楊 陽,王孔明,錢科元,吳柯江

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司科學(xué)技術(shù)研究院,成都 610031)

引言

懸掛式單軌交通系統(tǒng)(也稱為“空軌”)在我國是一種全新的中低運(yùn)量軌道交通系統(tǒng)。該系統(tǒng)將地面交通移至空中，車輛懸吊在軌道梁下方，充分利用了城市空間，節(jié)約了寶貴的地面交通資源，緩堵效果明顯[1-3]。目前，昆明、樂山、成都等約20個(gè)城市和景區(qū)，已開展該系統(tǒng)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)，懸掛式單軌在我國具有廣闊的應(yīng)用空間。

該系統(tǒng)軌道梁兼做走行軌，軌道梁布置高價(jià)值設(shè)備設(shè)施，軌道梁及其附屬設(shè)施(以下簡稱軌道梁)需定期檢測維修，確保健康安全狀態(tài)[4-5]。軌道梁架空建設(shè)，距離地面高度一般約11 m，內(nèi)部空間狹窄，不便于人工檢修[7]。此外，懸掛式單軌本身體量較小，不能沿用地鐵綜合維修模式，應(yīng)建立適用于懸掛式單軌的低成本、快捷高效的綜合維修體系[8]。調(diào)研發(fā)現(xiàn)國內(nèi)外還未有低成本、快捷、高效的軌道梁綜合維修體系，處于行業(yè)空白。本研究將針對懸掛式單軌交通系統(tǒng)軌道梁及其附屬設(shè)施綜合維修體系、技術(shù)方案展開研究，以期為懸掛式單軌工程應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 懸掛式單軌交通系統(tǒng)特點(diǎn)

懸掛式單軌系統(tǒng)與地鐵系統(tǒng)相比在運(yùn)量、建設(shè)規(guī)模、造價(jià)等方面都有較大的區(qū)別，應(yīng)該根據(jù)其特點(diǎn)研究其綜合維修模式[9-11]。懸掛式單軌系統(tǒng)主要特點(diǎn)如下。

(1)空軌的客流和運(yùn)量大幅低于地鐵：運(yùn)量一般不大于0.8萬人/h，遠(yuǎn)低于地鐵系統(tǒng)一般3～7萬人/h[12]。

(2)建設(shè)規(guī)模遠(yuǎn)小于地鐵：建成或在建的空軌一般單條線路不高于15 km，遠(yuǎn)低于國內(nèi)各城市地鐵。

(3)系統(tǒng)體量和造價(jià)遠(yuǎn)低于地鐵：空軌的體量較小，系統(tǒng)造價(jià)一般約1.4億元/km，遠(yuǎn)低于地鐵一般7億～9億元/km。

(4)空軌難以支撐同地鐵水平的運(yùn)營人數(shù)和專業(yè)素養(yǎng)：空軌作為低運(yùn)量系統(tǒng)，客流、建設(shè)規(guī)模、運(yùn)營收入等遠(yuǎn)低于地鐵，難以鍛煉和支撐同地鐵水平的綜合維修保養(yǎng)隊(duì)伍和培養(yǎng)較高專業(yè)素養(yǎng)。

(5)空軌特殊結(jié)構(gòu)造成疏散救援效率比地鐵低，對綜合維修提出更高要求：空軌車輛懸于軌道梁下方，緊急和故障情況下乘客疏散和應(yīng)急救援極為不便，對空軌的綜合維修提出更高的要求。

(6)空軌的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)造成人工梁內(nèi)巡檢極為不便：軌道梁空間極小，一般軌道梁內(nèi)凈空約780 mm×1250 mm，人員基本無法在內(nèi)部行走，不便于作業(yè)人員步行開展巡檢和維修作業(yè)。

(7)空軌的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)造成軌道梁外部及附屬設(shè)施人工巡檢較為不便：軌道梁的外底部、兩外側(cè)面、外頂面、強(qiáng)電線纜、弱電電纜、信號燈等附屬設(shè)備設(shè)施人工巡檢較為不便[13]。

因此，需結(jié)合空軌的系統(tǒng)特點(diǎn)研究建立適用于空軌的合理、經(jīng)濟(jì)、高效的綜合維修體系，不能照搬地鐵維修模式。分析可知，懸掛式單軌軌道梁綜合維修體系應(yīng)滿足以下兩點(diǎn)：線上檢測、巡檢作業(yè)應(yīng)盡量提高自動(dòng)化效率；維修作業(yè)應(yīng)互換修、簡化配置、降低投資。

2 軌道梁綜合維修對象

軌道梁綜合維修即對軌道梁及其附屬設(shè)施的綜合檢測維修。檢測維修對象主要包括軌道梁及橋墩本身，以及安裝于軌道梁上的道岔、供電以及通信信號線纜設(shè)備等。

2.1 軌道梁

懸掛式單軌交通軌道梁，因車輛轉(zhuǎn)向架裝置在梁的內(nèi)部，車體懸掛其下，故斷面形狀為下部開口的箱型梁，如圖1所示[14]。直線梁采用30 m簡支軌道梁作為常用跨度，梁內(nèi)腔尺寸為780 mm×1250 mm；曲線梁區(qū)間采用25 m簡支軌道梁作為常用跨度，梁內(nèi)腔尺寸為780 mm×1200 mm。

圖1 懸掛式單軌軌道梁(單位：mm)

2.2 道岔

懸掛式單軌道岔主要有移動(dòng)式道岔梁、梯子形轍叉道岔、倒T形轍叉道岔等形式。倒T形轍叉道岔修正軌配合可動(dòng)軌底板，為走行輪提供了連續(xù)的走行面，列車通過道岔時(shí)更為平穩(wěn)，國內(nèi)懸掛式單軌采用倒T形轍叉道岔方案[15]。道岔系統(tǒng)主要由道岔梁、修正軌、動(dòng)力系統(tǒng)、可動(dòng)軌、可動(dòng)軌導(dǎo)向板、控制系統(tǒng)、鎖閉機(jī)構(gòu)等組成，如圖2所示。

圖2 懸掛式單軌道岔

2.3 橋墩

橋墩采用矩形截面鋼結(jié)構(gòu)立柱，一般情況下，單線采用倒“L”形橋墩，雙線及連續(xù)梁采用“T”形橋墩，道岔梁采用門形框架橋墩，如圖3所示。

圖3 懸掛式單軌橋墩

2.4 供電、通信、信號線纜設(shè)備

懸掛式單軌軌道梁沿線主要布置供電、通信、信號線纜設(shè)備，布置方案如圖4所示。牽引供電電纜和信號、通信電纜設(shè)在軌道梁外頂部；計(jì)軸器感應(yīng)板設(shè)在軌道梁內(nèi)頂部；通信漏纜設(shè)在軌道梁外側(cè)壁；信標(biāo)設(shè)在加勁肋底部；接觸軌設(shè)在軌道梁內(nèi)部[16-17]。

圖4 線纜設(shè)備設(shè)置示意

3 軌道梁綜合維修內(nèi)容及關(guān)鍵設(shè)備

3.1 軌道梁綜合維修內(nèi)容及方案

對軌道梁、橋墩、道岔、軌旁線纜與設(shè)備主要組成及可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行系統(tǒng)性分析，確定軌道梁綜合維修的主要內(nèi)容[18]。軌道梁綜合維修主要是針對軌道梁、道岔、軌旁線纜與設(shè)備的潛在問題工作及健康狀態(tài)進(jìn)行檢測、必要時(shí)進(jìn)行維修。根據(jù)維修內(nèi)容、目前技術(shù)現(xiàn)狀以及設(shè)備狀態(tài)等檢測主要分為兩種形式，即：設(shè)備自動(dòng)檢測、人工檢測。不同維修對象、檢測內(nèi)容以及對應(yīng)的檢測方式列于表1。

以往的檢測維修設(shè)備一般僅針對某一問題，例如梁內(nèi)壁銹蝕、限界檢測分別為兩套設(shè)備，存在資源浪費(fèi)，檢測效率低等問題。自動(dòng)化綜合檢修設(shè)備應(yīng)能夠最大限度地將檢測功能集成在一條檢測設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測，提高綜合檢測效率降低人工成本。此外自動(dòng)化綜合檢修設(shè)備還應(yīng)為工作人員提供檢修平臺(tái)，并且作為相關(guān)人工維修檢測裝備的運(yùn)輸平臺(tái)。結(jié)合懸掛式單軌特點(diǎn)及巡檢維修內(nèi)容，研究提出軌道梁內(nèi)部、外部各設(shè)置1個(gè)綜合檢測維修平臺(tái)，完成以下軌道梁綜合檢測維修內(nèi)容。

(1)內(nèi)部智能巡檢車——人工檢查檢修極為不便，突出“無人化、自動(dòng)化、智能化”的低成本、快捷、高效目標(biāo)；另外巡檢車還應(yīng)載人進(jìn)行人工核實(shí)和維修。

(2)外部綜合檢修車——在便于人工檢查維修作業(yè)基礎(chǔ)上，針對易于自動(dòng)化檢測的內(nèi)容，突出“自動(dòng)化”，以提高效率。

內(nèi)部智能巡檢車及外部綜合維修車自動(dòng)化檢測或輔助人工完成的檢測內(nèi)容見表1。

表1 軌道梁綜合維修內(nèi)容及方式

由于軌道梁內(nèi)部與外部的巡檢周期不同，若將內(nèi)部與外部的巡檢設(shè)備整合成一個(gè)平臺(tái)，在進(jìn)行內(nèi)部巡檢時(shí)需要帶著較大的外部巡檢車，將會(huì)造成資源浪費(fèi)，使用不便。此外，內(nèi)部巡檢車在軌道梁內(nèi)部行走，需要具有載人及相應(yīng)維修工具運(yùn)行，由于軌道梁內(nèi)部空間有限，沒有足夠的空間整合成一個(gè)設(shè)備。因此，從節(jié)約資源及方便使用的角度出發(fā)，內(nèi)部、外部各設(shè)置1個(gè)綜合檢測維修平臺(tái)。

3.2 軌道梁綜合維修關(guān)鍵設(shè)備

軌道梁內(nèi)部采用無人化、自動(dòng)化的智能巡檢，軌道梁外部采用綜合檢修車，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部、外部各一個(gè)平臺(tái)上，同時(shí)對工務(wù)、供電、通號3個(gè)傳統(tǒng)的地鐵主要車間檢測業(yè)務(wù)的全覆蓋，大幅提高檢測效率，平臺(tái)整合，通過對比分析綜合檢測效率提高30%。

3.2.1 內(nèi)部智能巡檢車

內(nèi)部智能巡檢車在圖1所示的軌道梁內(nèi)部行駛，通過車輛基地內(nèi)的檢修平臺(tái)進(jìn)入軌道梁內(nèi)部，使用機(jī)器圖像視覺技術(shù)對軌道梁內(nèi)部缺陷進(jìn)行識別。識別方案為通過調(diào)整安裝在巡檢車尾部的CCD工業(yè)相機(jī)及光源組件，對待檢測面進(jìn)行拍照。對獲得的圖片進(jìn)行圖像增強(qiáng)、濾波處理、二值化、圖像裁剪及圖像分割等預(yù)處理操作，再利用基于均值與方差粗檢和基于積分圖的Bayes似然細(xì)檢方法對圖像缺陷進(jìn)行識別，根據(jù)圖片上標(biāo)注的位置信息確定軌道梁缺陷位置[19-21]。

軌道梁內(nèi)部智能巡檢車需滿足自動(dòng)化、無人化、智能化的高效巡檢的要求，如圖5所示，其功能及總體要求如下。

圖5 內(nèi)部智能巡檢車

(1)自動(dòng)化檢測功能

具備裂紋檢測、銹跡檢測、內(nèi)部限界、接觸軌等自動(dòng)檢測與分析功能。

(2)搭載人員進(jìn)行人工維修功能

能搭乘1名巡檢人員及相應(yīng)的檢修工具。

(3)運(yùn)行模式

人工駕駛模式、自動(dòng)控制模式、遙控模式，3種控制方式無障礙切換。

(4)其他功能

巡檢車應(yīng)當(dāng)具備基礎(chǔ)功能，應(yīng)自帶動(dòng)力、照明已經(jīng)配置獨(dú)立電源系統(tǒng)。在軌道內(nèi)出現(xiàn)故障時(shí)，應(yīng)有自救能力。發(fā)生災(zāi)害時(shí)，需配置有緊急逃生口保障人員安全。配置人員狀況及設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控，保存時(shí)間，配置車載電臺(tái)，用于語音通訊。配置安全系統(tǒng)保障人員安全以及設(shè)備安全。

軌道梁內(nèi)部智能巡檢車外形尺寸應(yīng)根據(jù)軌道梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)，根據(jù)實(shí)際工程確定巡檢車主要技術(shù)指標(biāo)，列于表2。

表2 內(nèi)部智能巡檢車主要指標(biāo)

3.2.2 外部綜合檢修車

軌道梁外部綜合檢修車如圖6所示，其主要包括車體、智能檢測單元、驅(qū)動(dòng)單元、行車控制單元、安全保護(hù)單元。轉(zhuǎn)向架位于軌道梁內(nèi)部行駛，通過多功能升降平臺(tái)送工作人員到達(dá)工作平面，使用輪廓儀，CCD工業(yè)相機(jī)實(shí)現(xiàn)軌道梁的自動(dòng)化檢測。其應(yīng)能實(shí)現(xiàn)針對軌道梁、道岔、橋墩、供電、通信、信號設(shè)備設(shè)施的檢測維修。檢查車應(yīng)具備以下功能。

圖6 外部綜合檢修車

(1)運(yùn)輸功能

應(yīng)能搭乘外部檢修人員、檢測檢查設(shè)備、維修工具及所需材料，滿足檢查及維修保養(yǎng)的功能需求。

(2)自動(dòng)化檢測功能

應(yīng)能實(shí)現(xiàn)箱型梁外側(cè)四角主焊縫裂紋、外表面銹跡自動(dòng)檢測以及侵限自動(dòng)檢測情況的自動(dòng)檢查。

(3)輔助人工檢查及維護(hù)功能

信標(biāo)及通信漏纜的檢查及維修更換；軌道梁連接處密封狀態(tài)的檢查及維護(hù)；軌道梁頂部線纜狀態(tài)的檢查及維護(hù)；道岔外部結(jié)構(gòu)的目視檢查；接縫處過渡齒板外側(cè)狀態(tài)；對軌道梁側(cè)部和頂部外表面的檢查，人員登軌道梁頂?shù)囊蟮取?/p>

(4)其他功能

軌道梁外部檢查維修車應(yīng)自帶動(dòng)力，使用蓄電池供電，自帶照明系統(tǒng)。軌道梁外部檢查維修車應(yīng)配置獨(dú)立電源系統(tǒng)，支持對軌道梁的簡單維護(hù)、維修使用；軌道梁外部檢查維修車應(yīng)配置有車載電臺(tái)，用于語音通訊。設(shè)備運(yùn)行采用人工駕駛模式。

軌道梁外綜合作業(yè)車外形尺寸應(yīng)根據(jù)線路限界參數(shù)設(shè)計(jì)，根據(jù)實(shí)際工程確定巡檢車主要技術(shù)指標(biāo)，列于表3。

表3 外綜合作業(yè)車主要指標(biāo)

4 軌道梁綜合維修體系工程應(yīng)用

本研究相關(guān)成果在大邑空鐵試驗(yàn)線項(xiàng)目得到了推廣應(yīng)用。該項(xiàng)目線路全長約11 km，線路最高運(yùn)營速度60 km/h；共設(shè)置4座車站，最小站間距3.3 km，最大站間距3.8 km；設(shè)置1座控制中心，1座車輛基地，控制中心位于車輛基地內(nèi)。

軌道梁綜合維修中心組織架構(gòu)如圖7所示。綜合維修中心設(shè)于車輛基地內(nèi)，由綜合室、綜合維修車間和工程車隊(duì)等組成。由于懸掛式單軌系統(tǒng)本身體量較小，軌道梁綜合維修中心不再分專業(yè)設(shè)置獨(dú)立的綜合檢修車間，全線的綜合維修由一個(gè)綜合維修班組承擔(dān)。

圖7 軌道梁綜合維修中心組織架構(gòu)

各部門職能如下。

(1)綜合室

綜合室負(fù)責(zé)生產(chǎn)計(jì)劃、組織管理工作；生產(chǎn)安全管理工作；設(shè)備計(jì)劃、固定資產(chǎn)管理工作；材料計(jì)劃、管理、倉儲(chǔ)工作；技術(shù)管理工作。

(2)綜合維修車間

負(fù)責(zé)全線軌道梁、橋墩、道岔、軌旁線纜與設(shè)備的檢測維修。

(3)工程車隊(duì)

工程車隊(duì)負(fù)責(zé)各種檢修設(shè)備的停放和維護(hù)保養(yǎng)工作，工程車隊(duì)配置工程車司機(jī)及檢維修人員。

大邑空軌綜合維修中心設(shè)計(jì)定員列于表4。

表4 綜合維修中心定員

將懸掛式單軌軌道梁綜合維修中心與地鐵綜合維修中心定員進(jìn)行比較。某地鐵線路總長約36 km，其中一期總長28.886 km，設(shè)24座 地下車站，平均站間距1.24 m。綜合維修中心定員列于表5，懸掛式單軌綜合維修單公里定員指標(biāo)相對于地鐵綜合維修中心定員降低約70%。雖然地鐵系統(tǒng)比懸掛式單軌系統(tǒng)復(fù)雜，但是依舊有一定的可比性。研究顯示使用軌道梁內(nèi)部智能巡檢車和外部綜合作業(yè)車后，懸掛式單軌軌道梁綜合維修中心定員相對于地鐵系統(tǒng)大幅降低。

表5 地鐵綜合維修中心定員

5 結(jié)論

結(jié)合國內(nèi)懸掛式單軌交通系統(tǒng)的特點(diǎn)及綜合維修需求，研究建立低成本、智能化、快速檢測及維修的空軌綜合維修有機(jī)體系，提出了采用軌道梁內(nèi)部和外部智能巡檢維修車的空軌軌道梁自動(dòng)化綜合維修技術(shù)方案，可實(shí)現(xiàn)對軌道梁及沿線設(shè)備的智能巡檢及維修作業(yè)。通過多專業(yè)人員及設(shè)備整合，懸掛式單軌軌道梁綜合維修有機(jī)體系相對于地鐵提高效率約30%、降低定員約70%，有效指導(dǎo)了工程設(shè)計(jì)，節(jié)省維修成本和提高效率。本研究相關(guān)成果在大邑空鐵試驗(yàn)線項(xiàng)目、陜西韓城懸掛式單軌、石林空鐵旅游觀光線等國內(nèi)多個(gè)項(xiàng)目等的推廣應(yīng)用，效益顯著。