客運(yùn)專線橋梁檢測(cè)小車的研制

周永剛，李會(huì)勤，吳剛

(大連華銳重工集團(tuán)股份有限公司，遼寧大連116052)

客運(yùn)專線橋梁檢測(cè)小車的研制

周永剛，李會(huì)勤，吳剛

(大連華銳重工集團(tuán)股份有限公司，遼寧大連116052)

研制了一種新型客運(yùn)專線橋梁檢測(cè)小車，該小車針對(duì)客運(yùn)專線整孔箱梁的特點(diǎn)，采用分區(qū)面檢查作業(yè)，通過(guò)專用軟件自動(dòng)分析并處理視覺檢查系統(tǒng)所采集圖像數(shù)據(jù)的方法，來(lái)代替人工對(duì)橋梁底面的目視檢查。采用無(wú)線移動(dòng)控制及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)對(duì)客運(yùn)專線橋梁檢測(cè)小車加以遠(yuǎn)程和自動(dòng)控制。本文介紹該小車工作原理、基本功能、結(jié)構(gòu)組成及技術(shù)參數(shù)，分析了該設(shè)備的特點(diǎn)，就如何推廣使用提出了建議。

客運(yùn)專線 橋梁檢測(cè) 遠(yuǎn)程控制 無(wú)線傳輸

1 概述

我國(guó)高速公路、鐵路的橋梁和城市高架橋數(shù)量巨大，其檢測(cè)維修作業(yè)日益繁重，傳統(tǒng)的檢修手段已經(jīng)不能滿足需要。市場(chǎng)對(duì)橋梁檢測(cè)車的需求逐年增加。國(guó)內(nèi)橋檢車的發(fā)展比較晚，大約2004年才開始開發(fā)和生產(chǎn)，而鐵路用橋檢車2006年才開始研制，主要部件大部分選用進(jìn)口產(chǎn)品。

目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)制造的橋檢車主要有兩種:拐臂吊籃式和升降回轉(zhuǎn)平臺(tái)式(圖1)。

圖1 2種主要橋檢車

這兩種都是大型車載的，其特點(diǎn):①體積大、自重大、作業(yè)空間大;②造價(jià)高、運(yùn)營(yíng)及維護(hù)成本高、作業(yè)效率低;③在進(jìn)行檢測(cè)作業(yè)時(shí)要封閉鐵路線路，影響列車的正常通行。鑒于此，有必要探索一些節(jié)能、環(huán)保、高效的橋梁檢測(cè)設(shè)備?？瓦\(yùn)專線橋梁檢測(cè)小車(以下簡(jiǎn)稱橋檢小車)就是本著這一目的研發(fā)的。

橋檢小車與國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有常規(guī)產(chǎn)品不同，利用客運(yùn)專線的欄桿作為運(yùn)行軌道，在客運(yùn)專線欄桿外側(cè)運(yùn)行，應(yīng)用視覺檢查系統(tǒng)、無(wú)線移動(dòng)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，對(duì)橋梁病害具有自動(dòng)識(shí)別功能。檢測(cè)時(shí)不妨礙列車的正常行駛，無(wú)需操作人員近距離監(jiān)控，也不用橋下人工檢查，能真正達(dá)到人機(jī)分離并可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。橋檢車采用蓄電池供電，在運(yùn)行線路的不同區(qū)段設(shè)置駐車充電站，充電利用AC220 V電源，也可用風(fēng)電或太陽(yáng)能發(fā)電對(duì)其進(jìn)行充電。檢測(cè)小車具有體積小、重量輕、操作方便、自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)。操作控制方式可針對(duì)不同使用對(duì)象的要求實(shí)現(xiàn)無(wú)線遙控、遠(yuǎn)程無(wú)線移動(dòng)控制、無(wú)線局域網(wǎng)控制等。圖2為在試驗(yàn)臺(tái)上的橋梁檢測(cè)小車。

圖2 試驗(yàn)臺(tái)上的橋檢小車

2 客運(yùn)專線橋梁檢測(cè)小車主要性能參數(shù)

客運(yùn)專線橋梁檢測(cè)小車主要性能參數(shù)見表1。

表1 客運(yùn)專線橋梁檢測(cè)小車主要性能參數(shù)

3 客運(yùn)專線橋梁檢測(cè)小車系統(tǒng)組成

橋檢小車檢測(cè)體系主要包括橋檢小車、駐車充電站和監(jiān)控中心三部分。其中駐車充電站是能將各種可利用能源轉(zhuǎn)化成直流電并為橋檢小車充電，使橋檢小車在無(wú)人監(jiān)控的條件下能實(shí)現(xiàn)階段性自動(dòng)檢測(cè)的能源供給系統(tǒng);監(jiān)控中心是對(duì)橋梁檢測(cè)小車發(fā)送控制指令、控制遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的接收、分析橋檢小車遠(yuǎn)程傳輸來(lái)的檢測(cè)數(shù)據(jù)及對(duì)接收數(shù)據(jù)的處理及初步識(shí)別的監(jiān)控系統(tǒng)。下面主要介紹橋檢小車，其由三部分組成:①系統(tǒng)的基本平臺(tái);②檢查分析系統(tǒng);③遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

3.1 基本平臺(tái)

基本平臺(tái)主要包括橋檢小車本體、電控系統(tǒng)、工業(yè)遙控系統(tǒng)、供電系統(tǒng)，主要是實(shí)現(xiàn)基本操作、反饋信息等功能。橋檢小車本體包括機(jī)架和各機(jī)構(gòu)，是各個(gè)系統(tǒng)安裝的載體和實(shí)現(xiàn)基本功能的機(jī)械構(gòu)造;電控系統(tǒng)不僅要完成橋檢小車的基本運(yùn)動(dòng)功能而且還要識(shí)別遠(yuǎn)程控制指令并按相應(yīng)的指令對(duì)橋檢小車進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的動(dòng)作，包括PLC系統(tǒng)及各種電控元件;工業(yè)遙控系統(tǒng)是用無(wú)線遙控手操器對(duì)橋檢小車進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制，可近距離對(duì)橋檢小車進(jìn)行遙控;供電系統(tǒng)是接受駐車充電站能源，對(duì)自身能源進(jìn)行補(bǔ)充的裝置?；静僮魇菢驒z小車的一些基本動(dòng)作，如前進(jìn)、后退、上升、下降、開始檢測(cè)、停止等。反饋信息是通過(guò)傳感器將橋檢小車的工作狀態(tài)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，使橋檢小車的工作處在受控的狀態(tài)下。

3.2 檢查分析系統(tǒng)

這一部分又分為視覺檢查和病害分析兩個(gè)子系統(tǒng)，其中視覺檢查系統(tǒng)利用高清相機(jī)對(duì)橋梁進(jìn)行拍照，并將照片保存到存貯器中等待進(jìn)一步處理。所拍照片不僅要清晰(能識(shí)別0.2 mm的橋梁裂紋)，而且還要附帶所拍照片的位置信息，以便于記錄、復(fù)檢及維護(hù)。病害分析系統(tǒng)是一個(gè)軟件系統(tǒng)，主要功能是分析存貯器或監(jiān)控中心的橋梁照片，識(shí)別并挑選出有病害的照片。

3.3 遠(yuǎn)程控制及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

這一部分又分為遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)傳輸、充電管理等子系統(tǒng)。遠(yuǎn)程控制子系統(tǒng)利用無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)橋檢小車發(fā)出控制指令并接收橋檢小車運(yùn)行狀態(tài)信息的反饋，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)橋檢小車的安全控制;數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)將橋檢小車采集的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線3G或4G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，以便對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

4 客運(yùn)專線橋梁檢測(cè)小車結(jié)構(gòu)組成

橋檢小車的結(jié)構(gòu)主要由機(jī)架、運(yùn)行機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、俯仰機(jī)構(gòu)、電源、圖像采集裝置和安全防護(hù)裝置等組成。

1)機(jī)架。是各個(gè)系統(tǒng)、機(jī)構(gòu)安裝的載體。

2)運(yùn)行機(jī)構(gòu)(圖3)。主要由車輪軸、軸承座、同步帶、同步帶輪、聯(lián)軸器、電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)、主動(dòng)車輪、編碼器、車輪軸、被動(dòng)車輪等組成。電動(dòng)機(jī)通電工作，通過(guò)減速機(jī)、聯(lián)軸器、車輪軸將動(dòng)力傳遞到同步帶輪及主動(dòng)車輪上，使主動(dòng)車輪作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，再通過(guò)同步帶將動(dòng)力傳遞到其它車輪，這樣使4個(gè)車輪都能產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力。該機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn):①使小車在通過(guò)橋梁欄桿接頭間隙處時(shí)能平穩(wěn)運(yùn)行;②同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使4個(gè)車輪都成為主動(dòng)車輪，不僅提高了運(yùn)行性能也使4個(gè)車輪保持同步轉(zhuǎn)動(dòng)，避免因打滑、空轉(zhuǎn)等對(duì)車輪產(chǎn)生不必要的磨損，延長(zhǎng)了使用壽命，而且使位置信息數(shù)據(jù)的采集更加精準(zhǔn)。

圖3 運(yùn)行機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3)升降機(jī)構(gòu)(圖4)。主要由減速電機(jī)、聯(lián)軸器、固定支承、固定導(dǎo)筒、絲杠、螺帽、滑塊、絲杠、浮動(dòng)支承、固定滑塊、升降臂等組成。減速電機(jī)通電工作，帶動(dòng)聯(lián)軸器、絲杠旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)螺帽帶動(dòng)升降臂、滑塊等在固定導(dǎo)筒內(nèi)的固定滑塊上滑動(dòng)，完成上升、下降運(yùn)動(dòng)。固定支承與固定導(dǎo)筒聯(lián)接固定，浮動(dòng)支承安裝在絲杠下端在升降臂內(nèi)滑動(dòng)，安裝在升降臂上端的滑塊在固定導(dǎo)筒內(nèi)滑動(dòng)。這樣既實(shí)現(xiàn)了上升與下降都能產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，又使升降機(jī)構(gòu)具有一定的剛性，能承受一定的側(cè)向力。

圖4 升降機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

4)俯仰機(jī)構(gòu)。俯仰機(jī)構(gòu)功能是驅(qū)動(dòng)圖象采集系統(tǒng)在垂直方向擺動(dòng)，以適應(yīng)不同拍照方向的要求，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁全方位的檢查。

5)電源。橋檢小車的電源采用直流蓄電池供電，在橋梁的不同檢測(cè)區(qū)段設(shè)置駐車充電站，利用AC220 V電源、風(fēng)力發(fā)電或太陽(yáng)能發(fā)電。當(dāng)橋檢小車運(yùn)行電量不足時(shí)可到駐車充電站進(jìn)行充電。

6)圖像采集裝置。圖象采集系統(tǒng)功能是將采集的橋梁照片保存到橋檢小車工控機(jī)存貯載體上。

7)安全防護(hù)裝置。這是對(duì)橋檢小車運(yùn)行起保護(hù)作用的裝置，如錨定、防撞、安全監(jiān)控裝置等。

圖5 分區(qū)面檢測(cè)示意

5 客運(yùn)專線橋梁檢測(cè)小車檢測(cè)基本原理及檢測(cè)過(guò)程

橋檢小車的檢測(cè)基本原理就是以拍照來(lái)代替人工目測(cè)的檢查，應(yīng)用以高清工業(yè)相機(jī)為核心的圖相采集裝置，對(duì)橋梁表面進(jìn)行連續(xù)拍照。為確保照片與所檢測(cè)橋梁的具體位置相對(duì)應(yīng)，每張照片都與拍照的時(shí)間、拍照點(diǎn)的GPS及橋檢小車運(yùn)行的位置信息綁定。拍照的時(shí)間間隔由專門的觸發(fā)模塊進(jìn)行控制，運(yùn)行一定距離進(jìn)行觸發(fā)拍照，實(shí)現(xiàn)一邊運(yùn)行一邊通過(guò)視覺檢查系統(tǒng)對(duì)橋梁底部或側(cè)面進(jìn)行檢查。這些照片先保存在工控機(jī)中，然后通過(guò)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將拍得的照片傳輸?shù)竭h(yuǎn)端的監(jiān)控中心，在監(jiān)控中心用病害識(shí)別軟件對(duì)檢查現(xiàn)場(chǎng)傳來(lái)的大量圖像進(jìn)行自動(dòng)分析、處理，篩選出疑似病害的照片再由技術(shù)人員檢查、分析、比較并判斷出疑似病害的照片處是否真的為裂縫、龜裂、掉塊等病害，最后根據(jù)照片的位置信息人工現(xiàn)場(chǎng)逐點(diǎn)排查、確認(rèn)并維護(hù)。在多次檢測(cè)擁有數(shù)據(jù)基礎(chǔ)后，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁病害點(diǎn)的歷史、演變情況及惡化程度進(jìn)行動(dòng)態(tài)比較、分析與跟蹤。

檢測(cè)時(shí)根據(jù)客運(yùn)專線整體箱梁的外形特點(diǎn)將其單側(cè)分成三個(gè)區(qū)面，即外沿面、側(cè)面及底面。橋檢小車通過(guò)升降機(jī)構(gòu)的升降及俯仰機(jī)構(gòu)的擺動(dòng)來(lái)對(duì)不同區(qū)面予以檢測(cè)，對(duì)每一區(qū)面的檢測(cè)點(diǎn)都能自動(dòng)定位(圖5)，每運(yùn)行一次就能完成所經(jīng)線路一個(gè)區(qū)面的檢測(cè)，所以橋檢小車只要運(yùn)行3次就能完成橋梁的單面檢測(cè)，整個(gè)橋梁的檢測(cè)要運(yùn)行6次。為防止漏檢，照片要有一定的重合度。拍照時(shí)間由時(shí)控觸發(fā)模塊控制，所以可通過(guò)調(diào)整觸發(fā)模塊觸發(fā)間隔時(shí)間加以控制。若設(shè)定最大拍照距離為1.2 m，根據(jù)橋檢小車的運(yùn)行參數(shù)可以計(jì)算出所需觸發(fā)間隔時(shí)間t=s/v=0.864 s。其中，s為最大拍照距離，v為橋檢車運(yùn)行速度。這樣把觸發(fā)間隔時(shí)間設(shè)定為0.8 s即可。整個(gè)橋梁全面檢測(cè)速度為運(yùn)行速度的1/6，約為830 m/h，比現(xiàn)有設(shè)備的檢測(cè)速度高出幾倍。

橋檢小車還有如人工遠(yuǎn)程控制、確定目標(biāo)點(diǎn)檢測(cè)、單點(diǎn)復(fù)測(cè)、不同方向及視角檢測(cè)、人工觸發(fā)等功能，本文不詳細(xì)介紹。

6 客運(yùn)專線橋梁檢測(cè)小車優(yōu)缺點(diǎn)及使用注意事項(xiàng)

與現(xiàn)有檢測(cè)設(shè)備相比較，橋檢小車優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在:①有多種操作方式，能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制、手操線控、無(wú)線遙控、局域網(wǎng)控制及遠(yuǎn)程無(wú)線控制等。②檢查作業(yè)不受列車是否通行及白天、黑夜的限制。③具有遠(yuǎn)程控制與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸功能，信息傳遞速度快并可斷點(diǎn)續(xù)傳，能真正實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)無(wú)人化，克服了橋上、橋下需要分別配置人員并分組協(xié)同作業(yè)的情況，降低人工成本和安全隱患，隨著4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋面的增加，傳輸速度還會(huì)有大幅提升。④檢測(cè)速度快，與現(xiàn)有檢測(cè)設(shè)備相比工作效率提高近10倍。⑤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、自重輕、工作效率高、造價(jià)低、節(jié)能、環(huán)保。

橋檢小車目前尚有待完善之處，在使用時(shí)要予以注意:①受蓄電池容量的制約，單次續(xù)航能力有限，目前穩(wěn)定檢測(cè)行程約為8 km，還有很大提升空間，對(duì)于長(zhǎng)大橋梁線路需設(shè)置駐車充電站。②受客運(yùn)專線的欄桿形式制約，目前僅適用于欄桿上平面平坦，可以作為運(yùn)行軌道的客運(yùn)專線。③大風(fēng)、雨雪天氣會(huì)影響檢測(cè)效果。設(shè)計(jì)工作風(fēng)速是5級(jí)，建議在4級(jí)風(fēng)以下工作。④在移動(dòng)信號(hào)不好和3G、4G網(wǎng)絡(luò)沒有覆蓋的偏遠(yuǎn)地區(qū)，橋檢小車會(huì)有遠(yuǎn)程控制指令失靈、響應(yīng)遲緩及數(shù)據(jù)傳輸緩慢、不連續(xù)的現(xiàn)象。在這種狀態(tài)下，橋檢小車仍在繼續(xù)正常工作，檢測(cè)數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失，待運(yùn)行到有移動(dòng)信號(hào)和網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域會(huì)自動(dòng)恢復(fù)正常工作指令，數(shù)據(jù)傳輸有斷點(diǎn)續(xù)傳功能。

7 結(jié)語(yǔ)

橋檢小車白天和夜晚均可正常進(jìn)行檢測(cè)作業(yè)，克服了現(xiàn)有橋梁檢查設(shè)備的缺點(diǎn)，是一種現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人操作、能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作監(jiān)控的橋梁檢測(cè)設(shè)備。其安裝在客運(yùn)專線欄桿外側(cè)，以客運(yùn)專線欄桿作為運(yùn)行軌道，使客運(yùn)專線橋梁檢測(cè)工作變得更簡(jiǎn)單、方便、高效、快捷。在遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)傳輸方面通過(guò)CDMA、GPRS、3G和4G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用既汲取了CDMA、GPRS網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性又充分利用了3G和4G網(wǎng)絡(luò)高速傳輸速度，同時(shí)也避免了因不同地域網(wǎng)絡(luò)分布、覆蓋不均而限制檢測(cè)小車的運(yùn)行范圍，使橋檢小車的使用范圍達(dá)到最大化。所以該設(shè)備有極大的推廣價(jià)值?，F(xiàn)在大部分客運(yùn)專線的欄桿還不適合作為運(yùn)行軌道，對(duì)于新建橋梁若按要求設(shè)計(jì)欄桿，就能正常使用橋檢小車。對(duì)于已建成的客運(yùn)專線，需對(duì)現(xiàn)有欄桿進(jìn)行改造。

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(責(zé)任審編李付軍)

U446.2

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.02.07

1003-1995(2015)02-0025-04

2014-07-08;

2014-09-13

周永剛(1970—)，男，黑龍江樺南人，高級(jí)工程師。