縫智能檢測小車底層控制單元，其控制邏輯關(guān)系（見圖4）描述如下：

（1）設(shè)備開機后首先進行自檢，若設(shè)備異常，則提示相關(guān)的故障信息；

（2）自檢結(jié)果正常后，人工推動小車在軌道上前進，離縫數(shù)據(jù)采集模塊自動采集無砟軌道層間離縫數(shù)據(jù)，行進里程模塊記錄走行距離，通過單塊軌道板長度與行進里程計算經(jīng)過的軌道板數(shù)量；

（3）通過小車檢測記錄起點對應(yīng)的軌道板編號以及經(jīng)過的軌道板數(shù)量計算各行進里程對應(yīng)的軌道板編號，實現(xiàn)離縫數(shù)據(jù)在存入數(shù)據(jù)庫的過程中與線路里程和軌道板編號對應(yīng)；

圖4 離縫智能檢測小車控制邏輯關(guān)系示意圖

（4）當(dāng)檢測到前方有側(cè)向擋塊等障礙物時，控制系統(tǒng)通過電機抬升檢測系統(tǒng)自動完成避障。

4.2 上位機軟件

離縫智能檢測小車識別離縫采用深度搜索特征值算法：通過計算識別出離縫寬度方向的起、終點坐標(biāo)，離縫深度方向的最高、最低點坐標(biāo)，由此計算出離縫的寬度和深度。由于激光測量儀在測量離縫深度時能識別出的最大值為96 mm，因此離縫深度的測量主要用于輔助判斷該條裂縫是否是離縫，從而實現(xiàn)離縫與裂紋、混凝土掉塊的區(qū)分。軟件系統(tǒng)中默認(rèn)離縫深度≥20 mm 進行離縫寬度數(shù)據(jù)的采集和存儲。離縫智能檢測水平測量原理見圖5。

圖5 離縫智能檢測小車測量原理

離縫智能檢測小車的人機交互界面見圖6。檢測開始前，點擊“數(shù)據(jù)輸入”按鈕導(dǎo)入待測線路的軌道數(shù)據(jù)（軌道板編號及對應(yīng)里程），點擊“初始設(shè)置”按鈕輸入采集頻率、離縫現(xiàn)場實時預(yù)警值、起始位置對應(yīng)里程和軌道板編號等。檢測過程中操作界面上可實時顯示檢測位置離縫的寬度和深度、檢測位置對應(yīng)的里程和軌道板編號、小車運行狀態(tài)等。線上檢測完成后點擊“數(shù)據(jù)查詢”按鈕可實現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的查詢和下載，同時自動生成檢測報表。

圖6 離縫檢測小車人機交互界面

5 室內(nèi)及現(xiàn)場試驗

為驗證高速鐵路無砟軌道離縫智能檢測小車的檢測精度及速度，分別進行了室內(nèi)和現(xiàn)場試驗。

5.1 室內(nèi)試驗

2019 年12 月10 日，利用室內(nèi)搭建的CRTSⅡ型軌道板試驗段對離縫智能檢測小車的檢測精度進行測試。試驗現(xiàn)場共設(shè)置10 個離縫檢測點，通過對比小車和人工檢測結(jié)果，評價小車的檢測精度。精度檢測結(jié)果統(tǒng)計見表1，從表中可以看出，小車檢測精度為±0.1 mm，滿足檢測小車研發(fā)要求，第三方校準(zhǔn)證書見圖7。

圖7 第三方校準(zhǔn)證書

5.2 現(xiàn)場試驗

2019 年12 月14 日，在某高鐵線路無砟軌道K1173—K1179 區(qū)段進行現(xiàn)場試驗，在保證檢測準(zhǔn)確度（準(zhǔn)確率≥90%）前提下，測試離縫智能檢測小車在軌道上的推行速度?，F(xiàn)場測試結(jié)果表明，橋梁地段小車推行速度為4.0 km/h、路基地段小車推行速度為5.5 km/h時，移動檢測結(jié)果的準(zhǔn)確度滿足要求。現(xiàn)場校驗離縫檢測小車的測試結(jié)果（見圖8）。

圖8 現(xiàn)場校驗離縫檢測小車的測試結(jié)果

利用離縫智能檢測小車對現(xiàn)場1 km 范圍內(nèi)的軌道板離縫寬度進行檢測，軌道板離縫值統(tǒng)計分布見圖9。

基于現(xiàn)場檢測的軌道板離縫值統(tǒng)計，對軌道板服役狀態(tài)進行評價：

（1）現(xiàn)場88%的軌道板服役狀態(tài)良好；

（2）對于2 mm≤軌道板離縫值＜3 mm 的軌道板（約占9%），在日常養(yǎng)護維修中要加強觀測，密切注意軌道板離縫發(fā)展情況；

圖9 軌道板離縫值統(tǒng)計分布

（3）對于軌道板離縫值≥3 mm的軌道板（約占3%，最大離縫值3.1 mm），可在設(shè)計規(guī)定溫度范圍內(nèi)進行注漿修補。

6 結(jié)束語

針對CRTSⅡ型板式無砟軌道砂漿層離縫檢測存在的普遍問題，提出基于激光掃描技術(shù)的非接觸式識別方法，研制高速鐵路無砟軌道離縫智能檢測小車，實現(xiàn)了離縫寬度數(shù)據(jù)實時顯示、側(cè)向擋塊自動避障、檢測數(shù)據(jù)自動上傳、檢測報表自動生成等功能。

室內(nèi)和現(xiàn)場檢測結(jié)果表明，小車離縫值檢測精度達到±0.1 mm，橋梁地段檢測速度達到4.0 km/h，路基地段檢測速度達到5.5 km/h，實現(xiàn)天窗時間離縫高效率、高精度的檢測目標(biāo)，可為鐵路工務(wù)部門的日常檢測工作提供可靠的技術(shù)保障。