城市轨道信号数据智能化定测控制系统的设计研究

张 望, 马 浩, 郑 军, 韩 超

(1.中铁建电气化局集团第三工程有限公司， 河北 高碑店 074000； 2.浙江大学台州研究院， 浙江 台州 318000)

0 引言

当前我国城市轨道事业迅猛发展，随着城市轨道的提速及高速城市轨道客运专线的发展，城市轨道基建一直是国家的重点建设工程，城市轨道的建设推动了各个产业发展. 因此，随着5G技术的落地，城市轨道信息化、数字化和智能化成为热点课题. 其中在城市轨道建设中加强数字化和信息化建设，不但可以提高作业效率，还可以实现后期的综合管控和优化调度. 此外，应用智能机器代替人工作业可提升作业的自动化水平，降低施工安全事故风险，让城市轨道建设的人工投入成本降低，数据精确度提高，进一步提升基建速度，这对城市轨道的快速发展具有重要意义.

在城市轨道工程建设中，城市轨道信号施工占据较大比重，城市轨道信号系统作为城市轨道列车的神经中枢，其建设质量直接关系到城市轨道列车的安全运行. 传统的城市轨道施工，很大程度上依赖人工完成，机械化、自动化和智能化程度仍然较低，极大制约了施工效率的提升. 轨道电参数的测量工作，主要由信号工人频繁地对沿线信号设备(信号点、分割点、计轴、应答器、补偿电容、道岔转辙设备等)逐一进行人工检查，测试项目多，数据记录容易出错. 大型信号测量轨道车是对线路验收和日常运行阶段常用装备，大型信号测量车使用成本高，且在城市轨道电气化初测时，轨道路基尚未完全定型，无法使用大型信号测量车. 信号设备安装位置的定位和标记工作主要由城市轨道工人皮尺测量并标记城市轨道轨旁设备安装位置，定位精准度差、而且效率低，还需要进行多次校验；轨旁设备限界数据的测量也是由人工完成，从轨顶面起分左、右两侧， 人工使用皮尺逐一测量设备、建筑物及其他设施每个变化点距线路中心线的水平距离、高度，效率低下、测量难度大、数据处理复杂.

基于以上存在的问题，本文介绍了1种城市轨道信号数据智能化定测控制系统装置，其主体为可在轨道上自由行使的小车，在小车上搭载了各种测量仪器装置，故在下文中简称“测量小车”. 测量小车可自动测量城市轨道电参数和限界参数，并且在设备安装点进行自动标识，可代替城市轨道信号工程建设期间的部分人工操作.

1 城市轨道信号工程数据定测及检测装置的基本功能

测量小车系统框架图如图1所示，可分为软件和硬件两大部分. 其中软件部分包含了电机驱动、精准定位、自动避障和故障诊断等功能. 硬件结构部分包含了电机、喷码装置、激光测距仪、电源、摄像头和触控屏等外设，均与主控制器连接. 测量小车还配备了遥控手柄，可通过RF射频通信来实现远程遥控的功能.

图1 城市轨道信号工程数据定测及检测装置系统框架图

1.1 智能标记

通过预先录入系统的信号点数据，驱使测量小车到达设备安装位置并停车，测量小车可自动在轨枕上喷涂包含需要安装设备信息的二维码或设备名称.

智能标识系统是以里程智能计量为基础的轨旁设备标记和定测系统，替代人工使用皮尺测量并标记城市轨道轨旁设备的安装位置. 系统采用RTK和光电编码器相结合的自动里程测算技术，在轨旁设备安装图纸中的里程位置，自动喷绘二维码来标识轨旁设备的安装位置. 在安装完轨旁设备后，还可结合图像识别技术，实现轨旁设备安装后的定测复核功能.

1.2 轨道电路参数的测量

轨道电路是列车运行控制信息的传输通道，它对保证列车安全运行起着重要的作用. 为保证轨道电路的正常工作，需要对轨道电路的参数进行测量，确保各项电路参数控制在合理的范围之内.

轨道电路参数的测量由移频在线测试表、测量连线自动切换与蓝牙通信装置、现场主机和轨面探针自动顶压装置组成.

移频在线测试表和测量连线自动切换与蓝牙通信装置以蓝牙通信的方式进行数据通信，测量连线自动切换与蓝牙通信装置和现场主机则以RS232串口通信连接，他们的关系如图2所示. 测量连线自动切换与蓝牙通信装置在中间起到了数据转换和线路切换控制的重要作用.

图2 轨道电路参数测量数据通信系统结构示意图

车载的现场主机以RS232串口通信的方式与测量连线自动切换与蓝牙通信装置通信，控制测量连线自动切换和获取来自移频在线测试表的测量数据，计算并保存测量数据.

探头两端测量连线自动切换电路结构示意图如图3所示，在2个轨道参数检测探头之间并联了0.06 Ω和0.15 Ω的短路电阻，每个短路电阻又串接了继电器，可以根据测试项目自动切换线路的通断. 移频在线测试表的电压检测探头连接在轨道参数检测探头上，轨道参数检测探头之间的连线则穿过移频在线测试表的电流钳探头. 这样便能实现当继电器断开时测量轨道电压，继电器导通时测量轨道电流的功能. 具体的测量工作流程如图4所示.

图3 探头两端测量连线自动切换电路结构示意图

图4 轨道参数测量工作流程图

1.3 限界数据的自动测量

测量小车可通过三维激光扫描仪和相机，自动感知计算并记录轨旁信号设备(信号机、箱盒和变压器等)的限界数据. 具体的限界数据测量流程如图5所示.

图5 限界数据自动测量流程图

通过三维激光扫描仪以一定频率发送空间坐标信息给工控机，同时触发相机采集轨旁两边的信号灯及变压箱等设备的图像并发送给工控机，算法检测出测量小车经过每个设备的中心位置，与三维激光扫描仪上传的各数据时间戳进行比对和匹配，从而获取当前设备的三维数据来验证每个设备的安装位置是否准确.

对激光扫描仪采集到的点云数据进行处理，处理后的合成三维数据可在用户界面中显示. 将点云数据进行简化和滤波等处理后，可进行曲面重建工作然后保存，当下一次再执行时，即可直接读取已保存的曲面重建数据，而无需重复进行数据处理.

2 系统关键技术

2.1 测量小车行驶驱动控制系统

2.1.1 系统硬件设计

1)主控制器采用欧姆龙NX1P2运动控制器，支持EtherCat总线，支持Ethernet(以太网)通信，支持串口通信，支持IO数字信号输入检测及IO数字信号输出控制，支持的电压等级为DC24V.

2)驱动电机部分采用Maxon直流无刷电机，该直流无刷电机采用驱动器、电机、减速机、编码器以及抱闸一体式的设计，支持EtherCat总线，支持IO输入输出信号对接，支持的电压等级为DC24V.

3)区域防撞检测采用激光雷达区域扫描传感器，支持多区域检测、多区域预警、IO区域控制及IO区域预警输出.

4)机械防撞传感器采用接触式机械开关，在测量小车发生轻微碰撞后，触发机械开关装置.

5)上位机系统采用研华工控机，支持电压的等级为DC24V，接口丰富，可对接多种通信方式.

2.1.2 系统软件设计

1)测量小车自动行驶程序：由上位机下发行车自动行驶指令，主控制器开始执行驱动程序，通过EtherCat总线下发执行指令，测量小车开始自动行驶. 当机器视觉系统检测到轨道转弯时，差速转弯功能块程序开始介入，确保测量小车在轨道上能够正常转弯行驶.

2)测量小车状态检测程序：实时检测测量小车现在所处的状态，包括自行行驶、手动行驶、待机、减速、有无障碍物、报警信息、预警信息、故障信息等检测程序，并与上位机实时对接.

3)枕木位置检测：当上位机下发准备喷码指令后，测量小车自动行驶到要喷码的对应枕木附近，开始低速接近，测量小车执行位置精确控制指令，确保测量小车的停车位置能让喷码执行机构正好处于枕木的中间位置，保证喷码机构能够正常执行喷码流程.

4)安全检测及保护程序：主控制器根据前进后退的行驶方向，来检测对应方向的障碍物，预警信息可分为3个级别. 当障碍物处于远端时，仅作提示而不预警处理；当障碍物处于近端时，系统作预警处理；当障碍物进入安全警报区域时，系统做警示处理且控制测量小车减速停车，确保前方障碍物移动解除后，系统才解除报警，保证行人以及测量小车的安全.

5)里程计算程序：通过电机自带的绝对值编码器，实时检测电机转动编码数据，通过电机减速比与车轮直径等参数进行换算，得出测量小车实时运行里程数据，并与上位机进行实时的里程数据对接.

6)遥控控制程序：无轨运行或者有轨运行下，人工介入操作后，通过手持式遥控终端的软件界面对上位机系统发送控制命令，测量小车根据上位机下发的指令执行前进、后退、左转、右转等指令，以此来实现远程遥控控制的功能.

2.2 测量小车执行机构控制系统

2.2.1 系统硬件设计

1)主控制器采用欧姆龙CP2E可编程逻辑控制器，支持Ethernet(以太网)通信，支持高速脉冲输出控制(多轴控制)，支持数字量IO控制与检测，支持的电压等级为DC24V.

2)喷码执行机构由步进电机、喷码机、气泵、气刀、舵机、视觉扫码装置和非接触式感应传感器组成，其中步进电机支持脉冲控制，定位精确.

3)检测机构由多路继电器模组、电动伸缩装置和红外可调距离检测传感器组成.

2.2.2 系统软件设计

1)初始化自检功能程序：当测量小车上电开机后，系统自动进入初始化自检程序，对喷码执行机构，包括两轴电机自动回零、舵机(喷码机保护舱盖)自动开关闭以及顶针伸缩杆自动伸缩等功能进行检测，保证测量小车运行时，各部分功能处于可执行状态.

2)喷码流程执行程序：当上位机下发喷码指令后，接收到测量小车停稳信号后，启动气泵，并且打开气刀电磁阀，将枕木上面的灰尘和小石子吹扫干净. 完成清扫工作后，关闭气泵和气刀电磁阀，同时系统控制舵机打开，喷码机升降轴下降到喷码高度，系统发送喷码指令给喷码机，喷码机水平轴开始水平移动，执行喷码，喷码完成后，喷码机水平轴自动返回到起喷位置. 水平轴完成定位后，喷码机升降轴也返回起始位置，喷码流程结束.

3)二维码识别程序：喷码完成后，系统下发二维码确认识别指令，扫描枪执行扫码，将扫码信息发送给上位机进行信息比对，如果二维码识别信息正确，喷码流程结束，关闭舵机舱，系统将执行状态反馈给上位机，上位机执行下一步动作指令. 若二维码比对不通过，或者无法识别二维码，则上位机将下发重喷二维码指令.

4)重喷二维码程序：上位机下发重喷二维码指令后，测量小车行驶主控配合行驶到合适位置，主控接收到停车信号后，重新开始执行喷码流程，二维码识别通过后，重喷二维码流程结束.

5)手动模式程序：该功能主要用于对系统各个部件的单独控制功能进行检测，包含各个电机的手动控制和各个单元点位的手动控制等程序.

6)轨道参数测量执行程序：上位机下发轨道参数测量指令后，系统控制切换测量线路，并控制顶针伸缩杆机构下顶，顶针顶伸到位后，上位机开始读取参数测量值并记录. 完成测量时，系统控制顶针收缩，收缩到位后，结束轨道参数测量流程.

7)各机构状态检测程序：实时检测测量小车执行机构当前所处的状态，包括清扫、开舱、喷码、扫码、轨道参数测量、报警信息和故障信息等检测功能，并能与上位机进行实时对接.

3 测量小车的应用

城市轨道信号工程数据定测及检测装置是对城市轨道铁轨在建设初期使用的设备，可以根据事先录入系统的城市轨道信号点数据，驱使小车到达设备安装位置并停车，自动在轨枕上喷涂包含需要安装设备信息的二维码或设备名称；并实现在指定测量点对轨道电压、电流、载频和补偿电容等参数的测量；可通过三维激光扫描仪和相机，自动感知计算并记录轨旁信号设备(信号机、箱盒和变压器等)的限界数据. 其主要实现以下几大功能：

1)在轨自动行驶，可对方向和速度参数进行设定，并具备避障功能；

2)为标识喷涂和轨道参数测量提供准确的定位和里程点信息；

3)识别枕木位置、清洁待喷涂区域、喷头自动升降移动和喷涂效果控制；

4)通过检测探头顶针顶压轨面的机械结构，切换测量线路，自动获取被测轨道电参数；

5)通过相机自动识别轨旁信号设备，使用三维激光扫描仪扫描并计算轨旁信号设备的限界数据.

图6是测量小车在轨实验现场实物图.

图6 测量小车在轨实验图

图7展示了检测轨道电参数时，检测探针顶针顶压轨面时的工作状态图.

图7 轨道电参数检测探针顶压轨面工作状态图

图8为使用三维激光扫描仪对铁轨周围环境进行扫描，还原出的现场三维激光点云数据图.

图8 使用三维激光扫描仪生成的点云数据图

图9为测量小车在轨行驶过程中，通过机器视觉，自动识别出轨旁设备后，调用三维激光扫描仪的点云数据，实时计算出的轨旁设备限界测量数据.

图9 轨旁设备识别与限界数据测量

4 结束语

本文针对目前城市轨道建设过程中自动化和智能化水平不高的现状，设计了1款城市轨道信号工程数据定测及检测装置，具有自主运行、自动量测城市轨道电信号与限界数据和智能标识等功能. 该装置行驶驱动控制系统以欧姆龙NX1P2运动控制器为主控，执行机构控制系统以欧姆龙CP2E可编程逻辑控制器为主控，结合相应的软硬件设计，实现了装置的运行与控制功能. 该装置减少了城市轨道建设的人工参与度，提高了准确性，降低了安全事故风险，有助于城市轨道建设工作向信息化、数字化和智能化方向发展.