基于自学习的组合式门吊高铁道岔智能铺换多机协同微动控制研究

吕茂印，牛学信，陈启申，詹太平

（株洲中车时代电气股份有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

道岔是高速铁路（简称“高铁”）线路上的重要设备，因其具有结构复杂、寿命短等特点，是高铁线路中薄弱环节之一，也是制约高铁的速度、影响高铁安全性及舒适性的关键设施之一［1-2］。为保障高铁线路运输的安全性和舒适性，需要定期对道岔进行更新铺换维护。通常道岔铺换工作需要在有限的 “天窗”时间内快速完成，同时还要保障道岔铺换质量，因此道岔铺换被视为与设计、制造并重的关键工序部分［3］。

国外在高铁道岔铺换设备及施工工艺上的研究起步比国内的早，目前奥地利、芬兰、法国等发达国家基本上已经实现道岔铺换完整流程的机械一体化施工。如奥地 利 PLASSER &THEURER 公司生产的WM500U 道岔铺换设备，其通过 WTW400 型道岔运输车、PK1型道岔举升装置、WRW型道岔铺设运输车和PK2 型道岔举升装置4 个装置的组合使用，可以实现40 m 及以下道岔的铺换；芬兰 DESEC 公司生产的TL50 型道岔铺换机，可实现在没有轨道的道床上作业及90°旋转行走；法国 GEISMAR 公司生产的 PEM LEM 型道岔铺设机由上下小车组成，上小车类似于组合式龙门吊，可实现100 mm纵移精准铺设［4-6］。

截至2023 年，我国铁路线道岔总数量已超17 万组，其中近1/4 为高铁道岔，高铁道岔型号有12、18、30、42、48号，其集中修周期一般为5年［7］，因此我国每年都有大量的高铁道岔需要更换。然而，目前我国道岔的铺换工作基本上以传统的人工铺设为主。人工铺设虽然具有现场灵活的优点，但同时也存在施工难度大、效率低、工人劳动程度高以及危险系数大等问题。鉴于此，中国铁路总公司于2018 年12 月在专题会议上提出了完善道岔施工作业机械化的需求［8］。在此背景下，中国铁建高新装备股份有限公司通过引进吸收法国GEISMAR 公司技术而研制的PEM 组合LEM 道岔铺换机目前已经取得成功应用；宝鸡中车时代工程机械有限公司以奥地利 PLASSER &THEURER 公司生产的WM500U 为原型研制的道岔铺换设备目前正在试运行中。本文研究在法国 GEISMAR 公司PEM LEM 型道岔铺设机的基础上，对组合式门吊道岔铺换机进行了“电驱”绿色升级，同时提出了一种异步横移旋转与同步倾斜纵移的控制方法。目前该设备已通过运行考核，填补了门吊类道岔铺换设备的国产空白。

1 组合式门吊道岔铺换设备

本文提出的组合式门吊道岔铺换装备采用“蓄电池+伺服电机”绿色升级进行驱动。道岔铺换装备可根据施工现场实际需求，采用不同数量的单个门吊进行组合，进而实现不同型号的道岔铺换工作。下面分别对单个门吊装置和多个门吊组合协同作业进行介绍。

1.1 单个门吊装置

如图1所示，单个门吊装置主要包含2条上支腿、4条下支腿、桁架、横移走行机构和吊钩等部件，同时还包含蓄电池、逆变器、本地控制器、伺服电机及其驱动器等电驱控制系统。当电驱控制系统选择在“本地”控制模式时，通过操作单机的控制面板相关动作按钮开关，不仅可以实现单个门吊装置所有支腿在Z方向的升降运动，还可以实现2条上支腿沿桁架在X方向的伸缩运动；同时，横移走行机构可以通过传动链条沿着桁架在X方向来回移动，吊钩通过起升葫芦实现在Z方向的升降运动。所有运动的驱动力均来自伺服电机。

1.2 多门吊组合协同作业

本文研制的组合式门吊道岔铺换装备理论上可以通过不同数量的单个门吊装置进行组合，进而实现各种型号高铁道岔的铺换需求。道岔型号越大，所需要的门吊数量越多。实际设计中，通过8个门吊的组合使用可实现48号高铁道岔的铺换。遥控多门吊组合协同进行高铁道岔铺换作业示意如图2所示（以4个门吊组合为例）。

图2 遥控多门吊协同作业示意Fig.2 Schematic diagram of remote control for multi crane cooperative operation

多门吊组合进行高铁道岔铺换时，首先将所有门吊选择为“遥控”模式，然后通过专用车辆将所需门吊运往施工现场，通过遥控器对专用运输车辆上的升降平台进行升降、旋转等控制操作，可实现将各门吊依次从运输车辆卸载于地面（与本文论述非强相关，在此不予赘述），同时通过遥控器依次控制各门吊上下支腿在Z方向的升降，以及上支腿在X方向的伸缩，可按需求实现各门吊被部署于需要铺换的道岔线路上；完成门吊部署后，在遥控器上同步操作多门吊进行吊装作业，同时通过人工将需要铺换的新旧道岔夹持于吊钩上，然后同步遥控每个门吊上的横移走行机构和起升葫芦，便可以实现新道岔卸车、旧道岔移除、新道岔更换、旧道岔回收等吊装作业步骤中道岔在Z方向的升降和X方向的横移；完成吊装作业后，按照门吊部署模式逆向操作流程即可完成各门吊回收至专用运输车上。

从整个道岔的铺换流程不难发现，手持式遥控器是整个装备的集中控制中心。为了提高各门吊动作的协同性，遥控器与门吊本地控制器之间采用无线透传技术实现100 Mbit/s 高速传输的双工通信，即控制命令可以由遥控器广播式同步下达，以保证动作的同步性；本地端的检测信号通过轮询机制依次上传至遥控器，遥控器的高速率低延迟特性是多机协同作业的安全保障［9-11］。除此之外，在整个吊装过程中，每个门吊载荷检测、协同升降及横移的负反馈控制算法均由遥控器集中处理实现，本文后续章节所述旋转、纵移控制算法同样也是以遥控器为硬件载体实现的。

2 旋转及纵移运动工况数学建模

在进行新道岔更换步骤时，需要将新道岔的两个端部与未拆除轨道的两端完全对接上，然后在对接处进行焊接、打磨等处理。因此，在两个端部对接过程中，可能存在X和Y方向的偏移，即使本设备虽然已经装有激光瞄准头，可尽量确保人工进行吊钩夹持道岔位置的准确性，但因门吊布置偏差、起升葫芦链条具有柔性等综合因素，并不能完全消除吊装时道岔在X和Y方向的偏差。当道岔两端在X方向的偏差值大小不一致时，需要道岔旋转才能使两个端部完全对接上；由于门吊相对地面固定，当道岔两端在Y方向发生偏移时，要实现Y方向纵向移动则相对困难。

针对X方向偏移，本文提出采用各门吊上横移走行机构的异步横移来实现旋转。针对Y方向偏移，目前国外类似产品均采用在结构上加上一个纵向移动装置［2-4］的方案。这种方法一方面会使控制系统复杂化，带来布线工艺困难、成本增加等问题；另一方面，用户的操作步骤将会更加复杂、耗时。鉴于此，本文提出一种采用各门吊下支腿同步倾斜来实现纵移的方案。

2.1 异步横移旋转工况数学建模

设某次作业选取n台门吊（n=2，…，8），门吊之间的间距为L，在水平面内，需要旋转的角度为α，如图3所示（以6 个门吊为例），从左至右各个门吊吊钩横移的距离为xi（i=1，…，n），各个吊钩与旋转中心之间的距离为ri（i=1，…，n），首端位移记为首移x1，尾端位移记为尾移xn，则2种旋转工况下的简化数学模型如图3所示。

图3 门吊异步横移旋转工况示意Fig.3 Schematic diagram of asynchronous transverse movement of gantry crane for rotation

图3 中，由于各个门吊吊钩的横移距离相对整个设备的尺度而言为小弧度微动，因此可将各个门吊吊钩围绕旋转中心转动的弧长近似成各个吊钩需要横移的距离。

2.1.1x1和xn方向相反

当x1和xn正负号相反时，旋转中心O1位于首端与尾端门吊之间，则

整理得到

暂定首尾吊钩均沿着道岔的端部起吊，则有

根据式（2）与式（3）可计算得出：

设定吊装道岔时以某固定的角速度ω转动，各个门吊横移走行机构进行横移的线速度（即横移速度）v与横移距离x分别如下：

1）假设首移门吊到第（i+1）个门吊的横移方向保持一致，则其横移速度v与横移距离x分别为

2）假设从k号门吊到第（n-1）号门吊的横移方向保持一致，它们的横移速度v与横移距离x分别为

综合式（5）和式（6）可得：

2.1.2x1和xn方向相同

当x1、xn正负号相同时，旋转中心O2位于首端与尾端门吊之外，同样有

并且有

设定吊装道岔时以固定的角速度ω转动，可得所求各个门吊横移走行机构的横移速度v与横移距离x，具体如下：

1）当|x1|＞|xn|时，从首移门吊开始到第j个门吊横移速度v与横移距离x分别为

2）当|x1|＜|xn|时，从首移门吊开始到第j个门吊的横移速度v与横移距离x分别为

由式（5）、式（6）、式（10）和式（11）不难发现，因每个门吊离旋转中心的距离不一样，所以横移的速度v和距离x的值也不一样，称之为异步横移旋转功能。

2.2 同步倾斜纵移工况数学建模

图4示出道岔吊装时多门吊下支腿同步倾斜实现纵移工况示意。图中，上方为作业俯视简图，下方为作业正视简图，图中A、B 表示两侧的上支腿，A1、A2、B1、B2为4条下支腿。在实际道岔铺换作业中，存在沿着Y轴正向纵移Δy（工况一）和负向纵移-Δy（工况二）这2种工况。显然，2种工况的运动过程关于x轴对称，在此只分析沿着y轴正向纵移的第1种工况。

图4 门吊同步倾斜纵移工况示意Fig.4 Schematic diagram of synchronous tilting of gantry cranes for longitudinal movement

组合门吊吊装道岔时要实现沿着Y轴正向的移动，理论上存在3种运动方式：

1）所有门吊的A1、B1下支腿保持不动，所有门吊的A2、B2下支腿同步缩短（即速度和伸缩量都相等）；

2）所有门吊的A1、B1下支腿同步伸长，所有门吊的A2、B2下支腿保持不动；

3）所有门吊的A1、B1下支腿同步伸长，同时所有门吊的A2、B2下支腿同步缩短。

实际控制中，一般采用第1种运动方式实现纵移，原因在于道岔重量较大，并且有道岔重心上升阶段，若采用第2种方式，则容易造成下支腿伺服电机过载；而第3种方式则控制相对复杂。因此，纵向移动的数学建模即为求解下支腿缩短量Δh与纵移量Δy之间关系的过程。门吊倾斜纵移数学模型如图5所示。

图5 门吊倾斜纵移示意Fig.5 Schematic diagram of tilting of gantry cranes for longitudinal movement

图5中，H表示上支腿长度，工程设计伸缩取值范围为［2 350，3 400］，单位为mm；h表示门吊完成部署后下支腿长度，完成伸缩后取值范围为［50，600］；l表示承重梁长度的一半，定值为950 mm；h1表示A2、B2下支腿缩短后的长度。根据图5中几何关系，可知下支腿缩短量Δh为

式中：θ1、θ2——辅助角。

式中：θ——在A2、B2 下支腿缩短Δh长度时，门吊围绕A1、B1下支腿触地点旋转过的角度，也是门吊的倾斜角度。

根据图5中几何关系，有

式中：m——辅助线长度；θ3——辅助角。

根据余弦定理，得

在遥控器实际控制门吊纵移过程中，可以通过伺服电机编码器获取H、h的实时参数并当做已知量。因此，只要由小到大给定Δh的值，便可以根据式（12）～式（18）求得相应Δy的值。

2.3 旋转及纵移自学习适应性修正

自学习控制是自适应控制策略的一个分支［6］。广义地讲，自学习控制系统就是靠自身的学习功能来认识控制对象和外界环境的特性，并相应地改变自身特性以改善控制性能的系统［12-15］。根据2.1 节和2.2 节的数学建模过程不难发现，所有数学模型是基于门吊完成部署后且处于初始理想状态下进行的。但实际道岔铺换时，由于设备参数误差、道路水平性、道岔质量分布均匀性、门吊部署位置偏差、起升葫芦链条柔性等一系列综合因素的影响，很难做到实际门吊状态与理论模型的高度一致。为了提升组合式门吊现场使用的便捷性和吊装铺换精度，本文采用基于 “专家库”自学习旋转控制和纵移初始状态自学习两种手段进行装备适应性修正，算法流程如图6所示。

图6 旋转及纵移自学习控制算法流程Fig.6 Flow chart of self-learning control algorithm for rotation and longitudinal movement

图6中的左边为基于“专家库”自学习的旋转控制算法。在算法中，每次旋转动作之前先在专家库寻找类似工况的数据。当有多条类似工况时，还需要进行优先级筛选，优先级条件设置的合理性决定了专家库的优劣。除了本文描述的门吊数量、门吊间距等参数外，实际应用中还包含吊装预紧力、道岔型号、操作时间等参数作为筛选条件，专家库也会根据新工况和人工调整数据进行数据扩充。显然，专家库扩充是一个不断迭代优化的自学习过程。

图6 中的右边为初始状态自学习纵移控制算法。算法中，每次计算出倾斜角度θ后，需要根据各门吊自身状态进行倾斜角度修正。即针对图4中工况一，若某门吊处于顺时针倾斜状态，则适当减小该门吊的θ值；相反，则适当增大θ值，根据初始状态修正后再计算各门吊对应的A2、B2 下支腿缩量Δh。另外，倾斜是一种相对危险的动作，因此每次倾斜动作都需要确保倾斜角度未超过安全极限阈值，而且本文所述样机开发将该功能放置在应急模式，只有通过培训的专业人员输入有效密码后方可使用。

3 试验结果与分析

为了验证异步横移旋转和同步倾斜纵移两个功能的可靠性，在客户现场专用铁路线上分别对两个功能单独进行了试验。

3.1 异步横移旋转试验

在异步横移旋转试验时，先按照图7 所示完成门吊部署，并将道岔（试验为普通轨道）吊装于某一高度。

图7 门吊异步横移旋转试验现场Fig.7 Experimental scene of asynchronous transverse movement of gantry cranes for rotation

完成现场门吊部署及道岔吊装后，按照表1 所示在遥控器上完成旋转功能所需的初始化参数设置。

表1 旋转试验各参数初始值Table 1 Initial values of parameters in rotation experiment

按照表1 的参数，在图8 所示标红框内进行首移、尾移参数设置，然后点击“群吊旋转”按钮，控制系统便可按照算法计算结果自动分配各门吊横移走行机构伺服电机的转速和停止位置；自动旋转停止后，如果首移、尾移没有移动到位，可以人工点击首移、尾移两侧“A”、“B”按钮进行修正，系统会自动记录人工修正完成的数据，作为专家的基础数据。

图8 门吊异步横移旋转遥控器操作界面Fig.8 Operation interface of remote control for asynchronous transverse movement of gantry cranes for rotation

经过20次试验及人工调整后得到的首移、尾移实际测量数据如图9 所示。图中，红色、绿色曲线分别表示尾移、首移实测数据，上下3条水平红线、3条水平绿线分别表示尾移、首移±5 mm误差范围线。

图9 门吊异步横移旋转试验结果Fig.9 Experimental results of asynchronous transverse movement of gantry cranes for rotation

由图9 试验结果可知，首移设定为0 mm，但是实际中第一次试验仍然会产生8 mm 移动距离。这是因为其他3 个门吊同向横移时，由于起升葫芦链条的柔性引起了首移门吊的跟随扰动。但随着专家库数据的扩充迭代，门吊在进行3～5 次学习后，首移、尾移基本上可被控制在10 mm以内。实现10 mm以内对接精度的目的是方便进一步采用精调工具进行道岔焊接前的精确对接定位。

3.2 同步倾斜纵移试验

在进行同步倾斜纵移试验前，根据式（12）～式（18）使用Matlab工具绘制出完整的下支腿缩短量Δh与纵移量Δy、倾斜角度θ之间的理论关系曲线，如图10所示。由图10 可知，完整的Δh与Δy、θ理论关系曲线虽然是非线性的，但是在下支腿可移动范围600 mm以内线性度较好，为本次纵移微动研究提供较好的数据特性。

图10 Δh 与Δy、θ 理论关系曲线Fig.10 Theoretical relation curves of Δh with Δy and θ

在进行同步倾斜纵移试验时，先按照图11所示完成门吊部署，并将道岔（试验为普通轨道）吊装于某一高度。

图11 门吊同步倾斜纵移试验现场Fig.11 Experimental scene of synchronous tilting of gantry cranes for longitudinal movement

完成现场门吊部署及道岔吊装后，按照表2 所示在遥控器上完成旋转功能所需的初始化参数设置。

表2 纵移试验各参数初始值Table 2 Initial values of parameters in longitudinal movement experiment

按照表2 的参数，首先在如图12 所示标红框内进行纵移参数设置，然后点击倾斜图标按钮，控制系统便可按照算法计算结果自动分配各门吊伸缩停止位置。

图12 门吊同步倾斜纵移遥控器操作界面Fig.12 Operation interface of remote control for synchronous tilting of gantry cranes for longitudinal movement

经过3次试验，结果如图13所示。因本试验目的是研究纵移微动且将下支腿缩短量控制在100 mm 以内，为了方便伺服电机转圈计数控制，实际测量时，下支腿每缩短3 mm左右记录一次数据。

图13 门吊同步倾斜纵移试验结果Fig.13 Experimental results of synchronous tilting of gantry cranes for longitudinal movement

由图13试验结果可知，当下支腿缩短量Δh取值在（0 mm，18 mm］时，试验记录纵移量ΔY与理论纵移量Δy之间的误差绝对值|ΔY-Δy|较大，最大值约9.5 mm；随着Δh取值不断增大，误差绝对值|ΔY-Δy|基本可被控制在3 mm以内。结合现场观察分析，Δh取值在（0 mm，18 mm］时，装置处于刚启动阶段，较大误差源于装置装配间隙和门吊初始状态。另外，当满足150 mm纵移设计要求时，下支腿缩短量Δh取值约为73 mm，此时门吊倾斜角度约为2.2°，远小于门吊倾翻角度阈值（设计理论值约为8°）。

4 结束语

本文在调研分析国内外高铁线路道岔铺换工艺基础上，结合我国目前阶段的实际情况，研制出一种适用于国内高铁道岔智能铺换的装备。文中所提异步横移旋转、同步纵移、多机协同微动等技术的使用，有效简化了整个设备的操作难度，提高了该装备的适应性、铺换效率及准确率，同时也降低了现场工人的劳动强度和安全风险。

但是限于目前尚没有专门针对文中所述的道岔实时位置与目标铺设位置之间距离的智能化检测方法，而只能采用人工测量的方法。下一步将研究该智能化检测方法，使整个装备能够自动工作，形成完整的铺换流程闭环系统，进而极大地减少人工操作量，进一步降低工人的安全风险。