CN212865456U - 一种自动捣固作业控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种自动捣固作业控制系统，包括：自动捣固控制主机，及与自动捣固控制主机分别相连的轨枕识别单元和图像采集与异物识别单元。自动捣固控制主机通过轨枕识别单元获取轨枕识别信息，结合测量轮里程信号识别轨枕位置，并通过图像采集与异物识别单元获取待捣固区域内的异物识别信息。自动捣固控制主机根据轨枕位置及异物识别信息，向捣固头发出捣固下插指令。本实用新型能解决现有捣固作业方式自动化程度低，操作人员劳动强度大的技术问题。

Description

一种自动捣固作业控制系统

技术领域

本实用新型涉及轨道工程机械技术领域，尤其是应用于铁路大型捣固车辆，主要包括D08-32、DCL-32、D08-32C、D09-32、CD08-475、DWL-48等各型号捣固车型的自动捣固作业控制系统。

背景技术

捣固车是一种典型的大型养路机械(简称大机)，适用于铁路线路的新线施工、既有线大中修清筛作业后和运营线路维修作业。捣固车主要用于对轨道进行自动抄平、起拨道、道碴捣固作业，提高道床石碴的密实度，增加轨道的稳定性，消除轨道的方向偏差，左、右水平偏差和前、后高低偏差，使轨道线路达到线路设计标准和线路维修规则的要求，保证列车的安全运行。捣固车按同时捣固轨枕数可分为单枕、双枕和四枕捣固车；按作业对象可分为线路和道岔捣固车；按作业行走方式可分为步进式和连续式行走捣固车；按作业功能可分为多功能捣固车和单功能捣固车；另外还有防尘、防噪声等具有特殊功能的捣固车。

铁路有碴道床常用的填筑材料是粒径为20～70mm的石碴，道床断面呈梯形，正常厚度为30～50cm，道碴捣固是向指定方向迁移道碴和增加道碴密实度的过程。利用捣固车进行机械化捣固时，通常先将轨道抬升至测量系统确定的水平位置，并对其进行横向定位，然后采用成对高频振动的捣镐在轨枕两侧同时插入道碴，在规定深度位置作相对夹持动作将道碴捣密压实，并使道碴产生流动、聚集并重组，起到稳定起拨道后轨道的位置、提高道床缓冲能力、消除某些线路病害(如空吊板等)等作用。

现有捣固车的作业方式包括手动作业方式和自动循环作业方式(包括自动循环1X、自动循环2X等)，两种作业方式均需要作业位(一号位)操作手人工观察确定捣固位置，不停操作捣固装置下降和作业走行脚踏开关，并且要求操作人员对设备操作熟练，同时注意力要保持高度集中，劳动强度较大。目前，针对捣固车的自动捣固控制技术未见相关完整的研究，且仅限于轨枕识别技术。如：广州港集团有限公司于2017 年08月31日申请，并于2018年05月04日公告，公告号为CN207311477U的中国实用新型专利公开了一种用于轨枕识别定位及扣件缺陷检测的探测系统。该系统通过激光位移传感器实现轨枕定位和扣件缺陷检测，该系统包括激光测距系统、编码里程轮、控制器和上位机，可安装在轨道检测装置上。该技术方案测量传感器仅采用激光测距传感器，且未明确传感器数量和相对位置，具有一定的轨枕误定位和漏定位可能性，且没有涉及图像识别轨道异物，同时未说明将该探测系统可以应用于捣固车上。又如： 2012年05月20日由刘广路发表于《南昌大学学报》的硕士论文《铁路轨道轨枕定位技术的研究》一文是在现有轨道检查仪的基础上增加了一套轨枕定位系统，将轨道检查仪测量结果精确定位到轨枕。这种方式是采用电涡流式接近开关结合软件补偿的技术方案，对轨枕定位的准确率较高。但是，该论文同样未提到道砟区域异物检测，也未说明在捣固车上如何应用轨枕定位技术。再如：2014年04月01日由张建发表于《西南交通大学学报》的硕士论文《捣固车自动作业控制系统设计与实现》一文提出了一种捣固车自动作业方案，用于代替线路精捣作业时手动输入起道量和拨道量，仅增加了一种控制信号的输入方式，对捣固车自身的作业控制和轨道测量没做任何变动和改进，因此无法实现捣固车的自动捣固作业。

因此，上述现有技术或是单独利用接近开关、金属感应传感器实现轨枕位置检测，或是利用激光测距传感器检测轨枕，但未明确传感器布置数量和相对位置关系，均存在误定位和漏定位的可能性，影响了捣固作业的安全性、可靠性和自动化操作过程。而且，这些现有技术均未涉及异物检测，以及自动捣固动作的控制和自动捣固控制逻辑设计。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种自动捣固作业控制系统，以解决现有捣固作业方式自动化程度低，操作人员劳动强度大的技术问题。

为了实现上述实用新型目的，本实用新型具体提供了一种自动捣固作业控制系统的技术实现方案，自动捣固作业控制系统，包括：自动捣固控制主机，及与所述自动捣固控制主机分别相连的轨枕识别单元和图像采集与异物识别单元。所述自动捣固控制主机通过轨枕识别单元获取轨枕识别信息，结合测量轮里程信号识别轨枕位置，并通过所述图像采集与异物识别单元获取待捣固区域内的异物识别信息。所述自动捣固控制主机根据轨枕位置及异物识别信息向捣固头发出捣固下插指令。

进一步的，所述轨枕识别单元安装于捣固车的底部，并包括传感器阵列，以及与所述传感器阵列相连的信号处理模块。所述传感器阵列包括沿轨枕长度方向成一列布置，并位于钢轨的内侧上方，用于识别轨枕和道砟平面的至少4个激光传感器。

进一步的，所述传感器阵列还包括与所述激光传感器成一列布置，用于识别两根钢轨内侧或外侧道钉的至少2个道钉感应开关。

进一步的，所述轨枕识别单元通过安装支架固定于捣固车的车底前部。在所述安装支架沿长度方向的两侧均设置有钢轨对准装置，所述钢轨对准装置与安装支架弹性连接并位于钢轨的上方。当所述捣固车作业运行时，所述钢轨对准装置滚动靠压于钢轨上，用于确保所述激光传感器和/或道钉感应开关对准道钉。

进一步的，所述测量轮安装于捣固车的车底前部，所述传感器阵列安装于捣固头之前，所述测量轮之后的位置。

优选的，所述传感器阵列包括6～10个布置于所述钢轨内侧的激光传感器。

进一步的，所述信号处理模块获取轨枕识别单元以及测量轮的信号，并将所述轨枕的里程以及下一次捣固的里程点信息发送至自动捣固控制主机。

进一步的，所述图像采集与异物识别单元安装于所述捣固车的底部，所述捣固头前部的横梁上，并位于所述传感器阵列后部的位置。

进一步的，所述图像采集与异物识别单元包括依次相连的触发电路板、相机和图像处理模块，以及与所述触发电路板相连的光源。若所述轨枕识别单元识别到轨枕，则由所述触发电路板向相机和光源发送触发脉冲，所述光源开启补光，所述相机开启拍照。所述图像处理模块对拍照采集到的图像进行处理后，得到所述轨枕的位置和异物特征信息，根据从自动捣固控制主机获取每一次相机拍照的里程信息，得到并将轨枕及异物所处位置的里程信息并传输至自动捣固控制主机。

优选的，若在设定的时间内未识别到所述轨枕，则所述触发电路板根据预先设定的里程间隔发送触发脉冲至相机和光源。

进一步的，所述自动捣固控制主机基于作业显示器及数字输出模块，通过CAN总线与所述轨枕识别单元通信，并通过串行接口与所述图像采集与异物识别单元通信。

进一步的，在所述自动捣固控制主机设置有捣固模式切换开关，在所述自动捣固控制主机的人机交互界面设置有捣固模式切换触摸按键。当所述捣固模式切换开关和捣固模式切换触摸按键中有一个选择为人工捣固模式时，所述自动捣固控制主机切除并不干预作业控制。当所述捣固模式切换开关和捣固模式切换触摸按键同时选择为自动捣固模式时，所述自动捣固控制主机接入捣固作业控制。

进一步的，当所述轨枕识别单元检测到当前轨枕的间距超过设定值时，由所述自动捣固控制主机向捣固装置输出捣固头加宽信号。

进一步的，当所述轨枕识别单元和图像采集与异物识别单元检测到轨枕的间距与标准值偏差超过设定值或道砟区间内存在异物不适合捣固下插时，由所述自动捣固控制主机产生报警信号。

通过实施上述本实用新型提供的自动捣固作业控制系统的技术方案，具有如下有益效果：

(1)本实用新型自动捣固作业控制系统，实现了自动化捣固位置识别，以及自动化捣固作业控制，降低了操作人员劳动强度，大幅提升了作业效率；

(2)本实用新型自动捣固作业控制系统，采用多传感器阵列实时识别轨枕区域和道砟区域，无需另外输入作业文件，并采用图像识别技术判定道砟区域异物，保证了极高的结果识别准确率；

(3)本实用新型自动捣固作业控制系统，通过图像处理识别轨道道砟区域异物，能够有效防止铁路设备设施损坏，并防止金属杂物损坏捣固头；

(4)本实用新型自动捣固作业控制系统，能够预先准确判断捣固下镐(插)位置，自动控制捣固车捣固下镐和作业走行，大大减轻了操作人员劳动强度，提升了作业效率。

附图说明

为了引用和清楚起见，将下文中使用的技术名词、简写或缩写记载如下：

显示模块：构成铁路大型养路机械网络控制平台网络节点的一种基于操作系统编程的人机交互模块；

DO模块：数字量输出模块(Digital Output Module)，铁路大型养路机械网络控制平台中的一种通用模块；

CAN总线：控制局域网络(Control Area Network)总线的简称，是ISO国际标准化的串行通讯协议，支持分布式控制或实时控制；

CCD相机：电荷耦合元件(Charge Coupled Device)相机，CCD是一种能够把光学影像转化为数字信号的半导体器件，CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号。经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容，作为一种光数转化元件，CCD相机已被广泛应用。

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的实施例。

图1是本实用新型自动捣固作业控制系统一种具体实施例的系统结构框图；

图2是本实用新型自动捣固作业控制系统另一种具体实施例的系统结构框图；

图3是本实用新型自动捣固作业控制系统一种具体实施例中轨枕识别单元的传感器阵列布置结构示意图；

图4是本实用新型自动捣固作业控制系统另一种具体实施例中轨枕识别单元的传感器阵列布置结构示意图；

图5是本实用新型自动捣固作业控制系统一种具体实施例中传感器阵列在轨枕上方的布置结构正视图；

图6是本实用新型自动捣固作业控制系统一种具体实施例中传感器阵列在轨枕上方的布置结构俯视图；

图7是本实用新型自动捣固作业控制系统一种具体实施例中图像采集与异物识别单元的结构组成框图；

图8是本实用新型自动捣固作业控制系统中自动捣固控制主机的人机交换界面示意图；

图9是本实用新型自动捣固作业控制系统中自动捣固控制主机的另一人机交换界面示意图；

图10是本实用新型自动捣固作业控制系统一种具体实施例实现里程定位的原理示意图；

图11是本实用新型自动捣固作业轨枕位置获取装置另一种具体实施例实现里程定位的原理示意图；

图12是本实用新型自动捣固作业控制系统一种具体实施例所应用的捣固车的结构示意图；

图13是本实用新型自动捣固作业控制系统一种具体实施例实现轨枕识别功能的波形原理示意图；

图中：10-捣固车，11-前司机室，12-后司机室，13-卫星小车，20-轨枕，30-钢轨，40-道床，50-道钉，60-电容枕，70-轨距拉杆，100-捣固作业控制系统，200- 自动捣固控制主机，300-轨枕识别单元，301-信号处理模块，302-安装支架，303-激光传感器，304-道钉感应开关，305-钢轨对准装置，400-图像采集与异物识别单元， 401-触发电路板，402-相机，403-镜头，404-图像处理模块，405-光源，500-捣固车电气系统，600-测量轮，700-捣固装置，701-捣固头，800-车载蓄电池，900-起拨道装置。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如附图1至附图13所示，给出了本实用新型自动捣固作业控制系统的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明。

本实用新型具体实施例描述的自动捣固作业控制系统100通过采集多个激光(距离)传感器303和道钉感应开关304的信号，并结合测量轮600的里程值精确识别轨枕20的位置，同时通过图像采集与异物识别单元400识别待捣固区域内的金属异物，从而为捣固车10进行捣固作业提供准确的下镐(捣固下插)位置，同时通过修改捣固车10的底层作业控制逻辑实现捣固车10的自动捣固作业和走行。

如附图1所示，一种本实用新型捣固作业控制系统的实施例，具体包括：自动捣固控制主机200、轨枕识别单元300及图像采集与异物识别单元400。轨枕识别单元300及图像采集与异物识别单元400分别对道床40进行检测。自动捣固控制主机200通过轨枕识别单元300获取轨枕识别信息，结合测量轮600的里程信号识别轨枕位置，并通过图像采集与异物识别单元400获取待捣固区域内的异物识别信息，为捣固车10进行捣固作业提供捣固下插信号，以实现捣固车10的自动捣固作业。当捣固车10的捣固头 701当前所处位置为道砟区域且无异物时，自动捣固控制主机200控制捣固头701执行捣固下插动作，并实现自动走行。自动捣固控制主机200从捣固车电气系统500获取输入逻辑信号，并向捣固车电气系统500输出作业控制信号，并由捣固车电气系统 500控制捣固装置700进行作业。

如附图12所示，为本实用新型具体实施例所应用的一种捣固车10的结构示意图，如L所示为捣固车10的作业方向。捣固车10包括前司机室11和后司机室12，捣固车10的中部下方设置有卫星小车13。卫星小车13设置有用于实现捣固作业的捣固装置700，捣固装置700通过捣固头701实现捣固作业，并通过起拨道装置900实现起道和拨道作业。捣固车10的前部还设置有测量小车(图中未示出)，测量小车设置有测量轮600。捣固车10的车底还设置有轨枕识别单元300及图像采集与异物识别单元 400。

轨枕识别单元300安装于捣固车10的底部，并包括传感器阵列，及与传感器阵列相连的信号处理模块301。传感器阵列可以采用激光传感器303和道钉感应开关304 组合的方式，也可以全部为激光传感器303的方式。若全为激光传感器303，则传感器阵列包括沿轨枕20长度方向成一列(如附图4、5和6中W所示方向)布置，并位于钢轨30的内侧上方，用于识别轨枕20和道砟平面的至少4个激光传感器303。传感器阵列的激光传感器303个数一般取4～14个，优选6～10个，且布置在钢轨30 内侧时尽量分散、均匀布置。如附图4所示，传感器阵列共包括8个激光传感器303，其中钢轨30的内侧共6个，4个用于识别轨枕20的中央平面，2个用于识别钢轨30 内侧的道钉50，钢轨30的外侧2个，用于识别钢轨30外侧的道钉50。若采用组合方式，则传感器阵列还包括与激光传感器303成一列布置，用于识别两根钢轨30内侧或外侧道钉50的至少2个道钉感应开关304，如附图3所示的实施例在钢轨30的左右外侧各包括1个道钉感应开关304。考虑到道钉感应开关304在经过道岔时可能与轨面发生干涉且实际应用中存在道钉误检和漏检，因此其只作为辅助识别手段。在如附图5和6所示的实施例中，传感器阵列采用6个激光传感器303，6个激光传感器303 全部布置于钢轨30的内侧，其中4个布置于轨枕20的中部上方位置，用于识别轨枕 20的中央平面，另外2个分别靠近钢轨30的内侧布置，这种布置方式在实际应用测试过程中对轨枕30的检测准确率可以达到99％以上。

激光(测距)传感器303通过内部的激光二极管向被检测的物体发射激光脉冲，经被测物体反射之后，激光脉冲会向各个不同的方向发生散射现象，其中的一部分散射光线会返回至激光传感器303的接收器处，在激光传感器303的光电二极管上产生成像，记录并处理从激光脉冲的发出到散射光线返回到激光传感器303的接收器所经过的时间，从而可确定出目标位置与激光传感器303之间的距离。

轨枕20与道砟对激光的反射信号有两个显著差别，一是距离不同，在道砟没有掩盖轨枕20的情况下，道砟比轨枕20距离激光传感器303更远；二是平整度不同，轨枕20反射的激光信号平整且高度一致，道砟反射的信号距离杂乱无章。通过判断以上两种波形上的具体差别，即可准确区分道砟和轨枕20，也就实现了轨枕20的识别和定位。如附图13所示，I为激光传感器303的识别波形，J为道钉感应开关304的识别波形，D道钉50的识别波形，E为轨枕20的识别波形，F为道砟的识别波形，G 为轨枕20的识别位置。

道钉感应识别作为激光识别的补充手段，在钢轨30外侧的道钉50处增加两个道钉感应开关304，道钉感应开关304接近道钉50时即产生高电平信号，离开道钉时恢复为低电平。信号处理模块301对轨枕20的最终确定采用模糊算法，共8个传感器中多数传感器(可以根据具体情况设置数量)识别到轨枕20则认为识别有效，否则认为无效。也可以根据传感器的具体布置位置进行分组，按照各组传感器的识别结果进行综合判断。

测量轮600安装于捣固车10的车底前部，传感器阵列安装于捣固头701之前，测量轮600之后的位置。信号处理模块301获取轨枕识别单元300(汇总多个传感器的信号)以及测量轮600的信号后进行分析计算，识别轨枕20并标记轨枕20的里程信息，计算下一次捣固的里程点，并将轨枕20的里程以及下一次捣固的里程点信息通过 CAN总线发送至自动捣固控制主机200。

轨枕识别单元300通过安装支架302固定于捣固车10的车底前部，将传感器阵列和信号处理模块301集成在安装支架302上，整个安装支架302可以较方便的直接架装在捣固车10的D点测量小车上的测量轮600之后的位置。为了保证道钉50识别的感应开关和激光传感器303准确对准道钉50，在安装支架302沿长度方向的左右两侧均设置有钢轨对准装置305。钢轨对准装置305与安装支架302弹性连接并位于钢轨 30的上方，并允许在一定的范围内进行左右移动。当捣固车10作业运行时，钢轨对准装置305滚动靠压于钢轨30上，用于确保激光传感器303和/或道钉感应开关304 对准道钉50。用于识别钢轨30外侧道钉50的感应开关允许旋转活动，在碰触到道砟时可以自动避让，在高速行车时可以将该感应开关收起并锁紧。所有激光传感器303 和道钉感应开关304的信号通过导线直接接入安装支架302上的信号处理模块301。

自动捣固控制主机200与捣固车10的整车电气系统采用同一个测量轮600输出的里程信号，以确保各个子系统里程的同步性，测量轮600的里程测量精度为1mm。自动捣固控制主机200采用相对里程，即本次自动捣固作业的起点为里程零点。轨枕识别单元300自行采集里程信号，识别轨枕20的同时记录当前所处的里程，每一个轨枕 20对应一个里程点。根据轨枕20的里程计算轨枕20之间的间距以及下一次捣固的里程点(一般轨枕20的轨距在450mm至750mm之间)。

图像采集与异物识别单元400安装于捣固车10的底部，捣固头701前部的横梁上，并位于传感器阵列后部的位置。如附图7所示，图像采集与异物识别单元400包括触发电路板401、相机402、图像处理模块404及光源405，相机402采用CCD相机，触发电路板401由车载蓄电池800供电。通过2D图像在线检测的方式提取轨枕20、电容枕60、轨距拉杆70等图像坐标，通过坐标换算实时获取相应的里程位置信息(有无异物信息和异物位置信息传输自动捣固控制主机200)。若识别到轨枕20，则由触发电路板401发送触发脉冲至相机402和光源405，光源405开启补光，相机402开启拍照。图像处理模块404对拍照采集到的二维图像进行包括图像增强、异物识别定位在内的处理后，得到轨枕20的位置和异物特征信息，再结合预先设定的相对位置关系信息计算出轨枕20及异物所处位置的里程信息并传输至自动捣固控制主机200。若在设定的时间内未识别到轨枕20，则触发电路板401按照预先设定的里程间隔发送触发脉冲至相机402和光源405。

(工业)相机402配备广角镜头403，根据接收的里程触发脉冲开启光源405进行补光，同时开启相机402拍摄照片。图像采集与异物识别单元400安装于捣固车10 的车底前部位置，捣固装置700之前的横梁上。相机402的主光轴位于两根钢轨30 的中心上方偏左位置，视野大约1200mm*900mm。相机402和光源405由触发电路板 401控制开启，开启的间隔和持续时间可通过自动捣固控制主机200进行参数设置。图像处理模块404由一台工控机及一套图像处理软件组成。工控机采用无风扇系统，符合IP40防护等级能够较好适应现场粉尘较多的工作环境。图像处理软件通过图像处理算法对所采集的二维图像进行图像增强、异物识别定位，从图像数据中检测并定位轨枕20以及电容枕60、轨距拉杆70等异物(还可以包括尖轨，其它道碴区金属杂物等)的位置信息，得到准确的轨枕边缘和异物特征信息，最后结合标定的信息(包括捣固头701与激光传感器303之间的距离，捣固车10与卫星小车13锁定位置的距离) 计算出轨枕20的边缘位置和异物位置信息传输至自动捣固控制主机200。

轨枕识别单元300采集测量轮600的里程脉冲信号，在识别轨枕20的同时记录当前的里程信息，每一根轨枕20对应一个里程点，并根据轨枕20的里程计算轨枕20 之间的间距，以及下一次捣固的里程点。图像采集与异物识别单元400从自动捣固控制主机200获取每一次相机402拍照的里程信息，在识别到轨枕20和异物后计算得到每一根轨枕20和异物所处的里程信息。自动捣固控制主机200通过采集捣固车10的里程信息，以及捣固头701与捣固车10之间的相对位置来计算捣固头701当前所处的里程。

图像采集与异物识别单元400通过通信接口从自动捣固控制主机200获取每一次拍照的里程信息，识别轨枕20和异物后计算得到每一个轨枕20和异物所处的里程点信息。自动捣固控制主机200要计算具体异物位置的里程，需要从自动捣固控制主机 200获取里程信息，该里程信息要与轨枕识别单元300的里程标准一致。在如附图1 所示的具体实施例中，里程信息从(里程)测量轮600到轨枕识别单元300，轨枕识别单元300再将里程信息通过CAN总线发送至自动捣固控制主机200，自动捣固控制主机200再通过串口发送至图像采集与异物识别单元400，这些信息交换实时进行。在如附图2所示的另一种具体实施例中，里程信息从(里程)测量轮600到自动捣固控制主机200，然后再通过自动捣固控制主机200将里程信息分别发送至轨枕识别单元300和图像采集与异物识别单元400也是可行的。

自动捣固控制主机200基于作业显示器及数字输出模块，通过CAN总线与轨枕识别单元300通信，并通过串行接口与图像采集与异物识别单元400通信。硬件上可以直接将现有捣固车10已有的网络平台作业显示模块(即B2作业显示器，位于作业位置1号位)和DO模块用作自动捣固控制主机200，通过CAN总线与轨枕识别单元300 通信，通过串口与图像采集与异物识别单元400通信，另外还需要增加自动捣固底层控制逻辑和人机交互界面。

自动捣固控制主机200通过采集捣固车10的里程信息，以及捣固头701与捣固车10之间的相对位置来计算捣固头701当前所处的里程。此时，需要分两种情况来判断捣固头701是否已运行至下插作业位置。当捣固头701已运行至下插作业位置时，自动捣固控制主机200再结合轨枕20和异物的信息发出捣固下插允许信号，捣固车10 可以进行捣固下插动作。

如附图10所示，第一种情况为，捣固车10未带有卫星小车13(即捣固车10为步进式捣固车)时，当捣固车10的当前运行位置满足Y-A＝Xn，则代表捣固头701已运行至下插位置，捣固头701可以执行捣固下插动作。其中，Y为捣固车10当前运行位置的公里标，A为捣固头701锁定位置与测量轮600之间的距离，Xn为相邻两根轨枕20之间中心点的公里标。

如附图11所示，第二种情况为，捣固车10带有卫星小车13(即捣固车10为连续式捣固车)时，当捣固车10的当前运行位置满足Y-A+H＝Xn，则代表捣固头701已运行至下插位置，捣固头701可以执行捣固下插动作。其中，Y为捣固车10当前运行位置的公里标，H为卫星小车13相对于锁定位置的位移，A为捣固头701锁定位置与测量轮600之间的距离，Xn为相邻两根轨枕20之间中心点的公里标。

如附图8和附图9所示，通过自动捣固控制主机200的人机交互界面能实时查看捣固头701的相对位置、轨枕20的间距、捣固走行距离、轨枕20的计数值，以及激光传感器303的测量距离值。同时通过自动捣固控制主机200的人机交互界面能设定激光传感器303与捣固头701的间距、轨枕20的间距极限值、捣固头加宽阈值，以及相机402的触发间隔参数。当需要人工干预时，能通过自动捣固控制主机200的人机交互界面触摸或加装的捣固模式切换开关操作实现由自动捣固模式至人工捣固模式的切换。自动捣固底层控制软件主要包括自动捣固控制逻辑和捣固下镐(插)位置修正计算。通过修改捣固车程控逻辑实现自动下镐、自动作业走行、自动加宽等动作，而无需修改原车电气控制硬件。捣固车在作业走行中从走行制动到开始下镐会有一段制动距离，这段距离将会影响根据识别的轨枕位置确定的捣固下插位置，通过记录和分析前几镐的制动距离，对当前停车位置进行修正计算，以确保下镐(插)位置的准确性。在附图8中，A为捣固位置(即捣镐下插位置)，B为预捣固位置，C为存在异物，禁止捣固区域。

在自动捣固控制主机200(设置于捣固车10一号作业位的B2箱)设置有捣固模式(实体)切换开关，在自动捣固控制主机200的人机交互界面设置有捣固模式(虚拟)切换触摸按键。当捣固模式切换开关和捣固模式切换触摸按键中有一个选择为人工捣固模式时，自动捣固控制主机200切除并不干预作业控制，操作人员按照原有作业程序执行人工捣固作业。当捣固模式切换开关和捣固模式切换触摸按键同时选择为自动捣固模式时，自动捣固控制主机200控制捣固车10进行捣固作业，但人工操作仍然能干预停止作业，操作人员能随时将自动捣固模式切换为人工捣固模式，以保障作业安全。自动捣固控制主机200根据轨枕识别单元300和图像采集与异物识别单元400 的输出，以及捣固装置700当前所处的里程，确定可以下镐后输出自动下镐信号，代替人工捣固踏板信号控制捣固装置700执行下插动作。

当捣固车10的捣固模式切换为人工捣固模式时，自动捣固控制主机200输出捣固下插信号的控制逻辑为：

Q0B＝[(自动循环模式开启)&(左右捣固装置在中位)&(手动夹持信号有效) +(自动循环模式关闭)&(人工捣固踏板信号有效)&(液压走行允许)+(人工捣固踏板信号有效)&(自动循环锁定)]&(捣固作业系统接通)&(未开启只拨不捣模式)；

当捣固车10的捣固模式切换为自动捣固模式时，自动捣固控制主机200输出捣固下插信号的逻辑关系式为：

Q0B＝(识别捣固头区域为道砟区域且无异物)&(非走行状态)&(捣固作业系统接通)&(未开启只拨不捣模式)。

当捣固车10的捣固模式切换为人工捣固模式时，自动捣固控制主机200输出向前作业走行信号的控制逻辑为：

Q08＝[(自动循环模式开启)&(人工捣固踏板信号有效)&(自动循环捣固结束) &(捣固作业系统接通)+(走行踏板信号有效)]&(向前走行信号有效)&(自动循环锁定信号无效)；

当捣固车10的捣固模式切换为自动捣固模式时，自动捣固控制主机200输出向前作业走行信号的控制逻辑为：

Q08＝(自动捣固延时结束)&(自动作业走行允许)&(左右捣固装置均在上位) &(捣固作业系统接通)&(向前走行信号有效)&(自动循环锁定信号无效)。

可以通过修改自动捣固控制主机200底层控制逻辑程序的方式，实现自动捣固控制，以D08-32型捣固车10为例，可以将自动下镐信号(即捣固下插信号)定义为Q0B，接入捣固车底层逻辑控制程序。将人工/自动切换开关信号定义为X57，自动捣固控制主机200的底层控制逻辑程序可以设计为：

如果X57＝0，则Q0B＝[(X27+X28)*X15*X16*X26+X10*(～X27)*(～X28)*(～X04)+X10*X0E]*X19*(～X3E)

如果X57＝1，则Q0B＝X58*(～X04)*X19*(～X3E)

其中，各逻辑信号定义如下：

X57：手动/自动捣固开关，0为手动捣固模式，1为自动捣固模式；

X58(相当于人工捣固模式下的人工捣固捣固踏板信号)：自动模式捣固头下插信号，0为捣固头提起不动作，1为捣固头下插；

X27：自动循环1X模式；

X28：自动循环2X模式；

X15：左捣固装置在中位(即捣固装置作业收回后的位置)信号；

X16：右捣固装置在中位信号；

X26：手动夹持操作(即用于操作捣镐夹持的作业信号)；

X04：液压走行允许，夹钳松开，捣固头提起后才会满足，包括向前和向后走行；

X0E：自动循环锁定；

X19：捣固系统接通；

X3E：只拨道不捣固模式；

X10：人工捣固捣固踏板信号；

*为逻辑与操作，+为逻辑或操作，～为逻辑非操作。

在D08-32型捣固车10进行捣固作业时，若开启自动捣固模式，还可以实现自动作业走行。此时，可以通过修改自动捣固控制主机200底层控制逻辑程序的方式，实现自动作业走行控制，将自动作业走行信号定义为X58，接入捣固车底层逻辑控制程序。将人工/自动切换开关信号定义为X57，自动捣固控制主机200的底层控制逻辑程序可以设计为：

若X57＝0，Q08＝[(X27+X28*(～X00))*X10*X19*X80+X11]*X22*(～X0E)

若X57＝1，则Q08＝(～X58)*X59*X13*X14*X19*X22*(～X0E)

其中，各逻辑信号定义如下：

X57：手动/自动捣固开关，0为手动捣固模式，1为自动捣固模式；

X58：自动模式捣固头下插信号，0为捣固头提起不动作，1为捣固头下插；

X59：自动捣固作业走行信号(相当于人工捣固走行踏板信号)，0为捣固车停止， 1为捣固车走行；

X13：左捣固头上位(即左捣固头处于锁定位)；

X14：右捣固头上位(即右捣固头处于锁定位)；

X27：自动循环1X模式(即卫星小车13停车一次进行捣固作业的次数)；

X28：自动循环2X模式；

X00：自动循环2X触发器，该信号是用于记录2X下插次数的中间信号，中间信号不直接参与控制，只是作为其他信号的输入端；

X19：捣固系统接通(即捣固作业系统通电并建立液压，此时当捣固车10走行到指定位置就能执行捣固下插动作)；

X22：向前走行信号，0为无效，1为有效；

X10：人工捣固捣固踏板信号；

X80：人工捣固延时结束，是捣固头701开始下插到提起来的延时时间，延时时间到则该信号从0变为1；

X11：人工捣固走行踏板信号；

X0E：自动循环锁定；

*为逻辑与操作，+为逻辑或操作，～为逻辑非操作。

只有当捣固头701进入轨枕20的识别区域，且轨枕识别单元300识别到一定数量的轨枕20后，才允许从人工捣固模式切换为自动捣固模式。操作人员可以随时从自动捣固模式切换为人工捣固模式，由于轨枕识别单元300安装在捣固车10的车底前部，只有当捣固装置700进入轨枕识别区域，且轨枕识别单元300识别到一定数量的轨枕 20后，才允许从人工捣固模式切换为自动捣固模式。当捣固车10为连续式捣固车时，在捣固下插信号产生前捣固车10的卫星小车13停车(速度为0)，从卫星小车13的停车信号产生至卫星小车13停车(速度接近为0)，卫星小车13走过的距离为制动距离，捣固头701下一捣固下插位置的制动距离根据设定的参数值，以及之前若干次捣固下插实际制动距离值计算得到，卫星小车13的停车信号在到达捣固下插位置之前根据计算的下一捣固下插制动距离值提前产生。

在捣固作业过程中还会经常遇到某些地段轨枕20间距不标准的情况，此时需要及时调整捣固头701外镐的张开宽度，以免镐头碰撞轨枕20，同时可进一步提高作业质量。因此，在非标准轨枕间距地段作业时，当轨枕识别单元300检测到当前轨枕20的间距超过设定值时，由自动捣固控制主机200输出捣固头加宽信号，捣固头加宽包括前加宽、后加宽以及前后同时加宽三种情况。

同时，自动捣固作业控制系统100具有报警功能，当轨枕识别单元300和图像采集与异物识别单元400检测到轨枕20的间距与标准值偏差超过设定值或道砟区间内存在异物不适合捣固下插时，跳过该道砟区间不进行下插作业，并由自动捣固控制主机 200产生报警信号并通过蜂鸣器报警，提示操作人员选择是否进行人工干预作业。此外，自动捣固作业控制系统100的人机交互界面可以将轨枕间距、捣固走行距离、轨枕计数、激光测量距离值等数据进行实时显示，方便操作人员查看轨道情况和查找故障。

通过实施本实用新型具体实施例描述的自动捣固作业控制系统的技术方案，能够产生如下技术效果：

(1)本实用新型具体实施例描述的自动捣固作业控制系统，实现了自动化捣固位置识别，以及自动化捣固作业控制，降低了操作人员劳动强度，大幅提升了作业效率；

(2)本实用新型具体实施例描述的自动捣固作业控制系统，采用多传感器阵列实时识别轨枕区域和道砟区域，无需另外输入作业文件，并采用图像识别技术判定道砟区域异物，保证了极高的结果识别准确率；

(3)本实用新型具体实施例描述的自动捣固作业控制系统，通过图像处理识别轨道道砟区域异物，能够有效防止铁路设备设施损坏，并防止金属杂物损坏捣固头；

(4)本实用新型具体实施例描述的自动捣固作业控制系统，能够预先准确判断捣固下镐(插)位置，自动控制捣固车捣固下镐和作业走行，进一步减轻了操作人员劳动强度，大幅提升了作业效率。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制。虽然本实用新型已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本实用新型。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本实用新型的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本实用新型技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本实用新型技术方案保护的范围。

Claims (11)

1.一种自动捣固作业控制系统，其特征在于，包括：自动捣固控制主机(200)，及与所述自动捣固控制主机(200)分别相连的轨枕识别单元(300)和图像采集与异物识别单元(400)；所述自动捣固控制主机(200)通过轨枕识别单元(300)获取轨枕识别信号，通过所述图像采集与异物识别单元(400)获取待捣固区域内的异物识别信号，并获取测量轮(600)的里程信号；所述自动捣固控制主机(200)向捣固头(701)输出捣固下插指令信号。

2.根据权利要求1所述的自动捣固作业控制系统，其特征在于：所述轨枕识别单元(300)安装于捣固车(10)的底部，并包括传感器阵列，以及与所述传感器阵列相连的信号处理模块(301)；所述传感器阵列包括沿轨枕(20)长度方向成一列布置，并位于钢轨(30)的内侧上方，用于识别轨枕(20)和道砟平面的至少4个激光传感器(303)。

3.根据权利要求2所述的自动捣固作业控制系统，其特征在于：所述传感器阵列还包括与所述激光传感器(303)成一列布置，用于识别两根钢轨(30)内侧或外侧道钉(50)的至少2个道钉感应开关(304)。

4.根据权利要求3所述的自动捣固作业控制系统，其特征在于：所述轨枕识别单元(300)通过安装支架(302)固定于捣固车(10)的车底前部；在所述安装支架(302)沿长度方向的两侧均设置有钢轨对准装置(305)，所述钢轨对准装置(305)与安装支架(302)弹性连接并位于钢轨(30)的上方；所述钢轨对准装置(305)在捣固车(10)作业运行时滚动靠压于钢轨(30)上。

5.根据权利要求2、3或4所述的自动捣固作业控制系统，其特征在于：所述测量轮(600)安装于捣固车(10)的车底前部，所述传感器阵列安装于捣固头(701)之前，所述测量轮(600)之后的位置。

6.根据权利要求5所述的自动捣固作业控制系统，其特征在于：所述传感器阵列包括6～10个布置于所述钢轨(30)内侧的激光传感器(303)。

7.根据权利要求2、3、4或6所述的自动捣固作业控制系统，其特征在于：所述信号处理模块(301)获取轨枕识别单元(300)以及测量轮(600)的信号，并向自动捣固控制主机(200)发送所述轨枕(20)的里程以及下一次捣固的里程点信息。

8.根据权利要求7所述的自动捣固作业控制系统，其特征在于：所述图像采集与异物识别单元(400)安装于所述捣固车(10)的底部，所述捣固头(701)前部的横梁上，并位于所述传感器阵列后部的位置。

9.根据权利要求8所述的自动捣固作业控制系统，其特征在于：所述图像采集与异物识别单元(400)包括依次相连的触发电路板(401)、相机(402)和图像处理模块(404)，以及与所述触发电路板(401)相连的光源(405)。

10.根据权利要求1、2、3、4、6、8或9所述的自动捣固作业控制系统，其特征在于：所述自动捣固控制主机(200)基于作业显示器及数字输出模块，通过CAN总线与所述轨枕识别单元(300)通信，并通过串行接口与所述图像采集与异物识别单元(400)通信。

11.根据权利要求10所述的自动捣固作业控制系统，其特征在于：在所述自动捣固控制主机(200)设置有捣固模式切换开关，在所述自动捣固控制主机(200)的人机交互界面设置有捣固模式切换触摸按键。

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