鐵路單軌道智能測距儀的研發(fā)與應(yīng)用

摘 要：鐵路線路鋼軌長度的測量數(shù)據(jù)對于工務(wù)、電務(wù)及車站等系統(tǒng)在鐵路運營生產(chǎn)實際中起著重要的作用。區(qū)段長度的劃分、補償電容（應(yīng)答器）等固定設(shè)備的位置分布、軌道參數(shù)的標調(diào)，直接影響軌道電路設(shè)備的安全與穩(wěn)定。施工單位在工程建設(shè)中需要確定軌道閉塞分區(qū)的長度、補償電容（應(yīng)答器）的安裝位置分布等內(nèi)容，設(shè)備開通后電務(wù)部門還需要對這些數(shù)據(jù)進行定期復(fù)核。這些工作以往都是采用傳統(tǒng)人工手持卷尺或手推測距輪的方式進行測量，需要多人配合，費時費力，且容易產(chǎn)生較大誤差。針對于此，研制鐵路單軌道智能測距儀（后文簡稱單軌測距儀）。重點描述單軌測距儀的設(shè)計原理、結(jié)構(gòu)組成、模塊功能及在高速鐵路的應(yīng)用情況等，結(jié)合高效率、高精度、智能化的特點，提出對提高目前鐵路線路精準化測量和校準效率的解決方案。

關(guān)鍵詞：鐵路工程；軌道線路；無線傳輸；自動走行；檢測工具；語音輔助；測量技術(shù)

中圖分類號：U283.5" " " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼：A" " " " " " " " " " " " " " " " " 文章編號：2096-6903（2024）10-0073-03

0 引言

為了確保軌道鐵路運行的平穩(wěn)性、安全性以及乘客的舒適性，在軌道鐵路工程實際施工之前，應(yīng)當(dāng)完成一系列測量工作。關(guān)于高速鐵路測量的相關(guān)規(guī)定中已經(jīng)對于工程測量精度有所提及，相關(guān)規(guī)定對于工程測量的規(guī)定為：“高速鐵路自身運行速度比較快，對于整體線路的平順性要求較傳統(tǒng)鐵路更高，所以要提高高速鐵路的工程測量精度水平”[1]。目前的測量方法還停留在傳統(tǒng)的人工手持卷尺測量及滾輪方式，需要多人配合且費時費力，且容易產(chǎn)生誤差[2]?；诖?，就軌道鐵路工程測量技術(shù)展開研究，并就測量精度要求、主要測量內(nèi)容以及具體測量方法展開論述，為軌道鐵路工程建設(shè)提供參考。

1 單軌測距儀需求分析

近年來，杭州電務(wù)段管內(nèi)營業(yè)線里程逐年增長，鐵路信號設(shè)備種類、數(shù)量也同步增加。在高鐵新線建設(shè)、站場改造及每年的信號設(shè)備秋季鑒定，施工及電務(wù)部門都有大量軌道長度的測量工作，需進行距離測量、軌旁設(shè)備位置打點、距離校核等檢測。維修作業(yè)“天窗點”時限相對縮短，且鐵路沿線橋梁、隧道多，人工測量還不能自動記錄，需要邊測量邊記錄，測量效率比較低，從而國家鐵路局對鐵路線路測量工作提出了更高的要求[3]。因此，杭州電務(wù)段組織鐵路信號方面的專家共同探索提高目前鐵路線路精準化測量和校準效率的方案。

測量模式的水平直接決定了測量工作的效率，影響了測量結(jié)果的精度，現(xiàn)在的鋼軌測量作業(yè)中，問題主要是體現(xiàn)在測量方式費時費力、測量精度有較大誤差、測量資料處理不當(dāng)?shù)确矫?。要想提高工程測量精度和效率，就必須優(yōu)化現(xiàn)有的測量模式，通過科學(xué)合理的手段，簡化測量環(huán)節(jié)，提高測量工作的規(guī)范性，提高測量質(zhì)量，保證測量作業(yè)順利進行，單軌測距儀研究與應(yīng)用可以很好地解決這一問題。

2 單軌測距儀系統(tǒng)設(shè)計

2.1 設(shè)計原則

鐵路工程的測量精度是工程中的重要內(nèi)容，良好的測量精度可以有效地保證鐵路設(shè)計、施工、運營等多個環(huán)節(jié)的工作[4]。通過對國內(nèi)外及路內(nèi)外現(xiàn)有測量技術(shù)、測量工具及測量方法的調(diào)研、比較、分析和論證，測量方式?jīng)Q定采用輪式結(jié)構(gòu)、帶測量輪和導(dǎo)向輪且能自動走行的單軌測距儀。

該測距儀采用高精度的編碼器和特制金屬套組成的滾輪，搭配彈性的壓力結(jié)構(gòu)使之運行時可以緊密貼合鋼軌，通過作業(yè)人員在軌道旁遙控控制，進行加速＼減速、定時定點、自動跟隨等操作，邊行駛邊自動計數(shù)，測量結(jié)果可以導(dǎo)出數(shù)據(jù)表格并能長期存儲，提高了測量準確性和工作效率，適用于各種鐵路線路測量要求。單軌測距儀采用便攜式模塊設(shè)計，結(jié)構(gòu)輕巧，作業(yè)人員攜帶非常方便，大大降低了工作疲勞強度。鋼軌上的單軌測距儀如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)架

單軌測距儀根據(jù)鋼軌軌道線路特點及測量方便性考慮，由控制層、檢測層、驅(qū)動層3部分組成[5]。單軌測距儀系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

2.2.1 控制層

單軌測距儀內(nèi)置核心處理器，通過藍牙遙控方式進行遠程遙控，并通過單片機對電機的電壓進行控制[6]，實現(xiàn)勻速運行和加減速的操作?？刂茖拥妮敵龆诉B接檢測層電動輪轂的輸入端和驅(qū)動層的顯示屏，用于對軌道輸出相位和旋轉(zhuǎn)角速度進行檢測的距離測量、提供電源和用于控制檢測層的控制器。

2.2.2 檢測層

檢測層主要記錄單軌測距儀行駛里程、U盤導(dǎo)入的數(shù)據(jù)、行駛過程中的各情況狀態(tài)。檢測層的輸出端連接控制層的輸入端，包括用于單軌測距儀運行的電動輪轂、采集輸出相位及旋轉(zhuǎn)角速度信號參數(shù)信息的高精度編碼器測量輪[7]、輔助測量的輔助輪和對測距儀進行導(dǎo)向的導(dǎo)向輪。檢測層系統(tǒng)架構(gòu)示意圖見圖3。

檢測層采用了超扁平驅(qū)動輪轂及四個低阻尼導(dǎo)柱結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得單軌測距儀在底部電動輪轂的帶動下緊貼鋼軌表面平穩(wěn)運行。運行過程中內(nèi)置的處理器會對編碼器輸出的相位及旋轉(zhuǎn)角速度信號進行數(shù)據(jù)分析和計算得到行走距離，實現(xiàn)高精度的軌距測量，計算精度為0.001ｍ。測量的數(shù)據(jù)發(fā)送給控制層的STM32ZET6主控板，通過主控板分析處理，進而對驅(qū)動層進行相應(yīng)的控制操作。

2.2.3 驅(qū)動層

為了滿足工作強度和始長、蓄電池組的選擇和對平衡性的配重方案設(shè)計，單軌測距儀整體傳輸部分密閉一體，使轉(zhuǎn)動傳遞準確并且保證了該測距儀可以在任何條件下使用，不受溫度、濕度等環(huán)境條件以及晴、暖、陰、雨、風(fēng)等天氣條件的影響。在金屬機箱上設(shè)置了觸摸顯示屏、USB數(shù)據(jù)接口、保險絲座、照明警示、電源開關(guān)及狀態(tài)的指示燈。驅(qū)動層系統(tǒng)架構(gòu)示意圖見圖4。

金屬機箱內(nèi)置電源模塊，保證單軌測距儀連續(xù)10 h的作業(yè)時間。單軌測距儀將檢測到的信息實時顯示在顯示屏幕上，并能通過U盤進行文檔待測數(shù)據(jù)的導(dǎo)出和測量數(shù)據(jù)的導(dǎo)入，便于作業(yè)人員觀察與操作，提高測量的效率。

2.3 測量方式與特點

作業(yè)時將單軌測距儀放置在單根鋼軌上，使導(dǎo)向輪卡住軌面兩側(cè)，按下開機按鍵啟動測距儀。通過觸摸顯示屏選擇設(shè)置功能模式或進行U盤參數(shù)設(shè)置，控制層根據(jù)設(shè)置模式驅(qū)動輪轂電機轉(zhuǎn)動，進入運行狀態(tài)。遙控器控制測距儀前進、停止或后退。以高精度編碼器測量輪接觸軌面光帶運算行走距離，并進行顯示。

如設(shè)置距離檢測模式，輸入測量區(qū)間名稱，完成后點擊確認則數(shù)據(jù)會記錄到U盤當(dāng)中（也可點擊跳過選擇放棄記錄這一信息），距離檢測模式下屏幕會顯示當(dāng)前行駛的距離總長，運行速度和當(dāng)前的運行狀態(tài)（正在運行或發(fā)送錯誤提示）。如設(shè)置為定點模式，提前設(shè)定要測量的點位距離（可設(shè)置20個點位），控制層內(nèi)的核心處理器會不斷比較設(shè)定值和實時行走距離值，在快接近目標距離時提前減速、剎車并語音提示，實現(xiàn)定點打點的目的，能有效提高相關(guān)部門對鐵路固定設(shè)備位置分布的測量精度與校驗效率。如設(shè)置為跟隨保護模式，即可進入跟隨保護狀態(tài)，每過一定的距離單軌測距儀會發(fā)出語音警告“請確認”，如在設(shè)定的范圍內(nèi)未進行確認，單軌測距儀會自動停止，有效確保單軌測距儀不會遠離使用者，確保作業(yè)安全。

單軌測距儀的運行速度可通過藍牙遙控調(diào)控（設(shè)定的運行速度變化± 0.3 km/h），確保運行速度與作業(yè)人員步行速度同步，以很好地實現(xiàn)距離的自動測量。在測量過程中，如遇到軌道有車通過或其他情況須暫停測量時，按下藍牙遙控器暫停測量，待重新開始測量時，遙控器重新啟動單軌測距儀，接著前次測量繼續(xù)測量，保證數(shù)據(jù)連續(xù)準確。

測量完成后可對選擇測量到的點位類型和標號進行U盤數(shù)據(jù)記錄（記錄數(shù)據(jù)自動生成excel表格）。必要時也可以在單根鋼軌上同時用兩臺單軌測距儀同時測量，以便準確地測量出線路的長度。單軌測距儀具備高精度且自動化的特點，對提高鋼軌長度測量的工作效率十分有利。

3 技術(shù)特點

3.1 測距儀器結(jié)構(gòu)可單軌道自動運行

以單根鋼軌為研究對象，深入研究軌面弧線，合理設(shè)計單軌測距儀的外部結(jié)構(gòu)。利用動力獨輪懸掛及動態(tài)３點平衡的設(shè)計方案，加上４個低阻尼導(dǎo)柱（導(dǎo)向輪）的獨特結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)單軌測距儀在單一軌道上平穩(wěn)運行。在沿彎道行駛時也可以保證與鋼軌緊密貼合，不會產(chǎn)生跳動和傾斜。電動輪轂、輔助輪和導(dǎo)向輪的輪寬和輪高比例適宜，能適用各種型號鋼軌。輪的型式結(jié)構(gòu)能適應(yīng)直軌及彎軌、道岔等各種軌道條件，導(dǎo)向準確。輪的材料采用特制抗磨耐老化牛筋滾輪，搭配阻尼彈性壓力結(jié)構(gòu)，強度和韌性都能適應(yīng)鋼軌的要求。通過以上部分的合理組合，使軌道測長儀測量與攜帶都更加方便，測量數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定、更加準確。

3.2 測量距離精準

距離測量模塊由單軌測距儀底部測量輪搭配高精度的編碼器和特制的金屬套滾輪組成，專利設(shè)計的彈性壓力結(jié)構(gòu)使之運行時可以緊密貼合鋼軌。編碼器轉(zhuǎn)動的時候會產(chǎn)生脈沖信號，再通過處理器對編碼器產(chǎn)生的脈沖個數(shù)進行數(shù)據(jù)的處理分析[8-9]，由此計算出運行的距離，同時會以每50 ms刷新一次的速度對測量到的距離、速度、運行狀態(tài)等數(shù)據(jù)進行實時的上傳顯示，實際測量誤差小于萬分之五。

3.3 具備語音輔助播報功能

單軌測距儀內(nèi)置語音轉(zhuǎn)換和功放模塊，在光線、地理等條件不好的情況下，能夠通過語音輔助提示及時將單軌測距儀作業(yè)狀態(tài)信息傳遞給作業(yè)人員，提高工作效率。語音輔助播報內(nèi)容包括：加速、減速操作、定時定點位置到達、公里行駛里程、作業(yè)時間等，并支持自定義語音播報參數(shù)設(shè)置[10]。

3.4 實現(xiàn)雙重防丟和硬件雙重防護

單軌測距儀可以通過觸摸顯示屏的控制面板進行安全防護參數(shù)設(shè)置。默認處于跟隨保護狀態(tài)下，每過100 m或1 min測距儀會發(fā)出語音警告“請確認”，如在之后20 m的范圍內(nèi)未進行確認，單軌測距儀會自動停止，防止測距儀在不經(jīng)意間行駛過遠而未被發(fā)現(xiàn)。單軌測距儀利用超聲波傳感器檢測道路上的障礙[11]，當(dāng)檢測到前方有障礙物時核心處理器就發(fā)出指令讓單軌測距儀剎車降速，直到停止運行，從而達到利用對單軌測距儀智能控制自動避障的目的。

4 應(yīng)用情況

單軌測距儀的投入使用可使現(xiàn)場信號測量效率得到較大提升，單次作業(yè)測量長度顯著增加，有效提高了現(xiàn)場作業(yè)效率，在2023年獲得了“上海鐵路局科學(xué)技術(shù)進步三等獎”。

2023年4月20日起滬寧沿江高鐵正式進入靜態(tài)驗收階段，在沿江高鐵新動向電訊中特意提到“驗收過程中的高科技-單軌測距儀”。以前的測量方式，需要用卷尺進行測量，占用兩個人工不說，測試數(shù)據(jù)準確度也不高，要二次校核。但這款新儀器精度高，只需放在軌道上就能自主測量，一個人跟著它做好數(shù)據(jù)記錄就行。沿江車間主任認為單軌測距儀明顯提高了作業(yè)效率，每天測量的里程得到顯著增長，測量精度符合要求。單軌測距儀現(xiàn)場應(yīng)用見圖5。

2023年11月在徐州、合肥、南京、上海電務(wù)段、上海高鐵基礎(chǔ)設(shè)施段推廣應(yīng)用，效果良好，滿足線路基軌道電路相關(guān)測量要求。

5 結(jié)束語

隨著鐵路技術(shù)的不斷發(fā)展，各項新技術(shù)、新設(shè)備的不斷應(yīng)用，單軌測距儀在設(shè)備、元器件選型方面需充分考慮穩(wěn)定性和可擴展性，最大限度滿足現(xiàn)場應(yīng)用需求。該測距儀操作簡單、便捷并設(shè)置多重提醒和保護，能在有限的作業(yè)時間內(nèi)完成對鐵路線路距離自動高精度測量和高效率校準工作，并可以對定點數(shù)據(jù)和測量數(shù)據(jù)進行讀寫操作，自動生成對應(yīng)表格，保證了數(shù)據(jù)的真實性，滿足線路相關(guān)測量要求。單軌測距儀的投入使用可以改變傳統(tǒng)人工測量的模式，使今后的鋼軌長度測量變得更方便、準確、快捷，能有效提升鐵路線路精準化測量的技術(shù)水平，在鐵路運營系統(tǒng)中具有良好的推廣前景。

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