蔣志軍 鄭萍 曹林 李易 彭京平

(西華大學(xué)電氣信息學(xué)院,四川 成都 610039)

高速鐵路路基形變多點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔣志軍 鄭萍 曹林 李易 彭京平

(西華大學(xué)電氣信息學(xué)院,四川 成都 610039)

為了解決鐵路路基形變多點(diǎn)檢測(cè)、遠(yuǎn)程監(jiān)控和預(yù)警問題,提出了一種基于嵌入式LAMP的鐵路路基多點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。通過測(cè)量路基面豎直方向和水平方向的加速度并運(yùn)算處理得到路基面的形變量,當(dāng)其大于設(shè)定的閾值時(shí)進(jìn)行報(bào)警。系統(tǒng)利用STM32對(duì)得到的多點(diǎn)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行處理,并通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)交赟3C6410的嵌入式LAMP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。遠(yuǎn)程用戶可通過瀏覽器遠(yuǎn)程監(jiān)控鐵路路基面振動(dòng)幅度變化。經(jīng)調(diào)試證明,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

鐵路路基形變 多點(diǎn)檢測(cè) LAMP 遠(yuǎn)程監(jiān)控 ARM

0 引言

鐵路路基作為承載軌道和列車荷載的基礎(chǔ),其形變和沉降變化影響到高速列車運(yùn)行安全和鐵路路基使用壽命,因此必須要保持路基不產(chǎn)生任何危及正常運(yùn)行的過大有害形變,以保證鐵路的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。首先需要在路基施工過程中關(guān)注路基結(jié)構(gòu)、用材和路基的壓實(shí)度的基礎(chǔ)上,準(zhǔn)確了解列車在高速運(yùn)行時(shí)其路基表面的振動(dòng)導(dǎo)致的形變大小。目前,多采用動(dòng)力觸探實(shí)驗(yàn)方法檢測(cè)路基的壓實(shí)度。該方法是利用一定質(zhì)量的重錘,將與探桿連接的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格探頭打入土中,根據(jù)探頭灌入土中10 cm或30 cm時(shí)所需的錘擊次數(shù),判斷路基的壓實(shí)程度來間接檢測(cè)路基形變大小。這種測(cè)量方法不但會(huì)破壞鐵路的路基面,而且測(cè)量的精度低,不能全天候、實(shí)時(shí)檢測(cè)多點(diǎn)路基面形變信息,因此只適合鐵路路基運(yùn)行前驗(yàn)收階段的測(cè)量?；谇度胧絃AMP服務(wù)器(Linux操作系統(tǒng)+Apache服務(wù)器軟件+ MySQL數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)+PHP超文本預(yù)處理語言)的路基形變量監(jiān)控系統(tǒng)可以對(duì)被監(jiān)控路基段進(jìn)行動(dòng)態(tài)多點(diǎn)檢測(cè),可及時(shí)地記錄路基面形變參數(shù)以及預(yù)警,還可通過Internet實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控[1]。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)由信息檢測(cè)模塊、無線傳輸模塊以及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等組成。首先通過加速度傳感器采集路基振動(dòng)過程中豎直方向和水平方向的加速度,將該信號(hào)調(diào)理后送入STM32進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換與運(yùn)算處理,最終得到路基面豎直方向和水平方向的加速度值以及形變量。多點(diǎn)測(cè)量的值通過ZigBee星型網(wǎng)絡(luò)送給基于S3C6410的嵌入式LAMP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。信息采集模塊通過串口與ZigBee終端通信, ZigBee協(xié)調(diào)器亦是通過串口與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器通信[2]。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器將接收到的路基面形變量信息和對(duì)應(yīng)的時(shí)間戳一并存到數(shù)據(jù)庫中,即可就地顯示記錄;也可通過3G無線網(wǎng)卡接入以太網(wǎng),用戶使用瀏覽器登錄到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器,訪問服務(wù)器網(wǎng)頁即可實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)被監(jiān)控路段路基的遠(yuǎn)程監(jiān)控操作。

圖1 多通道高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of multi-channel high-speed data acquisition system

2 系統(tǒng)的信息檢測(cè)與傳輸

本節(jié)主要介紹檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)及ZigBee模塊和組網(wǎng)設(shè)計(jì)。

2.1 檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

檢測(cè)模塊程序流程圖如圖2所示。

圖2 檢測(cè)模塊程序流程圖Fig.2 Flowchart of detection module program

列車高速行駛在鐵路路基上時(shí),路基面會(huì)產(chǎn)生水平方向和豎直方向的振動(dòng)。根據(jù)鐵路路基鋪設(shè)的材料不同,抽樣檢測(cè)時(shí)需要在100 m內(nèi)進(jìn)行3～6處檢測(cè),使用6個(gè)檢測(cè)模塊(左、中、右各2兩個(gè))對(duì)100 m路段進(jìn)行檢測(cè)。每個(gè)檢測(cè)模塊包括信號(hào)調(diào)理電路、STM32最小系統(tǒng)電路。使用美國AD公司的ADXL150電容式加速度傳感器測(cè)量鐵路路基水平方向和垂直方向的加速度,信號(hào)調(diào)理電路將信號(hào)調(diào)理到STM32的ADC測(cè)量范圍內(nèi)。再通過STM32自帶外部ADC運(yùn)算處理得到加速度值,將該值作為此次采集到下一次采集時(shí)間片的平均加速速度,通過兩次積分運(yùn)算得到路基在該時(shí)間片內(nèi)路基水平和豎直方向的位移量。最終累加得到路基的形變量。路基面的形變量過大時(shí)將可能造成路基表面層斷裂,所以為水平方向和豎直方向分別設(shè)定一個(gè)形變閾值。當(dāng)形變量大于閾值時(shí),STM32產(chǎn)生PWM信號(hào)控制報(bào)警燈閃爍報(bào)警,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警。

檢測(cè)模塊通過串口和ZigBee終端通信。一方面將檢測(cè)的數(shù)據(jù)送給ZigBee網(wǎng)絡(luò),另一方面也通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)接收網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器發(fā)過來的命令,執(zhí)行相應(yīng)的操作,如設(shè)置ADC參數(shù)、啟動(dòng)和停止報(bào)警等[3]。

2.2 ZigBee模塊和組網(wǎng)設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)作為檢測(cè)模塊和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間的橋梁,其終端與檢測(cè)模塊連接,協(xié)調(diào)器與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器相連。檢測(cè)模塊采集到的數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)服務(wù)器,網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送命令給檢測(cè)模塊。系統(tǒng)組網(wǎng)方式采用ZigBee星型網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn),由6個(gè)終端和1個(gè)協(xié)調(diào)器中組成,采用CC2430作為ZigBee模塊的主控芯片,負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)的運(yùn)算和處理,外圍電路包括RS-232接口、電源電路、匹配電路等。ZigBee協(xié)調(diào)器和ZigBee終端距離為50～100 m,而選用的CC2430無線模塊的傳輸范圍大部分情況下小于100 m。考慮到現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜情況,為了切實(shí)保證信息的傳輸,系統(tǒng)采用增加RF發(fā)射功率的措施,使得傳輸距離可達(dá)1～3 km。當(dāng)需要監(jiān)控更遠(yuǎn)距離路段時(shí),可通過增加路由器和節(jié)點(diǎn)接力方式實(shí)現(xiàn)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中只有ZigBee協(xié)調(diào)器才能組網(wǎng),在ZigBee協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)建立好后,ZigBee終端可以加入?yún)f(xié)調(diào)器建立的ZigBee網(wǎng)絡(luò)[4]。

ZigBee協(xié)調(diào)器的組網(wǎng)過程為:協(xié)調(diào)器的應(yīng)用層發(fā)出建立網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求,網(wǎng)絡(luò)層接收到請(qǐng)求后,要求MAC層執(zhí)行信道掃描以找到一個(gè)合適的信道;隨機(jī)選擇一個(gè)網(wǎng)絡(luò)號(hào)PAN來標(biāo)志該ZigBee網(wǎng)絡(luò);然后在MAC層注冊(cè),再選擇網(wǎng)絡(luò)地址;最后通知應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)建立狀態(tài)。ZigBee協(xié)調(diào)器建立好網(wǎng)絡(luò)后,ZigBee終端有兩種方式加入網(wǎng)絡(luò):關(guān)聯(lián)方式和直接方式。這里采用的是關(guān)聯(lián)方式。ZigBee協(xié)調(diào)器的程序流程如圖3所示。

ZigBee終端加入網(wǎng)絡(luò)的過程為:應(yīng)用層調(diào)用原語設(shè)定要掃描的信道和每個(gè)信道掃描的時(shí)間,網(wǎng)絡(luò)層接收到該原語后,要求MAC層掃描信道。當(dāng)掃描完成后通過原語通知應(yīng)用層具體情況,重新掃描或者從關(guān)聯(lián)列表中選擇網(wǎng)絡(luò)加入。當(dāng)存在潛在的父節(jié)點(diǎn)時(shí),應(yīng)用層發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求,網(wǎng)絡(luò)層接收到該請(qǐng)求后給MAC層發(fā)送關(guān)聯(lián)請(qǐng)求。網(wǎng)絡(luò)層接收MAC層連接狀態(tài)響應(yīng),當(dāng)接收到連接成功響應(yīng)后,將根據(jù)響應(yīng)信息中節(jié)點(diǎn)的唯一邏輯地址,在關(guān)聯(lián)列表中建立它和父節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián),最后網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送入網(wǎng)成功響應(yīng)給應(yīng)用層。ZigBee終端程序流程圖如圖3所示。

圖3 ZigBee協(xié)調(diào)器/終端程序流程圖Fig.3 Flowchart of ZigBee coordinator and terminal program

3 嵌入式LAMP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器設(shè)計(jì)

3.1 硬件框圖設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器CPU使用三星公司的S3C6410,負(fù)責(zé)對(duì)檢測(cè)模塊數(shù)據(jù)的集中運(yùn)算處理。外圍電路包括存儲(chǔ)芯片、復(fù)位電路、電源電路、時(shí)鐘電路、RS-232接口、USB接口電路等。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器通過串口完成與ZigBee協(xié)調(diào)器通信,接收協(xié)調(diào)器傳過來的路基形變量數(shù)據(jù)和發(fā)送控制命令給協(xié)調(diào)器。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中使用SD卡存儲(chǔ)ZigBee協(xié)調(diào)器傳過來的路基形變量數(shù)據(jù),根據(jù)實(shí)際需要,選擇不同大小存儲(chǔ)容量(最大支持32 GB)。服務(wù)器與Internet的連接采用華為的E1750 USB總線3 GB無線網(wǎng)卡。系統(tǒng)采用瀏覽器/服務(wù)器(Browser/ Server,B/S)模式,用戶可通過瀏覽器訪問網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器,實(shí)現(xiàn)對(duì)路基變形的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

3.2 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器搭建

嵌入式網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的結(jié)構(gòu)模型如圖4所示。

圖4 嵌入式網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器結(jié)構(gòu)模型Fig.4 Structural model of the embedded web server

在S3C6410系統(tǒng)硬件平臺(tái)上構(gòu)建嵌入式LAMP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的主要工作是:完成Linux操作系統(tǒng)的移植、Apache服務(wù)器的移植、MySQL數(shù)據(jù)庫移植和PHP的移植。

①Linux操作系統(tǒng)的移植:配置Uboot源代碼,交叉編譯生成u-boot.bin,然后將其燒寫到NAND Flash零地址處;解壓Linux內(nèi)核源代碼,利用#make menuconfig ARCH=arm命令配置內(nèi)核,添加串口驅(qū)動(dòng)支持、USB驅(qū)動(dòng)支持以及網(wǎng)絡(luò)功能,使用make uImage命令和mkimage工具編譯內(nèi)核并生成鏡像文件;利用busybox制作文件系統(tǒng),交叉編譯PPP源代碼,移植相關(guān)文件到嵌入式Linux系統(tǒng)對(duì)應(yīng)目錄下,使用mkyaffs2image命令生成YAFFS2文件系統(tǒng)鏡像文件。借助tftp命令,將內(nèi)核和文件系統(tǒng)的鏡像文件下載到目標(biāo)板的DDRAM,再使用Uboot的nand write命令將其燒寫到NAND Flash對(duì)應(yīng)分區(qū),整個(gè)Linux系統(tǒng)移植完成[5-6]。

②Apache服務(wù)器的移植:交叉編譯httpd源代碼,并移植到嵌入式Linux系統(tǒng)對(duì)應(yīng)目錄下,通過設(shè)置httpd.conf管理Apache,如加入PHP支持。Apache是目前使用較廣的Web服務(wù)器軟件,相對(duì)BOA,其運(yùn)行速度快,穩(wěn)定性好。

③PHP的移植:交叉編譯PHP源代碼,并移植到嵌入式Linux系統(tǒng)對(duì)應(yīng)目錄下;修改php.ini,開啟PHP對(duì)串口和MySQL操作的支持。相對(duì)傳統(tǒng)CGI,PHP具有穩(wěn)定性好、圖像處理能力強(qiáng)、效率高、面向?qū)ο蟆⑾南到y(tǒng)資源少等特點(diǎn)。

④MySQL數(shù)據(jù)庫移植的移植:交叉編譯MySQL源代碼,移植到嵌入式Linux系統(tǒng)對(duì)應(yīng)目錄下,通過my.conf管理MySQL的安裝目錄、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)路徑、日志等。MySQL數(shù)據(jù)庫具有管理用戶權(quán)限功能、完整的數(shù)據(jù)庫功能且支持并發(fā)。

3.3 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的軟件設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器通過串口接收ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳過來的各檢測(cè)模塊的路基形變量數(shù)據(jù),將其和對(duì)應(yīng)的時(shí)間戳存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中,通過網(wǎng)頁提供給用戶。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁包括主界面,用戶注冊(cè)界面和高速鐵路路基形變監(jiān)控中心界面,用戶可以通過瀏覽器訪問服務(wù)器主界面,然后登錄進(jìn)入高速鐵路路基形變監(jiān)控中心界面;通過調(diào)用PHP擴(kuò)展API訪問MySQL數(shù)據(jù)庫,得到路基形變量數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)的時(shí)間,再通過應(yīng)用Ajax動(dòng)態(tài)顯示路基形變信息[7-10]。當(dāng)用戶在瀏覽器界面上進(jìn)行操作時(shí),瀏覽器發(fā)送http請(qǐng)求,網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器接收到請(qǐng)求后解析命令,調(diào)用PHP擴(kuò)展庫提供的API操作串口發(fā)送控制命令給ZigBee協(xié)調(diào)器,再通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將命令發(fā)送給檢測(cè)模塊,從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。高速鐵路路基形變監(jiān)控中心網(wǎng)頁程序流程如圖5所示。

圖5 高速鐵路路基監(jiān)控中心網(wǎng)頁程序流程圖Fig.5 Flowchart of the web page program of high speed railway roadbed monitoring center

3.4 系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)計(jì)

用戶在瀏覽器地址欄中輸入網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的IP地址,訪問網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器主頁面;填寫用戶名和密碼登錄進(jìn)入到高速鐵路路基形變監(jiān)控中心界面。進(jìn)入監(jiān)控中心界面后,用戶可以設(shè)置檢測(cè)模塊采樣頻率、路基形變顯示界面的動(dòng)態(tài)刷新頻率以及選擇檢測(cè)模塊通道,可實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)檢測(cè)模塊節(jié)點(diǎn)路基面形變的監(jiān)控。同時(shí),用戶可以點(diǎn)擊啟動(dòng)或停止采樣按鈕,遠(yuǎn)程控制各檢測(cè)模塊采樣。試驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)滿足高速鐵路路基行變量多點(diǎn)檢測(cè)、遠(yuǎn)程監(jiān)控、預(yù)警和記錄路基面形變參數(shù)設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語

隨著高速列車的普遍使用,對(duì)鐵路路基的要求亦同步增加,對(duì)鐵路路基的形變多點(diǎn)、動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè)、預(yù)警以及遠(yuǎn)程監(jiān)控問題受到了高度的重視?；贚AMP的多點(diǎn)路檢測(cè)控系統(tǒng),可動(dòng)態(tài)地反映鐵路路基狀態(tài),且體積小、功耗低,特別適合應(yīng)用于野外環(huán)境,使用非常方便。通過設(shè)定不同的閾值,可對(duì)鐵路路基的形變進(jìn)行預(yù)警、報(bào)警,切實(shí)保證列車的安全,并為運(yùn)行中的高速鐵路路基面形變量信息建立數(shù)據(jù)庫,對(duì)鐵路使用和維護(hù)提供數(shù)據(jù)支持。鐵路路基的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能亦可為鐵路管理提供良好的支持。

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Design of the Multi-point Detection System for High Speed Railway Roadbed Deformation

In order to solve the problems existing in multi-point detection,remote monitoring and early warning for railway roadbed deformation,the design strategy of the multi-point detection system based on embedded LAMP for this application is proposed.Through measuring the accelerations of the subgrade surface in vertical and horizontal directions,and conducting operating and process,the deformation of the subgrade surface can be obtained.When the deformation value is greater than the set point of threshold,alarm signal will be sent out.In the system,the multi-point measurement signals are processed by using STM32,and transmitted to S3C6410 based embedded LAMP web server through ZigBee network;the remote users may monitor the variation of the vibration amplitude of subgrade surface via browser.The test verifies that the system is running stably,and meets design requirement.

Railway roadbed deformation Multi-point detection LAMP Remote monitoring ARM

TP368+.1

A

四川省重點(diǎn)學(xué)科基金資助項(xiàng)目(編號(hào):SZD0503-09-0);

西華大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(編號(hào):ycjj2013104)。

修改稿收到日期:2014-02-18。

蔣志軍(1986-),男,現(xiàn)為西華大學(xué)控制理論與控制工程專業(yè)在讀碩士研究生;主要從事智能化儀器與檢測(cè)系統(tǒng)的研究。