鐵路單軌道智能測(cè)距儀的研發(fā)與應(yīng)用

摘 要：鐵路線路鋼軌長度的測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)于工務(wù)、電務(wù)及車站等系統(tǒng)在鐵路運(yùn)營生產(chǎn)實(shí)際中起著重要的作用。區(qū)段長度的劃分、補(bǔ)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(biāo)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(bǔ)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(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)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(cè)距輪的方式進(jìn)行測(cè)量，需要多人配合，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且容易產(chǎn)生較大誤差。針對(duì)于此，研制鐵路單軌道智能測(cè)距儀（后文簡稱單軌測(cè)距儀）。重點(diǎn)描述單軌測(cè)距儀的設(shè)計(jì)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(diǎn)，提出對(duì)提高目前鐵路線路精準(zhǔn)化測(cè)量和校準(zhǔn)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(dòng)走行；檢測(cè)工具；語音輔助；測(cè)量技術(shù)

中圖分類號(hào)：U283.5" " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " " " " " " " " " " " " " " " 文章編號(hào)：2096-6903（2024）10-0073-03

0 引言

為了確保軌道鐵路運(yùn)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(shí)際施工之前，應(yīng)當(dāng)完成一系列測(cè)量工作。關(guān)于高速鐵路測(cè)量的相關(guān)規(guī)定中已經(jīng)對(duì)于工程測(cè)量精度有所提及，相關(guān)規(guī)定對(duì)于工程測(cè)量的規(guī)定為：“高速鐵路自身運(yùn)行速度比較快，對(duì)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(cè)量精度水平”[1]。目前的測(cè)量方法還停留在傳統(tǒng)的人工手持卷尺測(cè)量及滾輪方式，需要多人配合且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且容易產(chǎn)生誤差[2]。基于此，就軌道鐵路工程測(cè)量技術(shù)展開研究，并就測(cè)量精度要求、主要測(cè)量內(nèi)容以及具體測(cè)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(cè)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(hào)設(shè)備種類、數(shù)量也同步增加。在高鐵新線建設(shè)、站場(chǎng)改造及每年的信號(hào)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(cè)量工作，需進(jìn)行距離測(cè)量、軌旁設(shè)備位置打點(diǎn)、距離校核等檢測(cè)。維修作業(yè)“天窗點(diǎn)”時(shí)限相對(duì)縮短，且鐵路沿線橋梁、隧道多，人工測(cè)量還不能自動(dòng)記錄，需要邊測(cè)量邊記錄，測(cè)量效率比較低，從而國家鐵路局對(duì)鐵路線路測(cè)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(hào)方面的專家共同探索提高目前鐵路線路精準(zhǔn)化測(cè)量和校準(zhǔn)效率的方案。

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

2 單軌測(cè)距儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原則

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

該測(cè)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(yùn)行時(shí)可以緊密貼合鋼軌，通過作業(yè)人員在軌道旁遙控控制，進(jìn)行加速＼減速、定時(shí)定點(diǎn)、自動(dòng)跟隨等操作，邊行駛邊自動(dòng)計(jì)數(shù)，測(cè)量結(jié)果可以導(dǎo)出數(shù)據(jù)表格并能長期存儲(chǔ)，提高了測(cè)量準(zhǔn)確性和工作效率，適用于各種鐵路線路測(cè)量要求。單軌測(cè)距儀采用便攜式模塊設(shè)計(jì)，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(qiáng)度。鋼軌上的單軌測(cè)距儀如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)架

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

2.2.1 控制層

單軌測(cè)距儀內(nèi)置核心處理器，通過藍(lán)牙遙控方式進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控，并通過單片機(jī)對(duì)電機(jī)的電壓進(jìn)行控制[6]，實(shí)現(xiàn)勻速運(yùn)行和加減速的操作。控制層的輸出端連接檢測(cè)層電動(dòng)輪轂的輸入端和驅(qū)動(dòng)層的顯示屏，用于對(duì)軌道輸出相位和旋轉(zhuǎn)角速度進(jìn)行檢測(cè)的距離測(cè)量、提供電源和用于控制檢測(cè)層的控制器。

2.2.2 檢測(cè)層

檢測(cè)層主要記錄單軌測(cè)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(cè)層的輸出端連接控制層的輸入端，包括用于單軌測(cè)距儀運(yùn)行的電動(dòng)輪轂、采集輸出相位及旋轉(zhuǎn)角速度信號(hào)參數(shù)信息的高精度編碼器測(cè)量輪[7]、輔助測(cè)量的輔助輪和對(duì)測(cè)距儀進(jìn)行導(dǎo)向的導(dǎo)向輪。檢測(cè)層系統(tǒng)架構(gòu)示意圖見圖3。

檢測(cè)層采用了超扁平驅(qū)動(dòng)輪轂及四個(gè)低阻尼導(dǎo)柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得單軌測(cè)距儀在底部電動(dòng)輪轂的帶動(dòng)下緊貼鋼軌表面平穩(wěn)運(yùn)行。運(yùn)行過程中內(nèi)置的處理器會(huì)對(duì)編碼器輸出的相位及旋轉(zhuǎn)角速度信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和計(jì)算得到行走距離，實(shí)現(xiàn)高精度的軌距測(cè)量，計(jì)算精度為0.001ｍ。測(cè)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(jìn)而對(duì)驅(qū)動(dòng)層進(jìn)行相應(yīng)的控制操作。

2.2.3 驅(qū)動(dòng)層

為了滿足工作強(qiáng)度和始長、蓄電池組的選擇和對(duì)平衡性的配重方案設(shè)計(jì)，單軌測(cè)距儀整體傳輸部分密閉一體，使轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞準(zhǔn)確并且保證了該測(cè)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(jī)箱上設(shè)置了觸摸顯示屏、USB數(shù)據(jù)接口、保險(xiǎn)絲座、照明警示、電源開關(guān)及狀態(tài)的指示燈。驅(qū)動(dòng)層系統(tǒng)架構(gòu)示意圖見圖4。

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

2.3 測(cè)量方式與特點(diǎn)

作業(yè)時(shí)將單軌測(cè)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(jī)按鍵啟動(dòng)測(cè)距儀。通過觸摸顯示屏選擇設(shè)置功能模式或進(jìn)行U盤參數(shù)設(shè)置，控制層根據(jù)設(shè)置模式驅(qū)動(dòng)輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。遙控器控制測(cè)距儀前進(jìn)、停止或后退。以高精度編碼器測(cè)量輪接觸軌面光帶運(yùn)算行走距離，并進(jìn)行顯示。

如設(shè)置距離檢測(cè)模式，輸入測(cè)量區(qū)間名稱，完成后點(diǎn)擊確認(rèn)則數(shù)據(jù)會(huì)記錄到U盤當(dāng)中（也可點(diǎn)擊跳過選擇放棄記錄這一信息），距離檢測(cè)模式下屏幕會(huì)顯示當(dāng)前行駛的距離總長，運(yùn)行速度和當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)（正在運(yùn)行或發(fā)送錯(cuò)誤提示）。如設(shè)置為定點(diǎn)模式，提前設(shè)定要測(cè)量的點(diǎn)位距離（可設(shè)置20個(gè)點(diǎn)位），控制層內(nèi)的核心處理器會(huì)不斷比較設(shè)定值和實(shí)時(shí)行走距離值，在快接近目標(biāo)距離時(shí)提前減速、剎車并語音提示，實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)打點(diǎn)的目的，能有效提高相關(guān)部門對(duì)鐵路固定設(shè)備位置分布的測(cè)量精度與校驗(yàn)效率。如設(shè)置為跟隨保護(hù)模式，即可進(jìn)入跟隨保護(hù)狀態(tài)，每過一定的距離單軌測(cè)距儀會(huì)發(fā)出語音警告“請(qǐng)確認(rèn)”，如在設(shè)定的范圍內(nèi)未進(jìn)行確認(rèn)，單軌測(cè)距儀會(huì)自動(dòng)停止，有效確保單軌測(cè)距儀不會(huì)遠(yuǎn)離使用者，確保作業(yè)安全。

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

測(cè)量完成后可對(duì)選擇測(cè)量到的點(diǎn)位類型和標(biāo)號(hào)進(jìn)行U盤數(shù)據(jù)記錄（記錄數(shù)據(jù)自動(dòng)生成excel表格）。必要時(shí)也可以在單根鋼軌上同時(shí)用兩臺(tái)單軌測(cè)距儀同時(shí)測(cè)量，以便準(zhǔn)確地測(cè)量出線路的長度。單軌測(cè)距儀具備高精度且自動(dòng)化的特點(diǎn)，對(duì)提高鋼軌長度測(cè)量的工作效率十分有利。

3 技術(shù)特點(diǎn)

3.1 測(cè)距儀器結(jié)構(gòu)可單軌道自動(dòng)運(yùn)行

以單根鋼軌為研究對(duì)象，深入研究軌面弧線，合理設(shè)計(jì)單軌測(cè)距儀的外部結(jié)構(gòu)。利用動(dòng)力獨(dú)輪懸掛及動(dòng)態(tài)３點(diǎn)平衡的設(shè)計(jì)方案，加上４個(gè)低阻尼導(dǎo)柱（導(dǎo)向輪）的獨(dú)特結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)單軌測(cè)距儀在單一軌道上平穩(wěn)運(yùn)行。在沿彎道行駛時(shí)也可以保證與鋼軌緊密貼合，不會(huì)產(chǎn)生跳動(dòng)和傾斜。電動(dòng)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(hào)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(zhǔn)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(qiáng)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(cè)長儀測(cè)量與攜帶都更加方便，測(cè)量數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定、更加準(zhǔn)確。

3.2 測(cè)量距離精準(zhǔn)

距離測(cè)量模塊由單軌測(cè)距儀底部測(cè)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(jì)的彈性壓力結(jié)構(gòu)使之運(yùn)行時(shí)可以緊密貼合鋼軌。編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生脈沖信號(hào)，再通過處理器對(duì)編碼器產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理分析[8-9]，由此計(jì)算出運(yùn)行的距離，同時(shí)會(huì)以每50 ms刷新一次的速度對(duì)測(cè)量到的距離、速度、運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的上傳顯示，實(shí)際測(cè)量誤差小于萬分之五。

3.3 具備語音輔助播報(bào)功能

單軌測(cè)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(shí)將單軌測(cè)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(bào)內(nèi)容包括：加速、減速操作、定時(shí)定點(diǎn)位置到達(dá)、公里行駛里程、作業(yè)時(shí)間等，并支持自定義語音播報(bào)參數(shù)設(shè)置[10]。

3.4 實(shí)現(xiàn)雙重防丟和硬件雙重防護(hù)

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

4 應(yīng)用情況

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

2023年4月20日起滬寧沿江高鐵正式進(jìn)入靜態(tài)驗(yàn)收階段，在沿江高鐵新動(dòng)向電訊中特意提到“驗(yàn)收過程中的高科技-單軌測(cè)距儀”。以前的測(cè)量方式，需要用卷尺進(jìn)行測(cè)量，占用兩個(gè)人工不說，測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)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(cè)量，一個(gè)人跟著它做好數(shù)據(jù)記錄就行。沿江車間主任認(rèn)為單軌測(cè)距儀明顯提高了作業(yè)效率，每天測(cè)量的里程得到顯著增長，測(cè)量精度符合要求。單軌測(cè)距儀現(xiàn)場(chǎng)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(cè)量要求。

5 結(jié)束語

隨著鐵路技術(shù)的不斷發(fā)展，各項(xiàng)新技術(shù)、新設(shè)備的不斷應(yīng)用，單軌測(cè)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(kuò)展性，最大限度滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需求。該測(cè)距儀操作簡單、便捷并設(shè)置多重提醒和保護(hù)，能在有限的作業(yè)時(shí)間內(nèi)完成對(duì)鐵路線路距離自動(dòng)高精度測(cè)量和高效率校準(zhǔn)工作，并可以對(duì)定點(diǎn)數(shù)據(jù)和測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫操作，自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)表格，保證了數(shù)據(jù)的真實(shí)性，滿足線路相關(guān)測(cè)量要求。單軌測(cè)距儀的投入使用可以改變傳統(tǒng)人工測(cè)量的模式，使今后的鋼軌長度測(cè)量變得更方便、準(zhǔn)確、快捷，能有效提升鐵路線路精準(zhǔn)化測(cè)量的技術(shù)水平，在鐵路運(yùn)營系統(tǒng)中具有良好的推廣前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳新煥.鐵路工程測(cè)量的發(fā)展與創(chuàng)新[C]//中國鐵道學(xué)會(huì)工程分會(huì)勘測(cè)技術(shù)專業(yè)委員會(huì).2006年鐵道勘測(cè)技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.鐵道第一勘察設(shè)計(jì)院線運(yùn)處，2006：2.

[2] 李兵兵.高速鐵路工程測(cè)量技術(shù)存在問題及解決措施[J].工程技術(shù)研究，2022，4（2）：115-116.

[3] 中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司.鐵路工程測(cè)量規(guī)范[M].中國鐵道出版社，2010.

[4] 趙偉，黃文勇，甘濱，等.一種用于測(cè)量鐵路鋼軌長度的輪式測(cè)距儀CN201922039443.2[P].2020-07-28.

[5] 黃偉.軌道式巡檢機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析[D].煙臺(tái)：煙臺(tái)大學(xué)，2022.

[6] 王曉明.電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

[7] 夏文明，文本超，劉自彩，等.編碼器測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量鋼軌長度的方法及鋼軌長度測(cè)量系統(tǒng)：CN201110427163.4 [P].2011-12-19.

[8] 鄧超.多傳感器定位在高速鐵路的應(yīng)用[J].鐵道通信信號(hào)， 2006（12）：28-30.

[9] 劉培頂，陳榮武.基于速度傳感器的測(cè)速定位算法研究[J].鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2016，25（2）：50-54.

[10] 莊培棟，馬國慶，丁群.語音播報(bào)測(cè)距系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].電測(cè)與儀表，2007，44（10）：40-43.

[11] 袁新娜，余紅英.超聲波傳感器在智能小車避障系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].綿陽師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，28（8）：39-42.