高速铁路施工装备智能化研究

摘 要：高速铁路施工装备的智能化升级，不仅可以降低人工劳动强度，提高作业效率，还可以提高设备施工的安全性与稳定性，增强施工设备的自动化程度，对高速铁路的快速发展，具有重要的意义。本文从高速铁路施工装备的单机智能化和机群智能化管理两方面入手，对高速铁路施工装备的智能化应用进行研究。在单机智能化研究中，以步履式架桥机为例，从传感分析技术和遥控操纵技术两方面对高速铁路施工装备的智能化进行应用分析；在机群智能化管理方面，对其原理及方式进行了探讨，为施工装备智能化的发展提供了手段与方向。

关键词：高速铁路；施工设备；智能化；机群

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.12.078

随着我国高铁技术和桥梁建设技术的不断发展，高速铁路建设力度的不断加强和“一带一路”国家级顶层战略的不断推进，我国高速铁路的施工建设步入高速发展的快车道。高速铁路的施工建设，离不开与其配套的相关施工设备，如搬运机、提梁机、架桥机和运梁车等设备。随着高速铁路朝着大跨度、大吨位、高速化以及环境复杂多变的方向发展，高速铁路施工装备也迎来了巨大的市场需求。同时，也对施工装备提出了更高的要求。以前自动化程度不足、依靠人工上机操作等仅实现其功能的施工装备已无法满足现代高速铁路建设的需求。因此，如何保障高速铁路施工装备的安全性与可靠性，减少人工劳动强度，提高施工设备的智能化程度已成为相应设计制造企业赢得市场的关键。

进入21世纪以来，机器视觉技术、网络技术、信息控制技术等新兴技术日益活跃，并开始广泛应用于钢铁、电子芯片、航天、铁路等各行各业，其以极快的速度展现出巨大的市场潜力。2015年5月，我国正式印发《中国制造2025》，从国家层次推进我国制造业的智能化升级，尤其对我国机械制造业转型升级有着重要的意义。高速铁路施工装备作为我国机械制造业中的重要一员，其直接影响到我国高速铁路的建设进程。因此，将智能化技术应用到高速铁路施工装备，一方面能提高施工设备的可操作性、平稳性和可靠性；另一方面可减轻人工体力劳动，降低施工过程中的人员干预，保障人员的生命财产安全。

高速铁路施工装备的智能化，就是将智能化技术应用到施工装备中去，将信息技术、计算机技术、控制技术、传感技术、视觉监测技术等新兴技术融入到施工装备设计、生产、使用和管理中，对高速铁路施工装备进行智能化升级，从而使装备在施工过程中较少甚至不需要人员参与，通过其各种复杂的传感设备来获取各工况状态数据，以达到自我感知、自主决策和自动控制的智能化功能[1]。

目前，我国对于施工装备的智能化升级已有尝试，但其智能化水平较低，基本侧重于安全监控上面[2，3]。本文将从高速铁路施工装备的单机智能化和机群的智能化管理两方面入手，对高速铁路施工装备的智能化技术进行研究，为高速铁路施工装备的智能化发展提供方向和手段。

1 高速铁路施工装备单机智能化研究

预制混凝土梁，具有制造质量可控、综合成本较低、便于集中管理和不受桥下工程影响等优点，已成为桥梁建设的首选施工方法[4]。国内外高速铁路建设的经验表明：采用“梁场集中预制，架桥机架设”施工工艺进行桥梁施工，对加快高速铁路建设有着重要的意义。架桥机作为高速铁路梁片架设的核心装备之一，对其进行智能化研究，具有广泛的代表性。

步履式架桥机由于其适应性强、过孔简便、承载大等优点，已广泛应用于大跨度、大吨位桥梁梁片的架设。步履式架桥机一般由前辅助支腿、前支腿、机臂、中支腿、起重小车、后支腿、电气系统、液压系统等组成，如图1所示。

步履式架桥机作业方式主要为：运梁车运梁至架桥机尾部喂梁，前起重小車取梁后与运梁车驮梁台车同步移梁到位后，后起重小车取梁，两台起重小车同步吊梁前行，到位后再对位落梁。架桥机通过后支腿驱动、前支腿支撑完成架桥机的过孔，通过前辅助支腿和前支腿纵向位置的变化实现架桥机的变跨调整。

通过以上分析，本节以步履式架桥机为例，从传感分析技术和遥控操纵技术两方面对高速铁路施工装备的智能化进行研究。

1.1 传感分析技术

为改变操作人员上机检修、靠既有经验对架桥机进行状态分析，保证架桥机的本质安全，有必要充分利用传感分析技术对架桥机的运行状态进行信息化改造，以达到无需人工上机，实时获取架桥机各工况状态数据的目的。通过大量收集总结以前出现的各种问题及故障原因，建立系统故障知识库。同时依据设计人员给出的故障可能原因，结合现场实际排查后得出的问题原因，对故障可能原因进行概率匹配，建立新的动态故障原因清单，从而形成专家库。当设备状态参数异常时，故障自诊断系统对状态参数进行收集，并对出现异常的原因进行整机分析，并结合系统故障知识库进行故障匹配，找出原因并解决；若在知识库中无匹配信息，则将可能引起参数异常的原因及定位信息逐条列出，同时发出预警警报，并将该信息反馈给专家库，通过专家库的概率匹配，得出新的可能故障原因列表，并将其反馈给现场管理人员按列表进行逐一排查，从而完成设备故障的诊断，防止系统严重损坏甚至安全事故发生。所有设备状态信息均需记录备案，异常状态均需报警提示，同时各状态参数均以不同形式显示在人机交互界面上。

根据以往经验，步履式架桥机各支腿的载荷状态很大程度上影响着架桥机的安全运行。如，中支腿最大载荷发生在后起重小车取梁工况时，前支腿最大载荷发生在落梁工况时，后支腿最大载荷发生在过孔工况时。因此，为保证架桥机在正常工况时的运行安全，可对各工序的关键点安装载荷传感器，实时监测各工况下各支腿的工作状态。同时，为实现整机各部位的精准安全工作，可对整机的各个重要参数（如支腿垂直度、整机水平度、风速等）进行监测并实时反馈各参数变化状态。

架桥机在工作过程中，各部件的运行协调也是非常重要的。为防止各部件运行干涉，发生部件碰撞酿成事故，对各部件的运行限位进行智能化升级也显得十分必要。以往架桥机各部件运行定位往往依据人员在架桥机上或者桥面上对部件运行情况进行目测观察指挥，如在落梁片时，需人工目测落梁位并指挥架桥机上操作工进行操作落梁。该方式具有很大的主观性，同时操作运行缓慢，效率低下，人员目测需高度集中，稍有差池就会造成严重后果。因此，为提高架桥效率、减少人工干预，可对各重要运行部为安装机器视觉检测系统，如起重小车卷扬、走行部位，前支腿纵移走行、横移部位，前辅助支腿纵移、插销部位和后支腿插销处、翻折部位等限位，以及梁片和前支腿，梁片和中支腿，运梁车和中支腿，前支腿和前辅助支腿，起重小车之间等距离控制部位。通过机器视觉检测系统，实时获取部件运行状态，并将各实时状态转换为图像信号，获取两部件的实时相对位置信息，利用图像处理软件系统处理并提取目标特征，并将相对位置图像及相对距离数值实时显示在显示屏上，若达到预定数值，则将该数据反馈给各部件运动执行机构，实现对各部件协调运作的实时控制。

通过以上分析，单机传感分析技术在高速铁路施工装备智能化的应用特点可总结为以下几点：

（1）能实时监测施工装备运行各重要参数及主要部件的工作状

态，并以不同形式记录并显示；

（2）能快速响应报警。当监测到数据异常时，应快速响应报警，而不需要人员时刻盯着仪表显示器进行判断异常，减轻人工工作强度；

（3）具有故障自诊断功能。即自检程序时刻保持后台运行，当发现整机功能情况，如警报、显示、传感器等功能异常时，能立刻分析定位，结合故障知识库找出问题原因自行解决或者反馈给专家库和现场管理人员协助解决，同时发出报警信号；

（4）具有较高的精度和灵敏度。能检测各重要参数的异常微小变化，保证设备运行的安全性和可靠性。

1.2 遥控操纵技术

针对架桥机工作可能存在的危险工况，如各支腿升降时，架桥机整体过孔时，遥控操纵就显得尤为重要了，一方面可远距离操作，避免人员上机，降低人工劳动强度，消除安全隐患；另一方面可丰富操作人员操作视野，实时掌握设备运行状况，避免误操作，提高设备的可操作性和安全性。远程遥控操纵技术使得高铁施工装备可以深入更危险、更复杂的环境中去，减轻人力劳动的同时还保证了施工作业的安全性。遥控操纵系统主要有无线通讯系统、监控系统和执行机构等组成，其通过监控系统获取操作状态，利用无线通讯系统进行发射和接收遥控信号，并控制执行机构的执行输出，已达到远程遥控操纵的目的。

步履式架桥机的一大特点就是利用插销和油缸实现各支腿的升降调整，对于大载荷的工况，单靠油缸支撑无法满足受力需求，因此利用“液压油缸升降，插销支撑受力”的模式，可有效解决各支腿受力问题。各支腿升降的调整可利用遥控操作技术，通过摄像装置的实时监控插销状态，利用传感器到位监测技术控制插销位置，通过无线通讯系统和电液控制系统完成液压油缸与插销的协同运行，从而实现遥控架桥机支腿升降的调整。操作人员只需要通过监控屏幕远程遥控作业即可实现插拔销作业，从而有效提高工作效率，减轻传统人工插拔销的工作强度及工作量。

遥控操纵技术不仅可以应用在架桥机各支腿升降控制上，还可以应用到架桥机过孔，梁片吊、落以及起重小车走形等工况控制上。遥控操纵技术的成功应用离不开电液控制技术、信息通信技术以及视觉监测技术等技术的发展，其是实现高速铁路施工装备的智能化发展的一种重要手段，是解放人工操作、降低劳动强度的重要渠道。

2 高速铁路施工装备机群的智能化管理

高速铁路架桥施工项目中，往往需要数量较多的施工装备参与其中，如提梁机、运梁车、架桥机、灰浆搅拌机和运输车辆等，各种施工装备运行情况具有一定的随机性。因此，如何对各种施工设备进行智能化管理以实现资源配置的合理化、施工效率的最大化和工作质量的最佳化，已成为实际施工项目中亟需解决的问题。

在高速铁路施工装备的单机智能化不断发展的同时，以信息通讯、集中控制调度和综合管理为手段的机群智能化管理技术也得到了发展[5]。所谓的机群智能化管理，就是将各种不同功能的施工装备利用网络技术组成一个大系统，进行多机协调工作以完成同一工程项目的统一综合管理，其以实现资源优化配置、生产进程同步管理为目的，进而提高施工综合效益，保证工程质量。

高速铁路施工装备机群的智能化管理体系包括3个组成部分：机群控制中心，机群通讯系统和单机智能控制系统，其结构如图2所示。机群控制中心为机群智能化管理的“大脑”，其主要通过机群通讯系统对各设备传输来的数据进行汇总、分析和处理，以施工调度方案最优化为目的，实现对各设备的统一决策管理，同时，将各设备实时监控画面以及状态参数等信息显示在控制台上；机群通讯系统是以无线通讯为主，综合机群信息流和通讯协议，实现机群控制中心和各单机智能控制系统的双向数据交换及共享；单机智能控制系统主要利用各种传感器获取单机自身状态、位置、性能等数据，并将这些数据进行分类处理后，实时传送给机群控制中心，同时对这些数据进行存储、显示。

机群同一时间进行施工作业时，各单机装备通过其智能控制系统，将其工作状态、位置信息、性能参数、施工进度以及故障信息等利用无线通讯系统实时传输给机群控制中心，机群控制中心通过对各单机传送来的数据进行汇总和分析处理，综合施工任务和上级指令，得出最优动态施工调度信息，并将该信息反馈给各施工装备，以指挥各单机下一步的施工动作，同时对各单机数据进行汇总显示、储存。如此往复，完成機群各单机的高效联合施工作业。

高速铁路施工装备机群的智能化管理综合了工程管理、远程监控、现场规划、智能控制、网络通讯等一系列学科知识，对实现机群动态优化调度，资源优化配置，单机集中管理，降低施工成本，提高工程质量有着重要的意义。

3 结束语

目前，我国高速铁路施工装备已开始进行智能化升级尝试，但与国外相比，我国智能化起点较晚，且应用范围较窄。面对我国高铁全套技术“走出去”战略的不断推进和国外日益增长的高铁建设需求，我国若要在竞争中赢得市场，高铁及其配套的施工装备进行智能化升级已成为发展的必经之路。本文从高速铁路施工装备的单机智能化和机群的智能化管理两方面入手，对高速铁路施工装备的智能化技术进行了研究，为施工装备智能化的发展提供了手段与方向。我国还应充分结合先进技术，推进自主创新，将大数据、云计算、人工智能等新兴技术应用到高速铁路施工装备上来，为我国高速铁路的快速发展提供坚实的基础。

参考文献：

[1]郭英训.工程机械装备智能化系统研究[J].建设机械技术与管理， 2014（03）：124-129.

[2]容毅，李国军，李晓钢等.架桥机安全监控管理装置[J].工程机械，2012，43（12）：8-13.

[3]钱尚溢，容毅，叶海路.小吨位架桥机安全监控管理系统设计[J].工程机械，2013，44（08）：36-44+46.

[4]余石.浅谈预制钢筋混凝土梁板在桥梁建设中的应用[J].中国科技博览，2011（06）：129.

[5]李学忠.工程机械机群的智能化与综合管理——信息技术在工程机械上的应用综述之二[J].工程机械，2009，40（08）：44-49.

作者简介：吕琨（1980-），男，本科，高级工程师，系统分析师，从事机械智能化领域。