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，提高作業效率，還可以提高設備施工的安全性與穩定性，增強施工設備的自動化程度，對高速鐵路的快速發展，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，從傳感分析技術和遙控操縱技術兩方面對高速鐵路施工裝備的智能化進行應用分析；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展提供了手段與方向。

關鍵詞：高速鐵路；施工設備；智能化；機群

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

隨著我國高鐵技術和橋梁建設技術的不斷發展，高速鐵路建設力度的不斷加強和“一帶一路”國家級頂層戰略的不斷推進，我國高速鐵路的施工建設步入高速發展的快車道。高速鐵路的施工建設，離不開與其配套的相關施工設備，如搬運機、提梁機、架橋機和運梁車等設備。隨著高速鐵路朝著大跨度、大噸位、高速化以及環境復雜多變的方向發展，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其功能的施工裝備已無法滿足現代高速鐵路建設的需求。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，提高施工設備的智能化程度已成為相應設計制造企業贏得市場的關鍵。

進入21世紀以來，機器視覺技術、網絡技術、信息控制技術等新興技術日益活躍，并開始廣泛應用于鋼鐵、電子芯片、航天、鐵路等各行各業，其以極快的速度展現出巨大的市場潛力。2015年5月，我國正式印發《中國制造2025》，從國家層次推進我國制造業的智能化升級，尤其對我國機械制造業轉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中的重要一員，其直接影響到我國高速鐵路的建設進程。因此，將智能化技術應用到高速鐵路施工裝備，一方面能提高施工設備的可操作性、平穩性和可靠性；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，保障人員的生命財產安全。

高速鐵路施工裝備的智能化，就是將智能化技術應用到施工裝備中去，將信息技術、計算機技術、控制技術、傳感技術、視覺監測技術等新興技術融入到施工裝備設計、生產、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，通過其各種復雜的傳感設備來獲取各工況狀態數據，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，基本側重于安全監控上面[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進行研究，為高速鐵路施工裝備的智能化發展提供方向和手段。

1 高速鐵路施工裝備單機智能化研究

預制混凝土梁，具有制造質量可控、綜合成本較低、便于集中管理和不受橋下工程影響等優點，已成為橋梁建設的首選施工方法[4]。國內外高速鐵路建設的經驗表明：采用“梁場集中預制，架橋機架設”施工工藝進行橋梁施工，對加快高速鐵路建設有著重要的意義。架橋機作為高速鐵路梁片架設的核心裝備之一，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性強、過孔簡便、承載大等優點，已廣泛應用于大跨度、大噸位橋梁梁片的架設。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、液壓系統等組成，如圖1所示。

步履式架橋機作業方式主要為：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架橋機的變跨調整。

通過以上分析，本節以步履式架橋機為例，從傳感分析技術和遙控操縱技術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

為改變操作人員上機檢修、靠既有經驗對架橋機進行狀態分析，保證架橋機的本質安全，有必要充分利用傳感分析技術對架橋機的運行狀態進行信息化改造，以達到無需人工上機，實時獲取架橋機各工況狀態數據的目的。通過大量收集總結以前出現的各種問題及故障原因，建立系統故障知識庫。同時依據設計人員給出的故障可能原因，結合現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，建立新的動態故障原因清單，從而形成專家庫。當設備狀態參數異常時，故障自診斷系統對狀態參數進行收集，并對出現異常的原因進行整機分析，并結合系統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，則將可能引起參數異常的原因及定位信息逐條列出，同時發出預警警報，并將該信息反饋給專家庫，通過專家庫的概率匹配，得出新的可能故障原因列表，并將其反饋給現場管理人員按列表進行逐一排查，從而完成設備故障的診斷，防止系統嚴重損壞甚至安全事故發生。所有設備狀態信息均需記錄備案，異常狀態均需報警提示，同時各狀態參數均以不同形式顯示在人機交互界面上。

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

架橋機在工作過程中，各部件的運行協調也是非常重要的。為防止各部件運行干涉，發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重后果。因此，為提高架橋效率、減少人工干預，可對各重要運行部為安裝機器視覺檢測系統，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，實時獲取部件運行狀態，并將各實時狀態轉換為圖像信號，獲取兩部件的實時相對位置信息，利用圖像處理軟件系統處理并提取目標特征，并將相對位置圖像及相對距離數值實時顯示在顯示屏上，若達到預定數值，則將該數據反饋給各部件運動執行機構，實現對各部件協調運作的實時控制。

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

（1）能實時監測施工裝備運行各重要參數及主要部件的工作狀

態，并以不同形式記錄并顯示；

（2）能快速響應報警。當監測到數據異常時，應快速響應報警，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，當發現整機功能情況，如警報、顯示、傳感器等功能異常時，能立刻分析定位，結合故障知識庫找出問題原因自行解決或者反饋給專家庫和現場管理人員協助解決，同時發出報警信號；

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

1.2 遙控操縱技術

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，實時掌握設備運行狀況，避免誤操作，提高設備的可操作性和安全性。遠程遙控操縱技術使得高鐵施工裝備可以深入更危險、更復雜的環境中去，減輕人力勞動的同時還保證了施工作業的安全性。遙控操縱系統主要有無線通訊系統、監控系統和執行機構等組成，其通過監控系統獲取操作狀態，利用無線通訊系統進行發射和接收遙控信號，并控制執行機構的執行輸出，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各支腿的升降調整，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。各支腿升降的調整可利用遙控操作技術，通過攝像裝置的實時監控插銷狀態，利用傳感器到位監測技術控制插銷位置，通過無線通訊系統和電液控制系統完成液壓油缸與插銷的協同運行，從而實現遙控架橋機支腿升降的調整。操作人員只需要通過監控屏幕遠程遙控作業即可實現插拔銷作業，從而有效提高工作效率，減輕傳統人工插拔銷的工作強度及工作量。

遙控操縱技術不僅可以應用在架橋機各支腿升降控制上，還可以應用到架橋機過孔，梁片吊、落以及起重小車走形等工況控制上。遙控操縱技術的成功應用離不開電液控制技術、信息通信技術以及視覺監測技術等技術的發展，其是實現高速鐵路施工裝備的智能化發展的一種重要手段，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，如何對各種施工設備進行智能化管理以實現資源配置的合理化、施工效率的最大化和工作質量的最佳化，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展的同時，以信息通訊、集中控制調度和綜合管理為手段的機群智能化管理技術也得到了發展[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絡技術組成一個大系統，進行多機協調工作以完成同一工程項目的統一綜合管理，其以實現資源優化配置、生產進程同步管理為目的，進而提高施工綜合效益，保證工程質量。

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，機群通訊系統和單機智能控制系統，其結構如圖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對各設備傳輸來的數據進行匯總、分析和處理，以施工調度方案最優化為目的，實現對各設備的統一決策管理，同時，將各設備實時監控畫面以及狀態參數等信息顯示在控制臺上；機群通訊系統是以無線通訊為主，綜合機群信息流和通訊協議，實現機群控制中心和各單機智能控制系統的雙向數據交換及共享；單機智能控制系統主要利用各種傳感器獲取單機自身狀態、位置、性能等數據，并將這些數據進行分類處理后，實時傳送給機群控制中心，同時對這些數據進行存儲、顯示。

機群同一時間進行施工作業時，各單機裝備通過其智能控制系統，將其工作狀態、位置信息、性能參數、施工進度以及故障信息等利用無線通訊系統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據進行匯總和分析處理，綜合施工任務和上級指令，得出最優動態施工調度信息，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，同時對各單機數據進行匯總顯示、儲存。如此往復，完成機群各單機的高效聯合施工作業。

高速鐵路施工裝備機群的智能化管理綜合了工程管理、遠程監控、現場規劃、智能控制、網絡通訊等一系列學科知識，對實現機群動態優化調度，資源優化配置，單機集中管理，降低施工成本，提高工程質量有著重要的意義。

3 結束語

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，且應用范圍較窄。面對我國高鐵全套技術“走出去”戰略的不斷推進和國外日益增長的高鐵建設需求，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展的必經之路。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進行了研究，為施工裝備智能化的發展提供了手段與方向。我國還應充分結合先進技術，推進自主創新，將大數據、云計算、人工智能等新興技術應用到高速鐵路施工裝備上來，為我國高速鐵路的快速發展提供堅實的基礎。

參考文獻：

[1]郭英訓.工程機械裝備智能化系統研究[J].建設機械技術與管理， 2014（03）：124-129.

[2]容毅，李國軍，李曉鋼等.架橋機安全監控管理裝置[J].工程機械，2012，43（12）：8-13.

[3]錢尚溢，容毅，葉海路.小噸位架橋機安全監控管理系統設計[J].工程機械，2013，44（08）：36-44+46.

[4]余石.淺談預制鋼筋混凝土梁板在橋梁建設中的應用[J].中國科技博覽，2011（06）：129.

[5]李學忠.工程機械機群的智能化與綜合管理——信息技術在工程機械上的應用綜述之二[J].工程機械，2009，40（08）：44-49.

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