軌距尺手機(jī)應(yīng)用平臺(tái)設(shè)計(jì)

朱洪濤，陳 捷，吳維軍

(南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，南昌 330031)

軌距尺手機(jī)應(yīng)用平臺(tái)設(shè)計(jì)

朱洪濤，陳 捷，吳維軍

(南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，南昌 330031)

數(shù)字軌距尺因其采用單片機(jī)作為微控制器存在在線信息處理能力不強(qiáng)、功能相對(duì)簡(jiǎn)單以及人機(jī)交互操作不直觀等不足?；诖耍瑫r(shí)為順應(yīng)軌道檢測(cè)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的趨勢(shì)，提出一種以Android智能手機(jī)為測(cè)量控制主機(jī)的數(shù)字軌距尺在線信息服務(wù)與數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理方案。該方案通過(guò)藍(lán)牙接口建立軌距尺與手機(jī)之間的數(shù)據(jù)鏈路，智能手機(jī)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和存儲(chǔ)。智能手機(jī)使軌距尺的功能具有良好的可擴(kuò)展性，并提供友好的人機(jī)交互界面、數(shù)據(jù)庫(kù)支持和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等，可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)較難完成的復(fù)雜功能。樣機(jī)測(cè)試結(jié)果顯示，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能。

軌距尺;靜態(tài)測(cè)量;在線信息處理;藍(lán)牙;Android智能手機(jī)

軌距尺是鐵路工務(wù)檢測(cè)中常用的靜態(tài)測(cè)量設(shè)備［1］，主要用于測(cè)量軌距、水平(超高)、查照間隔、護(hù)背距離、三角坑、軌距變化率等參數(shù)。根據(jù)測(cè)量準(zhǔn)確度的高低，軌距尺分為0級(jí)、1級(jí)、2級(jí)三個(gè)等級(jí)［2］。數(shù)字軌距尺以單片機(jī)為微控制器，以高精度傳感器為核心，數(shù)據(jù)讀取方便，易于實(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償，檢測(cè)精度高，是0級(jí)軌距尺的主要結(jié)構(gòu)形式。但是，受微控制器處理性能的限制，數(shù)字軌距尺的功能相對(duì)簡(jiǎn)單、在線信息處理能力差、人機(jī)交互操作不直觀，較難實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)線形計(jì)算、超限報(bào)警等復(fù)雜功能。

為此，數(shù)字軌距尺產(chǎn)品一般均可將其存儲(chǔ)的外業(yè)測(cè)量數(shù)據(jù)以離線方式輸出至配套的PC端內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件，其不足之處在于PC端軟件不能為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量提供直接的服務(wù)，對(duì)提高數(shù)字軌距尺的在線處理能力作用不大。

本文設(shè)計(jì)了一種以Android智能手機(jī)為測(cè)量控制主機(jī)的數(shù)字軌距尺在線信息服務(wù)與數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理方案，可大大擴(kuò)展軌距尺的功能，完成一些常規(guī)軌距尺難以完成的特殊任務(wù)。

1 系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想

依據(jù)數(shù)字軌距尺的作業(yè)內(nèi)容與作業(yè)工況，其最重要、也是最基本的測(cè)量功能與性能要求如下。

(1)能檢測(cè)軌距、水平(超高)、查照間隔、護(hù)背距離等直接測(cè)量信息，可計(jì)算軌距變化率、三角坑等簡(jiǎn)單的二次測(cè)量信息。

(2)數(shù)值顯示與存儲(chǔ)功能，即能把測(cè)量成果直觀、清晰地顯示在顯示界面上，便于讀取、記錄、存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)存。

(3)能自動(dòng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償、數(shù)字濾波等有利于提高測(cè)量精度、測(cè)量穩(wěn)定性的智能操作。

(4)便攜性與環(huán)境適應(yīng)性好，適合于野外、夜間、天窗及復(fù)雜電磁場(chǎng)等條件下使用，操作簡(jiǎn)單。

Android是一個(gè)開(kāi)源、免費(fèi)的操作系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于智能移動(dòng)終端，2013年第一季度其全球市場(chǎng)占有率已達(dá)75%［3，4］?；?Android系統(tǒng)的智能手機(jī)便攜性好，普及面廣，且具備相當(dāng)強(qiáng)的計(jì)算能力。如圖1所示，智能手機(jī)通過(guò)藍(lán)牙接口與數(shù)字軌距尺建立數(shù)據(jù)鏈路，利用其數(shù)字技術(shù)、通訊技術(shù)、智能技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，則可能使數(shù)字軌距尺實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜實(shí)用的高級(jí)功能。

圖1 系統(tǒng)方案

(1)利用手機(jī)管理和實(shí)時(shí)查詢數(shù)據(jù)庫(kù)，為軌距尺提供線路里程、軌號(hào)及軌枕號(hào)、線路設(shè)計(jì)參數(shù)等信息服務(wù)，實(shí)現(xiàn)各測(cè)量項(xiàng)目的實(shí)測(cè)偏差計(jì)算、超限報(bào)警等功能。

(2)利用手機(jī)對(duì)軌距尺測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波、歷史變化趨勢(shì)比較、TQI評(píng)價(jià)等分析和處理等。

(3)利用手機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊功能，實(shí)現(xiàn)重要測(cè)量成果實(shí)時(shí)上傳、短信通知等。

(4)利用手機(jī)記錄線路病害、線路特征等文字、圖像信息、GPS定位信息等。

(5)利用手機(jī)進(jìn)行數(shù)字軌距尺標(biāo)定、檢定等復(fù)雜操作。

(6)利用手機(jī)的開(kāi)放性，運(yùn)行用戶關(guān)注與開(kāi)發(fā)的第三方應(yīng)用。

1.2 系統(tǒng)的架構(gòu)

本文以利用Andriod手機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字軌距尺標(biāo)定、測(cè)量及數(shù)值顯示、超限規(guī)則設(shè)置及報(bào)警、線路設(shè)計(jì)參數(shù)的設(shè)置等功能為例，詳細(xì)介紹軌距尺手機(jī)應(yīng)用平臺(tái)的設(shè)計(jì)方法與過(guò)程。如圖2所示，系統(tǒng)包含藍(lán)牙通訊模塊、測(cè)量功能模塊、系統(tǒng)標(biāo)定模塊、水平零位修正模塊、線路管理模塊、超限規(guī)則模塊、曲線繪制模塊、GPS模塊和網(wǎng)絡(luò)模塊。

其中，藍(lán)牙通訊模塊用于建立藍(lán)牙連接、管理數(shù)據(jù)通訊;測(cè)量功能模塊實(shí)時(shí)處理測(cè)量數(shù)據(jù);系統(tǒng)標(biāo)定模塊負(fù)責(zé)傳感器的標(biāo)定;水平零位修正模塊通過(guò)計(jì)算掉頭差獲得水平零位修正值;線路管理模塊負(fù)責(zé)線路設(shè)計(jì)參數(shù)的編輯和下載;超限規(guī)則模塊負(fù)責(zé)設(shè)置限值;曲線繪制模塊繪制曲線比較設(shè)計(jì)參數(shù)和實(shí)測(cè)值;GPS模塊和網(wǎng)絡(luò)模塊預(yù)留在系統(tǒng)中，作為擴(kuò)展接口。

圖2 系統(tǒng)整體框架

2 系統(tǒng)的功能和實(shí)現(xiàn)

2.1 藍(lán)牙通訊模塊

藍(lán)牙采用了諸多安全及抗干擾機(jī)制，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用廣泛，且無(wú)需布線，適用于在快速移動(dòng)下建立通訊?？紤]測(cè)量時(shí)操作人員和數(shù)字軌距尺之間的距離通常在1m以內(nèi)，并應(yīng)有一定的移動(dòng)范圍，而藍(lán)牙傳輸距離通常在10m以內(nèi)，故藍(lán)牙適用。

藍(lán)牙通訊模塊的類圖模型［5］見(jiàn)圖3。Operation_Activity是承載主功能界面的類。Device_List是承載藍(lán)牙連接界面的類。BlueTooth_Service類中封裝了藍(lán)牙連接線程ConnectThread和數(shù)據(jù)通訊線程Connect-edThread。

圖3 藍(lán)牙連接模塊類圖模型

Android提供了本地藍(lán)牙適配器BluetoothAdapter類，用于操作設(shè)備上的藍(lán)牙。通過(guò)BluetoothSocket套接字類創(chuàng)建、訪問(wèn)RFCOMM信道，2臺(tái)設(shè)備共享1個(gè)RFCOMM信道建立藍(lán)牙連接［6］。創(chuàng)建RFCOMM信道要用到藍(lán)牙串口服務(wù)，UUID為00001101－0000－1000－8000－00805F9B34FB。建立連接時(shí)，先查找附近的藍(lán)牙設(shè)備，更新設(shè)備列表，再由用戶選擇目標(biāo)設(shè)備進(jìn)行連接。應(yīng)用程序通過(guò)Handler-Message消息機(jī)制［7］從藍(lán)牙獲取軌距尺上傳的數(shù)據(jù)。

2.2 測(cè)量功能模塊

測(cè)量功能模塊的主要功能是實(shí)現(xiàn)軌距尺檢測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)，并負(fù)責(zé)超限報(bào)警，也包含了相關(guān)測(cè)量參數(shù)的設(shè)置。模塊通過(guò)Android的Broadcast廣播機(jī)制觸發(fā)特定的事件并進(jìn)行處理［8］。根據(jù)Action屬性不同，模塊包含指令發(fā)送、測(cè)量數(shù)據(jù)更新、設(shè)置更新3個(gè)事件。

考慮到測(cè)量結(jié)果的清晰顯示，并參考Android界面設(shè)計(jì)官方指南，測(cè)量結(jié)果分頁(yè)顯示。軌距、超高、軌距變化率和三角坑在1個(gè)Tab選項(xiàng)卡。查照間隔和護(hù)背距離在1個(gè)Tab選項(xiàng)卡。處理軌距時(shí)，按照公式(1)計(jì)算溫度補(bǔ)償量lΔt，再由公式(2)計(jì)算修正后的軌距值G。查照間隔、護(hù)背距離由軌距減去測(cè)頭的寬度推算而來(lái)。顯示測(cè)量結(jié)果的同時(shí)，進(jìn)行超限判斷。若超限，報(bào)警并記錄在文件中。

式(1)中 α1為6063鋁合金的線膨脹系數(shù)，取23.0×10－6℃－1［9］;α2為軌枕的線膨脹系數(shù)，取 11.6×10－6℃－1［10，11］;Δt為工作環(huán)境溫度與標(biāo)定時(shí)溫度(20℃)［12］的差值;l為影響軌距測(cè)量的尺身長(zhǎng)度，mm。式(2)中g(shù)為實(shí)測(cè)軌距值，mm。

用戶可設(shè)置起點(diǎn)里程、測(cè)量間隔、三角坑基長(zhǎng)、軌距變化率基長(zhǎng)、基準(zhǔn)股等測(cè)量參數(shù)，通過(guò)Android提供的編輯框控件EditText和復(fù)選框控件CheckBox實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)管理采用Android集成的SQL數(shù)據(jù)庫(kù)。SQL數(shù)據(jù)庫(kù)是一種功能齊全的輕型數(shù)據(jù)庫(kù)，效率高并且占用資源少［13］。通過(guò)Android SQLiteDatabase類進(jìn)行插入操作，數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫(kù)。同時(shí)，測(cè)量數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)卡中的TXT文件中。

2.3 系統(tǒng)標(biāo)定模塊

軌距尺作為工務(wù)鐵專量具，其結(jié)果的可靠性與合法性需通過(guò)檢定及標(biāo)定實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)標(biāo)定模塊負(fù)責(zé)軌距傳感器、水平傳感器的標(biāo)定，標(biāo)定界面如圖4所示。2種傳感器輸入輸出特性均為線性，故采用線性標(biāo)定法。

圖4 標(biāo)定界面

標(biāo)定時(shí)，Android智能手機(jī)上可輸入標(biāo)定位置的數(shù)值，發(fā)送指令向軌距尺請(qǐng)求數(shù)據(jù)，軌距尺將標(biāo)定點(diǎn)的數(shù)字量上傳到智能手機(jī)，由公式(3)線性標(biāo)定法原理

設(shè)y為被測(cè)物理量，x為y所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，得到兩點(diǎn)(x1，y1)、(x2，y2)由公式(4)計(jì)算增益 k 和零點(diǎn)漂移d。

標(biāo)定系數(shù)通過(guò)Android提供的SharedPreferences類保存在DEMARCATION_PREF．xml文件中。Shared-Preferences類是Android平臺(tái)上的一個(gè)輕量級(jí)的存儲(chǔ)類［14］。

2.4 線路管理模塊

通過(guò)查看線路設(shè)計(jì)參數(shù)可以直觀地了解所檢測(cè)線路的基本信息。同時(shí)，線路設(shè)計(jì)參數(shù)下載至數(shù)字軌距尺，數(shù)字軌距尺檢測(cè)中使用這些參數(shù)。線路管理模塊列表顯示系統(tǒng)里的所有線路信息，可以進(jìn)行添加、修改、刪除等操作。線路設(shè)計(jì)參數(shù)信息保存在存儲(chǔ)卡中的TXT文件中，文件名為“線路信息”。正線參數(shù)包含起點(diǎn)里程和終點(diǎn)里程等。曲線可設(shè)置曲線方向［15］、起點(diǎn)里程、終點(diǎn)里程、半徑、行別、方向、超高、軌距加寬［16］等參數(shù)。線路信息可經(jīng)藍(lán)牙下載至軌距尺。

2.5 超限規(guī)則模塊

評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)分為作業(yè)驗(yàn)收、經(jīng)常保養(yǎng)、臨時(shí)修補(bǔ)和限速4個(gè)等級(jí)［17］。整個(gè)界面是Tab界面，在不同的選項(xiàng)卡里顯示各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容，通過(guò)Intent加載各選項(xiàng)卡。各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)可設(shè)置軌距上限、軌距下限、超高、三角坑和軌距變化率的限值，依據(jù)《高速鐵路無(wú)砟軌道線路維修規(guī)則(試行)》設(shè)置了默認(rèn)值。各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的限值在授權(quán)情況下可修改，通過(guò)Android提供的SharedPrefer-ences類保存在OVERRUN_SETTING_PREF．xml文件中。

2.6 曲線繪制模塊

數(shù)據(jù)以列表或者二維曲線的方式顯示。調(diào)用SQLiteDatabase類的query方法遍歷整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，再以列表形式顯示所有測(cè)量數(shù)據(jù)，用戶向上或向下滑動(dòng)查看測(cè)量數(shù)據(jù)。通過(guò)曲線顯示數(shù)據(jù)的變化直觀清晰。采用Android開(kāi)源繪圖工具庫(kù)AChartEngine繪制曲線，通過(guò)Android SQLiteDatabase類進(jìn)行查詢操作，從數(shù)據(jù)庫(kù)提取所有測(cè)量數(shù)據(jù)項(xiàng)的某項(xiàng)數(shù)據(jù)以及所對(duì)應(yīng)的里程，設(shè)置數(shù)據(jù)集。通過(guò)AChartEengine庫(kù)的相關(guān)方法獲得曲線。用戶可以通過(guò)手勢(shì)，實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)軸平移、曲線局部放大等。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證系統(tǒng)功能，在某公司自備線上進(jìn)行了試驗(yàn)。測(cè)試方法是利用軌距尺樣機(jī)對(duì)自備線進(jìn)行測(cè)量，樣機(jī)將測(cè)量數(shù)據(jù)及其數(shù)字量保存在U盤中。測(cè)量結(jié)束后，使用U盤中的測(cè)量數(shù)據(jù)，在PC端使用串口助手通過(guò)藍(lán)牙串口模塊按照協(xié)議與Android智能手機(jī)通訊。數(shù)據(jù)顯示效果如圖5所示。圖形顯示效果如圖6所示。經(jīng)與U盤離線數(shù)據(jù)比較，數(shù)據(jù)傳輸可靠。

圖5 數(shù)據(jù)顯示效果

圖6 圖形顯示效果

結(jié)果顯示:(1)能夠正確地傳輸、處理、顯示測(cè)量數(shù)據(jù)并可結(jié)合里程間隔信息分析軌距變化率及三角坑等二次信息;(2)可實(shí)現(xiàn)標(biāo)定、零位修正、線路管理、超限報(bào)警等復(fù)雜功能。

4 結(jié)語(yǔ)

數(shù)字軌距尺以單片機(jī)為微控制器，以高精度傳感器為核心，具有使用方便、檢測(cè)精度高等特點(diǎn)。但受微控制器處理性能的限制，數(shù)字軌距尺的功能相對(duì)簡(jiǎn)單、在線信息處理能力差、人機(jī)交互操作不直觀。本文提出了一種以Android智能手機(jī)為測(cè)量控制主機(jī)的數(shù)字軌距尺在線信息服務(wù)與數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理方案?？紤]到惡劣的工況環(huán)境和軌距尺的作業(yè)方式，該方案以藍(lán)牙作為通訊方式。在完成軌距尺基本測(cè)量功能的同時(shí)，利用Android智能手機(jī)的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)微控制器較難完成的復(fù)雜的高級(jí)功能，例如線路設(shè)計(jì)參數(shù)的設(shè)置、超限報(bào)警、圖形繪制等。原理樣機(jī)測(cè)試結(jié)果顯示，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能。在軌道檢測(cè)作業(yè)中，將數(shù)字軌距尺與Android智能手機(jī)結(jié)合，提高了數(shù)字軌距尺的性能，具有一定工程應(yīng)用價(jià)值。

［1］王彥春．鐵路軌道養(yǎng)護(hù)維修測(cè)量的特點(diǎn)分析及對(duì)策建議［J］．鐵道技術(shù)監(jiān)督，2012(8):10－14．

［2］中華人民共和國(guó)鐵道部．TB/T1924—2008 標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路軌距尺［S］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2008．

［3］耿東久，索岳，陳渝，等．基于Android手機(jī)的遠(yuǎn)程訪問(wèn)和控制系統(tǒng)［J］．計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2011(2):559－561．

［4］NetEase，Inc．Android 全球市場(chǎng)占有率已經(jīng)達(dá)到 75%［EB/OL］．http://mobile．163．com/13/0517/07/8V2FG77C0011671M．html，2013-05-17．

［5］韋銀星，張申生，曹?。甎ML類圖的形式化及分析［J］．計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2002(10):5－7．

［6］王?。贏ndroid平臺(tái)藍(lán)牙設(shè)備音頻應(yīng)用的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］．北京:北京郵電大學(xué)，2009．

［7］朱洪濤，吳洪波，李錚．基于Android平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．自動(dòng)化與儀表，2013(3):28－31．

［8］蔡羅成．Android后臺(tái)監(jiān)聽(tīng)實(shí)現(xiàn)機(jī)制淺析［J］．信息安全與通信保密，2010(6):39－41．

［9］曾正明．機(jī)械工程材料手冊(cè)·金屬材料［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003．

［10］李會(huì)杰，謝劍．超低溫環(huán)境下鋼筋與混凝土的粘結(jié)性能［J］．工程力學(xué)，2011(S1):80－84．

［11］徐慶元，王平，屈曉暉．高速鐵路橋上無(wú)縫線路斷軌力計(jì)算模型［J］．交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2006(3):23－26．

［12］國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局．JJG219—2008 標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路軌距尺檢定規(guī)程［S］．北京:中國(guó)計(jì)量出版社，2008．

［13］高峰，畢經(jīng)平，郭景峰，等．汽車狀態(tài)感知系統(tǒng)的Android客戶端［J］．清華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011(S1):1393－1396．

［14］倪紅軍，錢昌?。贏ndroid平臺(tái)的自發(fā)短信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．電子技術(shù)應(yīng)用，2012(12):126－129．

［15］張磊，張玉明．曲率變化率的動(dòng)態(tài)檢測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)線路狀態(tài)對(duì)應(yīng)關(guān)系的研究［J］．鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2010(3):30－33．

［16］周兵和．鐵路曲線限界加寬研究［J］．鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2013(4):20－26．

［17］中華人民共和國(guó)鐵道部．TG/GW 115—2012 高速鐵路無(wú)砟軌道線路維修規(guī)則(試行)［S］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2012．

Design of Application Platform of Track Gauge in Combination W ith M obile Phone

ZHU Hong-tao，CHEN Jie，WUWei-jun

(School of Mechanical and Electrical Engineering，Nanchang University，Nanchang 330031，China)

Due to using single chip microcomputer asmicrocontroller，the digital track gauge has some disadvantages，such as poor online information processing ability，few functions，un-visualized manmachine interactive operation and so on．For this reason，in order to comply with the digital and networked trend of track inspection，the system of using Android smart phones asmeasurement control terminalswas put forward in this paper to achieve online information service and real-time data processing of digital track gauge．In this system，the Bluetooth interface is employed to establish data link between digital track gauge and smart phone，and then the measurement results are analyzed，processed and stored by the smart phone．By using smart phone，good functional expansibility of track gauge can be achieved;friendly man-machine interface，database support and network service can be provided;in addition，those complex functions，which cannot be finished by single chip microcomputer，can be achieved easily．Prototype testing shows that all the anticipated functions have been achieved by using this system．

track gauge;static measurement;online information processing;Bluetooth;Android smart phone

U216.3

A

10．13238/j．issn．1004－2954．2014．03．012

1004－2954(2014)03－0050－04

2013－06－29;

2013－07－25

江西省科技支撐項(xiàng)目(編號(hào):20111102040100)

朱洪濤(1962—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，工學(xué)碩士，E-mail:honey62@163．com。