自動駕駛技術在運梁過隧道施工中的應用

摘要：文章依托西寶陳倉項目，論述了自動駕駛技術在運梁車運梁過程中的必要性和可行性，并重點論述了自動駕駛系統的技術先進性。該技術成果為高速鐵路建設相關的類似作業工況提供了切實可行的技術方案。

關鍵詞：自動駕駛；運梁車；過隧道過程

中圖分類號：U455 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）15-0064-02

根據目前國內的高速鐵路向西延伸，過隧道后架梁工況已日趨普及，過隧道架梁的箱梁架設的施工作業中，運送900t箱梁通過隧道是首要解決的關鍵問題，目前國內市場上的絕大部分運梁車均不能滿足運梁900t箱梁過隧道的要求（只有最近針對運梁過隧道生產的運梁車可以滿足過隧道要求），即使在隧道設計施工過程中進行一定的施工處理，在理論上運梁車可在最低狀態運送箱梁通過隧道，且運送箱梁過程中箱梁兩側離隧道內壁的間距極小，人工駕駛模式根本不能保證運梁過隧道過程中不對箱梁和隧道內壁造成損壞。根據所能查到的資料顯示，目前還沒有哪家施工生產單位針對運梁過隧道這一特殊工況有過成功的實踐經驗。設計研究運梁車過隧道自動駕駛技術可從根本上解決運梁車運送900t箱梁過隧道的技術難題。

1 運梁車運梁過小村隧道狀態分析

1.1 施工現場環境

運梁車為中鐵武橋重工生產的型號為MBEC900t的運梁車，其運行最低平臺高度為3.10m。

小村隧道，隧道全長903m，凈空最大寬度13.3m，最大高度9.6m，考慮運梁要求，路面往下開挖了80cm，理論最大高度為10.40m。隧道位于R-8000m圓曲線上，洞內縱坡為11‰和3‰的人字坡。

預制箱梁尺寸：長32m，寬12m，高3.05m。

1.2 狀態分析

由于運梁車運梁至隧道進口前需經過5個路基段，隧道后需經過3個路基段，考慮到路基段與橋臺之間存在一定的高差，為保障運梁時的安全，運梁車在中位狀態下運梁至隧道口，在隧道口調整運梁車至最低位狀態（保證油缸有不少于5cm的行程），運梁車在低位狀態運梁通過小村隧道，在小村隧道出口處，將運梁車調整至中位狀態，運梁車在中位狀態運梁至架橋機。

運梁車在空載調整至中位狀態時，運梁車臺車頂面離運梁車行走地面的距離為3300mm，油缸伸出量為150mm。此時，運梁車離地面間隙為700mm。

運梁車在中位狀態裝梁以后，運梁車臺車頂面離地距離變為3200mm，變化量為100mm。其一是油缸變形量為30mm（油缸伸出量為120mm），則運梁車臺車頂面下降了30mm×2=60mm；其二為輪胎變形，變化量為降低了40mm。所以重載后，整機下降為100mm，運梁車離地面間隙為700mm-100mm=600mm。箱梁離地的高度為6250mm。

調整運梁車，保留運梁車懸掛油缸70mm的安全伸縮空間，將運梁車油缸縮回120mm-70mm=50mm，則運梁車整體下降為50mm×2=100mm，此時，運梁車的狀態為：運梁車臺車頂面離地距離變為3200mm-100mm=3100mm，運梁車離地面間隙為600mm-100mm=500mm。箱梁離地的高度為6250mm-100mm=6150mm。

2 運梁車運梁過隧道自動駕駛的必要性

根據運梁車裝梁后的低位運行狀態可知，如果對箱梁不做處理，運梁過隧道時，箱梁離隧道內壁最小的理論距離只有10.7cm，要安全順利地通過903m長的小村隧道，根本是無法實現的事情，即使以箱梁進行簡單的處理，將箱梁預埋件外側螺栓不安裝以及將最外側的預埋鋼筋向箱梁內側折彎，箱梁離隧道內壁的距離在理論上也只有19.5cm，通過人工駕駛長38m的運梁車安全運送箱梁通過隧道也是非常困難的事，必須設計運梁車自動駕駛系統，才能為運梁車運送箱梁過隧道提供安全可靠的保障。

3 運梁車運梁過小村隧道自動駕駛系統

3.1 運梁車自動駕駛的基本要求

根據小村隧道施工的實際情況，結合上述運梁車過小村隧道的分析，為滿足西寶客專陳倉梁場運梁車運梁過隧道的需要，運梁車自動駕駛系統滿足以下必須的要求：要有精確的兩側測量系統，測量箱梁兩側離隧道內壁的實時距離；行駛過程要有機械限位自動停車限位裝置；運梁車行駛過程中，箱梁中心線偏離隧道中心線一定數值時，能向中心線方向自動進行方向的調整；當箱梁中心線偏離隧道中心線一定數值時，能發出警示信號；當箱梁中心線偏離隧道中心線至設定值時，運梁車自動停止并發出報警信號。

3.2 運梁車自動駕駛系統框架

3.3 運梁車自動駕駛系統組成

自動駕駛系統硬件組成主要包括：操作控制面板、控制器、監控屏、檢測系統、報警系統、監視系統、安全

裝置。

自動駕駛系統的軟件設計組成主要包括：原理圖、監控屏程序設計和控制器程序設計兩個大的部分。

監控屏程序設計：從CAN總線采集數據；運梁車在隧道內離隧道內壁的即時距離的轉換計算和顯示；系統警示信號的數據處理和顯示；系統警報信號的數據處理和顯示；方向盤的數據處理和顯示；編碼器實際角度數據處理和顯示；自動停車故障顯示；運梁車前端離架橋機的距離顯示、警示、警報信息處理；系統故障的檢測顯示；運梁車四點高度顯示。

3.4 自動駕駛系統新技術的應用

運梁車自動駕駛系統采用了以下五個方面的新技術應用：系統集中控制技術、模糊控制技術、PID調節技術、超聲波測距技術、激光測距技術。

3.5 運梁車自動駕駛系統具備的功能

自動駕駛系統產品具備的功能主要包括以下五個方面：（1）具備自動駕駛模式下的過隧道自動駕駛、兩側限位自動停車、兩側距離顯示、警示和警報功能；（2）系統具有緊急情況下的緊急停車功能，自動駕駛時測量異常自動停車功能；（3）具有隧道外自動對位功能，隧道外、隧道內自動駕駛轉換功能；（4）具有輸入箱梁安裝偏移量后，系統自動進行中心線的自動控制調整功能；（5）隧道內不需要增加任何的輔助裝置或措施即可完成自動駕駛的全過程。

4 結語

通過對西寶陳倉梁場運梁車運梁通過小村隧道的理論分析、討論和研究，提出了基于EPEC控制器的自動駕駛系統，并結合現場和設備的實際情況，對運梁車自動駕駛系統進行設計，同時根據系統設計，對自動駕駛系統的部件進行制作、加工和安裝，并經過程序設計、實驗室試驗和現場的調試，在經過5次模擬箱梁過隧道試驗后，測試結果能滿足使用的要求，可以實現運梁自動駕駛通過小村隧道。2012年4月30日～5月8日，陳倉梁場應用自動駕駛技術順利完成10榀箱梁通過小村隧道的施工作業工況，達到預期的使用效果，標志著在設備的核心控制技術領域取得了關鍵性的進展和提高，從而為設備安全順利的使用提供了更加堅實的技術支持。本文論述的運梁車自動駕駛系統，為運梁車類似施工作業工況提供了真實的實踐數據基礎，為解決中國高速鐵路箱梁架設史上運梁過隧道的特殊復雜的施工工況提供了一種切實可行的解決方案。

參考文獻

[1] Codesys2.1編程手冊_V1.0.

[2] ST系列顯示器_Codesys2.3_使用.

[3] EPEC-CAN通信使用說明.

[4] MBEC900t運梁車使用說明書.

[5] 小村隧道施工資料.

（責任編輯：黃銀芳）