長大隧道固定設(shè)備自動巡查系統(tǒng)的研發(fā)

■ 魏兆俊

近年來，隨著大量新建鐵路的陸續(xù)開通，長大隧道越來越多，同時列車運行的速度等級也大幅提高，傳統(tǒng)的人工巡查的方式已經(jīng)不能滿足目前運營管理條件的需要。為保證長大隧道固定設(shè)備設(shè)施的穩(wěn)定可靠，研究開發(fā)了新型自動巡查系統(tǒng)。

1 自動巡查系統(tǒng)的功能需求

根據(jù)工務(wù)、供電等專業(yè)對固定設(shè)備巡查的基本要求，確定了遴選檢測項目的基本原則，即剔除已有完善檢測保證的軌道檢查、通信試驗和接觸網(wǎng)檢測等檢查項目，從保證運營安全和技術(shù)可行性出發(fā)，選定的檢測（監(jiān)測）對象主要有路基沉降、隧道斷面（含變形，襯砌混凝土開裂、脫落）、漏（涌）水，其他附屬設(shè)施（接觸網(wǎng)支架、照明、電纜、掛鉤等）的安裝固定狀態(tài)。同時，為適應(yīng)目前鐵路運營維護管理的需要，在隧道外設(shè)置巡查設(shè)備存放箱，工程管理人員能通過遠程指令，命令巡查機自動從存放箱出發(fā)，沿固定軌道進行檢測，完成檢測后，自動返回巡查機存放箱存放、充電和向遠程服務(wù)器傳輸檢測數(shù)據(jù)。

2 自動巡查系統(tǒng)的構(gòu)成

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集層（巡查機）、數(shù)據(jù)存儲層和操作管理層組成，基本框見圖1。

2.2 數(shù)據(jù)采集層的設(shè)計

以ARM9處理器的6410為基礎(chǔ)，對Android系統(tǒng)進行裁剪，以最精簡的操作系統(tǒng)為運行本系統(tǒng)的基礎(chǔ)控制軟件，提高穩(wěn)定性，降低功耗，在隧道內(nèi)的安裝及檢測見圖2。

2.2.1 精確測量部分

以激光測距為基礎(chǔ)對固定設(shè)備、設(shè)施進行相對位置的精確測定，檢測路基沉降、隧道斷面形變和重要懸掛設(shè)施的絕對位置。基本檢測原理見圖3。

圖中A點為斷面測量儀安裝點，B點為激光器發(fā)射的激光束在隧道壁面形成的光斑。O點為隧道中心線軌面上的點，為整體坐標(biāo)系的原點。A點相對O點的坐標(biāo)（yA，zA）及α角度可由智能相機拍攝相關(guān)的標(biāo)識，通過圖像分析得到；θ角度可由云臺上的編碼器得到；AB距離由激光測距儀獲得。由圖中直角三角形ABC的三角關(guān)系可計算出AC間的距離R為AC=AB×cosα，則監(jiān)測點C的坐標(biāo)為：

圖1 自動巡查系統(tǒng)總體框架

圖2 系統(tǒng)安裝及檢測示意

采用上述原理，依次對分布在同一個斷面上的多個測點進行掃描檢測，可得到一個斷面上多個點的坐標(biāo)。將上述同一斷面上多個測點的坐標(biāo)通過擬合（系統(tǒng)采用最小二乘法），得出此次隧道斷面檢測輪廓，與原始設(shè)計輪廓相比，便可判斷出斷面是否發(fā)生形變，并能計算出各監(jiān)測點的相對變形量（見圖4）。

其他隧道附屬設(shè)施，如接觸網(wǎng)懸掛裝置，均可采用本測量原理進行測量、比較后確定是否產(chǎn)生形變。

2.2.2 圖像采集輔助判別部分

由于隧道襯砌表面脫落、裂紋、變形和附屬設(shè)施的移位、脫落等與其所在位置密切相關(guān)，同時各種設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以采用接觸式測量方式測量，所以，可以利用機器視覺檢測方法，采用計算機算法進行初步判別，必要時可人工調(diào)用圖像進行輔助分析，解決遠程巡查的快捷性和精準(zhǔn)性。

圖3 基本測量原理

圖4 隧道輪廓相對變形示意

工作流程如下：對重點監(jiān)控斷面或附屬設(shè)施的初始狀態(tài)進行拍照，將其作為標(biāo)準(zhǔn)相片，以后每一次檢測都與初始相片（或前一次檢測的相片）進行比對，但兩者相減后的灰度在設(shè)定的閾值以上時，認為產(chǎn)生了不可忽視的變化。為確保比對時兩相片的拍攝角度一致，需要在所需拍攝的范圍內(nèi)粘貼標(biāo)識，通過標(biāo)識匹配，修正相片的角度后再進行比對，經(jīng)實驗驗證，該方案效果良好。

2.2.3 通信部分

系統(tǒng)設(shè)計了GPRS和光纖通信2種通信接口，由于在隧道現(xiàn)場往往沒有網(wǎng)絡(luò)通信接口，所以必要時采用GPRS與遠端服務(wù)器進行通信。為減少通信流量，在巡查機采集的的基本數(shù)據(jù)由本機暫存，經(jīng)檢測初判為病害的數(shù)據(jù)、圖片通過通信端口發(fā)回服務(wù)器，由設(shè)備管理人員進行人工分析判斷。

2.2.4 走行控制

采集系統(tǒng)采用在隧道壁安裝懸掛走行軌道的方式運行，在需要停止檢測的位置安裝短距離RFID卡（小天線M0卡，距離僅2 cm），通過讀取IC卡信息，判斷該停留點的位置，檢測要求和修正參數(shù)等，同時，為提高檢測精度，在機械上設(shè)計了兩軸姿態(tài)調(diào)整功能。

3 自動巡查系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

系統(tǒng)主要是應(yīng)用成熟的激光測距和機器視覺判別技術(shù)進行檢測，為達到檢測精度，同時適應(yīng)現(xiàn)有鐵路運營管理工作，必須解決3個關(guān)鍵點。

3.1 機械走行的重復(fù)性與誤差的可修正性

由于測量體（車體）是運動體，在運動到測量點后的三維坐標(biāo)必然存在誤差，如何進行修正是關(guān)系到能否準(zhǔn)確測量的關(guān)鍵，所以，系統(tǒng)設(shè)計了兩軸的姿態(tài)修正和固定標(biāo)定點的方式進行誤差修正，經(jīng)過實際試驗，效果良好。

3.2 可靠的機械性能和安裝簡易性

雖然該巡查系統(tǒng)在在天窗期間運行，但自動走行設(shè)備同樣存在故障的可能性，為確保行車安全，在任何情況下均不能侵入限界，同時，隧道壁并非平直光滑，復(fù)雜的安裝往往難以實施，所以，可靠的機械性能和安裝的簡易性是決定項目成敗的關(guān)鍵。

3.3 完善的設(shè)備自檢功能

該巡查系統(tǒng)由于網(wǎng)絡(luò)通信原因，在進入長大隧道巡查中屬于完全自主運行（也可以考慮采用走行軌道到存放箱之間通信），其運行姿態(tài)的調(diào)整，測量設(shè)備的校準(zhǔn)、標(biāo)定均需做好規(guī)劃設(shè)計，盡量減小誤差的疊加放大，同時不定期進行自檢判斷，確保環(huán)境溫濕度、光線、灰塵、振動等因素影響其測量精度和可靠性。

4 結(jié)束語

利用激光測量、機器視覺檢測等技術(shù)構(gòu)建的自動巡查系統(tǒng)，輔助人工實現(xiàn)了路基沉降、隧道斷面及其他附屬設(shè)施遠程檢測（監(jiān)測）和智能判斷，是低成本、高精度、高度自動化的隧道運營狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，具有良好的運用和推廣前景。