高速铁路隧道检测车安全设计及应用

张世红 徐济松 何国华 高春雷 王鹏

（中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081）

高速铁路隧道具有断面大、长隧道多、施工风险大、耐久性要求高等特点［1］。截止2016年底，时速200 km及以上的高速铁路隧道已有2 906座，全长达4 665.364 km［2］。为了保障高速铁路安全高速通过隧道，必须在施工阶段对隧道衬砌质量进行检测，并对存在问题的区域及时修补。传统方法是人工操作雷达天线进行检测［3-4］，一方面对检测人员的专业性要求较高，另一方面存在检测效率低下，劳动强度大，且人为主观因素对检测结果影响较大。

通过大量试验研究，中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所自主研发了高速铁路隧道检测车。经现场调研，检测车对隧道衬砌质量进行检测时既要保证效率和准确性，又要保证作业安全。本文主要介绍高速铁路隧道检测车作业安全系统的设计与应用。

1 高速铁路隧道检测车介绍

高速铁路隧道检测车主要用于新建隧道道床施工前的衬砌质量检测。对于双线隧道，至少可检测13条测线，其中隧道上部至少9条，仰拱4条，可根据现场需求对上部增加测线。作业过程中可同时检测5条测线，包括2条仰拱测线和3条拱墙测线，检测速度为3～10 km/h，满足TB 10223－2004《铁路隧道衬砌质量无损检测》［5］和《铁路隧道检测技术手册》［6］中的检测要求。高速铁路隧道检测车如图1所示。

图1 高速铁路隧道检测车

2 作业安全系统

根据隧道现场作业工况，将高速铁路隧道检测车作业安全系统分为6部分，如图2所示。

图2 作业安全系统

2.1 检测车与其他作业车辆安全

因为检测车作业时隧道正处于施工状态（图3），灰尘大、照明差、能见度低，且经常会有大型作业车辆进出，如混凝土罐车、挖掘机、运输物料卡车等。为确保安全，在检测车的头尾均安装了作业旋转指示灯，以提醒其他车辆注意安全，如图4所示。

图3 隧道内检测

图4 旋转指示灯

2.2 检测车作业区机器人安全

综合考虑隧道实际作业工况及检测车作业区空间，将3台机器人按照两两中心距900 mm的间隔依次安装固定，相邻底座之间仅相距200 mm，如图5所示。必须考虑机器人的作业安全，包括机器人与检测舱、机器人与升降机构、机器人与机器人之间3个方面的安全。通过示教器设置每台机器人相关轴的运动范围，即轴干涉区间，避免作业过程中发生碰撞［7-10］。机器人的轴关节及运动方向如图6所示，逆时针方向为正，一个轴关节可旋转±180°。

图5 作业区机器人安装

根据不同测试工况设置相应的轴干涉区间，见表1和表2。首先选择“本地模式”，通过示教器选择轴干涉模式4；其次输入各个轴允许运动角度；最后选择“远程模式”，在机器人运动过程中实时判断各个轴关节的运动角度是否在设置区间。当机器人在干涉区间以外时，对应输出信号为ON，机器人暂停运动且反馈报警信息。

图6 机器人的轴关节及运动方向

表1 拱顶检测轴干涉区间

表2 拱腰、边墙检测轴干涉区间

2.3 检测车作业异常应对

拱顶、拱腰和边墙检测作业现场见图7。

图7 检测作业现场

作业过程中，安全系统实时反馈各子系统的状态，并在人机界面上进行显示。当设备系统出现异常，相应的系统状态指示灯会改变颜色，提示作业人员故障所在位置，可以及时操作人机交互界面按键或物理按钮进行急停，相应的子系统进入急停状态，保证人员和设备安全。急停系统如图8所示。

升降机构和辅助机构暂停：通过软件发送停止指令到下位机，控制3套升降机构和3套辅助机构同时停止运动。

图8 急停系统

机器人暂停：在“远程模式”下，软件发送急停命令到机器人控制柜，3台机器人同时停止动作。

驾驶室声光报警：安装在驾驶室的声光报警器开始运行，提醒司机即刻停车，及时保护系统设备和作业人员的安全。

2.4 检测车作业小组人员安全

检测车作业小组人员包括安全预警员、雷达操作员、机器人操作员和驾驶员各1名，如图9所示。其中：安全预警员负责对隧道检测表面平整度进行观测，提前预判是否需要躲避障碍，并及时通知作业小组其他3位成员；雷达操作员负责检测臂末端雷达天线的数据采集与存储工作；机器人操作员负责升降机构的抬升、机器人各关节按照设定展开和辅助机构的伸展等工作；驾驶员根据终端显示器上的相关参数及时调整车辆方向，包括检测车实时位置、车头车尾距离隧道侧面的距离等信息。

图9 作业小组人员

作业小组每位成员均配备大功率专业对讲机，方便在隧道作业复杂环境下及时汇报所负责区域的异常情况，保证系统设备的安全正常运行。为了保障作业人员的人身安全，每位成员在作业过程中必须佩戴防尘口罩、安全帽、防尘护目眼镜、专业反光工作服、强光手电筒等安全防护设备。

2.5 检测车软件联锁安全

为了保证软件操作过程中各子系统安全运行，设置层层递进联锁保护。软件操作分为3个过程，如图10所示。

1）启动机器人软件后，操作“初始位”按键。首先判断检测车的停车位置是否与设定一致，如果否，弹框提示“请确认停车位置”，如果是，则进一步判断机器人挂钩是否取下，如果否，弹框提示“请取下挂钩”，如果是，则进一步判断3台机器人是否均处于收车位，如果否，弹框提示“请移动机器人到收车状态”，如果是，则进一步判断升降机构是否均处于低位状态，如果否，则弹框提示“请确认升降机构均在低位状态”，如果是，升降机构开始运动，到达指定高度后停止运动。

2）操作“初始位”按键，判断升降机构是否到达指定高度，如果否，弹框提示“请确认升降机构高度位置”，如果是，3台机器人依次运动到标定位置后停止。

3）操作“工作位”按键，判断机器人是否均到达标定位置，如果否，弹框提示“请确认机器人处于初始位”，如果是，则判断辅助机构是否在收回状态，如果否，弹框提示“请确认辅助机构处于收回状态，如果是，辅助机构开始运动，到设定位置后停止。

图10 软件联锁安全系统

2.6 在不同隧道转移过程中机器人安全

高速铁路隧道检测车需在不同隧道之间转移，道路多用于施工车辆运输物料，具有坡度大、路面窄、平整度差等特点。为了保证转移过程中机器人安全，对机器人采用焊接挂钩锁定，如图11所示。

图11 机器人的锁定

3 结语

高速铁路隧道检测车作业安全系统的研发充分考虑了从开始作业到作业完成整个过程的安全。本文从作业设备安全（包括机器人）、作业异常应对、软件联锁等6个方面进行了介绍。高速铁路隧道检测车已在多个新建高速铁路隧道检测作业，其安全系统能够保障检测车、人、作业设备安全。