王志勇，朱洪濤，胡立峰，李江明，魏 暉

(1.南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西南昌 330031;2.南昌鐵路局鷹潭工務(wù)機(jī)械化段，江西鷹潭 335000)

軌道檢查儀具有檢測(cè)精度高、檢測(cè)項(xiàng)目全、檢測(cè)速度快、環(huán)境適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)，能夠大幅度提高軌道檢測(cè)效率與質(zhì)量并減輕檢測(cè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。因此，軌檢儀作為基本檢測(cè)裝備已廣泛應(yīng)用于200 km/h以上線路。然而，我國(guó)路情復(fù)雜，目前軌檢儀并未做到真正意義上的全覆蓋，在非提速線路上軌道檢測(cè)的主要手段依然是“人工+道尺”。其原因主要在于:①非提速線路建線標(biāo)準(zhǔn)低，并保留了行車間隔作業(yè)的條件，因此對(duì)于軌檢儀的便攜性要求較高而對(duì)測(cè)量項(xiàng)目與精度要求相對(duì)較低;②儀器功能的增加與性能的改進(jìn)帶來(lái)成本的增加，非提速線路每公里預(yù)算有限，這種條件下只要求完成月檢的基本項(xiàng)目檢測(cè)，儀器功能與性能以滿足現(xiàn)場(chǎng)要求為度;③目前標(biāo)準(zhǔn)型軌檢儀普遍采用“軌檢儀+PC終端”的組合模式，其數(shù)據(jù)采集與分析終端普遍采用的是具有良好的抗震、抗高低溫及電磁干擾的軍用級(jí)PC，但其功能冗余較大且價(jià)格昂貴，且串口線連接方式限制了操作人員的活動(dòng)范圍。因此，亟需開(kāi)發(fā)一種功能與運(yùn)營(yíng)條件匹配、經(jīng)濟(jì)性與便攜性好、抗干擾能力強(qiáng)的便攜式軌檢儀。

本文設(shè)計(jì)一種便攜式軌檢儀，在硬件電路方面對(duì)原軌檢儀進(jìn)行功能篩選與簡(jiǎn)化，減小機(jī)身重量;應(yīng)用“移動(dòng)終端+無(wú)線連接”代替原“軍用級(jí)PC+串口線連接”方案;在移動(dòng)終端上開(kāi)發(fā)軌檢儀應(yīng)用軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)軌檢儀的無(wú)線控制，在檢測(cè)作業(yè)時(shí)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)，以克服原軌檢儀在機(jī)動(dòng)性、經(jīng)濟(jì)性與便攜性方面的不足。

1 系統(tǒng)總體構(gòu)架

作為法定計(jì)量器具，我國(guó)的工務(wù)鐵專量具實(shí)行分級(jí)使用，分級(jí)管理。其中，軌檢儀的準(zhǔn)確度依據(jù)適用線路速度等級(jí)可分為 0級(jí)(≤350 km/h)與1級(jí)(≤250 km/h)。各級(jí)軌檢儀又可依據(jù)功能特征分為H，T，S，L，HW，TW，SW 或 LW 等型號(hào)。其中，H，T，L為基本型號(hào)，W為外部參數(shù)測(cè)量功能特征代碼;S為便攜型，僅包含軌距、超高(水平)測(cè)量功能，其準(zhǔn)確度等級(jí)僅包含1級(jí)。由文獻(xiàn)［1］可知，提速及非提速線路軌道檢測(cè)的主要幾何形位參數(shù)為軌距、軌距變化率、超高(水平)、扭曲等。為滿足對(duì)軌檢儀的機(jī)動(dòng)性、經(jīng)濟(jì)性與便攜性，本文設(shè)計(jì)的軌檢儀定為S型。

依據(jù)文獻(xiàn)［1］，S型軌檢儀的主要檢測(cè)項(xiàng)目及性能指標(biāo)如表1所示。

基本型號(hào)的軌檢儀系統(tǒng)采用“軌檢儀+采集終端”的組合模式，即軌檢儀系統(tǒng)通過(guò)布置在小車上的前端傳感器獲取當(dāng)前軌道的一系列幾何參數(shù)，數(shù)據(jù)匯集到下位機(jī)軌檢小車，軌檢小車對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、放大等處理后提取有效數(shù)據(jù)打包上傳到上位機(jī)，上位機(jī)接收數(shù)據(jù)后對(duì)其進(jìn)行校驗(yàn)、分析、處理、顯示及存儲(chǔ)等操作［2］。

為增加可靠性、減小過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)并加速開(kāi)發(fā)，該S型軌檢儀技術(shù)上較多地繼承現(xiàn)有基本型號(hào)軌檢儀并依據(jù)非提速線路工況開(kāi)發(fā)部分功能。硬件電路方面，保留水平、軌距兩個(gè)基本軌道內(nèi)部幾何參數(shù)和里程、溫度輔助參數(shù)，通過(guò)以上參數(shù)可計(jì)算出其他測(cè)量項(xiàng)目，如軌距變化率、三角坑等;同時(shí)依據(jù)功能定義，在保證了軌道檢測(cè)基本要求的前提下對(duì)原系統(tǒng)的測(cè)量功能進(jìn)行了簡(jiǎn)化，省去一些昂貴的高精度傳感器如測(cè)量軌向用的陀螺儀等。在數(shù)據(jù)采集方面，為降低成本并提高便攜性，采用藍(lán)牙串口模塊進(jìn)行無(wú)線通訊，采用手持終端作為上位機(jī)。

表1 S型軌檢儀主要檢測(cè)項(xiàng)目及性能指標(biāo)

改進(jìn)后的系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 便攜式軌檢儀

2 數(shù)據(jù)采集方案

2.1 藍(lán)牙串口模塊

藍(lán)牙技術(shù)因具有信道開(kāi)放、低功耗、模塊體積小、安全穩(wěn)定等突出優(yōu)點(diǎn)，滿足了軌道檢測(cè)對(duì)較長(zhǎng)續(xù)航能力和操作便捷性的要求;但傳統(tǒng)藍(lán)牙通信的協(xié)議復(fù)雜，不易操作。相比之下，串口協(xié)議是一種非常通用設(shè)備通信協(xié)議，其協(xié)議簡(jiǎn)單，易于編程。

藍(lán)牙串口模塊支持串口仿真協(xié)議(RFCOMM)［3-4］，是藍(lán)牙技術(shù)與串口通信結(jié)合的產(chǎn)物，它保留了藍(lán)牙通信與串口通信的優(yōu)點(diǎn)，數(shù)據(jù)的傳輸采用藍(lán)牙技術(shù)，在上位機(jī)的程序開(kāi)發(fā)過(guò)程中直接調(diào)用虛擬串口就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線通信，整個(gè)虛擬串口建立流程如圖2所示。

2.2 手持終端

圖2 虛擬串口建立流程

手持終端是一種集信息處理、數(shù)據(jù)通信及遠(yuǎn)程控制于一身的嵌入式設(shè)備。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)硬件和軟件技術(shù)的快速發(fā)展，嵌入式手持終端性能在不斷提高，硬件功能不斷擴(kuò)充，卻依然保持著經(jīng)濟(jì)性?，F(xiàn)有手持終端在硬件性能、抗干擾等方面接近軍用級(jí)PC，可以實(shí)現(xiàn)軍用級(jí)PC上的復(fù)雜應(yīng)用。圖3為采用手持終端對(duì)軌檢儀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定。

圖3 手持終端標(biāo)定

3 應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

3.1 功能規(guī)劃

采用手持終端的軌檢儀應(yīng)能完全實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)軌檢儀的功能，包括系統(tǒng)標(biāo)定、數(shù)據(jù)采集、在線數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)文件保存等，并且采用移動(dòng)手持終端代替原有上位機(jī)后，傳輸方式改為藍(lán)牙連接，故采用手持終端后還需要實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙設(shè)備連接的功能。

根據(jù)軌道檢測(cè)需求，該手持終端軟件功能模塊如表2所示。

表2 軟件功能

3.2 軟件系統(tǒng)框架

軟件系統(tǒng)框架如圖4所示，用戶在進(jìn)入各子功能模塊后，可以進(jìn)行系統(tǒng)文件的讀寫或進(jìn)行上下位機(jī)通訊。其中指令系統(tǒng)建立在上下位機(jī)指令格式上，它主要針對(duì)軌檢儀的控制設(shè)計(jì)，由命令標(biāo)識(shí)和命令代碼組成，數(shù)據(jù)通訊時(shí)采用ASCII碼進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。對(duì)應(yīng)特定上位機(jī)指令，軌檢儀上傳不同數(shù)據(jù)信息。為使系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一，軌檢儀采用了數(shù)據(jù)包格式。為方便數(shù)據(jù)包的拆解，數(shù)據(jù)包設(shè)計(jì)為“起始標(biāo)識(shí)符+測(cè)量數(shù)據(jù)”格式，測(cè)量數(shù)據(jù)依上位機(jī)指令不同而異。

圖4 軟件系統(tǒng)框圖

文件系統(tǒng)是該軟件的重要組成部分，包括系統(tǒng)參數(shù)和測(cè)量數(shù)據(jù)兩類。系統(tǒng)參數(shù)包括標(biāo)定數(shù)據(jù)、曲線參數(shù)和線路規(guī)則等，它們參與對(duì)軌檢儀上傳數(shù)據(jù)的換算、補(bǔ)償和校正等過(guò)程，用戶使用時(shí)可以通過(guò)中間結(jié)構(gòu)體變量格式對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行修改與保存。

4 樣機(jī)測(cè)試結(jié)果分析

4.1 軟件測(cè)試效果

采用該便攜式軌檢儀測(cè)量一段已知參數(shù)的軌道。圖5為手持終端軟件系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定和在線測(cè)量界面。

圖5 手持終端界面

4.2 重復(fù)性測(cè)試結(jié)果

圖6分別為某廠自備線路軌道的水平、軌距測(cè)試結(jié)果，數(shù)據(jù)為隨機(jī)抽取的3組數(shù)據(jù)。其中由于軌道軌縫的存在，同時(shí)軌檢儀系統(tǒng)推行速度不均，造成水平傳感器受到較大沖擊，因而個(gè)別水平值較大，實(shí)際測(cè)量工作中應(yīng)予以刪除［5］。

根據(jù)TB/T 3147—2012中1級(jí)鐵路軌道檢查儀的水平、軌距兩項(xiàng)重復(fù)性允許誤差均為0.375 mm，實(shí)際線路測(cè)試表明本文便攜式軌檢儀能達(dá)到該要求。

圖6 重復(fù)性測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)傳統(tǒng)軌檢儀在機(jī)動(dòng)性、經(jīng)濟(jì)性和操作便攜性方面的不足，設(shè)計(jì)了一種便攜式軌檢儀。從硬件電路、數(shù)據(jù)采集方案、應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)三方面對(duì)原系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。用手持終端取代了昂貴且攜帶不便的上位機(jī)和軍用級(jí)PC，降低軌檢產(chǎn)品成本。手持終端便于攜帶和操作，使軌檢單元便攜化，能改善巡道工的勞動(dòng)強(qiáng)度和勞動(dòng)環(huán)境，提高工作效率，減少了人為操作失誤。由原來(lái)的有線傳輸變?yōu)闊o(wú)線傳輸，使用戶操作更加靈活、便捷。通過(guò)樣機(jī)測(cè)試，證明該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定高效地完成軌道檢測(cè)任務(wù)。目前，該軌檢儀已投入實(shí)際生產(chǎn)并在昆明、重慶地鐵施工中得以應(yīng)用。

［1］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB/T 3147—201 鐵路軌道檢查儀［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2012.

［2］王志勇，朱洪濤，李大勇.基于U盤的單片機(jī)低功耗海量存儲(chǔ)系統(tǒng)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2006，22(5-2):91-93.

［3］馬晉興，陳啟軍.藍(lán)牙協(xié)議棧中RFCOMM協(xié)議層的分析與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)工程，2004，30(8):112-113.

［4］余勝生，蘇漢華，周敬利.Bluetooth協(xié)議棧 RFCOMM協(xié)議層分析與設(shè)計(jì)［J］.小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，2002，23(9):1037-1040.

［5］朱洪濤，李大勇，王志勇，等.軌檢儀抑制軌縫干擾信息的數(shù)字濾波法［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2006，22(16):182-183.