殷俊浩 上海鐵路局科研所

1 前言

高速鐵路的高速度、高舒適度、高安全性、高密度連續(xù)運(yùn)營(yíng)等特點(diǎn)對(duì)安全工作提出了更嚴(yán)格的要求，高速列車(chē)對(duì)橋梁的動(dòng)力作用大于普通鐵路橋梁，因此對(duì)行車(chē)安全提出了更高的要求。維持軌道的高平順性和高穩(wěn)定性，是高鐵運(yùn)行的重中之重。列車(chē)高速運(yùn)行時(shí)，軌面上微小的不平順，都可能引起列車(chē)的強(qiáng)烈振動(dòng)，使得平穩(wěn)、舒適和安全性降低，甚至惡化。軌道的平順性依靠路基的高穩(wěn)定性和均勻性，基于高鐵高架橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，還依靠其橋梁支點(diǎn)的穩(wěn)定性，所以必須對(duì)支點(diǎn)的高穩(wěn)定性進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，以避免列車(chē)高速通過(guò)時(shí)對(duì)支點(diǎn)的擠壓和振動(dòng)而產(chǎn)生橋梁支點(diǎn)的變形和吊空，做到提前預(yù)警防止事故發(fā)生。

隨著滬寧、滬杭城際鐵路，京滬高鐵的建成開(kāi)通，大部分線路都是鋪在高架橋上的，由于大部分高架橋墩上都沒(méi)有檢修用的扶梯，給以后的橋梁支座檢修帶來(lái)了諸多不便。雖然我們有大型的橋梁檢修車(chē)，但是很多橋墩都是建在大型檢修車(chē)輛無(wú)法開(kāi)進(jìn)的農(nóng)田、湖泊之上，而且檢修車(chē)檢修橋墩所需的時(shí)間較長(zhǎng)。所以需要設(shè)計(jì)研究一套針對(duì)各種不同類(lèi)型、不同高度的橋梁支座，站在平地亦能方便檢測(cè)的設(shè)備。該設(shè)備攜帶方便、使用簡(jiǎn)單，且不受天氣、時(shí)間、地點(diǎn)的影響，是一種全天候的便攜檢測(cè)設(shè)備。

2 系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)

本檢查裝置由攝像系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、立竿傳送系統(tǒng)、滾輪支座輔助系統(tǒng)和應(yīng)用軟件組成。系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)示意圖

通過(guò)立竿把攝像機(jī)傳送到指定的橋梁支座處，然后利用攝像機(jī)和筆記本電腦建立的本地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)，把攝像機(jī)的圖像傳輸?shù)焦P記本電腦的屏幕上，檢查人員根據(jù)圖像判斷橋梁支座的好壞，并抓拍圖片存貯，以便于日后的分析處理。數(shù)據(jù)流圖見(jiàn)圖2。

圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖

2.1 攝像系統(tǒng)

攝像系統(tǒng)由攝像機(jī)和集成控制模組組成。

2.1.1 攝像機(jī)

采用27倍光學(xué)變焦廣角一體機(jī)，1/4 SONY CCD快速自動(dòng)聚焦，自動(dòng)光圈控制。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理：圖像傳感器將采集到的視頻圖像輸入到FPGA，F(xiàn)PGA輸出變倍電機(jī)和聚焦電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并經(jīng)H橋放大后輸出到光學(xué)鏡頭，同時(shí)，光學(xué)鏡頭將變倍電機(jī)和聚焦電機(jī)的位置檢測(cè)信號(hào)反饋輸出到FPGA中，用以檢測(cè)當(dāng)前電機(jī)位置。

系統(tǒng)上電后，F(xiàn)PGA判斷光學(xué)鏡頭返回的變倍電機(jī)位置檢測(cè)信號(hào)和聚焦電機(jī)返回的檢測(cè)信號(hào)，若檢測(cè)信號(hào)為低電平則驅(qū)動(dòng)電機(jī)向靠近圖像傳感器方向轉(zhuǎn)動(dòng)，直至檢測(cè)信號(hào)為高電平，在電平跳變處停止。同理，若檢測(cè)信號(hào)為高電平，則驅(qū)動(dòng)電機(jī)向遠(yuǎn)離傳感器方向轉(zhuǎn)動(dòng)，直至檢測(cè)信號(hào)為低電平在電平跳變處停止，以上則完成對(duì)電機(jī)的初始化。初始化結(jié)束后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到一個(gè)固定放大倍數(shù)位置。電機(jī)變倍時(shí)，變倍電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一定步數(shù)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)聚焦電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)應(yīng)步數(shù)，具體步數(shù)可根據(jù)變倍跟蹤曲線獲得。變倍結(jié)束后，F(xiàn)PGA計(jì)算當(dāng)前場(chǎng)圖像的高頻分量，判斷當(dāng)前圖像的清晰度，并采用爬山搜索策略驅(qū)動(dòng)聚焦電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)圖像的自動(dòng)聚焦，從而可保證每次變倍結(jié)束后得到清晰的圖像。

2.1.2 集成控制模組

集成控制模組由網(wǎng)絡(luò)控制模組 (見(jiàn)圖3)和無(wú)線路由模塊組成。網(wǎng)絡(luò)控制模組負(fù)責(zé)給攝像機(jī)分配IP地址，控制攝像機(jī)的焦距，光圈，抓拍等；無(wú)線路由模塊是攝像機(jī)和筆記本連接的橋梁。

圖3 網(wǎng)絡(luò)模組示意圖

網(wǎng)絡(luò)模組尺寸僅38×38 mm，采用H.264純硬件壓縮方式，支持雙碼流、語(yǔ)音對(duì)講，USB接口支持外接存儲(chǔ)設(shè)備，板載Micro SD卡接口最高支持32GB，內(nèi)嵌WEB SERVER，方便遠(yuǎn)程控制管理，支持遠(yuǎn)程固件升級(jí)、一鍵恢復(fù)等功能，提供SDK集成開(kāi)發(fā)包、實(shí)現(xiàn)各類(lèi)應(yīng)用開(kāi)發(fā) ， 支 持 HTTP、TCP/IP、UDP、SMTP、DDNS、DNS、SNTP、BOOTP、DHCP、FTP、SNMP、RTP、UPNP 等多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，采用高性能、功能強(qiáng)大的媒體處理器，單片SOC芯片，采用標(biāo)準(zhǔn)的壓縮算法，方便在窄帶上實(shí)現(xiàn)高清晰的圖像傳輸，支持UPnP和動(dòng)態(tài)域名解析，方便用戶使用 ，內(nèi)置 Web Server，方便用戶使用標(biāo)準(zhǔn)的IE瀏覽器實(shí)現(xiàn)對(duì)前端的實(shí)時(shí)監(jiān)看和設(shè)置管理 ，支持遠(yuǎn)程系統(tǒng)升級(jí)功能 ，提供移動(dòng)檢測(cè)（區(qū)域、靈敏度可設(shè)）和郵件報(bào)警功能，提供RS485/RS232串口和內(nèi)置各種解碼器協(xié)議，異常自動(dòng)恢復(fù)功能，網(wǎng)絡(luò)中斷自動(dòng)連接功能。

無(wú)線路由模塊支持IEEE 802.11n、IEEE 802.11g、IEEE 802.11b、IEEE 802.3以及 IEEE 802.3u標(biāo)準(zhǔn)，采用IEEE 802.11n先進(jìn)技術(shù)和新型高性能天線，無(wú)線覆蓋范圍是普通54 M產(chǎn)品的3倍，傳輸距離可達(dá)100 m，無(wú)線傳輸速率為150 Mbps，是普通54 M產(chǎn)品的3倍，支持64/128 位 WEP 數(shù)據(jù)加密，WPA、WPA2、WPA/WPA2混合等多種加密與安全機(jī)制 支持WPS一鍵加密及無(wú)線配置技術(shù)，提供1個(gè)10/100 M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口，作為L(zhǎng)AN/WAN復(fù)用接口，支持本地/遠(yuǎn)程Web管理，全中文配置界面，使用無(wú)線漫游（Roaming）技術(shù)，保證高效的無(wú)線連接，支持隱藏?zé)o線SSID功能和基于MAC地址的訪問(wèn)控制 (多達(dá)30組)，支持端口自動(dòng)識(shí)別交叉/直通（Auto MDI/MDIX），提供系統(tǒng)安全日志，可以記錄路由器使用狀態(tài)，支持IEEE802.11b/IEEE802.11g/IEEE802.11n自適應(yīng)或手動(dòng)設(shè)置模式，支持通用即插即用（UP－nP）、DDNS功能，內(nèi)置防火墻，防黑客攻擊。

2.2 供電系統(tǒng)

采用12 V、7 mAh鋰電池組，安裝在攝像機(jī)下的特制電池竿里，能保證整個(gè)攝像系統(tǒng)連續(xù)不間斷工作8 h以上，而且能反復(fù)充電，既節(jié)約成本又環(huán)保。

2.3 立竿傳送系統(tǒng)

立竿傳送系統(tǒng)采用一根根立竿（1米/根）拼接，把攝像機(jī)送到不同高度的橋梁支座處。立竿采用了一種新型碳纖維復(fù)合材料，質(zhì)量輕，強(qiáng)度大，能有效地防止升降過(guò)程中折斷的發(fā)生。碳纖維是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料，它的比重不到鋼的1/4，碳纖維樹(shù)脂復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度一般都在3 500 MPa以上，是鋼的7～9倍，抗拉彈性模量為23 000～43 000 MPa，亦高于鋼。因此CFRP的比強(qiáng)度即材料的強(qiáng)度與其密度之比可達(dá)到2 000 MPa/(g/cm3)以上，而A3鋼的比強(qiáng)度僅為59 MPa/(g/cm3)左右，其比模量也比鋼高。

2.4 滾輪支座輔助系統(tǒng)

滾輪支座輔助系統(tǒng)由滾輪、支架和軸承組成。攝像機(jī)是嬌貴的，為了能把它安全平穩(wěn)地送到幾米、十幾米甚至更高的幾十米的橋墩上工作，靠雙手是不現(xiàn)實(shí)的，所以需要滾輪支座的幫忙。它靠在橋墩垂直立面上，通過(guò)橡皮輪子滾到攝像機(jī)工作處，防止攝像機(jī)碰到橋墩，造成攝像機(jī)損傷。由于橋墩表明光滑，所以我們要用硬度適中、阻尼系數(shù)較高的橡膠輪，盡可能大地增加摩擦力，防止支座左右滑動(dòng)。

軸承固定在立竿上。它的作用是，當(dāng)需要通過(guò)立竿轉(zhuǎn)動(dòng)攝像機(jī)時(shí)，滾輪支座仍然保持在原來(lái)的位置，維持整個(gè)立竿的穩(wěn)定。滾輪支座示意圖見(jiàn)圖4。

2.5 應(yīng)用軟件

通過(guò)筆記本電腦里的瀏覽器（IE）可以實(shí)時(shí)觀看攝像畫(huà)面，并能控制攝像機(jī)的調(diào)焦，變倍，抓拍等，并將圖片保存在硬盤(pán)里。也可以安裝特定的軟件實(shí)施以上功能。

圖4 滾輪支座示意圖

3 技術(shù)難點(diǎn)

⑴高集成度。系統(tǒng)將無(wú)線視頻傳輸技術(shù)與計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)及視頻解壓縮傳輸技術(shù)等信息技術(shù)集成使用，開(kāi)發(fā)利用計(jì)算機(jī)管理信息技術(shù)，達(dá)到高清度的無(wú)線視頻影像效果，解決現(xiàn)有的高速鐵路橋梁支座固定部件及連接裝置無(wú)法檢測(cè)、檢修的瓶頸問(wèn)題。

⑵立竿間連接。立竿之間的連接一直是個(gè)難點(diǎn)，既要保證連接的強(qiáng)度又要適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)安裝方便的需求。傳統(tǒng)的螺紋連接，強(qiáng)度夠了，但是安裝很麻煩，時(shí)間長(zhǎng)了，螺紋也容易損壞；插口連接，安裝方便，但竿子長(zhǎng)了會(huì)因?yàn)椴蹇陂g的間隙造成竿子搖晃，存在安全隱患。經(jīng)過(guò)數(shù)次反復(fù)試驗(yàn)，結(jié)合現(xiàn)有的加工工藝，在不開(kāi)模具的前提下，使用了這種結(jié)合插口連接和螺紋連接的方式。

4 試用效果

在客專(zhuān)基地高鐵部的配合下，于2011年9月6日在南翔南站附近的橋梁支座進(jìn)行了試驗(yàn)，效果讓人滿意，得到高鐵部的認(rèn)可，圖5、圖6、圖7是使用該檢測(cè)裝置現(xiàn)場(chǎng)實(shí)拍照片。

圖5 實(shí)拍橋梁支座正面圖

圖6 實(shí)拍橋梁支座側(cè)面支座墊圈

圖7 實(shí)拍橋梁支座遠(yuǎn)端支座

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)高鐵事業(yè)的蓬勃發(fā)展，高鐵營(yíng)運(yùn)線路里程的不斷增加，橋梁支座的維護(hù)也越來(lái)越多。本檢查裝置不僅解決了大型檢修器械因?yàn)榈匦?、環(huán)境等因素而無(wú)法進(jìn)入橋墩位置的檢測(cè)問(wèn)題，而且極大地提高了檢測(cè)效率，解決了因營(yíng)運(yùn)里程增加而導(dǎo)致人手不夠的問(wèn)題。以后還能往檢測(cè)聲屏障、風(fēng)屏障、高架公路等方面推廣應(yīng)用。