賈巖

摘要：目前我國鐵路工務(wù)部門常采用“相對(duì)測量”方式對(duì)軌道的幾何狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行檢查，這種檢查方式效率低、精度不高，常引起人工浪費(fèi)等問題。為了提高高速鐵路軌道幾何參數(shù)的檢查精度、檢查效率，降低檢查成本，本文提出了一種基于GPS的高速鐵路軌道靜態(tài)檢查系統(tǒng)，利用GPS全球定位技術(shù)，實(shí)時(shí)對(duì)高速鐵路軌道的幾何狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行檢查。

關(guān)鍵詞：軌道幾何狀態(tài);GPS全球定位系統(tǒng);GPRS無線通信技術(shù)

中圖分類號(hào)：U216.3?? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?? 文章編號(hào)：1672-9129（2020）16-0069-02

1 引言

2020年8月中國國家鐵路集團(tuán)頒布了《新時(shí)代交通強(qiáng)國鐵路先行規(guī)劃綱要》，綱要中明確指出了未來30年中國鐵路的發(fā)展規(guī)劃，我國鐵路將在科技的引領(lǐng)下全面向智能化邁進(jìn)。鐵路軌道的平順性作為評(píng)價(jià)鐵路軌道的重要指標(biāo)，高速鐵路軌道的檢查技術(shù)也將不斷向高精度、高效率方向發(fā)展。

當(dāng)前國內(nèi)外軌道檢測系統(tǒng)主要分為兩類，分別是動(dòng)態(tài)檢查系統(tǒng)和靜態(tài)檢查系統(tǒng)。國內(nèi)外動(dòng)態(tài)檢查系統(tǒng)主要有日本的“East-i”綜合檢測列車，法國國家鐵路公司研發(fā)的“IRIS320”綜合檢測列車，我國的GJ型軌檢車等[1]。動(dòng)態(tài)檢查系統(tǒng)檢查效果好，但是大型的動(dòng)態(tài)檢查設(shè)備不能直接用于日常線路養(yǎng)護(hù)和維修的指導(dǎo)工作。國內(nèi)外靜態(tài)軌道檢查系統(tǒng)主要有瑞士Amberg公司研發(fā)的GRP1000軌檢儀，德國sinning公司生產(chǎn)的GEDO CE精調(diào)檢測小車，我國的GJY-T-EBJ-2型軌道檢查儀、GJY-T-4A型軌道檢查儀等。目前靜態(tài)檢查系統(tǒng)利用全站儀等光學(xué)設(shè)備的軌檢儀雖然能夠測量軌道的內(nèi)部、外部參數(shù)，但常受溫度、光照、風(fēng)雨等環(huán)境影響，且操作復(fù)雜，成本高，作業(yè)速度慢，因此有必要探索軌道三維定位的新方式和新手段。

GPS（Global Positioning System）全球定位系統(tǒng)是一種精密的導(dǎo)航系統(tǒng)和定位系統(tǒng)，可全球范圍使用，具有全天候、高速度和高精度等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在測繪、交通、道路工程等

領(lǐng)域[2]。本文應(yīng)用GPS全球定位系統(tǒng)，結(jié)合RTK （Real - Time Kinematic）載波相位實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù)，構(gòu)建一種高精度、高效率可同時(shí)進(jìn)行軌道外部和內(nèi)部幾何狀態(tài)參數(shù)檢查的高速鐵路軌道靜態(tài)檢查系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

GJY-T-4A軌檢儀可通過成熟的相對(duì)測量方法得到軌道內(nèi)部幾何參數(shù)。本高速軌道靜態(tài)檢查系統(tǒng)，是在GJY-T-4A軌檢儀上進(jìn)行改進(jìn)，加入絕對(duì)測量方法，得到軌道外部幾何參數(shù)。

為了快速得到高精度的高速鐵路軌道的外部幾何狀態(tài)參數(shù)，利用GPS全球定位技術(shù)檢查軌道中線的三維坐標(biāo)和高程。首先在鐵路軌道的兩側(cè)設(shè)置GPS控制網(wǎng)，設(shè)立GPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，同時(shí)利用GPRS將定位數(shù)據(jù)傳輸至軌檢儀系統(tǒng)的上位機(jī)。在軌檢儀上建立移動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用GPS采集數(shù)據(jù)、GPRS傳輸數(shù)據(jù)，最后通過上位機(jī)對(duì)采集到的GPS和移動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析與處理，得到軌道幾何狀態(tài)參數(shù)。移動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要在GJY-T-4A軌檢儀CAN總線上新增GPS數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，用于數(shù)據(jù)采集與傳輸。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本高速鐵路軌道靜態(tài)檢查系統(tǒng)的硬件主要包括兩部分，一是位于GPS控制網(wǎng)點(diǎn)的GPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);二是位于GJY-T-4A軌檢儀CAN總線節(jié)點(diǎn)上的的移動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

3.1 GPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。GPS控制網(wǎng)點(diǎn)的GPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制核心選用MSP430F149單片機(jī)。MSP430F149單片機(jī)具有16位RISC結(jié)構(gòu)，12位A/D轉(zhuǎn)換器，滿足本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的需求[3]。GPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件主要包括天寶BD970 GPS模塊、GPRS通訊模塊、7.4V鋰電池電源系統(tǒng)、單片機(jī)最小系統(tǒng)、LCD液晶顯示器等。

GPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中MSP430F149單片機(jī)的最小系統(tǒng)主要由提供精準(zhǔn)時(shí)鐘的時(shí)鐘電路，用于單片機(jī)復(fù)位的復(fù)位電路，用于修改和下載程序的BSL電路和調(diào)試電路等組成。

MSP430F149單片機(jī)與BD970 GPS模塊的工作電壓均為3.3V，所以MSP430F149與BD970板之間不需要電平轉(zhuǎn)換電路。GPS模塊上電時(shí)，為了限制電路電流，在GPS模塊電路中需要串聯(lián)300Ω電阻。為了減小電源輸入端的干擾，在BD970模塊VCC和GND引腳間連接100uF與0.1uF的并聯(lián)電容。BD970板的COM1_RX引腳與MSP430F149的UTXD0引腳相連，BD970板的COM1_TX引腳與MSP430F149的URXD0引腳相連。BD970板卡電路如圖1所示。

選用SIM300C作為GPRS無線通信模塊，SIM300C內(nèi)嵌有TCP/IP協(xié)議，可使用AT指令進(jìn)行控制，SIM300C內(nèi)部有充電電路，被廣泛應(yīng)用在由電池供電的電路中[4]。SIM300C GPRS模塊工作電壓為3.4V～4.5V，所以與MSP430F149單片機(jī)連接時(shí)，無需電平轉(zhuǎn)換。SIM300C的RXD、TXD引腳分別與MSP430F149的UTXD1、URXD1引腳相連。當(dāng)SIM300C GPRS模塊僅用RXD、TXD通信時(shí)，RTS引腳通過連接470Ω電阻后接地。

3.2移動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。GJY-T-4A軌道檢查儀具有高精度軌道內(nèi)部幾何參數(shù)檢查基礎(chǔ)，所以移動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是GJY-T-4A軌檢儀CAN總線上新增的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，通過GPRS與上位機(jī)建立連接，在上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理。為了保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，在上位機(jī)中加入SIM300C GPRS模塊連接，用于接收GPS傳來的GPS數(shù)據(jù)。

由于MSP430F149單片機(jī)無法驅(qū)動(dòng)CAN總線，所以引入CAN驅(qū)動(dòng)芯片，本系統(tǒng)選用SJA1000控制器作為CAN驅(qū)動(dòng)芯片。為了實(shí)現(xiàn)電氣隔離CAN收發(fā)器選用CTM1050 CAN隔離收發(fā)器，可保護(hù)CAN總線。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于GPS的高速鐵路軌道靜態(tài)檢查系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，以IAR Embedded Workbench編譯開發(fā)環(huán)境、C語言和AT指令為軌道檢查系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

4.1單片機(jī)主程序設(shè)計(jì)。MSP430F149單片機(jī)核心控制主要包括控制SIM300C GPRS與具有公網(wǎng)IP的服務(wù)器建立連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，將GPS采集到的原始數(shù)據(jù)傳輸至單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)GPS采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理，將采集到的數(shù)據(jù)通過無線通信傳送至上位機(jī)。

MSP430F149單片機(jī)主程序?yàn)檐墮z系統(tǒng)上點(diǎn)后初始化，定義中斷、調(diào)用模塊函數(shù)等。

GPS數(shù)據(jù)采集程序在設(shè)計(jì)時(shí)需對(duì)單片機(jī)和串口初始化，根據(jù)天寶BD970 GPS模塊說明，向天寶BD970模式發(fā)出數(shù)據(jù)請(qǐng)求指令，BD970模式通過串口向單片機(jī)傳輸采集的原始數(shù)據(jù)[5]。

4.2 GPRS數(shù)據(jù)通信程序設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)GPRS通信運(yùn)用TCP/IP建立網(wǎng)絡(luò)，兩個(gè)GPRS的IP地址是移動(dòng)的，兩個(gè)GPRS無法建立網(wǎng)絡(luò)連接，所以這里需要一個(gè)有公網(wǎng)IP地址的服務(wù)器作為中轉(zhuǎn)站。

首先GPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的單片機(jī)將采集到的原始數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到SIM300C模塊，然后傳送到服務(wù)器進(jìn)行中轉(zhuǎn)。移動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的單片機(jī)命令SIM300C無線通信模塊向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求數(shù)據(jù)，服務(wù)器傳送數(shù)據(jù)到達(dá)SIM300C模塊，再通過串口傳送至上位機(jī)，對(duì)傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

使用AT指令檢查SIM卡，確認(rèn)是否網(wǎng)絡(luò)接通，然后運(yùn)用AT+CCID指令初始化網(wǎng)絡(luò)，最后完成UDP連接。服務(wù)器進(jìn)行socket接收程序，GPRS模塊發(fā)送UDP連接指令，如AT+CIPSTART="UDP"，"IP adress"，"port"，。建立連接后發(fā)送AT+CIPSEND指令發(fā)送數(shù)據(jù)，服務(wù)器響應(yīng)接收數(shù)據(jù)，完成GPRS與服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸。

5 總結(jié)

利用GPS技術(shù)，RTK技術(shù)和GPRS技術(shù)，通過對(duì)GJY-T-4A軌檢儀進(jìn)行改進(jìn)，在原有相對(duì)測量的基礎(chǔ)上，融合了絕對(duì)測量，從而構(gòu)建新型高速鐵路軌道靜態(tài)檢查系統(tǒng)，可高精度、高效率的對(duì)高速鐵路軌道的幾何狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測。

參考文獻(xiàn)：

[1]仲崇成，李恒奎，李鵬等. 高速綜合檢測列車綜述[J]. 中國鐵路，2013（6）：89-93.

[2]許婭婭. 全球定位系統(tǒng)（GPS）實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（RTK）技術(shù)在公路勘測設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[D].長安大學(xué)，2006.

[3]沈建華，楊艷琴. MSP430 系列單片機(jī) 16 位超低功耗單片機(jī)原理與實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[4]SIM300C_HD_V3.05硬件手冊(cè)[EB/OL].

[5]Trimble BD970 GNSS Receive Module User Guide[EB/OL].