李新國，魏晨陽

（1.同濟大學 交通運輸工程學院，上海200331；2.中國科學院 上海硅酸鹽研究所，上海200050）

近幾年以來，伴隨著城市區(qū)域一體化的快速發(fā)展，高速軌道交通的建設更加發(fā)展迅猛.最新報道表明［1］，目前的高速鐵路運行時速在峰值時已突破486.1km·h－1.在如此高速的運行時速條件下，安全是第一要務.有砟軌道基礎是散體材料組成的道床和路基，它們是最薄弱的也是最不穩(wěn)定的環(huán)節(jié)，是軌道變形的主要來源.在多次重復荷載的作用下所產生的累積永久下沉（或稱殘余變形）會造成軌道不平順，當列車高速通過時，由于不均勻沉降變形和豎向剛度的突然改變，常常產生劇烈的振動或跳車現象，引起列車與線路結構相互作用力增大，降低了車輛運行的穩(wěn)定性和舒適性，有時還損傷線路結構、列車或軌道部件，加速線路狀態(tài)劣化，甚至引起事故.以京滬高鐵為例，為避免這種不安全因素，在其設計中嚴格規(guī)定軌道的百年沉降不大于5mm，各種不同的結構形式試圖達到的首要目的就是為高速線路提供平順性和穩(wěn)定的軌下基礎.當采用新的路基技術時，需要密切觀測各種條件長期作用下產生的沉降影響.采用自動化系統(tǒng)代替人工操作可以大大提高觀測效率.

近年來，各種基于PC（personal computer）機的自動化觀測系統(tǒng)得到了充分的研究.LabVIEW［2］（laboratory virtual instrument engineering workbench）是National Instruments公司設計的一種基于數據流控制的PC 機軟件開發(fā)平臺.使用LabVIEW 開發(fā)測控軟件，只需關注數據的采集、處理與分析，通過調用系統(tǒng)中已經封裝好的函數模塊回避了Windows編程的細節(jié)，大大提高了開發(fā)的效率.

.NET 是微軟公司發(fā)起的一種新型PC 機與互聯(lián)網軟件開發(fā)平臺，這種技術提供了很多更為強大的應用功能.LabVIEW 8.2 版本以上已集成調用.NET的能力.

1 監(jiān)測內容分析

觀測路基的沉降變化，主要包括觀測路基垂直位移、環(huán)境溫度等.這些物理量的特點都是長期、緩慢變化的.結合軌道交通運行的實際情況，這種沉降的位移變化范圍一般不會超過50mm，監(jiān)測精度達到0.01mm 即可滿足一般分析；溫度只需精確到0.5 ℃.

在長期觀測的工作條件下，傳感器的穩(wěn)定性非常重要.以滑阻式、應變式為代表的常用位移傳感器一般都是基于模擬電路和電阻變化原理的.這種傳感器技術成熟，但受電阻熱效應與機械磨損的影響，在長期使用過程中精度與重復性較差.相對于微小的路基沉降，這種誤差影響不可忽略且難以克服，因此這類傳感器不適宜用作監(jiān)測道床沉降觀測.光柵位移計是一種基于光學原理和數字電路的位移傳感器，利用莫爾條紋的光學特性放大微小位移，將定柵與動柵的相對位移變化轉化為光脈沖，再由數字電路將光脈沖轉化為電信號供后續(xù)處理.由于光柵位移計內無模擬電路，有效地避免了電路的熱漂移.基于上述特點，光柵位移計適用于路基沉降觀測.

本文采用上海江晶翔公司量程50mm 的FCS2型光柵位移計，在量程范圍內測量精度為±5μm，經JJX8800－3型轉換器轉換后，通過RS232 接口與監(jiān)控機相聯(lián).監(jiān)控機運行LabVIEW 制作的數據采集程序按協(xié)議讀取計算位移變化.與位移測量相關部分的LabVIEW 程序框圖如圖1所示.

圖1 位移測量的LabVIEW 程序框圖Fig.1 LabVIEW diagram of displacement measurement subroutine

溫度傳感器采用Maxim－Dallas 公司生產的DS18B20芯片，在－10～85 ℃的范圍內測量精度為±0.5 ℃.利用單片機控制DS18B20周期性測量環(huán)境溫度，將測到的溫度數據存儲在單片機的RAM（隨機存儲器）中.當監(jiān)控機發(fā)來查詢溫度指令時，單片機按約定格式返回RAM 中暫存的溫度數據.DS18B20測溫已有很多相關研究報道［3－5］，本文不再贅述.

2 數據傳送

沉降位移是典型的長期緩慢變量.為避免測試人員頻繁到現場提取數據的工作，設置好實驗條件后，進入無人值守的監(jiān)測狀態(tài)，由程序周期性測量記錄沉降位移與溫度的變化，達到設定的時間間隔后，主動向研究人員匯總、上傳數據.

數據傳送目前主要采用專用網絡、GPRS

（general packet radio service）、GSM（global system of mobile communication）短信和以太網等［6－7］方式.Internet也是一種常見的傳輸方式［8］.無人值守的監(jiān)控機與研究人員的PC 機之間可以采用固定的公網IP（Internet Protocol）地址，通過Internet通信交換信息.由于公網IP 已近耗盡，目前絕大多數計算機均是以內網IP 通過路由器轉換的方式接入Internet.在這種情況下，加上路由器防火墻技術對內網的保護，內網中的計算機很難被外界直接聯(lián)系到.

電子郵件是互聯(lián)網的最基礎功能之一.內網中的計算機也可以通過路由器聯(lián)接Internet后向外發(fā)送電子郵件.采用電子郵箱作為雙方交換數據的平臺，處于內網中的監(jiān)控機通過電子郵件將數據發(fā)送到研究人員的電子郵箱，實現自動匯報數據.

由于網易、新浪、騰訊等公共電子郵件系統(tǒng)的發(fā)送服務器都必須使用密碼登錄，LabVIEW8.2中用于發(fā)送電子郵件的SMTP（simple mail transfer protocol）函數無法登錄有密碼的服務器.本文采用調用.NET 的方式實現郵件發(fā)送.LabVIEW 發(fā)送電子郵件的程序框圖如圖2所示.

4 結語

本文以LabVIEW 為軟件開發(fā)環(huán)境，使用光柵位移計監(jiān)測室內軌道路基沉降量，按照預設的條件在監(jiān)測計算機上實時測量、顯示并存儲測得的數據，并按預設的周期自動以電子郵件的形式向研究者匯報數據.

文中使用光柵位移計測量緩慢變化位移量，也可以結合具體的現場情況，使用其他數字型位移傳感器，如Acuity公司生產的AR200型激光位移傳感器，只需對應修改程序中與傳感器通信部分；由于發(fā)送數據采用電子郵件的方式，因此只要能聯(lián)接到Internet，不受具體聯(lián)網方式的影響.

本文對于位移緩慢變化且無人值守條件下的長期觀測提供了一種有效的方法.

［1］ 錦尨.京滬高鐵最高時速達到486.1 公里 刷新世界記錄［EB／OL］.［2010－12－04］.http：／／www.china.com.cn／travel／txt／2010－12／04／content＿21479030.htm.JIN Long.The Beijing－Shanghai high－speed rail reaches a top speed of 486.1 km／h，which sets a new world record［EB／OL］.［2010－12－04］.http：／／www.china.com.cn／travel／txt／2010－12／04／content＿21479030.htm.

［2］ 陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW8.20程序設計從入門到精通［M］.北京：清華大學出版社，2007.CHEN Xihui，ZHANG Yinhong.LabVIEW8.20 program design from entry to the master［M］.Beijing：Tsinghua University Press，2007.

［3］ 陳芳，江和.溫度傳感器DS18B20在Proteus中的仿真［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2010（7）：17.CHEN Fang，JIANG He.Simulation of temperature sensor DS18B20in Proteus［J］.Microcontrollers ＆Embedded Systems，2010（7）：17.

［4］ 陳飛，陳亞娟.基于LabVIEW 的多點測溫系統(tǒng)［J］.工業(yè)控制計算機，2010（9）：25.CHEN Fei， CHEN Yajuan. Multiple－dot temperature measurement system based on LabVIEW［J］.Industrial Control Computer，2010（9）：25.

［5］ 陳志紅，張甄，陳志勇.基于51單片機溫度采集系統(tǒng)的設計與實現［J］.硅谷，2010（21）：90.CHEN Zhihong，ZHANG Zhen，CHEN Zhiyong.A temperature acquisition system design and implementation based on MCS－51［J］.Silicon Valley，2010（21）：90.

［6］ 趙晉琴.基于GPRS技術的無線遠程抄表系統(tǒng)設計與實現［J］.重慶理工大學學報：自然科學版，2010（11）：89.ZHAO Jinqin. Design implementation of wireless remote automatic meter reading system based on GPRS technology［J］.Journal of Chongqing University of Technology：Natural Science，2010（11）：89.

［7］ 李滿昌，石偉，孫健，等.基于以太網的高速數據采集系統(tǒng)設計［J］.工程與試驗，2010，50（2）：46.LI Manchang，SHI Wei，SUN Jian，et al.Design on high－speed data acquisition system based on Ethernet［J］.Engineering ＆Test，2010，50（2）：46.

［8］ 孫大松，周杰，王紅林.基于Internet的電力線監(jiān)測系統(tǒng)設計與實現［J］.南京信息工程大學學報：自然科學版，2010，2（4）：340.SUN Dasong，ZHOU Jie，WANG Honglin.The design of power line monitoring system baesd on internet［J］.Journal of Nanjing University of Information Science ＆Technology：Natural Science Edition，2010，2（4）：340.