CRTS雙塊式無砟軌道承軌臺(tái)智能測(cè)量技術(shù)

高貴

（武九鐵路客運(yùn)專線湖北有限責(zé)任公司，武漢 430212）

CRTS 雙塊式無砟軌道在道床板混凝土澆筑完成后、軌排支撐拆除前須采集工具軌的軌道數(shù)據(jù)，用于對(duì)比分析道床板混凝土澆筑前后軌道幾何狀態(tài)變化［1-2］。長鋼軌鋪設(shè)前人工將精調(diào)標(biāo)架逐個(gè)安放到承軌臺(tái)螺栓孔中，采用全站儀測(cè)量精調(diào)標(biāo)架上棱鏡中心的三維坐標(biāo)。標(biāo)架安放精度受人為因素影響大，該數(shù)據(jù)無法真實(shí)反映承軌臺(tái)的實(shí)際幾何狀態(tài)，且測(cè)量效率低。傳統(tǒng)的長鋼軌精調(diào)方案是在長鋼軌鋪設(shè)前全部安裝標(biāo)準(zhǔn)扣件，長鋼軌應(yīng)力放散鎖定后，采用軌檢小車和全站儀對(duì)軌道幾何狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量，模擬計(jì)算軌道幾何調(diào)整量，須反復(fù)復(fù)測(cè)和更換扣件才能使軌道幾何參數(shù)滿足要求［3-4］。普遍需要5～6 遍以上，工作量極大［5］。須投入大量的人力、物力和時(shí)間。尤其長鋼軌第1 遍精調(diào)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)扣件更換量極大，造成標(biāo)準(zhǔn)扣件大量浪費(fèi)。為解決該問題，武九鐵路客運(yùn)專線湖北有限責(zé)任公司組織研發(fā)無砟軌道承軌臺(tái)檢測(cè)機(jī)器人，以實(shí)現(xiàn)長鋼軌鋪設(shè)前對(duì)每個(gè)承軌臺(tái)數(shù)據(jù)的精確測(cè)量和待安裝扣件的精準(zhǔn)配置。本文對(duì)無砟軌道承軌臺(tái)檢測(cè)機(jī)器人采集承軌臺(tái)數(shù)據(jù)的智能測(cè)量技術(shù)進(jìn)行研究。

1 無砟軌道承軌臺(tái)檢測(cè)機(jī)器人智能測(cè)量技術(shù)

1.1 無砟軌道承軌臺(tái)檢測(cè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)

無砟軌道承軌臺(tái)檢測(cè)機(jī)器人是無砟軌道智能檢測(cè)設(shè)備之一，主要用于長鋼軌鋪設(shè)前承軌臺(tái)數(shù)據(jù)的測(cè)量。使用時(shí)，根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的CPⅢ測(cè)量控制網(wǎng)設(shè)站，通過具有遠(yuǎn)程控制功能的全站儀，結(jié)合無砟軌道承軌臺(tái)檢測(cè)機(jī)器人的智能控制系統(tǒng)、無線傳輸系統(tǒng)及精密機(jī)械結(jié)構(gòu)自動(dòng)測(cè)量道床板上每個(gè)承軌臺(tái)的中線和高程數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換成線形數(shù)據(jù)。根據(jù)軌道平順性要求自動(dòng)計(jì)算生成每個(gè)承軌臺(tái)位置所需調(diào)整的扣件型號(hào)，統(tǒng)計(jì)出扣件的采購清單，形成一套無砟軌道承軌臺(tái)智能測(cè)量技術(shù)。智能測(cè)量系統(tǒng)組成與使用情況如圖1所示。

無砟軌道承軌臺(tái)檢測(cè)機(jī)器人主要由全向自行式運(yùn)載小車、測(cè)量模具、智能控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等構(gòu)成。自動(dòng)檢測(cè)以“行走、定位、測(cè)量、行走”的間歇模式進(jìn)行。承軌臺(tái)檢測(cè)機(jī)器人還配置有1 臺(tái)車載平板電腦，內(nèi)裝WINDOWS 操作系統(tǒng)和專業(yè)測(cè)量軟件。測(cè)量軟件包含了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的所有邏輯。車載平板電腦用于記錄測(cè)量數(shù)據(jù)并與全站儀遠(yuǎn)程無線通信，控制自動(dòng)測(cè)量流程。操作人員使用遙控器可隨時(shí)干預(yù)測(cè)量進(jìn)程。承軌臺(tái)檢測(cè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖1 承軌臺(tái)檢測(cè)機(jī)器人智能測(cè)量示意

圖2 承軌臺(tái)檢測(cè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意

承軌臺(tái)檢測(cè)機(jī)器人的主要部件分述如下：

1）全向自行式運(yùn)載小車

運(yùn)載小車具有行走、導(dǎo)向、定位、通信等功能。全車由1臺(tái)數(shù)字控制器控制，1個(gè)可拆卸充電的蓄電池供電。車體采用麥克納姆輪系作為行駛底盤，輪系由8個(gè)麥克納姆車輪組成，輪轂上安裝了多個(gè)橢圓柱形輥?zhàn)樱佔(zhàn)虞S線與車輪軸線的夾角為45°，車輪可全方位旋轉(zhuǎn)，8 個(gè)車輪以不同方向和速度旋轉(zhuǎn)，可使運(yùn)載小車實(shí)現(xiàn)直行、橫行、斜行、原地旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)方式。在車體側(cè)面、內(nèi)部安裝多個(gè)傳感器，在傳感器數(shù)據(jù)［6］和內(nèi)置邏輯控制下行走與定位，可平穩(wěn)通過道床板伸縮縫。運(yùn)載小車麥克納姆輪如圖3所示。

圖3 運(yùn)載小車麥克納姆輪示意

2）測(cè)量模具

測(cè)量模具主要由1套可升降橫梁、2套仿形底板及2 套彈性自適應(yīng)機(jī)構(gòu)構(gòu)成。在仿形底板上搭載2 個(gè)精密棱鏡，自適應(yīng)彈性機(jī)構(gòu)可以使仿形底板精準(zhǔn)貼合承軌臺(tái)表面，從而使精密棱鏡位于承軌臺(tái)中心位置。在自動(dòng)測(cè)量過程中，全站儀瞄準(zhǔn)2個(gè)精密棱鏡測(cè)量，便可獲得承軌臺(tái)中心位置坐標(biāo)。在一對(duì)承軌臺(tái)測(cè)量完成后，測(cè)量模具的橫梁自動(dòng)升起，無砟軌道承軌臺(tái)檢測(cè)機(jī)器人前進(jìn)到下一對(duì)承軌臺(tái)斷面位置，開始新的測(cè)量循環(huán)。

3）智能控制系統(tǒng)

智能控制系統(tǒng)的核心是1 臺(tái)數(shù)字控制器，該控制器可通過軟件編程實(shí)現(xiàn)測(cè)量過程所有邏輯控制?？刂破鞫丝谪S富，抗振能力強(qiáng)，溫度適應(yīng)范圍大。智能控制系統(tǒng)由數(shù)字控制器、傳感器、驅(qū)動(dòng)調(diào)速模塊、遙控模塊、通信模塊［7］、陀螺儀、數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)及測(cè)量軟件［8］組成。

固定安放在遠(yuǎn)處的全站儀與無砟軌道承軌臺(tái)檢測(cè)機(jī)器人之間，通過數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)傳遞控制測(cè)量指令與測(cè)量結(jié)果。數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)功率大、誤碼率低、抗干擾能力強(qiáng)，保證了機(jī)器人與全站儀間信息的可靠交換，徹底解決了藍(lán)牙或WIFI信號(hào)在隧道、高壓線附近、變電站附近等特殊區(qū)域［9］數(shù)據(jù)傳輸不正常的問題。

無砟軌道承軌臺(tái)檢測(cè)機(jī)器人在初始就位、測(cè)量結(jié)束、遇到特殊情況時(shí)都可以采用遙控器操作，實(shí)現(xiàn)行駛與測(cè)量動(dòng)作。

車體上設(shè)置有RS232，USB 等端口，通過這些端口機(jī)器人與車載電腦、全站儀通信，也可以與編程電腦通信，修改內(nèi)部程序或參數(shù)。

在正常測(cè)量過程中，無砟軌道承軌臺(tái)檢測(cè)機(jī)器人自動(dòng)啟停、導(dǎo)向、定位，測(cè)量模具自動(dòng)升降，全站儀自動(dòng)測(cè)量，不斷重復(fù)測(cè)量循環(huán)，無需人工干預(yù)。遇到異常情況時(shí)機(jī)器人會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，提醒操作人員及時(shí)處理。

4）數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)由測(cè)量軟件和數(shù)據(jù)處理軟件組成。

測(cè)量軟件是一套基于WINDOWS 的專用軟件，安裝在車載電腦中，在軟件使用前，需要先導(dǎo)入待測(cè)線路的設(shè)計(jì)文件。測(cè)量時(shí)，軟件通過數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)獲取承軌臺(tái)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，通過對(duì)比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)文件數(shù)據(jù)計(jì)算承軌臺(tái)絕對(duì)偏差。測(cè)量獲得的承軌臺(tái)實(shí)際坐標(biāo)值和計(jì)算得到的絕對(duì)偏差值均存儲(chǔ)在車載電腦的數(shù)據(jù)庫中。

數(shù)據(jù)處理軟件安裝在內(nèi)業(yè)電腦中，通過導(dǎo)入已測(cè)線路承軌臺(tái)實(shí)際坐標(biāo)值和絕對(duì)偏差值，根據(jù)線路平順性［10-12］要求分析計(jì)算、模擬優(yōu)化軌道幾何調(diào)整量，生成每個(gè)承軌臺(tái)扣件型號(hào)的配置表和采購清單。

5）無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用無線通信模塊實(shí)現(xiàn)全站儀測(cè)量系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)與后臺(tái)軟件系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)及信息指令的即時(shí)相互傳輸。

1.2 無砟軌道承軌臺(tái)檢測(cè)機(jī)器人的使用方法

利用無砟軌道承軌臺(tái)檢測(cè)機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，涉及到數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、外業(yè)測(cè)量和數(shù)據(jù)處理三部分。

1.2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

無砟軌道承軌臺(tái)檢測(cè)機(jī)器人作業(yè)前，需要將線路文件導(dǎo)入車載電腦，將CPⅢ控制網(wǎng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入全站儀。具體步驟為：①整理被測(cè)線路設(shè)計(jì)要素文件，用測(cè)量軟件自帶的線路計(jì)算器生成左右線的線路文件；②用線路計(jì)算器或其他測(cè)量軟件復(fù)核線路文件的正確性；③將線路文件通過USB 盤存入車載電腦中對(duì)應(yīng)的子目錄下；④將CPⅢ控制點(diǎn)文件導(dǎo)入全站儀。

1.2.2 外業(yè)測(cè)量

外業(yè)測(cè)量步驟為：①通過現(xiàn)場(chǎng)CPⅢ點(diǎn)全站儀完成自由設(shè)站。②組裝無砟軌道承軌臺(tái)檢測(cè)機(jī)器人，將其擺放至待測(cè)區(qū)道床板上左右2 個(gè)承軌臺(tái)中間位置，打開電源開關(guān)，機(jī)器人完成自動(dòng)校核。如有異常，顯示屏出現(xiàn)報(bào)警信息。③在車載電腦主界面中點(diǎn)擊“承軌臺(tái)檢測(cè)機(jī)器人”圖標(biāo)，打開測(cè)量軟件。④在測(cè)量軟件內(nèi)設(shè)置車載電腦與機(jī)器人、全站儀的通信端口參數(shù)，在不更換車載電腦與全站儀的情況下只需設(shè)置1 次。確認(rèn)車載電腦與機(jī)器人、全站儀連接正常。⑤操作遙控器，擺正承軌臺(tái)檢測(cè)機(jī)器人位置，降下使之與承軌臺(tái)密貼。⑥將模式開關(guān)置于“自動(dòng)”，在車載電腦上點(diǎn)擊“測(cè)量”按鈕，全站儀將自動(dòng)搜索左側(cè)棱鏡，完成“鎖定、測(cè)量”流程之后，自動(dòng)轉(zhuǎn)向右側(cè)棱鏡重復(fù)“鎖定、測(cè)量”流程。⑦車載電腦收到測(cè)量結(jié)果后，向機(jī)器人發(fā)出“測(cè)量結(jié)束”信號(hào)。⑧機(jī)器人自動(dòng)升起測(cè)量模具，走向下一對(duì)承軌臺(tái)。傳感器檢測(cè)機(jī)器人的位置與姿態(tài)進(jìn)行精確調(diào)整后鎖定車體位置。⑨測(cè)量模具自動(dòng)落下，到位后機(jī)器人向車載電腦發(fā)出“就位”信號(hào)，車載電腦向全站儀發(fā)出“開始測(cè)量”信號(hào)，開始下一個(gè)工作循環(huán)。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

外業(yè)測(cè)量完成后進(jìn)行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。具體步驟為：①運(yùn)行數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理軟件，將測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成線形數(shù)據(jù)后，結(jié)合軌道平順性要求［13-14］對(duì)軌道軌向、軌距變化率、高低［15-16］、軌距［17-18］等軌道幾何參數(shù)進(jìn)行平順性分析和模擬計(jì)算，見表1。②根據(jù)分析和模擬結(jié)果對(duì)線形數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化后數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)線形數(shù)據(jù)的偏差進(jìn)行計(jì)算，得出每個(gè)承軌臺(tái)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)扣件的調(diào)整量。③軟件系統(tǒng)根據(jù)調(diào)整量大小，結(jié)合絕緣軌距塊、軌距擋板、軌下墊板和軌下微調(diào)墊板的使用原則，自動(dòng)生成每個(gè)承軌臺(tái)各調(diào)整扣件的材料配置計(jì)劃表（即采購清單）和對(duì)應(yīng)承軌臺(tái)的扣件安裝作業(yè)表。

表1 無砟軌道平順性檢測(cè)重要參數(shù)及允許偏差

2 無砟軌道承軌臺(tái)檢測(cè)機(jī)器人智能測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用

無砟軌道承軌臺(tái)檢測(cè)機(jī)器人依托鄭萬高速鐵路進(jìn)行研發(fā)、持續(xù)改進(jìn)和優(yōu)化定型，其智能測(cè)量技術(shù)已在采用CRTS 雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)形式的鄭萬、京雄、京張高速鐵路，采用CRTSⅢ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)形式的昌贛、贛深、商合杭等高速鐵路推廣應(yīng)用?，F(xiàn)隨機(jī)選取鄭萬高速鐵路DK368+604—DK372+702 區(qū)段無砟軌道中6515根軌枕，13030個(gè)承軌臺(tái)的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在第1遍長鋼軌精調(diào)時(shí)無砟軌道承軌臺(tái)檢測(cè)機(jī)器人對(duì)承軌臺(tái)進(jìn)行了測(cè)量并生成了無砟軌道扣件材料配置計(jì)劃表。按該計(jì)劃表配置扣件的方案稱為精準(zhǔn)配置扣件方案。將該方案中標(biāo)準(zhǔn)扣件的使用數(shù)量與該區(qū)段傳統(tǒng)安裝方案標(biāo)準(zhǔn)扣件的使用數(shù)量進(jìn)行對(duì)比，見表2。兩種方案均按1套工裝設(shè)備配置。其中，絕緣軌距擋塊、軌距擋板、軌下墊板的型號(hào)分別為WJ8-I9，WJ8-7，WJ8-6。

表2 DK368+604—DK372+702 區(qū)段兩種方案標(biāo)準(zhǔn)扣件的使用數(shù)量對(duì)比

由表2可知，與傳統(tǒng)安裝標(biāo)準(zhǔn)扣件方案相比，采用精準(zhǔn)配置扣件方案可節(jié)約絕緣軌距擋塊21590 個(gè)、軌距擋板1154 個(gè)、軌下墊板5167 個(gè)。該節(jié)約量即為采用傳統(tǒng)方案長鋼軌精調(diào)時(shí)需更換的標(biāo)準(zhǔn)扣件數(shù)量。絕緣軌距擋塊和軌下墊板的更換率分別達(dá)到83%和40%，可見長鋼軌精調(diào)時(shí)更換扣件的工作量極大。

無砟軌道承軌臺(tái)檢測(cè)機(jī)器人測(cè)量與利用傳統(tǒng)的標(biāo)架法測(cè)量的工效、經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比見表3?？芍翰捎脽o砟軌道承軌臺(tái)檢測(cè)機(jī)器人測(cè)量施工人員減少3 人，單塊無砟軌道板測(cè)量時(shí)間減少8.5 min，每個(gè)工作日多檢測(cè)450 m。測(cè)量長4.098 km無砟軌道承軌臺(tái)檢測(cè)機(jī)器人只需要5.1 d，傳統(tǒng)的標(biāo)架法測(cè)量則需要11.7 d。工效提升2.3 倍，經(jīng)濟(jì)效益增加31.91 萬元。標(biāo)架法測(cè)量精度受人為因素影響較大，采用無砟軌道承軌臺(tái)檢測(cè)機(jī)器人測(cè)量精度、工效大幅提升，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

表3 DK368+604—DK372+702 區(qū)段承軌臺(tái)檢測(cè)機(jī)器人智能測(cè)量與傳統(tǒng)標(biāo)架法測(cè)量工效、經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比

3 結(jié)語

針對(duì)長鋼軌鋪設(shè)前傳統(tǒng)安裝標(biāo)準(zhǔn)扣件方案浪費(fèi)材料、施工效率低、工期長、扣件更換率和施工成本居高不下的問題，研發(fā)了采用無砟軌道承軌臺(tái)檢測(cè)機(jī)器人對(duì)承軌臺(tái)進(jìn)行檢測(cè)的智能測(cè)量技術(shù)。

無砟軌道承軌臺(tái)檢測(cè)機(jī)器人具有自動(dòng)啟停行走、自動(dòng)導(dǎo)向、智能精準(zhǔn)定位功能。其測(cè)量模具可自動(dòng)伸縮升降、自動(dòng)定位，測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)無線傳輸至數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。結(jié)合軌道高平順性要求，其數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬計(jì)算分析，自動(dòng)生成每個(gè)承軌臺(tái)位置所需的扣件型號(hào)，統(tǒng)計(jì)出扣件的材料配置計(jì)劃表和對(duì)應(yīng)承軌臺(tái)的扣件安裝作業(yè)表，從而實(shí)現(xiàn)長鋼軌鋪設(shè)前扣件的精準(zhǔn)配置和安裝。

對(duì)隨機(jī)選取的鄭萬高速鐵路DK368+604—DK372+702 區(qū)段無砟軌道線路測(cè)量數(shù)據(jù)分析顯示，與傳統(tǒng)安裝標(biāo)準(zhǔn)扣件方案相比，在長鋼軌鋪設(shè)前采用精準(zhǔn)配置扣件方案施工可節(jié)約絕緣軌距擋塊（WJ8-I9）21590個(gè)、軌距擋板（WJ8-7）1154個(gè)、軌下墊板（WJ8-6）5167 個(gè)。測(cè)量工效提升2.3 倍，測(cè)量精度大幅提升，經(jīng)濟(jì)效益顯著。