基于LabVIEW 的軌道路基沉降觀測系統(tǒng)

李新國，魏晨陽

（1.同濟大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院，上海200331；2.中國科學(xué)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(shè)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(wù).有砟軌道基礎(chǔ)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(fù)荷載的作用下所產(chǎn)生的累積永久下沉（或稱殘余變形）會造成軌道不平順，當(dāng)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(chǎn)生劇烈的振動或跳車現(xiàn)象，引起列車與線路結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)、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(shè)計中嚴格規(guī)定軌道的百年沉降不大于5mm，各種不同的結(jié)構(gòu)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(chǔ).當(dāng)采用新的路基技術(shù)時，需要密切觀測各種條件長期作用下產(chǎn)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(shè)計的一種基于數(shù)據(jù)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(guān)注數(shù)據(jù)的采集、處理與分析，通過調(diào)用系統(tǒng)中已經(jīng)封裝好的函數(shù)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(wǎng)軟件開發(fā)平臺，這種技術(shù)提供了很多更為強大的應(yīng)用功能.LabVIEW 8.2 版本以上已集成調(diào)用.NET的能力.

1 監(jiān)測內(nèi)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(jié)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(yīng)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(shù)成熟，但受電阻熱效應(yīng)與機械磨損的影響，在長期使用過程中精度與重復(fù)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(xué)原理和數(shù)字電路的位移傳感器，利用莫爾條紋的光學(xué)特性放大微小位移，將定柵與動?xùn)诺南鄬ξ灰谱兓D(zhuǎn)化為光脈沖，再由數(shù)字電路將光脈沖轉(zhuǎn)化為電信號供后續(xù)處理.由于光柵位移計內(nèi)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(nèi)測量精度為±5μm，經(jīng)JJX8800－3型轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)采集程序按協(xié)議讀取計算位移變化.與位移測量相關(guān)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(chǎn)的DS18B20芯片，在－10～85 ℃的范圍內(nèi)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(shù)據(jù)存儲在單片機的RAM（隨機存儲器）中.當(dāng)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(shù)據(jù).DS18B20測溫已有很多相關(guān)研究報道［3－5］，本文不再贅述.

2 數(shù)據(jù)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(xiàn)場提取數(shù)據(jù)的工作，設(shè)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(shè)定的時間間隔后，主動向研究人員匯總、上傳數(shù)據(jù).

數(shù)據(jù)傳送目前主要采用專用網(wǎng)絡(luò)、GPRS

（general packet radio service）、GSM（global system of mobile communication）短信和以太網(wǎng)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(wǎng)IP（Internet Protocol）地址，通過Internet通信交換信息.由于公網(wǎng)IP 已近耗盡，目前絕大多數(shù)計算機均是以內(nèi)網(wǎng)IP 通過路由器轉(zhuǎn)換的方式接入Internet.在這種情況下，加上路由器防火墻技術(shù)對內(nèi)網(wǎng)的保護，內(nèi)網(wǎng)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(wǎng)的最基礎(chǔ)功能之一.內(nèi)網(wǎng)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(shù)據(jù)的平臺，處于內(nèi)網(wǎng)中的監(jiān)控機通過電子郵件將數(shù)據(jù)發(fā)送到研究人員的電子郵箱，實現(xiàn)自動匯報數(shù)據(jù).

由于網(wǎng)易、新浪、騰訊等公共電子郵件系統(tǒng)的發(fā)送服務(wù)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(shù)無法登錄有密碼的服務(wù)器.本文采用調(diào)用.NET 的方式實現(xiàn)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(jié)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(nèi)軌道路基沉降量，按照預(yù)設(shè)的條件在監(jiān)測計算機上實時測量、顯示并存儲測得的數(shù)據(jù)，并按預(yù)設(shè)的周期自動以電子郵件的形式向研究者匯報數(shù)據(jù).

文中使用光柵位移計測量緩慢變化位移量，也可以結(jié)合具體的現(xiàn)場情況，使用其他數(shù)字型位移傳感器，如Acuity公司生產(chǎn)的AR200型激光位移傳感器，只需對應(yīng)修改程序中與傳感器通信部分；由于發(fā)送數(shù)據(jù)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(wǎng)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.

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