周永剛，李會勤，吳剛

(大連華銳重工集團股份有限公司，遼寧大連116052)

客運專線橋梁檢測小車的研制

周永剛，李會勤，吳剛

(大連華銳重工集團股份有限公司，遼寧大連116052)

研制了一種新型客運專線橋梁檢測小車，該小車針對客運專線整孔箱梁的特點，采用分區(qū)面檢查作業(yè)，通過專用軟件自動分析并處理視覺檢查系統(tǒng)所采集圖像數(shù)據(jù)的方法，來代替人工對橋梁底面的目視檢查。采用無線移動控制及遠程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)對客運專線橋梁檢測小車加以遠程和自動控制。本文介紹該小車工作原理、基本功能、結(jié)構(gòu)組成及技術(shù)參數(shù)，分析了該設(shè)備的特點，就如何推廣使用提出了建議。

客運專線 橋梁檢測 遠程控制 無線傳輸

1 概述

我國高速公路、鐵路的橋梁和城市高架橋數(shù)量巨大，其檢測維修作業(yè)日益繁重，傳統(tǒng)的檢修手段已經(jīng)不能滿足需要。市場對橋梁檢測車的需求逐年增加。國內(nèi)橋檢車的發(fā)展比較晚，大約2004年才開始開發(fā)和生產(chǎn)，而鐵路用橋檢車2006年才開始研制，主要部件大部分選用進口產(chǎn)品。

目前國內(nèi)外生產(chǎn)制造的橋檢車主要有兩種:拐臂吊籃式和升降回轉(zhuǎn)平臺式(圖1)。

圖1 2種主要橋檢車

這兩種都是大型車載的，其特點:①體積大、自重大、作業(yè)空間大;②造價高、運營及維護成本高、作業(yè)效率低;③在進行檢測作業(yè)時要封閉鐵路線路，影響列車的正常通行。鑒于此，有必要探索一些節(jié)能、環(huán)保、高效的橋梁檢測設(shè)備。客運專線橋梁檢測小車(以下簡稱橋檢小車)就是本著這一目的研發(fā)的。

橋檢小車與國內(nèi)外現(xiàn)有常規(guī)產(chǎn)品不同，利用客運專線的欄桿作為運行軌道，在客運專線欄桿外側(cè)運行，應(yīng)用視覺檢查系統(tǒng)、無線移動遠程控制系統(tǒng)及遠程數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，對橋梁病害具有自動識別功能。檢測時不妨礙列車的正常行駛，無需操作人員近距離監(jiān)控，也不用橋下人工檢查，能真正達到人機分離并可實現(xiàn)遠程控制。橋檢車采用蓄電池供電，在運行線路的不同區(qū)段設(shè)置駐車充電站，充電利用AC220 V電源，也可用風(fēng)電或太陽能發(fā)電對其進行充電。檢測小車具有體積小、重量輕、操作方便、自動化程度高的特點。操作控制方式可針對不同使用對象的要求實現(xiàn)無線遙控、遠程無線移動控制、無線局域網(wǎng)控制等。圖2為在試驗臺上的橋梁檢測小車。

圖2 試驗臺上的橋檢小車

2 客運專線橋梁檢測小車主要性能參數(shù)

客運專線橋梁檢測小車主要性能參數(shù)見表1。

表1 客運專線橋梁檢測小車主要性能參數(shù)

3 客運專線橋梁檢測小車系統(tǒng)組成

橋檢小車檢測體系主要包括橋檢小車、駐車充電站和監(jiān)控中心三部分。其中駐車充電站是能將各種可利用能源轉(zhuǎn)化成直流電并為橋檢小車充電，使橋檢小車在無人監(jiān)控的條件下能實現(xiàn)階段性自動檢測的能源供給系統(tǒng);監(jiān)控中心是對橋梁檢測小車發(fā)送控制指令、控制遠程數(shù)據(jù)的接收、分析橋檢小車遠程傳輸來的檢測數(shù)據(jù)及對接收數(shù)據(jù)的處理及初步識別的監(jiān)控系統(tǒng)。下面主要介紹橋檢小車，其由三部分組成:①系統(tǒng)的基本平臺;②檢查分析系統(tǒng);③遠程控制、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

3.1 基本平臺

基本平臺主要包括橋檢小車本體、電控系統(tǒng)、工業(yè)遙控系統(tǒng)、供電系統(tǒng)，主要是實現(xiàn)基本操作、反饋信息等功能。橋檢小車本體包括機架和各機構(gòu)，是各個系統(tǒng)安裝的載體和實現(xiàn)基本功能的機械構(gòu)造;電控系統(tǒng)不僅要完成橋檢小車的基本運動功能而且還要識別遠程控制指令并按相應(yīng)的指令對橋檢小車進行驅(qū)動，實現(xiàn)相應(yīng)的動作，包括PLC系統(tǒng)及各種電控元件;工業(yè)遙控系統(tǒng)是用無線遙控手操器對橋檢小車進行現(xiàn)場控制，可近距離對橋檢小車進行遙控;供電系統(tǒng)是接受駐車充電站能源，對自身能源進行補充的裝置?；静僮魇菢驒z小車的一些基本動作，如前進、后退、上升、下降、開始檢測、停止等。反饋信息是通過傳感器將橋檢小車的工作狀態(tài)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，使橋檢小車的工作處在受控的狀態(tài)下。

3.2 檢查分析系統(tǒng)

這一部分又分為視覺檢查和病害分析兩個子系統(tǒng)，其中視覺檢查系統(tǒng)利用高清相機對橋梁進行拍照，并將照片保存到存貯器中等待進一步處理。所拍照片不僅要清晰(能識別0.2 mm的橋梁裂紋)，而且還要附帶所拍照片的位置信息，以便于記錄、復(fù)檢及維護。病害分析系統(tǒng)是一個軟件系統(tǒng)，主要功能是分析存貯器或監(jiān)控中心的橋梁照片，識別并挑選出有病害的照片。

3.3 遠程控制及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

這一部分又分為遠程控制、數(shù)據(jù)傳輸、充電管理等子系統(tǒng)。遠程控制子系統(tǒng)利用無線移動網(wǎng)絡(luò)對橋檢小車發(fā)出控制指令并接收橋檢小車運行狀態(tài)信息的反饋，進而實現(xiàn)對橋檢小車的安全控制;數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)將橋檢小車采集的數(shù)據(jù)通過無線3G或4G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，以便對這些數(shù)據(jù)進行分析。

4 客運專線橋梁檢測小車結(jié)構(gòu)組成

橋檢小車的結(jié)構(gòu)主要由機架、運行機構(gòu)、升降機構(gòu)、俯仰機構(gòu)、電源、圖像采集裝置和安全防護裝置等組成。

1)機架。是各個系統(tǒng)、機構(gòu)安裝的載體。

2)運行機構(gòu)(圖3)。主要由車輪軸、軸承座、同步帶、同步帶輪、聯(lián)軸器、電動機、減速機、主動車輪、編碼器、車輪軸、被動車輪等組成。電動機通電工作，通過減速機、聯(lián)軸器、車輪軸將動力傳遞到同步帶輪及主動車輪上，使主動車輪作旋轉(zhuǎn)運動，再通過同步帶將動力傳遞到其它車輪，這樣使4個車輪都能產(chǎn)生驅(qū)動力。該機構(gòu)的優(yōu)點:①使小車在通過橋梁欄桿接頭間隙處時能平穩(wěn)運行;②同步帶傳動機構(gòu)使4個車輪都成為主動車輪，不僅提高了運行性能也使4個車輪保持同步轉(zhuǎn)動，避免因打滑、空轉(zhuǎn)等對車輪產(chǎn)生不必要的磨損，延長了使用壽命，而且使位置信息數(shù)據(jù)的采集更加精準(zhǔn)。

圖3 運行機構(gòu)簡圖

3)升降機構(gòu)(圖4)。主要由減速電機、聯(lián)軸器、固定支承、固定導(dǎo)筒、絲杠、螺帽、滑塊、絲杠、浮動支承、固定滑塊、升降臂等組成。減速電機通電工作，帶動聯(lián)軸器、絲杠旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動螺帽帶動升降臂、滑塊等在固定導(dǎo)筒內(nèi)的固定滑塊上滑動，完成上升、下降運動。固定支承與固定導(dǎo)筒聯(lián)接固定，浮動支承安裝在絲杠下端在升降臂內(nèi)滑動，安裝在升降臂上端的滑塊在固定導(dǎo)筒內(nèi)滑動。這樣既實現(xiàn)了上升與下降都能產(chǎn)生驅(qū)動力，又使升降機構(gòu)具有一定的剛性，能承受一定的側(cè)向力。

圖4 升降機構(gòu)簡圖

4)俯仰機構(gòu)。俯仰機構(gòu)功能是驅(qū)動圖象采集系統(tǒng)在垂直方向擺動，以適應(yīng)不同拍照方向的要求，來實現(xiàn)對橋梁全方位的檢查。

5)電源。橋檢小車的電源采用直流蓄電池供電，在橋梁的不同檢測區(qū)段設(shè)置駐車充電站，利用AC220 V電源、風(fēng)力發(fā)電或太陽能發(fā)電。當(dāng)橋檢小車運行電量不足時可到駐車充電站進行充電。

6)圖像采集裝置。圖象采集系統(tǒng)功能是將采集的橋梁照片保存到橋檢小車工控機存貯載體上。

7)安全防護裝置。這是對橋檢小車運行起保護作用的裝置，如錨定、防撞、安全監(jiān)控裝置等。

圖5 分區(qū)面檢測示意

5 客運專線橋梁檢測小車檢測基本原理及檢測過程

橋檢小車的檢測基本原理就是以拍照來代替人工目測的檢查，應(yīng)用以高清工業(yè)相機為核心的圖相采集裝置，對橋梁表面進行連續(xù)拍照。為確保照片與所檢測橋梁的具體位置相對應(yīng)，每張照片都與拍照的時間、拍照點的GPS及橋檢小車運行的位置信息綁定。拍照的時間間隔由專門的觸發(fā)模塊進行控制，運行一定距離進行觸發(fā)拍照，實現(xiàn)一邊運行一邊通過視覺檢查系統(tǒng)對橋梁底部或側(cè)面進行檢查。這些照片先保存在工控機中，然后通過遠程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將拍得的照片傳輸?shù)竭h端的監(jiān)控中心，在監(jiān)控中心用病害識別軟件對檢查現(xiàn)場傳來的大量圖像進行自動分析、處理，篩選出疑似病害的照片再由技術(shù)人員檢查、分析、比較并判斷出疑似病害的照片處是否真的為裂縫、龜裂、掉塊等病害，最后根據(jù)照片的位置信息人工現(xiàn)場逐點排查、確認并維護。在多次檢測擁有數(shù)據(jù)基礎(chǔ)后，還能實現(xiàn)對橋梁病害點的歷史、演變情況及惡化程度進行動態(tài)比較、分析與跟蹤。

檢測時根據(jù)客運專線整體箱梁的外形特點將其單側(cè)分成三個區(qū)面，即外沿面、側(cè)面及底面。橋檢小車通過升降機構(gòu)的升降及俯仰機構(gòu)的擺動來對不同區(qū)面予以檢測，對每一區(qū)面的檢測點都能自動定位(圖5)，每運行一次就能完成所經(jīng)線路一個區(qū)面的檢測，所以橋檢小車只要運行3次就能完成橋梁的單面檢測，整個橋梁的檢測要運行6次。為防止漏檢，照片要有一定的重合度。拍照時間由時控觸發(fā)模塊控制，所以可通過調(diào)整觸發(fā)模塊觸發(fā)間隔時間加以控制。若設(shè)定最大拍照距離為1.2 m，根據(jù)橋檢小車的運行參數(shù)可以計算出所需觸發(fā)間隔時間t=s/v=0.864 s。其中，s為最大拍照距離，v為橋檢車運行速度。這樣把觸發(fā)間隔時間設(shè)定為0.8 s即可。整個橋梁全面檢測速度為運行速度的1/6，約為830 m/h，比現(xiàn)有設(shè)備的檢測速度高出幾倍。

橋檢小車還有如人工遠程控制、確定目標(biāo)點檢測、單點復(fù)測、不同方向及視角檢測、人工觸發(fā)等功能，本文不詳細介紹。

6 客運專線橋梁檢測小車優(yōu)缺點及使用注意事項

與現(xiàn)有檢測設(shè)備相比較，橋檢小車優(yōu)點主要表現(xiàn)在:①有多種操作方式，能實現(xiàn)手動控制、手操線控、無線遙控、局域網(wǎng)控制及遠程無線控制等。②檢查作業(yè)不受列車是否通行及白天、黑夜的限制。③具有遠程控制與遠程數(shù)據(jù)傳輸功能，信息傳遞速度快并可斷點續(xù)傳，能真正實現(xiàn)現(xiàn)場作業(yè)無人化，克服了橋上、橋下需要分別配置人員并分組協(xié)同作業(yè)的情況，降低人工成本和安全隱患，隨著4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋面的增加，傳輸速度還會有大幅提升。④檢測速度快，與現(xiàn)有檢測設(shè)備相比工作效率提高近10倍。⑤結(jié)構(gòu)簡單、自重輕、工作效率高、造價低、節(jié)能、環(huán)保。

橋檢小車目前尚有待完善之處，在使用時要予以注意:①受蓄電池容量的制約，單次續(xù)航能力有限，目前穩(wěn)定檢測行程約為8 km，還有很大提升空間，對于長大橋梁線路需設(shè)置駐車充電站。②受客運專線的欄桿形式制約，目前僅適用于欄桿上平面平坦，可以作為運行軌道的客運專線。③大風(fēng)、雨雪天氣會影響檢測效果。設(shè)計工作風(fēng)速是5級，建議在4級風(fēng)以下工作。④在移動信號不好和3G、4G網(wǎng)絡(luò)沒有覆蓋的偏遠地區(qū)，橋檢小車會有遠程控制指令失靈、響應(yīng)遲緩及數(shù)據(jù)傳輸緩慢、不連續(xù)的現(xiàn)象。在這種狀態(tài)下，橋檢小車仍在繼續(xù)正常工作，檢測數(shù)據(jù)也不會丟失，待運行到有移動信號和網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域會自動恢復(fù)正常工作指令，數(shù)據(jù)傳輸有斷點續(xù)傳功能。

7 結(jié)語

橋檢小車白天和夜晚均可正常進行檢測作業(yè)，克服了現(xiàn)有橋梁檢查設(shè)備的缺點，是一種現(xiàn)場無人操作、能實現(xiàn)遠程操作監(jiān)控的橋梁檢測設(shè)備。其安裝在客運專線欄桿外側(cè)，以客運專線欄桿作為運行軌道，使客運專線橋梁檢測工作變得更簡單、方便、高效、快捷。在遠程控制和數(shù)據(jù)傳輸方面通過CDMA、GPRS、3G和4G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用既汲取了CDMA、GPRS網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性又充分利用了3G和4G網(wǎng)絡(luò)高速傳輸速度，同時也避免了因不同地域網(wǎng)絡(luò)分布、覆蓋不均而限制檢測小車的運行范圍，使橋檢小車的使用范圍達到最大化。所以該設(shè)備有極大的推廣價值。現(xiàn)在大部分客運專線的欄桿還不適合作為運行軌道，對于新建橋梁若按要求設(shè)計欄桿，就能正常使用橋檢小車。對于已建成的客運專線，需對現(xiàn)有欄桿進行改造。

［1］高春雷，王發(fā)燈.利用激光準(zhǔn)直技術(shù)檢測線路的長波不平順［J］.鐵道建筑，2009(1):81-85.

［2］魏世斌，劉伶萍.提速線路長波不平順檢測技術(shù)［J］.中國鐵道科學(xué)，2010，31(2):141-144.

［3］占棟，陳唐龍，于龍，等.DCL2-32連續(xù)式搗固車二維激光準(zhǔn)直系統(tǒng)的研究與設(shè)計［J］.鐵道建筑，2012(12):151-154.

［4］劉勝民.橋梁檢測車［J］.商用汽車，2003(9):44-45.

［5］倪振松，蔡曙日，李瑞華.一種無線傳感器監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計和研究［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2009(3):88-91.

［6］馮令甫，李淮.DQJ型純電動橋梁檢測車［J］.工程機械，2012，43(5):6-8.

［7］崔文毅，潘夏表.橋梁檢測車在橋梁檢測中的應(yīng)用［J］.筑路機械與施工機械化，2006，23(12):42-44.

［8］張效奎，劉偉，韓國梁，等.新型高速鐵路專用橋梁檢測車的設(shè)計方案［J］.機電工程，2012，29(2):151-154.

［9］張俊平，周建賓.橋梁檢測與維修加固［M］.北京:人民交通出版社，2006.

［10］段汝嬌.計算機視覺技術(shù)在鐵路檢測領(lǐng)域的應(yīng)用［J］.中國鐵路，2010(1):69-70.

［11］張繼文.國內(nèi)外之橋梁檢測車發(fā)展概述［J］.交通世界，2010(11):41-42.

［12］沈春林.鐵路橋梁檢測車防傾覆穩(wěn)定性校核［J］.鐵道建筑，2009(1):46-49.

(責(zé)任審編李付軍)

U446.2

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.02.07

1003-1995(2015)02-0025-04

2014-07-08;

2014-09-13

周永剛(1970—)，男，黑龍江樺南人，高級工程師。