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　　摘 要：根據(jù)鐵路軌道采集現(xiàn)場(chǎng)的要求，設(shè)計(jì)鐵路軌道數(shù)據(jù)智能采集系統(tǒng)。詳細(xì)闡述了該采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)，并對(duì)關(guān)鍵問(wèn)題與難點(diǎn)的解決進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明。

　　關(guān)鍵詞：軌道數(shù)據(jù);pc\104總線; 傳感器

　　The Intelligent Measurement System of Railway Data

　　LI Jin-zhong Zhao Xin Tai Jun-jun

　　Abstract: Based on the demand of railway measured pot, the concept and construction on the intelligent measurement system of railway data are introduced. The principle of every section and software design is discussed.

　　Key words: railway data;pc\104 BUS;sensors

　　鐵路線路在機(jī)車車輛動(dòng)力作用和自然侵蝕的影響下，不僅發(fā)生彈性變形，而且產(chǎn)生永久變形。其中永久變形又可分為兩類：一類是幾何位置的改變，如線路爬行，方向不良，軌距擴(kuò)大與縮小等;另一類是軌道各部分的磨損，如鋼軌的磨損等。永久變形的存在，不僅影響列車的高速、平穩(wěn)運(yùn)行，而且當(dāng)這種變形日積月累，超過(guò)一定限度后，還將大大降低線路的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，嚴(yán)重威脅行車安全。軌道的各個(gè)數(shù)據(jù)是否符合要求，關(guān)系到列車運(yùn)行的安全。

　　作好鐵路線路的測(cè)量和養(yǎng)護(hù)維修，提高鐵路線路質(zhì)量是鐵路工務(wù)工作者的一項(xiàng)重要任務(wù)。而現(xiàn)在鐵路現(xiàn)場(chǎng)對(duì)軌道的重要數(shù)據(jù)的測(cè)量都是靠手工測(cè)量進(jìn)行的。工務(wù)工人用直尺、卷尺及線繩等簡(jiǎn)單工具，用拉線等方法測(cè)量這些重要參數(shù)（包括軌距、水平、三角坑、曲線超高、高低、軌向等）;測(cè)量數(shù)據(jù)由測(cè)量人員的眼睛讀出。這種測(cè)量方法既不準(zhǔn)確又要耗費(fèi)大量的人力、物力，而且還要對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行大量煩瑣的計(jì)算。通過(guò)上面對(duì)鐵路現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)狀的介紹，可以看出，現(xiàn)場(chǎng)鐵路工務(wù)工作者的勞動(dòng)量非常大，而且這種測(cè)量方法存在大量的誤差隱患，與人的狀態(tài)有很大聯(lián)系，不同的測(cè)量人員測(cè)量同一地段可能會(huì)得到不同的測(cè)量結(jié)果。為解決鐵路現(xiàn)場(chǎng)這種工作量大、精度難以保證的困難，本題設(shè)計(jì)了一個(gè)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)必要的傳感器和控制器，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理、計(jì)算后，只需工作人員按幾下按鍵，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路軌道數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)。而且還可把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)到PC機(jī)上進(jìn)行進(jìn)一步的處理。由此，可以通過(guò)測(cè)量的軌道參數(shù)信息得到線路檢查記錄簿，同時(shí)可進(jìn)行數(shù)據(jù)的查詢，并根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)可以獲取超限地點(diǎn)記錄簿、超限地點(diǎn)匯總表等一系列信息表格，利于保持線路設(shè)備完整和質(zhì)量均衡，并能從PC機(jī)上以圖形方式直觀的觀察軌道在任何一點(diǎn)的參數(shù)信息。這樣，采用鐵路軌道數(shù)據(jù)智能采集系統(tǒng)不但大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短了檢測(cè)時(shí)間，也使采集的信息更為完整，使數(shù)據(jù)信息有了高精度的保障，最大限度的滿足鐵路現(xiàn)場(chǎng)的要求。

　　1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　鐵路軌道系數(shù)智能采集系統(tǒng)由用于現(xiàn)場(chǎng)采集的GD-1型鐵路軌道數(shù)據(jù)智能采集儀和PC機(jī)的鐵路軌道數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)兩部分組成。GD-1型鐵路軌道數(shù)據(jù)智能采集儀，如圖1所示。

　　本系統(tǒng)使用的是型號(hào)為AR-B1320，PC/104 CPU模板，它具有80386SX-40 MHz CPU，PC/104擴(kuò)展總線，2個(gè)RS-232/RS-485串口和可編程看門(mén)狗定時(shí)器，其上擴(kuò)展有64MDOC。PC/104總線是超小型PC微機(jī)所用的總線標(biāo)準(zhǔn)。這種超小型PC微機(jī)體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，在各種工業(yè)控制、通信控制很受歡迎。它可以嵌入到對(duì)體積和功耗要求都很高的產(chǎn)品，例如醫(yī)療儀器、實(shí)驗(yàn)室儀器、通信設(shè)備、商用終端、軍用電子設(shè)備、機(jī)器人等設(shè)備之中，因而PC/104微機(jī)常稱為嵌入式PC機(jī)。這種微機(jī)有兩個(gè)總線插頭，其中P1有64腳，P2有40腳，共104腳，這也是PC/104名稱的由來(lái)。它不用插板滑道和總線母板，模塊之間采用層疊式封裝。總線及整機(jī)除小型化的結(jié)構(gòu)外，在硬件和軟件上與ISA規(guī)范完全兼容，實(shí)質(zhì)上是為了更好的滿足工業(yè)控制或小型化設(shè)備的要求而開(kāi)發(fā)出來(lái)的XT、AT、386、486的小型化機(jī)型。使用PC/104總線的嵌入式PC機(jī)的主要特點(diǎn)是：使用超小尺寸的模塊，包括CPU模板在內(nèi)，全部功能模板均按PC/104標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，模板尺寸規(guī)定為90.2mm×95.9mm，比一般PC系列微機(jī)主板尺寸要小的多;自堆總線結(jié)構(gòu)，取消了底版和插槽，利用模板上的堆裝總線插頭座，將各模板堆疊連接在一起，組裝緊湊靈活;總線驅(qū)動(dòng)電流小（6MA），功耗低（1～2W）。為適應(yīng)小型化要求，各模板都采用VLSI器件、門(mén)陣列、ASCI芯片及大容量固態(tài)盤(pán)。

　　PEM-AIO模塊化中速模擬輸入模塊將與IBM PC兼容的PC/104 CPU 模塊系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)高性能的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。PEM-AIO模塊的特點(diǎn)是：8/16個(gè)單端模擬輸入通道，12位20微秒或10微秒A/D變換器，24通道基于TTL/CMOS 8255芯片的可編程數(shù)字量I/O，三個(gè)獨(dú)立的16位，8MHz定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（或5MHz）。

　　其它設(shè)備有6個(gè)線性度<0.05%，量程為±20mm的差動(dòng)變壓器位移傳感器;光電編碼器;5×4非編碼鍵盤(pán);液晶顯示器等。

圖1 鐵路軌道數(shù)據(jù)智能采集儀組成框圖

　　鐵路軌道數(shù)據(jù)智能采集儀可以以0.01米～0.99米可調(diào)距離的間隔進(jìn)行軌道數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，鐵路軌道數(shù)據(jù)包括距離、軌距、水平（超高）和三角坑，并可在直線與曲線之間進(jìn)行切換。不僅能把所有測(cè)量數(shù)據(jù)記錄到DOC中，且可記錄如測(cè)量人員編號(hào)、線別、上下行、測(cè)量時(shí)間等信息。具有顯示功能，邊測(cè)量，邊顯示，使工務(wù)人員在現(xiàn)場(chǎng)立即獲取測(cè)量數(shù)據(jù)。軌距、水平等數(shù)據(jù)有一定范圍要求，如果超過(guò)此限度，儀器就會(huì)報(bào)警。在檢測(cè)過(guò)程中，可以進(jìn)行電源、時(shí)間和日期、磁盤(pán)剩余空間的實(shí)時(shí)檢測(cè)，可以對(duì)特殊點(diǎn)建立標(biāo)志，還可暫停檢測(cè)。在測(cè)量過(guò)程中，可以查詢本次已經(jīng)測(cè)量的數(shù)據(jù)，用來(lái)與現(xiàn)在測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較;還可對(duì)上述特殊標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行查詢。

　　鐵路軌道測(cè)量?jī)x通過(guò)RS/232串口把現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)到PC機(jī)中，數(shù)據(jù)通過(guò)PC機(jī)的鐵路軌道數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理。

　　2 軟件設(shè)計(jì)

　　鐵路軌道數(shù)據(jù)智能采集系統(tǒng)軟件由兩大部分組成。第一部分為GD-1型鐵路軌道數(shù)據(jù)智能采集儀的軟件，利用開(kāi)發(fā)PC/104的強(qiáng)大工具——C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn);另一部分為地面信息處理軟件，采用微軟公司的可視化編程語(yǔ)言VB6.0和ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　GD-1型鐵路軌道數(shù)據(jù)智能采集儀軟件由數(shù)據(jù)測(cè)量模塊、鍵盤(pán)與顯示程序模塊、232通信模塊、其他輔助模塊和抗干擾程序模塊等組成。此處難點(diǎn)是對(duì)可編程的間隔定時(shí)器8253的處理。8253用其工作方式0（計(jì)數(shù)結(jié)束中斷方式），通常采用的方法是在計(jì)數(shù)結(jié)束后寫(xiě)入初值，初值不斷寫(xiě)入，計(jì)數(shù)就不斷進(jìn)行。因?yàn)?253的這種方式只有在外部有脈沖的情況下才能把計(jì)數(shù)初值寫(xiě)入，但我們不能保證在軟件程序在寫(xiě)初值的時(shí)候，外部的光電編碼器正好給一個(gè)脈沖，所以，采用這種不斷寫(xiě)初值的方法并不可取。此處采用的方法是，最初寫(xiě)入初值啟動(dòng)計(jì)數(shù)器;然后，不斷讀入計(jì)數(shù)器中的數(shù)值，判斷此值與初值的差是否大于或等于計(jì)數(shù)值，若到則把當(dāng)前值看作初值，進(jìn)行必要的處理后，繼續(xù)計(jì)數(shù)，再判斷此值與初值的差是否大于或等于計(jì)數(shù)值，如此循環(huán)往復(fù)進(jìn)行，則可避免計(jì)數(shù)初值寫(xiě)不進(jìn)去所帶來(lái)的誤差。在計(jì)數(shù)值越過(guò)分界點(diǎn)0減到0XFFFF時(shí)，計(jì)算方法有所不同。

　　地面信息處理軟件主要有數(shù)據(jù)處理功能和圖形功能。具體可實(shí)現(xiàn)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)的接收（通過(guò)RS-232串行通訊線）;新建數(shù)據(jù)庫(kù)或打開(kāi)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行接收數(shù)據(jù)的存儲(chǔ);通過(guò)人機(jī)對(duì)話進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)值的輸入，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理;生成檢查記錄簿、超限地點(diǎn)匯總表、超限地點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表等一系列軌道數(shù)據(jù)信息表;根據(jù)采集出的軌道數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形化處理，描繪出軌道狀態(tài)圖形，操作者通過(guò)拖動(dòng)鼠標(biāo)可查看軌道上任一點(diǎn)的所有數(shù)據(jù)值，使得軌道狀態(tài)信息更加一目了然。

　　3 關(guān)鍵問(wèn)題與難點(diǎn)的解決

　　鐵路工作者和一些科研人員一直以來(lái)都在對(duì)如何方便而準(zhǔn)確的測(cè)量鐵路軌道數(shù)據(jù)而做著不懈的努力，而目前唯一用于自動(dòng)測(cè)量軌道數(shù)據(jù)的儀器是“軌道檢測(cè)車”。我國(guó)共有軌道檢測(cè)車30輛，GJ-3型17輛、XGJ-1型6輛、GJ-4型7輛。軌道檢測(cè)車不但數(shù)量少，而且非常龐大，用它檢測(cè)一次非常不容易。因?yàn)檐壍罊z測(cè)車是動(dòng)態(tài)測(cè)量的，在速度高時(shí)檢測(cè)精度受到影響。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的工程師反映，用軌道檢測(cè)車檢測(cè)出的數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)工人手工測(cè)量的數(shù)據(jù)存在較大誤差（均在±5mm左右），因此，現(xiàn)場(chǎng)工程師只用它來(lái)觀看一下軌道趨勢(shì)，而真正的軌道數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)還是靠手工測(cè)量獲取。因?yàn)檐壍罊z測(cè)車的這種種不方便性，因此研制軌道數(shù)據(jù)自動(dòng)檢測(cè)裝置的人員也不少，但是檢測(cè)水平（超高）很不容易。軌道檢測(cè)車檢測(cè)水平（超高）的方法主要是用陀螺儀和傾角計(jì)來(lái)檢測(cè)車體的滾動(dòng)角。陀螺儀雖然測(cè)量角度非常準(zhǔn)確，但它的價(jià)位比較高，因此雖然研制軌道數(shù)據(jù)智能采集系統(tǒng)的時(shí)間不短、人員也不少，但是他們都半途而廢了，直接原因就是因?yàn)樗剑ǔ撸y(cè)量較困難而用陀螺儀成本又太高。

　　本系統(tǒng)在測(cè)量水平（超高）時(shí)，也考慮并比較了許多辦法，比如：用水銀汞柱的傾斜測(cè)量壓力差的辦法，但因?yàn)榇藟毫Σ詈艽螅话愫茈y找到與其相配的壓力傳感器而放棄了這種方法。最終，選定了用重錘拉動(dòng)位移傳感器的測(cè)量方法。此方法的優(yōu)點(diǎn)是：靜態(tài)測(cè)量很準(zhǔn)確，而且成本小。但也有缺點(diǎn)，就是儀器在動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)中，重錘易于擺動(dòng)，存在平衡問(wèn)題。為了解決這個(gè)問(wèn)題，本儀器除了在誤差允許的范圍內(nèi)適當(dāng)?shù)募哟罅俗枘嵋酝猓€采取了用測(cè)量方法彌補(bǔ)的策略。這就是在每處該測(cè)點(diǎn)先用指示燈提醒測(cè)量人員注意，當(dāng)紅燈亮?xí)r，測(cè)量人員停止推動(dòng)儀器，儀器自動(dòng)等待一段時(shí)間（幾秒）后，重錘處于靜止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)，軟件才進(jìn)行水平（超高）的測(cè)量，測(cè)量后，用另一指示燈（綠燈）提醒測(cè)量人員繼續(xù)推動(dòng)儀器運(yùn)動(dòng)。在采取了這種測(cè)量方法后，避免了由于重錘擺動(dòng)所帶來(lái)的誤差，而且，從實(shí)際運(yùn)用中來(lái)看，并沒(méi)有太大的影響工作的效率。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工人的使用后反映，這種設(shè)計(jì)方法，很適合人的生理反映，因?yàn)椋苿?dòng)儀器在鐵軌上走上一段時(shí)間后，很愿意停下來(lái)休息一下，而本儀器的設(shè)計(jì)正好滿足了這種需求。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　鐵路軌道數(shù)據(jù)智能采集系統(tǒng)是為濟(jì)南鐵路局工務(wù)段研制的，系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)都已調(diào)試通過(guò)，在濟(jì)南某鐵路線上經(jīng)大量試驗(yàn)的數(shù)據(jù)顯示，對(duì)軌道數(shù)據(jù)的測(cè)量效果良好，測(cè)量精度明顯高于以前工人的手工測(cè)量，可以達(dá)到±0.01毫米，并大大減輕了鐵路工人的勞動(dòng)量，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)工人的實(shí)際應(yīng)用，受到一致好評(píng)。下面列出幾條對(duì)現(xiàn)場(chǎng)某直線段實(shí)際采集的手工測(cè)量數(shù)據(jù)（見(jiàn)表1）與本系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)（見(jiàn)表2），從比較中可以看出本系統(tǒng)的優(yōu)越性。

　　表1 手工測(cè)量數(shù)據(jù)

　　表2 本系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)

　　從經(jīng)濟(jì)效益角度來(lái)看，該鐵路軌道數(shù)據(jù)智能采集系統(tǒng)將給鐵路工務(wù)工作者的測(cè)量工作帶來(lái)便利，使測(cè)量更為準(zhǔn)確。以每年生產(chǎn)20套計(jì)算，預(yù)計(jì)年產(chǎn)值在100萬(wàn)元左右。

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：為改善鐵路線路的測(cè)量和養(yǎng)護(hù)維修都是手工進(jìn)行的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了鐵路軌道數(shù)據(jù)智能采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)鐵路軌道數(shù)據(jù)（包括軌距、水平、三角坑、曲線超高、高低、軌向等）的自動(dòng)測(cè)量，通過(guò)RS/232串口可把現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)到PC機(jī)中，數(shù)據(jù)通過(guò)PC機(jī)的鐵路軌道數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)處理快捷且可長(zhǎng)期保存。該系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)可靠，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

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