CRTS雙塊式無砟軌道承軌臺智能測量技術

高貴

（武九鐵路客運專線湖北有限責任公司，武漢 430212）

CRTS 雙塊式無砟軌道在道床板混凝土澆筑完成后、軌排支撐拆除前須采集工具軌的軌道數據，用于對比分析道床板混凝土澆筑前后軌道幾何狀態變化［1-2］。長鋼軌鋪設前人工將精調標架逐個安放到承軌臺螺栓孔中，采用全站儀測量精調標架上棱鏡中心的三維坐標。標架安放精度受人為因素影響大，該數據無法真實反映承軌臺的實際幾何狀態，且測量效率低。傳統的長鋼軌精調方案是在長鋼軌鋪設前全部安裝標準扣件，長鋼軌應力放散鎖定后，采用軌檢小車和全站儀對軌道幾何狀態進行測量，模擬計算軌道幾何調整量，須反復復測和更換扣件才能使軌道幾何參數滿足要求［3-4］。普遍需要5～6 遍以上，工作量極大［5］。須投入大量的人力、物力和時間。尤其長鋼軌第1 遍精調時標準扣件更換量極大，造成標準扣件大量浪費。為解決該問題，武九鐵路客運專線湖北有限責任公司組織研發無砟軌道承軌臺檢測機器人，以實現長鋼軌鋪設前對每個承軌臺數據的精確測量和待安裝扣件的精準配置。本文對無砟軌道承軌臺檢測機器人采集承軌臺數據的智能測量技術進行研究。

1 無砟軌道承軌臺檢測機器人智能測量技術

1.1 無砟軌道承軌臺檢測機器人的設計

無砟軌道承軌臺檢測機器人是無砟軌道智能檢測設備之一，主要用于長鋼軌鋪設前承軌臺數據的測量。使用時，根據施工現場的CPⅢ測量控制網設站，通過具有遠程控制功能的全站儀，結合無砟軌道承軌臺檢測機器人的智能控制系統、無線傳輸系統及精密機械結構自動測量道床板上每個承軌臺的中線和高程數據，并轉換成線形數據。根據軌道平順性要求自動計算生成每個承軌臺位置所需調整的扣件型號，統計出扣件的采購清單，形成一套無砟軌道承軌臺智能測量技術。智能測量系統組成與使用情況如圖1所示。

無砟軌道承軌臺檢測機器人主要由全向自行式運載小車、測量模具、智能控制系統、數據管理系統、無線數據傳輸系統等構成。自動檢測以“行走、定位、測量、行走”的間歇模式進行。承軌臺檢測機器人還配置有1 臺車載平板電腦，內裝WINDOWS 操作系統和專業測量軟件。測量軟件包含了現場測量的所有邏輯。車載平板電腦用于記錄測量數據并與全站儀遠程無線通信，控制自動測量流程。操作人員使用遙控器可隨時干預測量進程。承軌臺檢測機器人結構設計如圖2所示。

圖1 承軌臺檢測機器人智能測量示意

圖2 承軌臺檢測機器人結構設計示意

承軌臺檢測機器人的主要部件分述如下：

1）全向自行式運載小車

運載小車具有行走、導向、定位、通信等功能。全車由1臺數字控制器控制，1個可拆卸充電的蓄電池供電。車體采用麥克納姆輪系作為行駛底盤，輪系由8個麥克納姆車輪組成，輪轂上安裝了多個橢圓柱形輥子，輥子軸線與車輪軸線的夾角為45°，車輪可全方位旋轉，8 個車輪以不同方向和速度旋轉，可使運載小車實現直行、橫行、斜行、原地旋轉等運動方式。在車體側面、內部安裝多個傳感器，在傳感器數據［6］和內置邏輯控制下行走與定位，可平穩通過道床板伸縮縫。運載小車麥克納姆輪如圖3所示。

圖3 運載小車麥克納姆輪示意

2）測量模具

測量模具主要由1套可升降橫梁、2套仿形底板及2 套彈性自適應機構構成。在仿形底板上搭載2 個精密棱鏡，自適應彈性機構可以使仿形底板精準貼合承軌臺表面，從而使精密棱鏡位于承軌臺中心位置。在自動測量過程中，全站儀瞄準2個精密棱鏡測量，便可獲得承軌臺中心位置坐標。在一對承軌臺測量完成后，測量模具的橫梁自動升起，無砟軌道承軌臺檢測機器人前進到下一對承軌臺斷面位置，開始新的測量循環。

3）智能控制系統

智能控制系統的核心是1 臺數字控制器，該控制器可通過軟件編程實現測量過程所有邏輯控制。控制器端口豐富，抗振能力強，溫度適應范圍大。智能控制系統由數字控制器、傳感器、驅動調速模塊、遙控模塊、通信模塊［7］、陀螺儀、數據傳輸電臺及測量軟件［8］組成。

固定安放在遠處的全站儀與無砟軌道承軌臺檢測機器人之間，通過數據傳輸電臺傳遞控制測量指令與測量結果。數據傳輸電臺功率大、誤碼率低、抗干擾能力強，保證了機器人與全站儀間信息的可靠交換，徹底解決了藍牙或WIFI信號在隧道、高壓線附近、變電站附近等特殊區域［9］數據傳輸不正常的問題。

無砟軌道承軌臺檢測機器人在初始就位、測量結束、遇到特殊情況時都可以采用遙控器操作，實現行駛與測量動作。

車體上設置有RS232，USB 等端口，通過這些端口機器人與車載電腦、全站儀通信，也可以與編程電腦通信，修改內部程序或參數。

在正常測量過程中，無砟軌道承軌臺檢測機器人自動啟停、導向、定位，測量模具自動升降，全站儀自動測量，不斷重復測量循環，無需人工干預。遇到異常情況時機器人會發出聲光報警信號，提醒操作人員及時處理。

4）數據管理系統

數據管理系統由測量軟件和數據處理軟件組成。

測量軟件是一套基于WINDOWS 的專用軟件，安裝在車載電腦中，在軟件使用前，需要先導入待測線路的設計文件。測量時，軟件通過數據傳輸電臺獲取承軌臺坐標數據，通過對比實測數據與設計文件數據計算承軌臺絕對偏差。測量獲得的承軌臺實際坐標值和計算得到的絕對偏差值均存儲在車載電腦的數據庫中。

數據處理軟件安裝在內業電腦中，通過導入已測線路承軌臺實際坐標值和絕對偏差值，根據線路平順性［10-12］要求分析計算、模擬優化軌道幾何調整量，生成每個承軌臺扣件型號的配置表和采購清單。

5）無線數據傳輸系統

無線數據傳輸系統采用無線通信模塊實現全站儀測量系統、智能控制系統與后臺軟件系統之間的數據及信息指令的即時相互傳輸。

1.2 無砟軌道承軌臺檢測機器人的使用方法

利用無砟軌道承軌臺檢測機器人進行自動測量，涉及到數據準備、外業測量和數據處理三部分。

1.2.1 數據準備

無砟軌道承軌臺檢測機器人作業前，需要將線路文件導入車載電腦，將CPⅢ控制網數據導入全站儀。具體步驟為：①整理被測線路設計要素文件，用測量軟件自帶的線路計算器生成左右線的線路文件；②用線路計算器或其他測量軟件復核線路文件的正確性；③將線路文件通過USB 盤存入車載電腦中對應的子目錄下；④將CPⅢ控制點文件導入全站儀。

1.2.2 外業測量

外業測量步驟為：①通過現場CPⅢ點全站儀完成自由設站。②組裝無砟軌道承軌臺檢測機器人，將其擺放至待測區道床板上左右2 個承軌臺中間位置，打開電源開關，機器人完成自動校核。如有異常，顯示屏出現報警信息。③在車載電腦主界面中點擊“承軌臺檢測機器人”圖標，打開測量軟件。④在測量軟件內設置車載電腦與機器人、全站儀的通信端口參數，在不更換車載電腦與全站儀的情況下只需設置1 次。確認車載電腦與機器人、全站儀連接正常。⑤操作遙控器，擺正承軌臺檢測機器人位置，降下使之與承軌臺密貼。⑥將模式開關置于“自動”，在車載電腦上點擊“測量”按鈕，全站儀將自動搜索左側棱鏡，完成“鎖定、測量”流程之后，自動轉向右側棱鏡重復“鎖定、測量”流程。⑦車載電腦收到測量結果后，向機器人發出“測量結束”信號。⑧機器人自動升起測量模具，走向下一對承軌臺。傳感器檢測機器人的位置與姿態進行精確調整后鎖定車體位置。⑨測量模具自動落下，到位后機器人向車載電腦發出“就位”信號，車載電腦向全站儀發出“開始測量”信號，開始下一個工作循環。

1.2.3 數據處理

外業測量完成后進行內業數據處理。具體步驟為：①運行數據管理系統中的數據處理軟件，將測量數據轉換成線形數據后，結合軌道平順性要求［13-14］對軌道軌向、軌距變化率、高低［15-16］、軌距［17-18］等軌道幾何參數進行平順性分析和模擬計算，見表1。②根據分析和模擬結果對線形數據進行優化，并對優化后數據與設計線形數據的偏差進行計算，得出每個承軌臺相對標準扣件的調整量。③軟件系統根據調整量大小，結合絕緣軌距塊、軌距擋板、軌下墊板和軌下微調墊板的使用原則，自動生成每個承軌臺各調整扣件的材料配置計劃表（即采購清單）和對應承軌臺的扣件安裝作業表。

表1 無砟軌道平順性檢測重要參數及允許偏差

2 無砟軌道承軌臺檢測機器人智能測量技術的應用

無砟軌道承軌臺檢測機器人依托鄭萬高速鐵路進行研發、持續改進和優化定型，其智能測量技術已在采用CRTS 雙塊式無砟軌道結構形式的鄭萬、京雄、京張高速鐵路，采用CRTSⅢ型板式無砟軌道結構形式的昌贛、贛深、商合杭等高速鐵路推廣應用。現隨機選取鄭萬高速鐵路DK368+604—DK372+702 區段無砟軌道中6515根軌枕，13030個承軌臺的測量數據進行分析。在第1遍長鋼軌精調時無砟軌道承軌臺檢測機器人對承軌臺進行了測量并生成了無砟軌道扣件材料配置計劃表。按該計劃表配置扣件的方案稱為精準配置扣件方案。將該方案中標準扣件的使用數量與該區段傳統安裝方案標準扣件的使用數量進行對比，見表2。兩種方案均按1套工裝設備配置。其中，絕緣軌距擋塊、軌距擋板、軌下墊板的型號分別為WJ8-I9，WJ8-7，WJ8-6。

表2 DK368+604—DK372+702 區段兩種方案標準扣件的使用數量對比

由表2可知，與傳統安裝標準扣件方案相比，采用精準配置扣件方案可節約絕緣軌距擋塊21590 個、軌距擋板1154 個、軌下墊板5167 個。該節約量即為采用傳統方案長鋼軌精調時需更換的標準扣件數量。絕緣軌距擋塊和軌下墊板的更換率分別達到83%和40%，可見長鋼軌精調時更換扣件的工作量極大。

無砟軌道承軌臺檢測機器人測量與利用傳統的標架法測量的工效、經濟效益對比見表3。可知：采用無砟軌道承軌臺檢測機器人測量施工人員減少3 人，單塊無砟軌道板測量時間減少8.5 min，每個工作日多檢測450 m。測量長4.098 km無砟軌道承軌臺檢測機器人只需要5.1 d，傳統的標架法測量則需要11.7 d。工效提升2.3 倍，經濟效益增加31.91 萬元。標架法測量精度受人為因素影響較大，采用無砟軌道承軌臺檢測機器人測量精度、工效大幅提升，經濟效益顯著。

表3 DK368+604—DK372+702 區段承軌臺檢測機器人智能測量與傳統標架法測量工效、經濟效益對比

3 結語

針對長鋼軌鋪設前傳統安裝標準扣件方案浪費材料、施工效率低、工期長、扣件更換率和施工成本居高不下的問題，研發了采用無砟軌道承軌臺檢測機器人對承軌臺進行檢測的智能測量技術。

無砟軌道承軌臺檢測機器人具有自動啟停行走、自動導向、智能精準定位功能。其測量模具可自動伸縮升降、自動定位，測量數據實時無線傳輸至數據管理系統。結合軌道高平順性要求，其數據管理系統對測量數據進行模擬計算分析，自動生成每個承軌臺位置所需的扣件型號，統計出扣件的材料配置計劃表和對應承軌臺的扣件安裝作業表，從而實現長鋼軌鋪設前扣件的精準配置和安裝。

對隨機選取的鄭萬高速鐵路DK368+604—DK372+702 區段無砟軌道線路測量數據分析顯示，與傳統安裝標準扣件方案相比，在長鋼軌鋪設前采用精準配置扣件方案施工可節約絕緣軌距擋塊（WJ8-I9）21590個、軌距擋板（WJ8-7）1154個、軌下墊板（WJ8-6）5167 個。測量工效提升2.3 倍，測量精度大幅提升，經濟效益顯著。