长大隧道固定设备自动巡查系统的研发

2014-10-25魏兆俊

铁路技术创新 2014年3期

■ 魏兆俊

近年来，随着大量新建铁路的陆续开通，长大隧道越来越多，同时列车运行的速度等级也大幅提高，传统的人工巡查的方式已经不能满足目前运营管理条件的需要。为保证长大隧道固定设备设施的稳定可靠，研究开发了新型自动巡查系统。

1 自动巡查系统的功能需求

根据工务、供电等专业对固定设备巡查的基本要求，确定了遴选检测项目的基本原则，即剔除已有完善检测保证的轨道检查、通信试验和接触网检测等检查项目，从保证运营安全和技术可行性出发，选定的检测（监测）对象主要有路基沉降、隧道断面（含变形，衬砌混凝土开裂、脱落）、漏（涌）水，其他附属设施（接触网支架、照明、电缆、挂钩等）的安装固定状态。同时，为适应目前铁路运营维护管理的需要，在隧道外设置巡查设备存放箱，工程管理人员能通过远程指令，命令巡查机自动从存放箱出发，沿固定轨道进行检测，完成检测后，自动返回巡查机存放箱存放、充电和向远程服务器传输检测数据。

2 自动巡查系统的构成

2.1 系统总体架构

系统由数据采集层（巡查机）、数据存储层和操作管理层组成，基本框见图1。

2.2 数据采集层的设计

以ARM9处理器的6410为基础，对Android系统进行裁剪，以最精简的操作系统为运行本系统的基础控制软件，提高稳定性，降低功耗，在隧道内的安装及检测见图2。

2.2.1 精确测量部分

以激光测距为基础对固定设备、设施进行相对位置的精确测定，检测路基沉降、隧道断面形变和重要悬挂设施的绝对位置。基本检测原理见图3。

图中A点为断面测量仪安装点，B点为激光器发射的激光束在隧道壁面形成的光斑。O点为隧道中心线轨面上的点，为整体坐标系的原点。A点相对O点的坐标（yA，zA）及α角度可由智能相机拍摄相关的标识，通过图像分析得到；θ角度可由云台上的编码器得到；AB距离由激光测距仪获得。由图中直角三角形ABC的三角关系可计算出AC间的距离R为AC=AB×cosα，则监测点C的坐标为：

图1 自动巡查系统总体框架

图2 系统安装及检测示意

采用上述原理，依次对分布在同一个断面上的多个测点进行扫描检测，可得到一个断面上多个点的坐标。将上述同一断面上多个测点的坐标通过拟合（系统采用最小二乘法），得出此次隧道断面检测轮廓，与原始设计轮廓相比，便可判断出断面是否发生形变，并能计算出各监测点的相对变形量（见图4）。

其他隧道附属设施，如接触网悬挂装置，均可采用本测量原理进行测量、比较后确定是否产生形变。

2.2.2 图像采集辅助判别部分

由于隧道衬砌表面脱落、裂纹、变形和附属设施的移位、脱落等与其所在位置密切相关，同时各种设备结构复杂，难以采用接触式测量方式测量，所以，可以利用机器视觉检测方法，采用计算机算法进行初步判别，必要时可人工调用图像进行辅助分析，解决远程巡查的快捷性和精准性。

图3 基本测量原理

图4 隧道轮廓相对变形示意

工作流程如下：对重点监控断面或附属设施的初始状态进行拍照，将其作为标准相片，以后每一次检测都与初始相片（或前一次检测的相片）进行比对，但两者相减后的灰度在设定的阈值以上时，认为产生了不可忽视的变化。为确保比对时两相片的拍摄角度一致，需要在所需拍摄的范围内粘贴标识，通过标识匹配，修正相片的角度后再进行比对，经实验验证，该方案效果良好。

2.2.3 通信部分

系统设计了GPRS和光纤通信2种通信接口，由于在隧道现场往往没有网络通信接口，所以必要时采用GPRS与远端服务器进行通信。为减少通信流量，在巡查机采集的的基本数据由本机暂存，经检测初判为病害的数据、图片通过通信端口发回服务器，由设备管理人员进行人工分析判断。

2.2.4 走行控制

采集系统采用在隧道壁安装悬挂走行轨道的方式运行，在需要停止检测的位置安装短距离RFID卡（小天线M0卡，距离仅2 cm），通过读取IC卡信息，判断该停留点的位置，检测要求和修正参数等，同时，为提高检测精度，在机械上设计了两轴姿态调整功能。