高速鐵路施工裝備智能化研究

摘 要：高速鐵路施工裝備的智能化升級，不僅可以降低人工勞動強度，提高作業(yè)效率，還可以提高設(shè)備施工的安全性與穩(wěn)定性，增強施工設(shè)備的自動化程度，對高速鐵路的快速發(fā)展，具有重要的意義。本文從高速鐵路施工裝備的單機智能化和機群智能化管理兩方面入手，對高速鐵路施工裝備的智能化應(yīng)用進行研究。在單機智能化研究中，以步履式架橋機為例，從傳感分析技術(shù)和遙控操縱技術(shù)兩方面對高速鐵路施工裝備的智能化進行應(yīng)用分析；在機群智能化管理方面，對其原理及方式進行了探討，為施工裝備智能化的發(fā)展提供了手段與方向。

關(guān)鍵詞：高速鐵路；施工設(shè)備；智能化；機群

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.12.078

隨著我國高鐵技術(shù)和橋梁建設(shè)技術(shù)的不斷發(fā)展，高速鐵路建設(shè)力度的不斷加強和“一帶一路”國家級頂層戰(zhàn)略的不斷推進，我國高速鐵路的施工建設(shè)步入高速發(fā)展的快車道。高速鐵路的施工建設(shè)，離不開與其配套的相關(guān)施工設(shè)備，如搬運機、提梁機、架橋機和運梁車等設(shè)備。隨著高速鐵路朝著大跨度、大噸位、高速化以及環(huán)境復(fù)雜多變的方向發(fā)展，高速鐵路施工裝備也迎來了巨大的市場需求。同時，也對施工裝備提出了更高的要求。以前自動化程度不足、依靠人工上機操作等僅實現(xiàn)其功能的施工裝備已無法滿足現(xiàn)代高速鐵路建設(shè)的需求。因此，如何保障高速鐵路施工裝備的安全性與可靠性，減少人工勞動強度，提高施工設(shè)備的智能化程度已成為相應(yīng)設(shè)計制造企業(yè)贏得市場的關(guān)鍵。

進入21世紀(jì)以來，機器視覺技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息控制技術(shù)等新興技術(shù)日益活躍，并開始廣泛應(yīng)用于鋼鐵、電子芯片、航天、鐵路等各行各業(yè)，其以極快的速度展現(xiàn)出巨大的市場潛力。2015年5月，我國正式印發(fā)《中國制造2025》，從國家層次推進我國制造業(yè)的智能化升級，尤其對我國機械制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級有著重要的意義。高速鐵路施工裝備作為我國機械制造業(yè)中的重要一員，其直接影響到我國高速鐵路的建設(shè)進程。因此，將智能化技術(shù)應(yīng)用到高速鐵路施工裝備，一方面能提高施工設(shè)備的可操作性、平穩(wěn)性和可靠性；另一方面可減輕人工體力勞動，降低施工過程中的人員干預(yù)，保障人員的生命財產(chǎn)安全。

高速鐵路施工裝備的智能化，就是將智能化技術(shù)應(yīng)用到施工裝備中去，將信息技術(shù)、計算機技術(shù)、控制技術(shù)、傳感技術(shù)、視覺監(jiān)測技術(shù)等新興技術(shù)融入到施工裝備設(shè)計、生產(chǎn)、使用和管理中，對高速鐵路施工裝備進行智能化升級，從而使裝備在施工過程中較少甚至不需要人員參與，通過其各種復(fù)雜的傳感設(shè)備來獲取各工況狀態(tài)數(shù)據(jù)，以達到自我感知、自主決策和自動控制的智能化功能[1]。

目前，我國對于施工裝備的智能化升級已有嘗試，但其智能化水平較低，基本側(cè)重于安全監(jiān)控上面[2，3]。本文將從高速鐵路施工裝備的單機智能化和機群的智能化管理兩方面入手，對高速鐵路施工裝備的智能化技術(shù)進行研究，為高速鐵路施工裝備的智能化發(fā)展提供方向和手段。

1 高速鐵路施工裝備單機智能化研究

預(yù)制混凝土梁，具有制造質(zhì)量可控、綜合成本較低、便于集中管理和不受橋下工程影響等優(yōu)點，已成為橋梁建設(shè)的首選施工方法[4]。國內(nèi)外高速鐵路建設(shè)的經(jīng)驗表明：采用“梁場集中預(yù)制，架橋機架設(shè)”施工工藝進行橋梁施工，對加快高速鐵路建設(shè)有著重要的意義。架橋機作為高速鐵路梁片架設(shè)的核心裝備之一，對其進行智能化研究，具有廣泛的代表性。

步履式架橋機由于其適應(yīng)性強、過孔簡便、承載大等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于大跨度、大噸位橋梁梁片的架設(shè)。步履式架橋機一般由前輔助支腿、前支腿、機臂、中支腿、起重小車、后支腿、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

步履式架橋機作業(yè)方式主要為：運梁車運梁至架橋機尾部喂梁，前起重小車取梁后與運梁車馱梁臺車同步移梁到位后，后起重小車取梁，兩臺起重小車同步吊梁前行，到位后再對位落梁。架橋機通過后支腿驅(qū)動、前支腿支撐完成架橋機的過孔，通過前輔助支腿和前支腿縱向位置的變化實現(xiàn)架橋機的變跨調(diào)整。

通過以上分析，本節(jié)以步履式架橋機為例，從傳感分析技術(shù)和遙控操縱技術(shù)兩方面對高速鐵路施工裝備的智能化進行研究。

1.1 傳感分析技術(shù)

為改變操作人員上機檢修、靠既有經(jīng)驗對架橋機進行狀態(tài)分析，保證架橋機的本質(zhì)安全，有必要充分利用傳感分析技術(shù)對架橋機的運行狀態(tài)進行信息化改造，以達到無需人工上機，實時獲取架橋機各工況狀態(tài)數(shù)據(jù)的目的。通過大量收集總結(jié)以前出現(xiàn)的各種問題及故障原因，建立系統(tǒng)故障知識庫。同時依據(jù)設(shè)計人員給出的故障可能原因，結(jié)合現(xiàn)場實際排查后得出的問題原因，對故障可能原因進行概率匹配，建立新的動態(tài)故障原因清單，從而形成專家?guī)?。?dāng)設(shè)備狀態(tài)參數(shù)異常時，故障自診斷系統(tǒng)對狀態(tài)參數(shù)進行收集，并對出現(xiàn)異常的原因進行整機分析，并結(jié)合系統(tǒng)故障知識庫進行故障匹配，找出原因并解決；若在知識庫中無匹配信息，則將可能引起參數(shù)異常的原因及定位信息逐條列出，同時發(fā)出預(yù)警警報，并將該信息反饋給專家?guī)?，通過專家?guī)斓母怕势ヅ?，得出新的可能故障原因列表，并將其反饋給現(xiàn)場管理人員按列表進行逐一排查，從而完成設(shè)備故障的診斷，防止系統(tǒng)嚴(yán)重損壞甚至安全事故發(fā)生。所有設(shè)備狀態(tài)信息均需記錄備案，異常狀態(tài)均需報警提示，同時各狀態(tài)參數(shù)均以不同形式顯示在人機交互界面上。

根據(jù)以往經(jīng)驗，步履式架橋機各支腿的載荷狀態(tài)很大程度上影響著架橋機的安全運行。如，中支腿最大載荷發(fā)生在后起重小車取梁工況時，前支腿最大載荷發(fā)生在落梁工況時，后支腿最大載荷發(fā)生在過孔工況時。因此，為保證架橋機在正常工況時的運行安全，可對各工序的關(guān)鍵點安裝載荷傳感器，實時監(jiān)測各工況下各支腿的工作狀態(tài)。同時，為實現(xiàn)整機各部位的精準(zhǔn)安全工作，可對整機的各個重要參數(shù)（如支腿垂直度、整機水平度、風(fēng)速等）進行監(jiān)測并實時反饋各參數(shù)變化狀態(tài)。

架橋機在工作過程中，各部件的運行協(xié)調(diào)也是非常重要的。為防止各部件運行干涉，發(fā)生部件碰撞釀成事故，對各部件的運行限位進行智能化升級也顯得十分必要。以往架橋機各部件運行定位往往依據(jù)人員在架橋機上或者橋面上對部件運行情況進行目測觀察指揮，如在落梁片時，需人工目測落梁位并指揮架橋機上操作工進行操作落梁。該方式具有很大的主觀性，同時操作運行緩慢，效率低下，人員目測需高度集中，稍有差池就會造成嚴(yán)重后果。因此，為提高架橋效率、減少人工干預(yù)，可對各重要運行部為安裝機器視覺檢測系統(tǒng)，如起重小車卷揚、走行部位，前支腿縱移走行、橫移部位，前輔助支腿縱移、插銷部位和后支腿插銷處、翻折部位等限位，以及梁片和前支腿，梁片和中支腿，運梁車和中支腿，前支腿和前輔助支腿，起重小車之間等距離控制部位。通過機器視覺檢測系統(tǒng)，實時獲取部件運行狀態(tài)，并將各實時狀態(tài)轉(zhuǎn)換為圖像信號，獲取兩部件的實時相對位置信息，利用圖像處理軟件系統(tǒng)處理并提取目標(biāo)特征，并將相對位置圖像及相對距離數(shù)值實時顯示在顯示屏上，若達到預(yù)定數(shù)值，則將該數(shù)據(jù)反饋給各部件運動執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)對各部件協(xié)調(diào)運作的實時控制。

通過以上分析，單機傳感分析技術(shù)在高速鐵路施工裝備智能化的應(yīng)用特點可總結(jié)為以下幾點：

（1）能實時監(jiān)測施工裝備運行各重要參數(shù)及主要部件的工作狀

態(tài)，并以不同形式記錄并顯示；

（2）能快速響應(yīng)報警。當(dāng)監(jiān)測到數(shù)據(jù)異常時，應(yīng)快速響應(yīng)報警，而不需要人員時刻盯著儀表顯示器進行判斷異常，減輕人工工作強度；

（3）具有故障自診斷功能。即自檢程序時刻保持后臺運行，當(dāng)發(fā)現(xiàn)整機功能情況，如警報、顯示、傳感器等功能異常時，能立刻分析定位，結(jié)合故障知識庫找出問題原因自行解決或者反饋給專家?guī)旌同F(xiàn)場管理人員協(xié)助解決，同時發(fā)出報警信號；

（4）具有較高的精度和靈敏度。能檢測各重要參數(shù)的異常微小變化，保證設(shè)備運行的安全性和可靠性。

1.2 遙控操縱技術(shù)

針對架橋機工作可能存在的危險工況，如各支腿升降時，架橋機整體過孔時，遙控操縱就顯得尤為重要了，一方面可遠距離操作，避免人員上機，降低人工勞動強度，消除安全隱患；另一方面可豐富操作人員操作視野，實時掌握設(shè)備運行狀況，避免誤操作，提高設(shè)備的可操作性和安全性。遠程遙控操縱技術(shù)使得高鐵施工裝備可以深入更危險、更復(fù)雜的環(huán)境中去，減輕人力勞動的同時還保證了施工作業(yè)的安全性。遙控操縱系統(tǒng)主要有無線通訊系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)和執(zhí)行機構(gòu)等組成，其通過監(jiān)控系統(tǒng)獲取操作狀態(tài)，利用無線通訊系統(tǒng)進行發(fā)射和接收遙控信號，并控制執(zhí)行機構(gòu)的執(zhí)行輸出，已達到遠程遙控操縱的目的。

步履式架橋機的一大特點就是利用插銷和油缸實現(xiàn)各支腿的升降調(diào)整，對于大載荷的工況，單靠油缸支撐無法滿足受力需求，因此利用“液壓油缸升降，插銷支撐受力”的模式，可有效解決各支腿受力問題。各支腿升降的調(diào)整可利用遙控操作技術(shù)，通過攝像裝置的實時監(jiān)控插銷狀態(tài)，利用傳感器到位監(jiān)測技術(shù)控制插銷位置，通過無線通訊系統(tǒng)和電液控制系統(tǒng)完成液壓油缸與插銷的協(xié)同運行，從而實現(xiàn)遙控架橋機支腿升降的調(diào)整。操作人員只需要通過監(jiān)控屏幕遠程遙控作業(yè)即可實現(xiàn)插拔銷作業(yè)，從而有效提高工作效率，減輕傳統(tǒng)人工插拔銷的工作強度及工作量。

遙控操縱技術(shù)不僅可以應(yīng)用在架橋機各支腿升降控制上，還可以應(yīng)用到架橋機過孔，梁片吊、落以及起重小車走形等工況控制上。遙控操縱技術(shù)的成功應(yīng)用離不開電液控制技術(shù)、信息通信技術(shù)以及視覺監(jiān)測技術(shù)等技術(shù)的發(fā)展，其是實現(xiàn)高速鐵路施工裝備的智能化發(fā)展的一種重要手段，是解放人工操作、降低勞動強度的重要渠道。

2 高速鐵路施工裝備機群的智能化管理

高速鐵路架橋施工項目中，往往需要數(shù)量較多的施工裝備參與其中，如提梁機、運梁車、架橋機、灰漿攪拌機和運輸車輛等，各種施工裝備運行情況具有一定的隨機性。因此，如何對各種施工設(shè)備進行智能化管理以實現(xiàn)資源配置的合理化、施工效率的最大化和工作質(zhì)量的最佳化，已成為實際施工項目中亟需解決的問題。

在高速鐵路施工裝備的單機智能化不斷發(fā)展的同時，以信息通訊、集中控制調(diào)度和綜合管理為手段的機群智能化管理技術(shù)也得到了發(fā)展[5]。所謂的機群智能化管理，就是將各種不同功能的施工裝備利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)組成一個大系統(tǒng)，進行多機協(xié)調(diào)工作以完成同一工程項目的統(tǒng)一綜合管理，其以實現(xiàn)資源優(yōu)化配置、生產(chǎn)進程同步管理為目的，進而提高施工綜合效益，保證工程質(zhì)量。

高速鐵路施工裝備機群的智能化管理體系包括3個組成部分：機群控制中心，機群通訊系統(tǒng)和單機智能控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。機群控制中心為機群智能化管理的“大腦”，其主要通過機群通訊系統(tǒng)對各設(shè)備傳輸來的數(shù)據(jù)進行匯總、分析和處理，以施工調(diào)度方案最優(yōu)化為目的，實現(xiàn)對各設(shè)備的統(tǒng)一決策管理，同時，將各設(shè)備實時監(jiān)控畫面以及狀態(tài)參數(shù)等信息顯示在控制臺上；機群通訊系統(tǒng)是以無線通訊為主，綜合機群信息流和通訊協(xié)議，實現(xiàn)機群控制中心和各單機智能控制系統(tǒng)的雙向數(shù)據(jù)交換及共享；單機智能控制系統(tǒng)主要利用各種傳感器獲取單機自身狀態(tài)、位置、性能等數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)進行分類處理后，實時傳送給機群控制中心，同時對這些數(shù)據(jù)進行存儲、顯示。

機群同一時間進行施工作業(yè)時，各單機裝備通過其智能控制系統(tǒng)，將其工作狀態(tài)、位置信息、性能參數(shù)、施工進度以及故障信息等利用無線通訊系統(tǒng)實時傳輸給機群控制中心，機群控制中心通過對各單機傳送來的數(shù)據(jù)進行匯總和分析處理，綜合施工任務(wù)和上級指令，得出最優(yōu)動態(tài)施工調(diào)度信息，并將該信息反饋給各施工裝備，以指揮各單機下一步的施工動作，同時對各單機數(shù)據(jù)進行匯總顯示、儲存。如此往復(fù)，完成機群各單機的高效聯(lián)合施工作業(yè)。

高速鐵路施工裝備機群的智能化管理綜合了工程管理、遠程監(jiān)控、現(xiàn)場規(guī)劃、智能控制、網(wǎng)絡(luò)通訊等一系列學(xué)科知識，對實現(xiàn)機群動態(tài)優(yōu)化調(diào)度，資源優(yōu)化配置，單機集中管理，降低施工成本，提高工程質(zhì)量有著重要的意義。

3 結(jié)束語

目前，我國高速鐵路施工裝備已開始進行智能化升級嘗試，但與國外相比，我國智能化起點較晚，且應(yīng)用范圍較窄。面對我國高鐵全套技術(shù)“走出去”戰(zhàn)略的不斷推進和國外日益增長的高鐵建設(shè)需求，我國若要在競爭中贏得市場，高鐵及其配套的施工裝備進行智能化升級已成為發(fā)展的必經(jīng)之路。本文從高速鐵路施工裝備的單機智能化和機群的智能化管理兩方面入手，對高速鐵路施工裝備的智能化技術(shù)進行了研究，為施工裝備智能化的發(fā)展提供了手段與方向。我國還應(yīng)充分結(jié)合先進技術(shù)，推進自主創(chuàng)新，將大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等新興技術(shù)應(yīng)用到高速鐵路施工裝備上來，為我國高速鐵路的快速發(fā)展提供堅實的基礎(chǔ)。

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作者簡介：呂琨（1980-），男，本科，高級工程師，系統(tǒng)分析師，從事機械智能化領(lǐng)域。