摘 要：鐵路線路鋼軌長度的測量數據對于工務、電務及車站等系統(tǒng)在鐵路運營生產實際中起著重要的作用。區(qū)段長度的劃分、補償電容（應答器）等固定設備的位置分布、軌道參數的標調，直接影響軌道電路設備的安全與穩(wěn)定。施工單位在工程建設中需要確定軌道閉塞分區(qū)的長度、補償電容（應答器）的安裝位置分布等內容，設備開通后電務部門還需要對這些數據進行定期復核。這些工作以往都是采用傳統(tǒng)人工手持卷尺或手推測距輪的方式進行測量，需要多人配合，費時費力，且容易產生較大誤差。針對于此，研制鐵路單軌道智能測距儀（后文簡稱單軌測距儀）。重點描述單軌測距儀的設計原理、結構組成、模塊功能及在高速鐵路的應用情況等，結合高效率、高精度、智能化的特點，提出對提高目前鐵路線路精準化測量和校準效率的解決方案。

關鍵詞：鐵路工程；軌道線路；無線傳輸；自動走行；檢測工具；語音輔助；測量技術

中圖分類號：U283.5" " " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼：A" " " " " " " " " " " " " " " " " 文章編號：2096-6903（2024）10-0073-03

0 引言

為了確保軌道鐵路運行的平穩(wěn)性、安全性以及乘客的舒適性，在軌道鐵路工程實際施工之前，應當完成一系列測量工作。關于高速鐵路測量的相關規(guī)定中已經對于工程測量精度有所提及，相關規(guī)定對于工程測量的規(guī)定為：“高速鐵路自身運行速度比較快，對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量精度水平”[1]。目前的測量方法還停留在傳統(tǒng)的人工手持卷尺測量及滾輪方式，需要多人配合且費時費力，且容易產生誤差[2]?；诖耍蛙壍黎F路工程測量技術展開研究，并就測量精度要求、主要測量內容以及具體測量方法展開論述，為軌道鐵路工程建設提供參考。

1 單軌測距儀需求分析

近年來，杭州電務段管內營業(yè)線里程逐年增長，鐵路信號設備種類、數量也同步增加。在高鐵新線建設、站場改造及每年的信號設備秋季鑒定，施工及電務部門都有大量軌道長度的測量工作，需進行距離測量、軌旁設備位置打點、距離校核等檢測。維修作業(yè)“天窗點”時限相對縮短，且鐵路沿線橋梁、隧道多，人工測量還不能自動記錄，需要邊測量邊記錄，測量效率比較低，從而國家鐵路局對鐵路線路測量工作提出了更高的要求[3]。因此，杭州電務段組織鐵路信號方面的專家共同探索提高目前鐵路線路精準化測量和校準效率的方案。

測量模式的水平直接決定了測量工作的效率，影響了測量結果的精度，現在的鋼軌測量作業(yè)中，問題主要是體現在測量方式費時費力、測量精度有較大誤差、測量資料處理不當等方面。要想提高工程測量精度和效率，就必須優(yōu)化現有的測量模式，通過科學合理的手段，簡化測量環(huán)節(jié)，提高測量工作的規(guī)范性，提高測量質量，保證測量作業(yè)順利進行，單軌測距儀研究與應用可以很好地解決這一問題。

2 單軌測距儀系統(tǒng)設計

2.1 設計原則

鐵路工程的測量精度是工程中的重要內容，良好的測量精度可以有效地保證鐵路設計、施工、運營等多個環(huán)節(jié)的工作[4]。通過對國內外及路內外現有測量技術、測量工具及測量方法的調研、比較、分析和論證，測量方式決定采用輪式結構、帶測量輪和導向輪且能自動走行的單軌測距儀。

該測距儀采用高精度的編碼器和特制金屬套組成的滾輪，搭配彈性的壓力結構使之運行時可以緊密貼合鋼軌，通過作業(yè)人員在軌道旁遙控控制，進行加速＼減速、定時定點、自動跟隨等操作，邊行駛邊自動計數，測量結果可以導出數據表格并能長期存儲，提高了測量準確性和工作效率，適用于各種鐵路線路測量要求。單軌測距儀采用便攜式模塊設計，結構輕巧，作業(yè)人員攜帶非常方便，大大降低了工作疲勞強度。鋼軌上的單軌測距儀如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)構架

單軌測距儀根據鋼軌軌道線路特點及測量方便性考慮，由控制層、檢測層、驅動層3部分組成[5]。單軌測距儀系統(tǒng)架構如圖2所示。

2.2.1 控制層

單軌測距儀內置核心處理器，通過藍牙遙控方式進行遠程遙控，并通過單片機對電機的電壓進行控制[6]，實現勻速運行和加減速的操作?？刂茖拥妮敵龆诉B接檢測層電動輪轂的輸入端和驅動層的顯示屏，用于對軌道輸出相位和旋轉角速度進行檢測的距離測量、提供電源和用于控制檢測層的控制器。

2.2.2 檢測層

檢測層主要記錄單軌測距儀行駛里程、U盤導入的數據、行駛過程中的各情況狀態(tài)。檢測層的輸出端連接控制層的輸入端，包括用于單軌測距儀運行的電動輪轂、采集輸出相位及旋轉角速度信號參數信息的高精度編碼器測量輪[7]、輔助測量的輔助輪和對測距儀進行導向的導向輪。檢測層系統(tǒng)架構示意圖見圖3。

檢測層采用了超扁平驅動輪轂及四個低阻尼導柱結構設計，使得單軌測距儀在底部電動輪轂的帶動下緊貼鋼軌表面平穩(wěn)運行。運行過程中內置的處理器會對編碼器輸出的相位及旋轉角速度信號進行數據分析和計算得到行走距離，實現高精度的軌距測量，計算精度為0.001ｍ。測量的數據發(fā)送給控制層的STM32ZET6主控板，通過主控板分析處理，進而對驅動層進行相應的控制操作。

2.2.3 驅動層

為了滿足工作強度和始長、蓄電池組的選擇和對平衡性的配重方案設計，單軌測距儀整體傳輸部分密閉一體，使轉動傳遞準確并且保證了該測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、風等天氣條件的影響。在金屬機箱上設置了觸摸顯示屏、USB數據接口、保險絲座、照明警示、電源開關及狀態(tài)的指示燈。驅動層系統(tǒng)架構示意圖見圖4。

金屬機箱內置電源模塊，保證單軌測距儀連續(xù)10 h的作業(yè)時間。單軌測距儀將檢測到的信息實時顯示在顯示屏幕上，并能通過U盤進行文檔待測數據的導出和測量數據的導入，便于作業(yè)人員觀察與操作，提高測量的效率。

2.3 測量方式與特點

作業(yè)時將單軌測距儀放置在單根鋼軌上，使導向輪卡住軌面兩側，按下開機按鍵啟動測距儀。通過觸摸顯示屏選擇設置功能模式或進行U盤參數設置，控制層根據設置模式驅動輪轂電機轉動，進入運行狀態(tài)。遙控器控制測距儀前進、停止或后退。以高精度編碼器測量輪接觸軌面光帶運算行走距離，并進行顯示。

如設置距離檢測模式，輸入測量區(qū)間名稱，完成后點擊確認則數據會記錄到U盤當中（也可點擊跳過選擇放棄記錄這一信息），距離檢測模式下屏幕會顯示當前行駛的距離總長，運行速度和當前的運行狀態(tài)（正在運行或發(fā)送錯誤提示）。如設置為定點模式，提前設定要測量的點位距離（可設置20個點位），控制層內的核心處理器會不斷比較設定值和實時行走距離值，在快接近目標距離時提前減速、剎車并語音提示，實現定點打點的目的，能有效提高相關部門對鐵路固定設備位置分布的測量精度與校驗效率。如設置為跟隨保護模式，即可進入跟隨保護狀態(tài)，每過一定的距離單軌測距儀會發(fā)出語音警告“請確認”，如在設定的范圍內未進行確認，單軌測距儀會自動停止，有效確保單軌測距儀不會遠離使用者，確保作業(yè)安全。

單軌測距儀的運行速度可通過藍牙遙控調控（設定的運行速度變化± 0.3 km/h），確保運行速度與作業(yè)人員步行速度同步，以很好地實現距離的自動測量。在測量過程中，如遇到軌道有車通過或其他情況須暫停測量時，按下藍牙遙控器暫停測量，待重新開始測量時，遙控器重新啟動單軌測距儀，接著前次測量繼續(xù)測量，保證數據連續(xù)準確。

測量完成后可對選擇測量到的點位類型和標號進行U盤數據記錄（記錄數據自動生成excel表格）。必要時也可以在單根鋼軌上同時用兩臺單軌測距儀同時測量，以便準確地測量出線路的長度。單軌測距儀具備高精度且自動化的特點，對提高鋼軌長度測量的工作效率十分有利。

3 技術特點

3.1 測距儀器結構可單軌道自動運行

以單根鋼軌為研究對象，深入研究軌面弧線，合理設計單軌測距儀的外部結構。利用動力獨輪懸掛及動態(tài)３點平衡的設計方案，加上４個低阻尼導柱（導向輪）的獨特結構設計，實現單軌測距儀在單一軌道上平穩(wěn)運行。在沿彎道行駛時也可以保證與鋼軌緊密貼合，不會產生跳動和傾斜。電動輪轂、輔助輪和導向輪的輪寬和輪高比例適宜，能適用各種型號鋼軌。輪的型式結構能適應直軌及彎軌、道岔等各種軌道條件，導向準確。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構，強度和韌性都能適應鋼軌的要求。通過以上部分的合理組合，使軌道測長儀測量與攜帶都更加方便，測量數據更加穩(wěn)定、更加準確。

3.2 測量距離精準

距離測量模塊由單軌測距儀底部測量輪搭配高精度的編碼器和特制的金屬套滾輪組成，專利設計的彈性壓力結構使之運行時可以緊密貼合鋼軌。編碼器轉動的時候會產生脈沖信號，再通過處理器對編碼器產生的脈沖個數進行數據的處理分析[8-9]，由此計算出運行的距離，同時會以每50 ms刷新一次的速度對測量到的距離、速度、運行狀態(tài)等數據進行實時的上傳顯示，實際測量誤差小于萬分之五。

3.3 具備語音輔助播報功能

單軌測距儀內置語音轉換和功放模塊，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將單軌測距儀作業(yè)狀態(tài)信息傳遞給作業(yè)人員，提高工作效率。語音輔助播報內容包括：加速、減速操作、定時定點位置到達、公里行駛里程、作業(yè)時間等，并支持自定義語音播報參數設置[10]。

3.4 實現雙重防丟和硬件雙重防護

單軌測距儀可以通過觸摸顯示屏的控制面板進行安全防護參數設置。默認處于跟隨保護狀態(tài)下，每過100 m或1 min測距儀會發(fā)出語音警告“請確認”，如在之后20 m的范圍內未進行確認，單軌測距儀會自動停止，防止測距儀在不經意間行駛過遠而未被發(fā)現。單軌測距儀利用超聲波傳感器檢測道路上的障礙[11]，當檢測到前方有障礙物時核心處理器就發(fā)出指令讓單軌測距儀剎車降速，直到停止運行，從而達到利用對單軌測距儀智能控制自動避障的目的。

4 應用情況

單軌測距儀的投入使用可使現場信號測量效率得到較大提升，單次作業(yè)測量長度顯著增加，有效提高了現場作業(yè)效率，在2023年獲得了“上海鐵路局科學技術進步三等獎”。

2023年4月20日起滬寧沿江高鐵正式進入靜態(tài)驗收階段，在沿江高鐵新動向電訊中特意提到“驗收過程中的高科技-單軌測距儀”。以前的測量方式，需要用卷尺進行測量，占用兩個人工不說，測試數據準確度也不高，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量，一個人跟著它做好數據記錄就行。沿江車間主任認為單軌測距儀明顯提高了作業(yè)效率，每天測量的里程得到顯著增長，測量精度符合要求。單軌測距儀現場應用見圖5。

2023年11月在徐州、合肥、南京、上海電務段、上海高鐵基礎設施段推廣應用，效果良好，滿足線路基軌道電路相關測量要求。

5 結束語

隨著鐵路技術的不斷發(fā)展，各項新技術、新設備的不斷應用，單軌測距儀在設備、元器件選型方面需充分考慮穩(wěn)定性和可擴展性，最大限度滿足現場應用需求。該測距儀操作簡單、便捷并設置多重提醒和保護，能在有限的作業(yè)時間內完成對鐵路線路距離自動高精度測量和高效率校準工作，并可以對定點數據和測量數據進行讀寫操作，自動生成對應表格，保證了數據的真實性，滿足線路相關測量要求。單軌測距儀的投入使用可以改變傳統(tǒng)人工測量的模式，使今后的鋼軌長度測量變得更方便、準確、快捷，能有效提升鐵路線路精準化測量的技術水平，在鐵路運營系統(tǒng)中具有良好的推廣前景。

參考文獻

[1] 陳新煥.鐵路工程測量的發(fā)展與創(chuàng)新[C]//中國鐵道學會工程分會勘測技術專業(yè)委員會.2006年鐵道勘測技術學術會議論文集.鐵道第一勘察設計院線運處，2006：2.

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

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

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

[5] 黃偉.軌道式巡檢機器人機械結構設計與仿真分析[D].煙臺：煙臺大學，2022.

[6] 王曉明.電動機的單片機控制[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002.

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

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

[9] 劉培頂，陳榮武.基于速度傳感器的測速定位算法研究[J].鐵路計算機應用，2016，25（2）：50-54.

[10] 莊培棟，馬國慶，丁群.語音播報測距系統(tǒng)的研究與應用[J].電測與儀表，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)中的應用[J].綿陽師范學院學報，2009，28（8）：39-42.