1. 研究背景
CYP500型群枕式铺轨机组为轨枕布设和长钢轨铺设一体机，采用群枕式步进作业法布枕与铺轨，由拖轨牵引车、主机、辅机、轨枕搬运车、枕轨运输车组等几部分组成（图1）。该型铺轨机组作业时需人员在底砟上测量放样线路中心线，主机前进时由人员操作设备沿标记线前进与转向，在前进合适位置后手动停止，之后由人工测量定位轨枕落放位置。另外，该型铺轨机的轨枕布设机采用钢丝绳吊装轨枕，落放过程中受风和设备运动等因素影响，轨枕组晃动较大，落放对位调整时间长且轨枕布设精度受人工测量准确程度影响。铺设作业中，铺轨机的前进、转向、布枕等作业内容需依靠多人配合完成，铺设作业的人工操作工序多且轨道铺设质量受人员操作影响较大。为此，中铁二局集团新运工程有限公司联合株洲长远智造公司、湘潭大学，对现有CYP500型群枕式铺轨机智能化施工技术进行研究和升级改造，目标为提升CYP500型群枕式铺轨机铺设施工质量，提高施工效率，实现铺轨机组的自动测量定位，自动走行与纠偏、自动布枕等智能化作业功能。
图1 CYP500型群枕式铺轨机组总图
2. 智能导向与布枕系统研究
2.1 系统方案选定
2.1.1 隧道外定位方案
随着卫星定位导航技术的发展，其能提供的定位精度越来越高，使用增强服务后定位精度能达到实时厘米级的服务等级，经过事后处理可达到毫米级定位精度，并且在亚太地区北斗导航系统的精度优于GPS。鉴此，铺轨机隧道外主要依靠北斗导航系统定位导向，同时能使用GPS辅助定位。
为保证定位精度，铺轨机组智能定位系统设置基准站、流动站和工控机。基准站作为基准源设置在位置较高四周没有遮挡的空旷区域，流动站为导向终端设置于铺轨机上；基准站与流动站通过工控机进行数据处理和传输，工控机内装置数传电台实现基准站与流动站之间的通信。基准站利用局域网观测数据，求解相位偏差、大气延迟等参数，生成各类修正信息，并播发给流动站使用，使得流动站获得高精度的定位坐标。
2.1.2 隧道内定位方案
铺轨机在隧道内铺轨时，卫星定位信号弱，甚至无法接受到卫星信号。针对此工况，曾对以下四种方案进行研讨选择。一是，采用伪卫星（又称“地面卫星”）定位技术，为铺轨机卫星定位装置提供定位数据，但该方法需要在隧道内每隔一定距离设置信号发生器，附加工作量大且成本较高；二是，通过在铺轨机上设置强制对中的高精度全站仪，通过激光靶进行定位测量反算牵引车的坐标，确定与线路的偏差，再通过控制系统自动纠偏，但需要先在隧道内布设导线控制网，会增加作业工序，新增工作量且成本也较高；三是，在铺轨机上设置一套惯导设备，卫星定位信号较差时利用惯导技术对牵引车进行定位，得到与线路的偏差数据，再通过控制系统自动纠偏，该方法智能化程度相对较高，但成本也较高，且对于长大隧道误差较大；四是，采用激光测距定位技术对隧道洞壁进行测量定位，按测量值计算偏移量控制转向机构动作，并采用激光传感器对已铺设轨枕测距进行前进定位的方法实现隧道内铺轨机定位导向，但该方法对隧道洞壁的施工精度依赖较高。综合考虑铺设精度要求、施工成本、工作量及操作便捷等因素，在本次研究改造中，采用激光测距定位技术对隧道洞壁进行测量定位的方案。
2.1.3 转向与布枕机构改进方案
（1）主机转向机构改进
铺轨机主机走行转向是通过液压油缸推动机头下方履带转向实现，原控制方式是采用人工操作手柄控制电磁阀通断以驱动油缸伸缩实现转向，该方式需要人工沿中线行进转向，受操作人员的注意力和业务水平影响，转向偏差往往较大。为实现自动执行转向动作，满足走行精度要求，主机转向装置改用电气比例阀控制伺服油缸驱动履带转向，实现转向角度精准控制，并且加大转向油缸行程，增加其转向角度范围。
（2）布枕机构改进
群枕式铺轨机采用钢丝绳吊装夹枕机构落放布枕，而夹枕机构落放过程中受风和设备运动惯性等外部因素影响，晃动较大，对轨枕组布设精度影响较大。原作业模式过程中，夹枕机构落放到位前，需由人工测量确认位置是否在允许偏差范围内，若超差则应调整到位后再行落放。为实现自动布枕，保证轨枕的铺设位置在允许偏差范围内，增加夹枕机构防晃装置，减小晃动量。防晃装置采用导向伸缩架，约束夹枕机构的运动路径，减小布枕机构的执行误差。
图2 导向伸缩架的工作状态
2.2 系统设计
2.2.1 隧道外卫星定位导向
在铺轨机上安装卫星定位系统车载终端，通过定位计算牵引车位置，计算出与设计点位的偏差，并通过控制系统发出指令自动转向纠偏，达到预定位置自动停车。铺轨机卫星定位导向系统的工作原理：基准站通过电台将各类修正信息播发给流动站。安装在铺轨机车顶的两个流动站呈直线，分别解算出自身精确位置后发送给工控机。工控机接收到流动站定位数据后，将之与铺轨基准线比对，计算出偏差。工控机读取转向油缸数值，判断当前牵引车转向方向，将转向信息发送给PLC。工控机读取倾角传感器数据，修正当前枕木移动距离，将停止信号发送给PLC。
2.2.2 隧道内激光定位导向
在铺轨机车体两侧各装3个远程激光传感器，间距1.5m，测量距离为8m，测量精度误差≤±2mm，用于走行左右距离偏差检测。车体下部装设2个远程激光传感器，测量距离为10m，测量精度误差≤±2mm，用于检测走行距离。铺轨机激光定位导向系统的工作原理：当车体进入隧道时，前面3m距离依然依靠卫星定位数据前进，根据铺轨左右线情况选择左侧或右侧传感器工作，车体进入3m后，3个激光传感器都检测到洞壁时PLC控制系统自动记录所收到的数据作为隧道内导航的基本参数。依据该基本参数和实时激光传感器检测到的数据自动控制走行机构的左偏及右偏，达到无限趋近于线路设计中心线的功能。
隧道内激光定位导向时将中间激光传感器的数值作为基准点，前、后端传感器的数值驱动及反馈数值，使中间传感器数值无限趋近于预设线路中心线数据（即进入隧道时记录的基本参数）。当洞壁存在浇筑缺陷时，如果有激光传感器检测到数值跳变达到10mm以上时将过滤掉超差数值，维持跳变前数值导向。走行距离控制方式是在车体下部装设量程为10m的激光传感器用于检测前一次布设轨枕组的最后一根轨枕与车体走行方向的距离变化，达到8.4m时前进方向停止。
2.2.3 智能导向与布枕系统设计
铺轨机驾驶员开启自动铺轨模式时，铺轨机按照设计中线自动调节前进方向，对于上坡和下坡路段，结合倾角传感器的数据自动修正前进距离，到达位置后自动停止前进。
（1）导向系统设计
控制系统中，设置“卫星导航”和“卫星/激光导航”模式切换开关，监护司机根据工况选择，操作手柄给出前进信号后，铺轨机自动沿设计线路中心行进。通过采集计算的实时位置与设计位置数据进行自动比较，计算出偏差值并控制比例阀驱动伺服油缸转角。当走行至距离预设位置300mm时自动减速，达到预设位置自动停止前进。系统接线图如图3所示。
图3 智能导向系统接线图
（2）布枕系统设计
铺轨机原轨枕布设机为半自动机械作业，布枕小车纵向移动由格雷母线定位装置进行定位跟踪，可实时检测布枕小车纵向位置。当铺轨机主机前行的位置精度满足要求，主机走行到位后，控制系统得到布枕信号，布枕机构即可自动完成布枕过程。布枕机系统根据安装在主机机头下部的纵向激光传感器检测距离决定布枕小车的前进距离，纵向激光传感器检测前一次已铺设轨枕组中最后一根轨枕的相对距离，检测误差为±2mm。格雷母线定位装置的精度为5mm，布枕小车纵移携带轨枕组纵移的累计定位精度≤±7mm。导向伸缩架与夹枕机构等执行机构误差≤±10mm，轨枕布设间距的累计误差≤±20mm，可达到轨枕布设间距精度要求。
2.3 系统测试结果
铺轨机智能导向与布枕系统安装调试完成后，对系统的测量定位与布枕质量情况进行了多次测试，系统测试情况如下。
（1）卫星定位导向精度：铺轨机静止条件下，卫星定位流动站的定位精度测试为≤±10mm。由于安装误差的存在，定位天线与铺轨机不能绝对平行，导致定位位置与设计中线之间产生偏差角度。实测铺轨机步进8.4m时，流动站计算得出运动距离偏差≤±20mm。此外，在保证前述定位精度情况下，在山区、城市，以及山区与城市结合的环境中，固定站与流动站通信电台的稳定传输距离≥15km。
（2）激光定位导向精度：车体两侧及下部的远程激光传感器为成熟产品，本身定位精度≤±2mm，由于安装和执行机构运动误差，铺轨机步进8.4m时，实测运动距离偏差≤±10mm。
（3）轨枕铺设精度：在自动作业模式下，布设枕木偏离线路中心的偏差≤±30mm，轨枕铺设间距偏差≤±20mm，满足有砟轨道轨枕铺设施工精度要求。
3. 智能导向与布枕系统应用
CYP500型群枕式铺轨机组于2021年5月完成智能化升级改造和现场安装调试并投入铺轨施工，至2021年10月，该铺轨机在昆铁路峨眉至米易段扩能工程EMZQ-13标铺架工程中共完成约60公里有砟铁路铺轨施工任务。实践应用证明：升级改造后的CYP500型群枕式铺轨机组铺设的轨道中线与线路设计中心线偏差值由之前的±150mm降低到了±30mm以内，施工效率提高约10%，直接人工成本降低约15%，铺轨施工综合效益得到了显著提高。
4. 结束语
通过对CYP500型群枕式铺轨机智能化施工技术研究，研发了基于北斗卫星导航和激光测距定位技术的铺轨机智能导向与布枕系统，实现了CYP500型群枕式长轨铺轨机自动走行、自动定位及自动布枕，满足有砟线路铺轨机铺设施工质量要求，提高了施工效率，降低了人工成本，具有较高的推广应用价值。
5. 参考资料
[1] 陈孟强,李世龙. CYP500型群枕式长轨铺轨机组关键技术及应用工法. 铁道工程学报, 1006-2106 (2013)07-0034-0
[2] 段启楠,贾炳义. CPG500型铺轨机组自动控制系统设计研究. 安徽建筑, 1007-7359(2009)01-0074-03
[3] 钟南,宋茂忠,刘皓凯. 基于虚拟卫星的隧道内卫星导航信号增强方法[J]. 电讯技术,2020,60(5):511-516.
