摘 要：高速鐵路施工裝備的智能化升級，不僅可以降低人工勞動強(qiáng)度，提高作業(yè)效率，還可以提高設(shè)備施工的安全性與穩(wěn)定性，增強(qiáng)施工設(shè)備的自動化程度，對高速鐵路的快速發(fā)展，具有重要的意義。本文從高速鐵路施工裝備的單機(jī)智能化和機(jī)群智能化管理兩方面入手，對高速鐵路施工裝備的智能化應(yīng)用進(jìn)行研究。在單機(jī)智能化研究中，以步履式架橋機(jī)為例，從傳感分析技術(shù)和遙控操縱技術(shù)兩方面對高速鐵路施工裝備的智能化進(jìn)行應(yīng)用分析；在機(jī)群智能化管理方面，對其原理及方式進(jìn)行了探討，為施工裝備智能化的發(fā)展提供了手段與方向。

關(guān)鍵詞：高速鐵路；施工設(shè)備；智能化；機(jī)群

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

隨著我國高鐵技術(shù)和橋梁建設(shè)技術(shù)的不斷發(fā)展，高速鐵路建設(shè)力度的不斷加強(qiáng)和“一帶一路”國家級頂層戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，我國高速鐵路的施工建設(shè)步入高速發(fā)展的快車道。高速鐵路的施工建設(shè)，離不開與其配套的相關(guān)施工設(shè)備，如搬運(yùn)機(jī)、提梁機(jī)、架橋機(jī)和運(yùn)梁車等設(shè)備。隨著高速鐵路朝著大跨度、大噸位、高速化以及環(huán)境復(fù)雜多變的方向發(fā)展，高速鐵路施工裝備也迎來了巨大的市場需求。同時(shí)，也對施工裝備提出了更高的要求。以前自動化程度不足、依靠人工上機(jī)操作等僅實(shí)現(xiàn)其功能的施工裝備已無法滿足現(xiàn)代高速鐵路建設(shè)的需求。因此，如何保障高速鐵路施工裝備的安全性與可靠性，減少人工勞動強(qiáng)度，提高施工設(shè)備的智能化程度已成為相應(yīng)設(shè)計(jì)制造企業(yè)贏得市場的關(guān)鍵。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，機(jī)器視覺技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息控制技術(shù)等新興技術(shù)日益活躍，并開始廣泛應(yīng)用于鋼鐵、電子芯片、航天、鐵路等各行各業(yè)，其以極快的速度展現(xiàn)出巨大的市場潛力。2015年5月，我國正式印發(fā)《中國制造2025》，從國家層次推進(jìn)我國制造業(yè)的智能化升級，尤其對我國機(jī)械制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級有著重要的意義。高速鐵路施工裝備作為我國機(jī)械制造業(yè)中的重要一員，其直接影響到我國高速鐵路的建設(shè)進(jìn)程。因此，將智能化技術(shù)應(yīng)用到高速鐵路施工裝備，一方面能提高施工設(shè)備的可操作性、平穩(wěn)性和可靠性；另一方面可減輕人工體力勞動，降低施工過程中的人員干預(yù)，保障人員的生命財(cái)產(chǎn)安全。

高速鐵路施工裝備的智能化，就是將智能化技術(shù)應(yīng)用到施工裝備中去，將信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、傳感技術(shù)、視覺監(jiān)測技術(shù)等新興技術(shù)融入到施工裝備設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用和管理中，對高速鐵路施工裝備進(jìn)行智能化升級，從而使裝備在施工過程中較少甚至不需要人員參與，通過其各種復(fù)雜的傳感設(shè)備來獲取各工況狀態(tài)數(shù)據(jù)，以達(dá)到自我感知、自主決策和自動控制的智能化功能[1]。

目前，我國對于施工裝備的智能化升級已有嘗試，但其智能化水平較低，基本側(cè)重于安全監(jiān)控上面[2，3]。本文將從高速鐵路施工裝備的單機(jī)智能化和機(jī)群的智能化管理兩方面入手，對高速鐵路施工裝備的智能化技術(shù)進(jìn)行研究，為高速鐵路施工裝備的智能化發(fā)展提供方向和手段。

1 高速鐵路施工裝備單機(jī)智能化研究

預(yù)制混凝土梁，具有制造質(zhì)量可控、綜合成本較低、便于集中管理和不受橋下工程影響等優(yōu)點(diǎn)，已成為橋梁建設(shè)的首選施工方法[4]。國內(nèi)外高速鐵路建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)表明：采用“梁場集中預(yù)制，架橋機(jī)架設(shè)”施工工藝進(jìn)行橋梁施工，對加快高速鐵路建設(shè)有著重要的意義。架橋機(jī)作為高速鐵路梁片架設(shè)的核心裝備之一，對其進(jìn)行智能化研究，具有廣泛的代表性。

步履式架橋機(jī)由于其適應(yīng)性強(qiáng)、過孔簡便、承載大等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于大跨度、大噸位橋梁梁片的架設(shè)。步履式架橋機(jī)一般由前輔助支腿、前支腿、機(jī)臂、中支腿、起重小車、后支腿、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

步履式架橋機(jī)作業(yè)方式主要為：運(yùn)梁車運(yùn)梁至架橋機(jī)尾部喂梁，前起重小車取梁后與運(yùn)梁車馱梁臺車同步移梁到位后，后起重小車取梁，兩臺起重小車同步吊梁前行，到位后再對位落梁。架橋機(jī)通過后支腿驅(qū)動、前支腿支撐完成架橋機(jī)的過孔，通過前輔助支腿和前支腿縱向位置的變化實(shí)現(xiàn)架橋機(jī)的變跨調(diào)整。

通過以上分析，本節(jié)以步履式架橋機(jī)為例，從傳感分析技術(shù)和遙控操縱技術(shù)兩方面對高速鐵路施工裝備的智能化進(jìn)行研究。

1.1 傳感分析技術(shù)

為改變操作人員上機(jī)檢修、靠既有經(jīng)驗(yàn)對架橋機(jī)進(jìn)行狀態(tài)分析，保證架橋機(jī)的本質(zhì)安全，有必要充分利用傳感分析技術(shù)對架橋機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行信息化改造，以達(dá)到無需人工上機(jī)，實(shí)時(shí)獲取架橋機(jī)各工況狀態(tài)數(shù)據(jù)的目的。通過大量收集總結(jié)以前出現(xiàn)的各種問題及故障原因，建立系統(tǒng)故障知識庫。同時(shí)依據(jù)設(shè)計(jì)人員給出的故障可能原因，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際排查后得出的問題原因，對故障可能原因進(jìn)行概率匹配，建立新的動態(tài)故障原因清單，從而形成專家?guī)?。?dāng)設(shè)備狀態(tài)參數(shù)異常時(shí)，故障自診斷系統(tǒng)對狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行收集，并對出現(xiàn)異常的原因進(jìn)行整機(jī)分析，并結(jié)合系統(tǒng)故障知識庫進(jìn)行故障匹配，找出原因并解決；若在知識庫中無匹配信息，則將可能引起參數(shù)異常的原因及定位信息逐條列出，同時(shí)發(fā)出預(yù)警警報(bào)，并將該信息反饋給專家?guī)欤ㄟ^專家?guī)斓母怕势ヅ?，得出新的可能故障原因列表，并將其反饋給現(xiàn)場管理人員按列表進(jìn)行逐一排查，從而完成設(shè)備故障的診斷，防止系統(tǒng)嚴(yán)重?fù)p壞甚至安全事故發(fā)生。所有設(shè)備狀態(tài)信息均需記錄備案，異常狀態(tài)均需報(bào)警提示，同時(shí)各狀態(tài)參數(shù)均以不同形式顯示在人機(jī)交互界面上。

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，步履式架橋機(jī)各支腿的載荷狀態(tài)很大程度上影響著架橋機(jī)的安全運(yùn)行。如，中支腿最大載荷發(fā)生在后起重小車取梁工況時(shí)，前支腿最大載荷發(fā)生在落梁工況時(shí)，后支腿最大載荷發(fā)生在過孔工況時(shí)。因此，為保證架橋機(jī)在正常工況時(shí)的運(yùn)行安全，可對各工序的關(guān)鍵點(diǎn)安裝載荷傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測各工況下各支腿的工作狀態(tài)。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)整機(jī)各部位的精準(zhǔn)安全工作，可對整機(jī)的各個(gè)重要參數(shù)（如支腿垂直度、整機(jī)水平度、風(fēng)速等）進(jìn)行監(jiān)測并實(shí)時(shí)反饋各參數(shù)變化狀態(tài)。

架橋機(jī)在工作過程中，各部件的運(yùn)行協(xié)調(diào)也是非常重要的。為防止各部件運(yùn)行干涉，發(fā)生部件碰撞釀成事故，對各部件的運(yùn)行限位進(jìn)行智能化升級也顯得十分必要。以往架橋機(jī)各部件運(yùn)行定位往往依據(jù)人員在架橋機(jī)上或者橋面上對部件運(yùn)行情況進(jìn)行目測觀察指揮，如在落梁片時(shí)，需人工目測落梁位并指揮架橋機(jī)上操作工進(jìn)行操作落梁。該方式具有很大的主觀性，同時(shí)操作運(yùn)行緩慢，效率低下，人員目測需高度集中，稍有差池就會造成嚴(yán)重后果。因此，為提高架橋效率、減少人工干預(yù)，可對各重要運(yùn)行部為安裝機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)，如起重小車卷揚(yáng)、走行部位，前支腿縱移走行、橫移部位，前輔助支腿縱移、插銷部位和后支腿插銷處、翻折部位等限位，以及梁片和前支腿，梁片和中支腿，運(yùn)梁車和中支腿，前支腿和前輔助支腿，起重小車之間等距離控制部位。通過機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)，實(shí)時(shí)獲取部件運(yùn)行狀態(tài)，并將各實(shí)時(shí)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為圖像信號，獲取兩部件的實(shí)時(shí)相對位置信息，利用圖像處理軟件系統(tǒng)處理并提取目標(biāo)特征，并將相對位置圖像及相對距離數(shù)值實(shí)時(shí)顯示在顯示屏上，若達(dá)到預(yù)定數(shù)值，則將該數(shù)據(jù)反饋給各部件運(yùn)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對各部件協(xié)調(diào)運(yùn)作的實(shí)時(shí)控制。

通過以上分析，單機(jī)傳感分析技術(shù)在高速鐵路施工裝備智能化的應(yīng)用特點(diǎn)可總結(jié)為以下幾點(diǎn)：

（1）能實(shí)時(shí)監(jiān)測施工裝備運(yùn)行各重要參數(shù)及主要部件的工作狀

態(tài)，并以不同形式記錄并顯示；

（2）能快速響應(yīng)報(bào)警。當(dāng)監(jiān)測到數(shù)據(jù)異常時(shí)，應(yīng)快速響應(yīng)報(bào)警，而不需要人員時(shí)刻盯著儀表顯示器進(jìn)行判斷異常，減輕人工工作強(qiáng)度；

（3）具有故障自診斷功能。即自檢程序時(shí)刻保持后臺運(yùn)行，當(dāng)發(fā)現(xiàn)整機(jī)功能情況，如警報(bào)、顯示、傳感器等功能異常時(shí)，能立刻分析定位，結(jié)合故障知識庫找出問題原因自行解決或者反饋給專家?guī)旌同F(xiàn)場管理人員協(xié)助解決，同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號；

（4）具有較高的精度和靈敏度。能檢測各重要參數(shù)的異常微小變化，保證設(shè)備運(yùn)行的安全性和可靠性。

1.2 遙控操縱技術(shù)

針對架橋機(jī)工作可能存在的危險(xiǎn)工況，如各支腿升降時(shí)，架橋機(jī)整體過孔時(shí)，遙控操縱就顯得尤為重要了，一方面可遠(yuǎn)距離操作，避免人員上機(jī)，降低人工勞動強(qiáng)度，消除安全隱患；另一方面可豐富操作人員操作視野，實(shí)時(shí)掌握設(shè)備運(yùn)行狀況，避免誤操作，提高設(shè)備的可操作性和安全性。遠(yuǎn)程遙控操縱技術(shù)使得高鐵施工裝備可以深入更危險(xiǎn)、更復(fù)雜的環(huán)境中去，減輕人力勞動的同時(shí)還保證了施工作業(yè)的安全性。遙控操縱系統(tǒng)主要有無線通訊系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成，其通過監(jiān)控系統(tǒng)獲取操作狀態(tài)，利用無線通訊系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)射和接收遙控信號，并控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的執(zhí)行輸出，已達(dá)到遠(yuǎn)程遙控操縱的目的。

步履式架橋機(jī)的一大特點(diǎn)就是利用插銷和油缸實(shí)現(xiàn)各支腿的升降調(diào)整，對于大載荷的工況，單靠油缸支撐無法滿足受力需求，因此利用“液壓油缸升降，插銷支撐受力”的模式，可有效解決各支腿受力問題。各支腿升降的調(diào)整可利用遙控操作技術(shù)，通過攝像裝置的實(shí)時(shí)監(jiān)控插銷狀態(tài)，利用傳感器到位監(jiān)測技術(shù)控制插銷位置，通過無線通訊系統(tǒng)和電液控制系統(tǒng)完成液壓油缸與插銷的協(xié)同運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)遙控架橋機(jī)支腿升降的調(diào)整。操作人員只需要通過監(jiān)控屏幕遠(yuǎn)程遙控作業(yè)即可實(shí)現(xiàn)插拔銷作業(yè)，從而有效提高工作效率，減輕傳統(tǒng)人工插拔銷的工作強(qiáng)度及工作量。

遙控操縱技術(shù)不僅可以應(yīng)用在架橋機(jī)各支腿升降控制上，還可以應(yīng)用到架橋機(jī)過孔，梁片吊、落以及起重小車走形等工況控制上。遙控操縱技術(shù)的成功應(yīng)用離不開電液控制技術(shù)、信息通信技術(shù)以及視覺監(jiān)測技術(shù)等技術(shù)的發(fā)展，其是實(shí)現(xiàn)高速鐵路施工裝備的智能化發(fā)展的一種重要手段，是解放人工操作、降低勞動強(qiáng)度的重要渠道。

2 高速鐵路施工裝備機(jī)群的智能化管理

高速鐵路架橋施工項(xiàng)目中，往往需要數(shù)量較多的施工裝備參與其中，如提梁機(jī)、運(yùn)梁車、架橋機(jī)、灰漿攪拌機(jī)和運(yùn)輸車輛等，各種施工裝備運(yùn)行情況具有一定的隨機(jī)性。因此，如何對各種施工設(shè)備進(jìn)行智能化管理以實(shí)現(xiàn)資源配置的合理化、施工效率的最大化和工作質(zhì)量的最佳化，已成為實(shí)際施工項(xiàng)目中亟需解決的問題。

在高速鐵路施工裝備的單機(jī)智能化不斷發(fā)展的同時(shí)，以信息通訊、集中控制調(diào)度和綜合管理為手段的機(jī)群智能化管理技術(shù)也得到了發(fā)展[5]。所謂的機(jī)群智能化管理，就是將各種不同功能的施工裝備利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)組成一個(gè)大系統(tǒng)，進(jìn)行多機(jī)協(xié)調(diào)工作以完成同一工程項(xiàng)目的統(tǒng)一綜合管理，其以實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置、生產(chǎn)進(jìn)程同步管理為目的，進(jìn)而提高施工綜合效益，保證工程質(zhì)量。

高速鐵路施工裝備機(jī)群的智能化管理體系包括3個(gè)組成部分：機(jī)群控制中心，機(jī)群通訊系統(tǒng)和單機(jī)智能控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。機(jī)群控制中心為機(jī)群智能化管理的“大腦”，其主要通過機(jī)群通訊系統(tǒng)對各設(shè)備傳輸來的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、分析和處理，以施工調(diào)度方案最優(yōu)化為目的，實(shí)現(xiàn)對各設(shè)備的統(tǒng)一決策管理，同時(shí)，將各設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面以及狀態(tài)參數(shù)等信息顯示在控制臺上；機(jī)群通訊系統(tǒng)是以無線通訊為主，綜合機(jī)群信息流和通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)機(jī)群控制中心和各單機(jī)智能控制系統(tǒng)的雙向數(shù)據(jù)交換及共享；單機(jī)智能控制系統(tǒng)主要利用各種傳感器獲取單機(jī)自身狀態(tài)、位置、性能等數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理后，實(shí)時(shí)傳送給機(jī)群控制中心，同時(shí)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、顯示。

機(jī)群同一時(shí)間進(jìn)行施工作業(yè)時(shí)，各單機(jī)裝備通過其智能控制系統(tǒng)，將其工作狀態(tài)、位置信息、性能參數(shù)、施工進(jìn)度以及故障信息等利用無線通訊系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳輸給機(jī)群控制中心，機(jī)群控制中心通過對各單機(jī)傳送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和分析處理，綜合施工任務(wù)和上級指令，得出最優(yōu)動態(tài)施工調(diào)度信息，并將該信息反饋給各施工裝備，以指揮各單機(jī)下一步的施工動作，同時(shí)對各單機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總顯示、儲存。如此往復(fù)，完成機(jī)群各單機(jī)的高效聯(lián)合施工作業(yè)。

高速鐵路施工裝備機(jī)群的智能化管理綜合了工程管理、遠(yuǎn)程監(jiān)控、現(xiàn)場規(guī)劃、智能控制、網(wǎng)絡(luò)通訊等一系列學(xué)科知識，對實(shí)現(xiàn)機(jī)群動態(tài)優(yōu)化調(diào)度，資源優(yōu)化配置，單機(jī)集中管理，降低施工成本，提高工程質(zhì)量有著重要的意義。

3 結(jié)束語

目前，我國高速鐵路施工裝備已開始進(jìn)行智能化升級嘗試，但與國外相比，我國智能化起點(diǎn)較晚，且應(yīng)用范圍較窄。面對我國高鐵全套技術(shù)“走出去”戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)和國外日益增長的高鐵建設(shè)需求，我國若要在競爭中贏得市場，高鐵及其配套的施工裝備進(jìn)行智能化升級已成為發(fā)展的必經(jīng)之路。本文從高速鐵路施工裝備的單機(jī)智能化和機(jī)群的智能化管理兩方面入手，對高速鐵路施工裝備的智能化技術(shù)進(jìn)行了研究，為施工裝備智能化的發(fā)展提供了手段與方向。我國還應(yīng)充分結(jié)合先進(jìn)技術(shù)，推進(jìn)自主創(chuàng)新，將大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等新興技術(shù)應(yīng)用到高速鐵路施工裝備上來，為我國高速鐵路的快速發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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作者簡介：呂琨（1980-），男，本科，高級工程師，系統(tǒng)分析師，從事機(jī)械智能化領(lǐng)域。