許國(guó)平， 林超，2

（1. 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063；2. 鐵路軌道安全服役湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430063）

0 引言

CRTSⅡ型板式無砟軌道應(yīng)用于京津、京滬、滬杭、寧杭、杭甬、杭長(zhǎng)等10 多條高速鐵路，正線總延展里程約1 萬km。CRTSⅡ型板式無砟軌道總體使用情況良好，但在溫度、列車荷載等綜合作用下，隨著線路運(yùn)營(yíng)時(shí)間延長(zhǎng)，局部地段砂漿層出現(xiàn)離縫［1-3］，影響軌道結(jié)構(gòu)整體性、穩(wěn)定性、平順性，給線路正常運(yùn)營(yíng)帶來安全隱患。

目前，高鐵工務(wù)部門對(duì)CRTSⅡ型板式無砟軌道砂漿層離縫檢測(cè)，主要采用人工巡檢方式。這種方式消耗大量人力，漏檢率較高，精度較低。雖然近年來國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究單位提出采用超聲導(dǎo)波［4-5］、沖擊回波［6］、地質(zhì)雷達(dá)［7］、動(dòng)檢數(shù)據(jù)分析［8］等檢測(cè)方法，但檢測(cè)效果仍無法滿足現(xiàn)場(chǎng)大范圍使用的要求。

離縫檢測(cè)存在普遍問題，研發(fā)針對(duì)CRTSⅡ型板式無砟軌道砂漿層離縫檢測(cè)的智能小車，實(shí)現(xiàn)天窗時(shí)間高效率、高精度識(shí)別離縫，可為高速鐵路的安全運(yùn)營(yíng)提供技術(shù)保障。

1 檢測(cè)主要技術(shù)難點(diǎn)

CRTSⅡ型板式無砟軌道砂漿層離縫檢測(cè)存在一些技術(shù)難點(diǎn)。

1.1 離縫檢測(cè)精度要求高

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及統(tǒng)計(jì)［9］，CRTSⅡ型板式無砟軌道砂漿層離縫值一般為1～3 mm，現(xiàn)場(chǎng)需要識(shí)別1 mm以上的離縫，因此要求離縫檢測(cè)精度≤0.5 mm。

1.2 離縫狀態(tài)復(fù)雜多樣，位置具有隨機(jī)性

高速鐵路穿越不同的氣候帶，存在路基、橋梁、隧道等復(fù)雜線下基礎(chǔ)，在列車、溫度荷載等外界因素作用下，不同區(qū)域的砂漿層離縫狀態(tài)及發(fā)生、發(fā)展規(guī)律各不相同，導(dǎo)致離縫出現(xiàn)的位置具有隨機(jī)性，要求檢測(cè)方法可適用于全線各種狀態(tài)的離縫檢測(cè)。

1.3 部分離縫與裂紋、混凝土掉塊的區(qū)分難度大

砂漿層離縫附近往往伴隨有裂紋或混凝土掉塊。以圖像識(shí)別法為例，針對(duì)固定位置離縫識(shí)別精度可達(dá)0.1 mm［10］，但識(shí)別過程中會(huì)誤把軌道板側(cè)面的裂紋、混凝土掉塊等當(dāng)作是離縫，區(qū)分難度大，造成誤測(cè)，因此需要人工介入，降低了識(shí)別效率。

2 功能及技術(shù)指標(biāo)要求

2.1 功能要求

根據(jù)CRTSⅡ型板式無砟軌道離縫檢測(cè)存在的技術(shù)難點(diǎn)，要求離縫智能檢測(cè)小車滿足以下功能需求：

（1）離縫智能檢測(cè)小車依靠人力推動(dòng)前進(jìn)。在線路檢測(cè)前，可將待測(cè)線路的軌道數(shù)據(jù)（軌道板編號(hào)及對(duì)應(yīng)里程）輸入至小車數(shù)據(jù)庫(kù)。小車具備定位功能，在移動(dòng)檢測(cè)過程中根據(jù)定位信號(hào)自動(dòng)獲取當(dāng)前位置的軌道板編號(hào)和對(duì)應(yīng)里程，將離縫檢測(cè)結(jié)果在數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)與軌道板編號(hào)和里程對(duì)應(yīng)。

（2）與路基地段相比，橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道存在側(cè)向擋塊，因此離縫智能檢測(cè)小車在移動(dòng)檢測(cè)過程中需要對(duì)側(cè)向擋塊自動(dòng)進(jìn)行避讓。

（3）離縫智能檢測(cè)小車用戶界面要實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前線路位置的軌道板編號(hào)和離縫值，當(dāng)離縫值超過預(yù)警門限值時(shí)，需實(shí)時(shí)進(jìn)行報(bào)警。檢測(cè)完成后，數(shù)據(jù)通過4G 網(wǎng)絡(luò)上傳至云服務(wù)端，同時(shí)在本地直接生成統(tǒng)計(jì)報(bào)表。

2.2 技術(shù)指標(biāo)要求

離縫智能檢測(cè)小車需要滿足以下主要技術(shù)指標(biāo)：

（1）測(cè)量精度：≤0.5 mm；

（2）測(cè)量速度：≥3 km/h；

（3）測(cè)量點(diǎn)數(shù)：≥8個(gè)/每塊軌道板；

（4）定位誤差：≤±50 cm/km；

（5）連續(xù)工作時(shí)間：≥6 h；

（6）適用氣候條件：滿足雨天、雪天和大風(fēng)天氣的正常使用。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 總體結(jié)構(gòu)

高速鐵路無砟軌道離縫智能檢測(cè)小車結(jié)構(gòu)示意見圖1。主要包括小車車架（1#）、控制系統(tǒng)（2#）、檢測(cè)系統(tǒng)（3#）、升降系統(tǒng)（4#）、定位系統(tǒng)（5#）和顯示系統(tǒng)（6#）。

圖1 離縫智能檢測(cè)小車結(jié)構(gòu)示意圖

小車通過人力推動(dòng)前進(jìn)。檢測(cè)系統(tǒng)安裝在升降系統(tǒng)上，對(duì)軌道砂漿層離縫狀態(tài)（離縫寬度和深度）進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。控制系統(tǒng)控制升降系統(tǒng)對(duì)側(cè)向擋塊等障礙物進(jìn)行躲避，同時(shí)將檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)反應(yīng)至顯示系統(tǒng)。定位系統(tǒng)進(jìn)行小車?yán)锍潭ㄎ?。小車各系統(tǒng)間可組裝和拆解，運(yùn)輸攜帶方便。

3.2 升降系統(tǒng)和檢測(cè)系統(tǒng)

升降系統(tǒng)（4#）（見圖2）由滑臺(tái)（7#）、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊（8#）、支架（9#）等部件組成，主要控制檢測(cè)系統(tǒng)（3#）避開線路上側(cè)向擋塊等障礙物。

圖2 升降系統(tǒng)（4#）結(jié)構(gòu)組成示意圖

檢測(cè)系統(tǒng)（3#）（見圖3）安裝在支架上，由前端位移傳感器（3-1#）、激光輪廓儀（3-2#）及高度位移傳感器（3-3#）等部件組成，激光輪廓儀測(cè)量距離為152～248 mm，測(cè)量精度為±96 μm。檢測(cè)系統(tǒng)在行進(jìn)路線上出現(xiàn)側(cè)向擋塊等障礙物時(shí)，前端位移傳感器識(shí)別障礙物距離。當(dāng)檢測(cè)系統(tǒng)與障礙物距離≤65 cm 時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊帶動(dòng)支架在滑臺(tái)內(nèi)向上抬升，同時(shí)高度位移傳感器識(shí)別與障礙物的垂向距離；當(dāng)小車通過障礙物后，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊帶動(dòng)支架在滑臺(tái)內(nèi)向下回到預(yù)設(shè)測(cè)量位置；當(dāng)線路上不存在側(cè)向擋塊等障礙物時(shí)（例如在路基地段），升降系統(tǒng)位置固定不變。

圖3 檢測(cè)系統(tǒng)（3#）結(jié)構(gòu)組成示意圖

3.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)（2#）由高性能工控機(jī)和供電模塊組成。

工控機(jī)作為本系統(tǒng)的輸入、輸出控制中心，采用寬電源輸入，能夠?qū)崟r(shí)定位及傳輸數(shù)據(jù)，控制伺服電機(jī)和各類傳感器。

供電模塊由高容量鋰電池和電壓轉(zhuǎn)換模塊組成，能夠滿足小車在線6 h以上的工作需求。

3.4 定位系統(tǒng)

定位系統(tǒng)（5#）旋轉(zhuǎn)編碼器與車體車輪軸連接，通過檢測(cè)小車的移動(dòng)速度，對(duì)應(yīng)換算成車體行進(jìn)里程。在檢測(cè)開始前輸入起始里程和軌道板編號(hào)，并將待測(cè)線路的軌道數(shù)據(jù)（軌道板編號(hào)及對(duì)應(yīng)里程）輸入至小車數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)便可實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道板離縫檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確定位。

4 軟件設(shè)計(jì)

高速鐵路無砟軌道離縫智能檢測(cè)小車按工作層級(jí)分為上位機(jī)軟件和嵌入式軟件2個(gè)部分，上位機(jī)軟件負(fù)責(zé)提供人機(jī)交互的圖形用戶接口，嵌入式軟件負(fù)責(zé)小車運(yùn)行和檢測(cè)的底層邏輯功能實(shí)現(xiàn)。

4.1 嵌入式軟件

嵌入式軟件作為離縫智能檢測(cè)小車底層控制單元，其控制邏輯關(guān)系（見圖4）描述如下：

（1）設(shè)備開機(jī)后首先進(jìn)行自檢，若設(shè)備異常，則提示相關(guān)的故障信息；

（2）自檢結(jié)果正常后，人工推動(dòng)小車在軌道上前進(jìn)，離縫數(shù)據(jù)采集模塊自動(dòng)采集無砟軌道層間離縫數(shù)據(jù)，行進(jìn)里程模塊記錄走行距離，通過單塊軌道板長(zhǎng)度與行進(jìn)里程計(jì)算經(jīng)過的軌道板數(shù)量；

（3）通過小車檢測(cè)記錄起點(diǎn)對(duì)應(yīng)的軌道板編號(hào)以及經(jīng)過的軌道板數(shù)量計(jì)算各行進(jìn)里程對(duì)應(yīng)的軌道板編號(hào)，實(shí)現(xiàn)離縫數(shù)據(jù)在存入數(shù)據(jù)庫(kù)的過程中與線路里程和軌道板編號(hào)對(duì)應(yīng)；

圖4 離縫智能檢測(cè)小車控制邏輯關(guān)系示意圖

（4）當(dāng)檢測(cè)到前方有側(cè)向擋塊等障礙物時(shí)，控制系統(tǒng)通過電機(jī)抬升檢測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)完成避障。

4.2 上位機(jī)軟件

離縫智能檢測(cè)小車識(shí)別離縫采用深度搜索特征值算法：通過計(jì)算識(shí)別出離縫寬度方向的起、終點(diǎn)坐標(biāo)，離縫深度方向的最高、最低點(diǎn)坐標(biāo)，由此計(jì)算出離縫的寬度和深度。由于激光測(cè)量?jī)x在測(cè)量離縫深度時(shí)能識(shí)別出的最大值為96 mm，因此離縫深度的測(cè)量主要用于輔助判斷該條裂縫是否是離縫，從而實(shí)現(xiàn)離縫與裂紋、混凝土掉塊的區(qū)分。軟件系統(tǒng)中默認(rèn)離縫深度≥20 mm 進(jìn)行離縫寬度數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)。離縫智能檢測(cè)水平測(cè)量原理見圖5。

圖5 離縫智能檢測(cè)小車測(cè)量原理

離縫智能檢測(cè)小車的人機(jī)交互界面見圖6。檢測(cè)開始前，點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)輸入”按鈕導(dǎo)入待測(cè)線路的軌道數(shù)據(jù)（軌道板編號(hào)及對(duì)應(yīng)里程），點(diǎn)擊“初始設(shè)置”按鈕輸入采集頻率、離縫現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)預(yù)警值、起始位置對(duì)應(yīng)里程和軌道板編號(hào)等。檢測(cè)過程中操作界面上可實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)位置離縫的寬度和深度、檢測(cè)位置對(duì)應(yīng)的里程和軌道板編號(hào)、小車運(yùn)行狀態(tài)等。線上檢測(cè)完成后點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)查詢”按鈕可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的查詢和下載，同時(shí)自動(dòng)生成檢測(cè)報(bào)表。

圖6 離縫檢測(cè)小車人機(jī)交互界面

5 室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為驗(yàn)證高速鐵路無砟軌道離縫智能檢測(cè)小車的檢測(cè)精度及速度，分別進(jìn)行了室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

5.1 室內(nèi)試驗(yàn)

2019 年12 月10 日，利用室內(nèi)搭建的CRTSⅡ型軌道板試驗(yàn)段對(duì)離縫智能檢測(cè)小車的檢測(cè)精度進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)共設(shè)置10 個(gè)離縫檢測(cè)點(diǎn)，通過對(duì)比小車和人工檢測(cè)結(jié)果，評(píng)價(jià)小車的檢測(cè)精度。精度檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表1，從表中可以看出，小車檢測(cè)精度為±0.1 mm，滿足檢測(cè)小車研發(fā)要求，第三方校準(zhǔn)證書見圖7。

圖7 第三方校準(zhǔn)證書

5.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2019 年12 月14 日，在某高鐵線路無砟軌道K1173—K1179 區(qū)段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，在保證檢測(cè)準(zhǔn)確度（準(zhǔn)確率≥90%）前提下，測(cè)試離縫智能檢測(cè)小車在軌道上的推行速度?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明，橋梁地段小車推行速度為4.0 km/h、路基地段小車推行速度為5.5 km/h時(shí)，移動(dòng)檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度滿足要求?，F(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)離縫檢測(cè)小車的測(cè)試結(jié)果（見圖8）。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)離縫檢測(cè)小車的測(cè)試結(jié)果

利用離縫智能檢測(cè)小車對(duì)現(xiàn)場(chǎng)1 km 范圍內(nèi)的軌道板離縫寬度進(jìn)行檢測(cè)，軌道板離縫值統(tǒng)計(jì)分布見圖9。

基于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的軌道板離縫值統(tǒng)計(jì)，對(duì)軌道板服役狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)：

（1）現(xiàn)場(chǎng)88%的軌道板服役狀態(tài)良好；

（2）對(duì)于2 mm≤軌道板離縫值＜3 mm 的軌道板（約占9%），在日常養(yǎng)護(hù)維修中要加強(qiáng)觀測(cè)，密切注意軌道板離縫發(fā)展情況；

圖9 軌道板離縫值統(tǒng)計(jì)分布

（3）對(duì)于軌道板離縫值≥3 mm的軌道板（約占3%，最大離縫值3.1 mm），可在設(shè)計(jì)規(guī)定溫度范圍內(nèi)進(jìn)行注漿修補(bǔ)。

6 結(jié)束語

針對(duì)CRTSⅡ型板式無砟軌道砂漿層離縫檢測(cè)存在的普遍問題，提出基于激光掃描技術(shù)的非接觸式識(shí)別方法，研制高速鐵路無砟軌道離縫智能檢測(cè)小車，實(shí)現(xiàn)了離縫寬度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、側(cè)向擋塊自動(dòng)避障、檢測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳、檢測(cè)報(bào)表自動(dòng)生成等功能。

室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果表明，小車離縫值檢測(cè)精度達(dá)到±0.1 mm，橋梁地段檢測(cè)速度達(dá)到4.0 km/h，路基地段檢測(cè)速度達(dá)到5.5 km/h，實(shí)現(xiàn)天窗時(shí)間離縫高效率、高精度的檢測(cè)目標(biāo)，可為鐵路工務(wù)部門的日常檢測(cè)工作提供可靠的技術(shù)保障。