隧道限界檢測車動態標定技術的研究與設計

王 偉 魏永久 崔高峰 丁道祥

（沈陽鐵路局科學技術研究所，遼寧 沈陽 110013）

0 引言

“限界”是鐵路運輸的基礎數據，也是直接影響行車安全的重要因素之一。鐵路線路兩旁的建筑物以及固定設備不準侵入限界。但是，在實際運營中，由于隧道內線路大修和襯砌維修等因素，造成線路與隧道襯砌相對位置發生變化，使隧道限界發生改變，容易產生隧道限界超限，容易影響鐵路行車安全[1]。所以，準確掌握隧道限界十分重要。目前，全路的運營隧道限界檢測工作主要是由沈陽鐵路局科研所研制并通過鐵道部科技成果鑒定的鐵路隧道限界檢測車完成。檢測原理是：應用激光擴束技術，將激光點光源擴束為面光源，照射在隧道洞壁上，形成一條高亮度的光帶，作為檢測基準，選取11個高速攝像機，瞬間將隧道斷面輪廓全部攝錄下來，利用計算機圖像處理技術，得到隧道尺寸。檢測車在動態檢測過程中，車體震動和線路道床發生彈性變形及線路鋼軌變化等因素十分復雜，這些因素直接影響測量精度。所以，隧道限界檢測車的測量精度必須經常進行標定修正。只有每次檢測前進行標定，才能得出一個準確的限界數據。

1 主要技術研究

靜態標定只能對設備參數進行標定，而動態標定要針對隧道限界檢測車動態檢測的復雜性進行標定。我們擬定在實際的運營隧道內制做隧道限界模型，提供一個與隧道限界檢測車正常檢測相同的環境，通過隧道限界模型對檢測車檢測系統進行整體標定和檢定，用實際運營隧道和實際檢測工況，校核隧道限界檢測車的檢測數據。

1.1 標定用隧道模型的制做

如果進行標定必須有準確的隧道尺寸模型，首先按照大于《鐵路技術管理規程》制定的鐵路建筑限界尺寸，用14#槽鋼制做兩組隧道斷面模型框架，一組安裝在直線段，另一組安裝在曲線段，曲線段的隧道限界十分重要，往往是易發事故的處所。所以，有必要設置直、曲線段兩套隧道檢定模型。用于隧道檢測車的動態標定。如圖1所示。同時保證爬行器在模型框架的槽鋼內可上、下移動。

圖1 鋼制隧道框架圖

1.2 氣動爬行器的研制

隨著氣動技術的發展，氣動爬行器的應用領域也逐漸廣泛，在一些特殊的應用場合，如安全、建筑、國防等，要求工作可靠、體積小、動作靈活的氣動爬行爬行器，尤其是在壁面氣動爬行器的研究[2]。在制做直、曲線段的兩套隧道斷面拱架上，分別安裝五組外形尺寸不同的氣動爬行器。該爬行器可以在隧道框架上行走，構成10處不同位置、不同尺寸的突起模擬隧道斷面，為隧道限界檢測車提供10組檢定數據。爬行器正面設置矩陣排列的光標，作為隧道限界檢測車測量系統采集標準點，為隧道限界檢測車提供動態標定數組。

前述，氣動爬行器的研究是本課題研究技術關鍵。對于氣動爬行器的性能有如下幾點要求：

1）氣動爬行器具備在鋼制隧道拱架上隨意行走功能。當到達指定位置后，須牢固鎖定在拱架上，不受列車通過時產生震動的影響。

2）氣動爬行器行走到隧道拱架任意處，需提供精確的突起隧道斷面各點坐標，為隧道限界檢測車提供的對比數據。精度為：±1mm。

3）氣動爬行器模擬隧道斷面具有自調節功能。當爬行器停在隧道拱架某一個位置時，需將模擬隧道斷面按線路方向調整鑒定平面。

4）氣動爬行器需拆卸靈活。當檢定工作完成后，需將爬行器拆除，只把鋼制框架留在隧道內，恢復隧道的正常運營狀態。

2 機械爬行器的設計

2.1 氣動機構

氣動機構由氣泵、氣缸和電控氣閥及管路組成（如圖2所示）。氣動機構為爬行器提供動力，爬行器的上下行走靠氣動機構實現。爬行器要爬行離不開支撐與移動兩個動作，現以爬行器上方向移動為例介紹步距爬行的原理。初始位置為：四個氣缸縮回。后壁氣缸伸出→前臂氣缸縮回→2個伸縮氣缸伸出→前臂氣缸伸出→后壁氣缸縮回→伸縮氣缸縮回→后壁氣缸伸出。完成一個循環，爬行器向下運行循環原理相反。

圖2 氣動原理圖

2.2 機械鎖定機構

機械鎖定機構由推桿、滾輪、前臂氣缸、后壁氣缸和彈簧組成，安裝在爬行器的上下兩端。當爬行器行走時鎖定機構PLC發出的指令順序動作，配合伸縮汽缸導向。當爬行器行走到指定位置時，鎖定機構將爬行器牢固鎖定在拱架上。

2.3 斷面調整機構

斷面調整機構的功能是將爬行器形成的突起隧道斷面調整平行，使隧道限界檢測車的檢測數據在1米范圍內一致。這個條件是根據隧道限界檢測車的檢測性能而設定的。

采用步進電機控制渦輪蝸桿方式，把電機旋轉轉化為斷面的突起運動，而且可精確調節。

2.4 位移檢測系統

位移檢測系統采用CCD攝像機與計算機圖像識別技術結合完成。CCD攝像機將爬行器行走到位的圖像攝取下來，通過自動識別，得到爬行器形成的突起斷面表面坐標（x、y）數值。位移檢測技術采用圖形二進制編碼、二維編碼和圖形識別相結合的方式。以運行軌道上敷設圖形識別條，表示相應的圖形參考點位置，爬行器攜帶CCD攝像機和參考圖形條在軌道上運行。CCD攝像機對敷設圖形識別條內容進行識別。識別圖形內容包括圖形參考點位置、相應參考圖形在圖形識別條的位置。設計充分考慮工作環境惡劣，保證其檢測精度<1mm。

3 檢測設備的電氣設計

檢測設備采用以工業控制計算機為核心的集散控制方式[3]。包括計算機系統、PLC網絡、傳感器、變送器、伺服電機系統、圖像采集系統。如圖3所示。

檢測設備電氣系統包括主控計算機、爬行器電氣系統、位移檢測系統、氣泵、控制器、通訊模塊。檢測設備的網絡連接采用485總線，傳輸方便、抗干擾能力強、結構簡單。上位機通過網絡與每個爬行器的PLC連接和每個圖像采集器相連接[2]。

圖3 檢測設備系統圖

其中爬行器的電氣構成主要有：PLC控制系統、斷面調整系統和位置采集系統。爬行器的前進與后退由PLC控制系統控制。爬行器設置了前臂氣缸、后壁氣缸和2個行走伸縮氣缸。爬行器的前進與后退由前臂氣缸、后壁氣缸動作順序與伸縮氣缸動作順序配合實現。PLC控制電磁閥位置，控制氣缸的伸縮。為了安全，系統采用雙控制方式：總線控制或通過操作器控制爬行器的行走。如果一旦某一部分電氣出現問題系統系統還可控制。保證取下方便。

組態軟件通過總線把給定數據傳給PLC，PLC發出高速脈沖指令控制步進電機控制器，帶動渦輪絲杠動作，由旋轉運動變為直線運動，從而控制爬行器斷面的精確調整。由于脈沖數可精確給定，保證斷面調整精度滿足要求。

4 氣動爬行器系統的軟件設計

4.1 氣動爬行器PLC軟件設計

PLC軟件包括兩部分：走行控制、斷面控制。

從氣動爬行器的控制任務要求分析可以得出，可以采用主從式結構程序，把對外的輸入信號處理程序作為主程序，把氣動爬行器循環運動和復位分別編制子程序，這樣模塊化的結構便于編制、功能擴展、閱讀和調試修改。氣動爬行器的動作可以看成是氣缸的順序動作，可以用順序功能圖編程法來實現。如圖4所示。

圖4 上方向運動順序功能圖圖

圖5 圖形識別碼

斷面控制程序：當爬行器在框架上行走到一個位置鎖定后，由上位機給出調節尺寸和調節命令，傳到PLC，首先PLC對步進進行尋找零點；然后根據調節尺寸發出脈沖命令，調節斷面到達指定位置。

4.2 機械爬行器上位機軟件設計

系統由5個PLC控制爬行器柜通過485現場總線與上位機連接，組成分布式計算機監控系統。

本系統由兩個主要功能：采用基于組態軟件與PLC相結合[4]，用組態軟件編輯界面，主要完成遠程控制爬行器的行走、斷面數據傳輸和爬行器信息收集處理；根據采集圖像畫面，軟件分析現在機械爬行器的停止位置，通過模型尺寸確定5個爬行器和框架的內尺寸。為隧檢車動態標定提供了準確的框架。

組態軟件操作界面子系統采用組態王6.53，顯示5個爬行器的位置數據、控制5個爬行器的走行、10個斷面輸入窗口數據，控制斷面調節。

圖像位置識別系統采用圖像識別方式進行位移檢測[5]，用CCD攝像機拍下以下圖形如圖5所示。照片包括以下信息：橫行圖形4方塊表示0-9的二進制編碼，0白、1黑。第5個方塊是橫行校驗位。R固定表示11110，代表一段數值的起始位。

電腦根據一段圖像識別參考圖形條在軌道上的位置，再根據隧道模型坐標和爬行器的機械尺寸計算出標準的斷面突起的尺寸，然后讓隧檢車以不同速度對此斷面進行檢測，對檢測車進行動態標定。圖像位置識別系統，采非接觸工作方式實現絕對位置檢測，能夠在直線和曲線連續地、高精度地檢測絕對地址，位置檢測精度達1mm；保證位置無滑脫和磨損等故障；兼容性好，位置檢測施工方便、安裝維護簡單，占空間小，不影響現場外觀；抗干擾能力強；圖形碼采用不干膠印刷技術，粘貼方便，表面可做防水、防油、防塵處理；適用于惡劣的工業環境，如可適應隧道環境。但此方法只用于不好測量，及距離較短（5-20）米。

5 結束語

通過對檢測車動態標定技術的深入研究及用，提供一個與隧道限界檢測車正常檢測相同的環境，可以隨意調整的斷面尺寸，保證隧道限界檢測車靜態標定后再進行準確的動態標定。將此動態標定技術應用到隧道限界檢測中。提高隧檢車動態測量精度，保證了隧檢車檢測數據的準確性、真實性。校核隧道限界檢測車的檢測數據，獲得真實可靠的結果，從而進一步提高了隧道限界檢測車檢測精度。

[1]李鵬.基于圖像處理的隧道檢測 [D].北京：北京交通大學，2006

[2]馬俊峰，唐立平.氣動爬行機器人設計 [J].液壓與氣動，2010，10：28～31

[3]姜斌，韓贊東.CAN總線在地面爬行機器人中的應用[J].微處理機，2006，5：79～82

[4]靳雷，王建躍.組態王和PLC在機械手臂控制系統的應用[J].化工自動化及儀表，2010，37（3）：103～106

[5]李杏華，宋曉甲，劉碩.基于嵌入式圖像采集處理系統的二維碼識別[J].傳感器與微系統，2010，29（12）：73～75