高速铁路桥梁支座视频检查装置研制与应用

殷俊浩 上海铁路局科研所

1 前言

高速铁路的高速度、高舒适度、高安全性、高密度连续运营等特点对安全工作提出了更严格的要求，高速列车对桥梁的动力作用大于普通铁路桥梁，因此对行车安全提出了更高的要求。维持轨道的高平顺性和高稳定性，是高铁运行的重中之重。列车高速运行时，轨面上微小的不平顺，都可能引起列车的强烈振动，使得平稳、舒适和安全性降低，甚至恶化。轨道的平顺性依靠路基的高稳定性和均匀性，基于高铁高架桥的结构特点，还依靠其桥梁支点的稳定性，所以必须对支点的高稳定性进行动态监测，以避免列车高速通过时对支点的挤压和振动而产生桥梁支点的变形和吊空，做到提前预警防止事故发生。

随着沪宁、沪杭城际铁路，京沪高铁的建成开通，大部分线路都是铺在高架桥上的，由于大部分高架桥墩上都没有检修用的扶梯，给以后的桥梁支座检修带来了诸多不便。虽然我们有大型的桥梁检修车，但是很多桥墩都是建在大型检修车辆无法开进的农田、湖泊之上，而且检修车检修桥墩所需的时间较长。所以需要设计研究一套针对各种不同类型、不同高度的桥梁支座，站在平地亦能方便检测的设备。该设备携带方便、使用简单，且不受天气、时间、地点的影响，是一种全天候的便携检测设备。

2 系统原理及结构

本检查装置由摄像系统、供电系统、立竿传送系统、滚轮支座辅助系统和应用软件组成。系统示意图见图1。

图1 系统示意图

通过立竿把摄像机传送到指定的桥梁支座处，然后利用摄像机和笔记本电脑建立的本地无线网络，把摄像机的图像传输到笔记本电脑的屏幕上，检查人员根据图像判断桥梁支座的好坏，并抓拍图片存贮，以便于日后的分析处理。数据流图见图2。

图2 系统数据流图

2.1 摄像系统

摄像系统由摄像机和集成控制模组组成。

2.1.1 摄像机

采用27倍光学变焦广角一体机，1/4 SONY CCD快速自动聚焦，自动光圈控制。

系统结构及工作原理：图像传感器将采集到的视频图像输入到FPGA，FPGA输出变倍电机和聚焦电机驱动信号，并经H桥放大后输出到光学镜头，同时，光学镜头将变倍电机和聚焦电机的位置检测信号反馈输出到FPGA中，用以检测当前电机位置。

系统上电后，FPGA判断光学镜头返回的变倍电机位置检测信号和聚焦电机返回的检测信号，若检测信号为低电平则驱动电机向靠近图像传感器方向转动，直至检测信号为高电平，在电平跳变处停止。同理，若检测信号为高电平，则驱动电机向远离传感器方向转动，直至检测信号为低电平在电平跳变处停止，以上则完成对电机的初始化。初始化结束后，驱动电机转动到一个固定放大倍数位置。电机变倍时，变倍电机转动一定步数，同时驱动聚焦电机转动对应步数，具体步数可根据变倍跟踪曲线获得。变倍结束后，FPGA计算当前场图像的高频分量，判断当前图像的清晰度，并采用爬山搜索策略驱动聚焦电机，以实现图像的自动聚焦，从而可保证每次变倍结束后得到清晰的图像。

2.1.2 集成控制模组

集成控制模组由网络控制模组 (见图3)和无线路由模块组成。网络控制模组负责给摄像机分配IP地址，控制摄像机的焦距，光圈，抓拍等；无线路由模块是摄像机和笔记本连接的桥梁。

图3 网络模组示意图

网络模组尺寸仅38×38 mm，采用H.264纯硬件压缩方式，支持双码流、语音对讲，USB接口支持外接存储设备，板载Micro SD卡接口最高支持32GB，内嵌WEB SERVER，方便远程控制管理，支持远程固件升级、一键恢复等功能，提供SDK集成开发包、实现各类应用开发 ， 支 持 HTTP、TCP/IP、UDP、SMTP、DDNS、DNS、SNTP、BOOTP、DHCP、FTP、SNMP、RTP、UPNP 等多种网络协议，采用高性能、功能强大的媒体处理器，单片SOC芯片，采用标准的压缩算法，方便在窄带上实现高清晰的图像传输，支持UPnP和动态域名解析，方便用户使用 ，内置 Web Server，方便用户使用标准的IE浏览器实现对前端的实时监看和设置管理 ，支持远程系统升级功能 ，提供移动检测（区域、灵敏度可设）和邮件报警功能，提供RS485/RS232串口和内置各种解码器协议，异常自动恢复功能，网络中断自动连接功能。

无线路由模块支持IEEE 802.11n、IEEE 802.11g、IEEE 802.11b、IEEE 802.3以及 IEEE 802.3u标准，采用IEEE 802.11n先进技术和新型高性能天线，无线覆盖范围是普通54 M产品的3倍，传输距离可达100 m，无线传输速率为150 Mbps，是普通54 M产品的3倍，支持64/128 位 WEP 数据加密，WPA、WPA2、WPA/WPA2混合等多种加密与安全机制 支持WPS一键加密及无线配置技术，提供1个10/100 M自适应以太网接口，作为LAN/WAN复用接口，支持本地/远程Web管理，全中文配置界面，使用无线漫游（Roaming）技术，保证高效的无线连接，支持隐藏无线SSID功能和基于MAC地址的访问控制 (多达30组)，支持端口自动识别交叉/直通（Auto MDI/MDIX），提供系统安全日志，可以记录路由器使用状态，支持IEEE802.11b/IEEE802.11g/IEEE802.11n自适应或手动设置模式，支持通用即插即用（UP－nP）、DDNS功能，内置防火墙，防黑客攻击。

2.2 供电系统

采用12 V、7 mAh锂电池组，安装在摄像机下的特制电池竿里，能保证整个摄像系统连续不间断工作8 h以上，而且能反复充电，既节约成本又环保。

2.3 立竿传送系统

立竿传送系统采用一根根立竿（1米/根）拼接，把摄像机送到不同高度的桥梁支座处。立竿采用了一种新型碳纤维复合材料，质量轻，强度大，能有效地防止升降过程中折断的发生。碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3 500 MPa以上，是钢的7～9倍，抗拉弹性模量为23 000～43 000 MPa，亦高于钢。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2 000 MPa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59 MPa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。

2.4 滚轮支座辅助系统

滚轮支座辅助系统由滚轮、支架和轴承组成。摄像机是娇贵的，为了能把它安全平稳地送到几米、十几米甚至更高的几十米的桥墩上工作，靠双手是不现实的，所以需要滚轮支座的帮忙。它靠在桥墩垂直立面上，通过橡皮轮子滚到摄像机工作处，防止摄像机碰到桥墩，造成摄像机损伤。由于桥墩表明光滑，所以我们要用硬度适中、阻尼系数较高的橡胶轮，尽可能大地增加摩擦力，防止支座左右滑动。

轴承固定在立竿上。它的作用是，当需要通过立竿转动摄像机时，滚轮支座仍然保持在原来的位置，维持整个立竿的稳定。滚轮支座示意图见图4。

2.5 应用软件

通过笔记本电脑里的浏览器（IE）可以实时观看摄像画面，并能控制摄像机的调焦，变倍，抓拍等，并将图片保存在硬盘里。也可以安装特定的软件实施以上功能。

图4 滚轮支座示意图

3 技术难点

⑴高集成度。系统将无线视频传输技术与计算机应用技术及视频解压缩传输技术等信息技术集成使用，开发利用计算机管理信息技术，达到高清度的无线视频影像效果，解决现有的高速铁路桥梁支座固定部件及连接装置无法检测、检修的瓶颈问题。

⑵立竿间连接。立竿之间的连接一直是个难点，既要保证连接的强度又要适应现场安装方便的需求。传统的螺纹连接，强度够了，但是安装很麻烦，时间长了，螺纹也容易损坏；插口连接，安装方便，但竿子长了会因为插口间的间隙造成竿子摇晃，存在安全隐患。经过数次反复试验，结合现有的加工工艺，在不开模具的前提下，使用了这种结合插口连接和螺纹连接的方式。

4 试用效果

在客专基地高铁部的配合下，于2011年9月6日在南翔南站附近的桥梁支座进行了试验，效果让人满意，得到高铁部的认可，图5、图6、图7是使用该检测装置现场实拍照片。

图5 实拍桥梁支座正面图

图6 实拍桥梁支座侧面支座垫圈

图7 实拍桥梁支座远端支座

5 结束语

随着我国高铁事业的蓬勃发展，高铁营运线路里程的不断增加，桥梁支座的维护也越来越多。本检查装置不仅解决了大型检修器械因为地形、环境等因素而无法进入桥墩位置的检测问题，而且极大地提高了检测效率，解决了因营运里程增加而导致人手不够的问题。以后还能往检测声屏障、风屏障、高架公路等方面推广应用。