無線智能化鐵路基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究與應(yīng)用*

王 珣,潘兆馬,袁 焦,楊學(xué)鋒,姚書琴

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,成都 610031)

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的迅速發(fā)展,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已愈加廣泛的應(yīng)用于如電網(wǎng)、交通、環(huán)境等各個(gè)領(lǐng)域[1]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的本質(zhì)是網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù),核心是無線技術(shù),能夠非常便捷的實(shí)現(xiàn)人與物、物與物之間的相互感知。

基于無線的傳感器網(wǎng)絡(luò)是由一組傳感器以Adhoc方式組成的有線或者無線網(wǎng)絡(luò),其目的是協(xié)作地感知、收集和處理傳感器網(wǎng)絡(luò)所覆蓋的地理區(qū)域中感知對象的信息,并傳遞給觀察者。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)獲取和處理能力使得其應(yīng)用范圍十分廣泛,可以被應(yīng)用于軍事、防爆救災(zāi)、環(huán)境、醫(yī)療、家居、工業(yè)等領(lǐng)域,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已得到越來越多的關(guān)注[2]。

國際上,美國《技術(shù)評論》在預(yù)測未來技術(shù)發(fā)展的報(bào)告中,將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為21世紀(jì)改變世界的十大新興技術(shù)之首[2]

國內(nèi)也有越來越多的企業(yè)開始關(guān)注無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,開始推出針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及ZigBee的解決方案[3]。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及社會(huì)生產(chǎn)力對科學(xué)技術(shù)需求的不斷提高,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在工業(yè)自動(dòng)化以及科學(xué)研究中得到了廣泛的應(yīng)用[2-5]。

伴隨著我國鐵路的迅猛發(fā)展,鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的安全(如地質(zhì)災(zāi)害、結(jié)構(gòu)物病害)直接關(guān)系到鐵路的運(yùn)營安全。目前國內(nèi)的基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測主要以半自動(dòng)和有線的自動(dòng)化監(jiān)測為主,同時(shí)基于ZigBee、Wifi等形式的監(jiān)測也逐漸有了嘗試。有線監(jiān)測通常需要消耗大量的電纜費(fèi)用,安裝過程也較為繁瑣,同時(shí)易于破壞,后期維護(hù)工作量大[4]?；赯igBee、Wifi等形式的采集儀充分利用了無線傳輸數(shù)據(jù)的便利性,然而ZigBee傳輸不僅數(shù)據(jù)量較小,障礙物繞射能力也相對較差[5-11]。Wifi傳輸數(shù)據(jù)量較大,但同樣存在傳輸距離較短、受障礙物遮擋影響較大情況,其功耗較大[5-11],難以滿足鐵路沿線復(fù)雜的監(jiān)測環(huán)境應(yīng)用需求。

圖2 無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)

結(jié)合當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)與數(shù)據(jù)采集儀發(fā)展現(xiàn)狀,本文提出了一種基于433 MHz無線傳感器局域網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng),采集監(jiān)測區(qū)域內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)融合后由GPRS模塊上傳至遠(yuǎn)程服務(wù)器,實(shí)現(xiàn)對鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的實(shí)時(shí)監(jiān)測。該系統(tǒng)充分利用433 MHz無線傳輸?shù)母邚?qiáng)度障礙物繞射能力以及LoRa擴(kuò)頻技術(shù)的遠(yuǎn)距離傳輸功能,解決了設(shè)備安裝、維護(hù)困難等問題。同時(shí)針對隧道、橋梁、山體等不同應(yīng)用場景,系統(tǒng)采用多通道多類型的傳感器接入設(shè)計(jì),融入自適應(yīng)卡爾曼濾波算法,滿足多種類型環(huán)境數(shù)據(jù)高精度的采集需求。以自定義協(xié)議為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)主、被動(dòng)相結(jié)合的報(bào)警機(jī)制,使得系統(tǒng)不僅能夠采集到監(jiān)測環(huán)境數(shù)據(jù),也能對災(zāi)害發(fā)生實(shí)時(shí)報(bào)警,同時(shí)融入SD卡掉線重傳技術(shù),解決野外GPRS信號不穩(wěn)定造成的數(shù)據(jù)無法向遠(yuǎn)程服務(wù)器上傳而丟失的問題。該采集系統(tǒng)已在我國鐵路搶險(xiǎn)和重大項(xiàng)目中得到了廣泛應(yīng)用,取得了良好的應(yīng)用效果。

1 無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為確保無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集儀的多任務(wù)、強(qiáng)適用性能力,須首先設(shè)計(jì)其整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與明確功能目標(biāo)。

1.1 系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)

通過對數(shù)據(jù)采集儀無線組網(wǎng)方案研究,選擇星狀組網(wǎng)作為無線傳輸網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(見圖1),星狀網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)以下簡稱數(shù)據(jù)采集儀主站與子節(jié)點(diǎn)以下簡稱數(shù)據(jù)采集儀從站。采用輪詢通信機(jī)制,并采用一種新型的基于433 MHz頻段數(shù)據(jù)通信協(xié)議(Sensor_Link),在保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性的基礎(chǔ)上,減少了采集系統(tǒng)成本、降低了施工難度。同時(shí)相較于ZigBee技術(shù),該頻段下的通信傳輸距離更遠(yuǎn),障礙物繞射能力更強(qiáng)。

圖1 星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽鈭D

因此根據(jù)組網(wǎng)方案設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集儀主站、從站兩種設(shè)備,共同實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、處理、傳輸?shù)裙δ堋Ｍㄟ^該模式組成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由各個(gè)現(xiàn)場采集子系統(tǒng)及遠(yuǎn)程子系統(tǒng)構(gòu)成,其中現(xiàn)場采集子系統(tǒng)由無線數(shù)據(jù)采集儀從站及無線數(shù)據(jù)采集儀主站組成,遠(yuǎn)程傳輸子系統(tǒng)由GPRS模塊、服務(wù)器、客戶端PC組成(見圖2)。

現(xiàn)場采集子系統(tǒng)布置在被監(jiān)測的現(xiàn)場區(qū)域,通過433 MHz無線模塊,實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的無線局域網(wǎng)絡(luò)。無線數(shù)據(jù)采集儀從站接入監(jiān)測區(qū)域內(nèi)需要的不同傳感器,采集被接入的傳感器數(shù)據(jù),對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理后,通過433 MHz無線模塊向無線數(shù)據(jù)采集主站發(fā)送處理后的傳感器數(shù)據(jù)。無線數(shù)據(jù)采集儀主站負(fù)責(zé)收集所有無線數(shù)據(jù)采集儀從站采集到的傳感器數(shù)據(jù),并對數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理后,由GPRS模塊向遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行發(fā)送。單個(gè)采集子系統(tǒng)架構(gòu)見圖3所示。

圖3 單工點(diǎn)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

遠(yuǎn)程服務(wù)器收集各個(gè)現(xiàn)場采集子系統(tǒng)數(shù)據(jù),對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,同時(shí)將分析數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的發(fā)布至客戶端PC機(jī)中。遠(yuǎn)程服務(wù)器也將通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后,實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)中無線數(shù)據(jù)采集儀主站變頻等命令發(fā)送,從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸子系統(tǒng)與各個(gè)現(xiàn)場采集子系統(tǒng)的交互。

綜上述,采用數(shù)據(jù)采集儀主、從站的設(shè)計(jì)模式,即實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集的無線傳輸,同時(shí)由于主站的出現(xiàn),使得每個(gè)監(jiān)測工點(diǎn)只需一個(gè)GPRS模塊,可最大限度的降低監(jiān)測系統(tǒng)通訊成本。

1.2 無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能特點(diǎn)

在充分研究數(shù)據(jù)采集儀總體方案和結(jié)構(gòu)組成的基礎(chǔ)上,結(jié)合鐵路基礎(chǔ)設(shè)施工程及運(yùn)營環(huán)境的特點(diǎn),本文提出了該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)的功能特點(diǎn)。

①數(shù)據(jù)采集儀主站、從站布設(shè)靈活、易于維護(hù)。采用無線通信的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,減少了設(shè)備布線,同時(shí)具有遠(yuǎn)程固件升級功能,易于設(shè)備維護(hù)。

②實(shí)時(shí)報(bào)警。采用自主設(shè)計(jì)主被動(dòng)通信協(xié)議,不僅能夠按照設(shè)定時(shí)間收集并上傳監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)所有傳感器數(shù)據(jù),還能對災(zāi)害發(fā)生進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警,及時(shí)響應(yīng)并上傳災(zāi)害發(fā)生時(shí)監(jiān)測現(xiàn)場所有傳感器數(shù)據(jù)。

③數(shù)據(jù)采集精度高。數(shù)據(jù)采集儀具有多通道多類型傳感器接入能力,單臺(tái)采集儀可接入多個(gè)傳感器,并對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行自適應(yīng)濾波處理,提高采集精度。

④數(shù)據(jù)通信穩(wěn)定可靠。數(shù)據(jù)采集儀具有掉線數(shù)據(jù)SD卡自動(dòng)存儲(chǔ)及重傳功能,確保上傳傳感器數(shù)據(jù)不丟失。

⑤低功耗。由于數(shù)據(jù)采集儀應(yīng)用于野外監(jiān)測環(huán)境,供電線纜鋪設(shè)困難且維護(hù)量大,所以采用低功耗的硬件設(shè)計(jì)思路,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集儀電能供應(yīng)方式靈活,適用于蓄電池、太陽能、傳統(tǒng)有線供電等多種場合。

2 系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

采集儀硬件平臺(tái)采用基于Cortex-M3平臺(tái)的Stm32F103芯片為基礎(chǔ),本節(jié)將分為采集儀主站硬件設(shè)計(jì)與采集儀從站硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。

2.1 采集儀主站硬件平臺(tái)

采集儀主站作為星狀組網(wǎng)的中心節(jié)點(diǎn),主要將組網(wǎng)區(qū)域內(nèi)所有采集儀從站讀取到的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,上傳至遠(yuǎn)程服務(wù)器,同時(shí)作為遠(yuǎn)程服務(wù)器與監(jiān)測現(xiàn)場所有設(shè)備的中心通信樞紐,其功能設(shè)計(jì)見圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集儀主站功能結(jié)構(gòu)圖

2.1.1 通信模塊設(shè)計(jì)

采集儀主、從站均采用基于433 MHz的無線模塊(E32-TTL-1W)實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)的無線通信。該模塊采用LoRa擴(kuò)頻技術(shù),點(diǎn)對點(diǎn)傳輸距離在無遮擋條件下可達(dá)7 km,繞射能力也相對較強(qiáng),其通信模塊及硬件接入電路見圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集儀無線模塊接入電路圖

2.1.2 sd卡接口設(shè)計(jì)

在GPRS通信不暢的情況下,采集儀主站需將無法上傳的數(shù)據(jù)自動(dòng)的存儲(chǔ)至本地,待信號恢復(fù)正常后,存儲(chǔ)數(shù)據(jù)自動(dòng)的上傳遠(yuǎn)程服務(wù)器,因此主站采用外接sd卡設(shè)計(jì),其硬件電路見圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)采集儀主站外擴(kuò)sd卡

2.2 采集儀從站硬件平臺(tái)

采集儀從站作為星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的子節(jié)點(diǎn),主要對接入監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的不同類型傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、濾波處理,再通過無線模塊將傳感器數(shù)據(jù)傳給采集儀主站,其硬件平臺(tái)功能見圖7所示。

圖7 采集儀從站硬件平臺(tái)功能結(jié)構(gòu)圖

圖7中,采集儀主、從站采用同一無線通信模塊,具有相同的電路設(shè)計(jì)方式。因此本小節(jié)重點(diǎn)介紹采集儀傳感器信號采集部分。

2.2.1 模擬量信號采集電路設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集儀從站總共具有16路模擬信號量接入能力,采用24位AD7124處理器,在保證采集精度的同時(shí),具有處理多類型、多數(shù)量傳感器數(shù)據(jù)讀取功能。其具體硬件設(shè)計(jì)電路見圖8所示。

圖8 采集儀從站模擬量采集電路圖

圖9 采集儀從站脈沖量采集電路圖

2.2.2 脈沖量信號采集電路設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集儀從站具有2路脈沖信號量接入能力,能夠處理像翻抖式雨量計(jì)等脈沖量輸出類型傳感器。其具體硬件設(shè)計(jì)電路如圖9所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為充分發(fā)揮硬件平臺(tái)功能,同時(shí)滿足無線智能監(jiān)測系統(tǒng)功能需求,采集儀主、從站設(shè)備均采用μC/OS-Ⅲ操作系統(tǒng)作為軟件基礎(chǔ)平臺(tái)。

根據(jù)前述業(yè)務(wù)需求,數(shù)據(jù)采集儀主站、從站嵌入式軟件主要實(shí)現(xiàn)的功能見圖10所示。

圖10 嵌入式軟件功能模塊設(shè)計(jì)

3.1 主、從站無線通信協(xié)議

為了確保對監(jiān)測異常情況實(shí)時(shí)捕獲,在通信協(xié)議中加入主被動(dòng)相結(jié)合通信機(jī)制。下面將從采集儀主站與從站間分為主動(dòng)通信與被動(dòng)通信兩方面介紹。

①被動(dòng)通信

由于星狀組網(wǎng)中,只有一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)(即采集儀主站),它與多個(gè)子節(jié)點(diǎn)(采集儀從站)通信采用輪詢機(jī)制(輪詢是從第1個(gè)采集儀從站開始,主站完成對單個(gè)從站發(fā)送指令與接收數(shù)據(jù)確認(rèn)后,再發(fā)送請求索取下一個(gè)采集儀從站數(shù)據(jù)的指令,如此循環(huán)完成多個(gè)采集儀從站的數(shù)據(jù)匯集),數(shù)據(jù)流向見圖11所示。采集儀從站實(shí)時(shí)將采集到的傳感器數(shù)據(jù)與閾值進(jìn)行比較,若在閾值上下限范圍內(nèi),根據(jù)采集儀主站中設(shè)定好輪詢頻次,由主站發(fā)送索取指令,從站確認(rèn)后被動(dòng)地向主站傳輸數(shù)據(jù)。主站輪詢完成對每一個(gè)從站的數(shù)據(jù)收集工作。

圖11 單次輪詢通信數(shù)據(jù)流向

圖12 主動(dòng)通信時(shí)數(shù)據(jù)流向

②主動(dòng)通信

每個(gè)采集儀從站均會(huì)實(shí)時(shí)采集傳感器數(shù)據(jù),并與閾值進(jìn)行比較,若出現(xiàn)傳感器數(shù)值大于設(shè)定閾值,則立即通過無線模塊發(fā)送報(bào)警信息。見圖12所示,在任何時(shí)刻,如從站3所采集的傳感器數(shù)據(jù)超出了閾值上下限,則第1步主動(dòng)向采集儀主站發(fā)送超限報(bào)警信息,無論主站處于何種狀態(tài),主站收到報(bào)警信息后,立即響應(yīng)第2步對當(dāng)前所有從站的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集,從而實(shí)現(xiàn)對異常數(shù)據(jù)的第一時(shí)間捕獲,提高了系統(tǒng)的時(shí)效性。

3.2 傳感器數(shù)據(jù)采集

本節(jié)主要介紹采集儀從站如何實(shí)現(xiàn)多種類型傳感器數(shù)據(jù)采集與采集后的濾波降噪處理。

①多類型數(shù)據(jù)接入

采集儀運(yùn)用在不同的工點(diǎn)需要連接不同類型的傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù),其中監(jiān)測系統(tǒng)常用傳感器的輸出類型及名稱如表1所示。

表1 監(jiān)測系統(tǒng)常用傳感器

采集儀根據(jù)監(jiān)測環(huán)境需求連接相應(yīng)傳感器,并通過PC上位機(jī)對其進(jìn)行參數(shù)配置。采集儀上電工作,通過讀取配置參數(shù)信息識(shí)別接入的傳感器并分類對其進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取、轉(zhuǎn)換,其中模擬量采集硬件電路見圖8所示,脈沖量電路見9所示,具體的軟件實(shí)現(xiàn)流程見圖13所示。

圖13 采集儀從站傳感器數(shù)據(jù)采集流程圖

②Adatpive Kalman濾波

現(xiàn)場監(jiān)測過程中傳感器易受到各種因素的干擾(如列車通過或大型機(jī)械作業(yè)引起的振動(dòng)干擾等),為確保采集數(shù)據(jù)的精確性,確保評估數(shù)據(jù)的真實(shí)性與可靠性,數(shù)據(jù)采集儀從站須對采集到的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理,剔除外部環(huán)境噪聲,提高傳感器測量精。傳統(tǒng)的Kalman濾波方法需要對運(yùn)動(dòng)激勵(lì)噪聲與測量噪聲進(jìn)行統(tǒng)計(jì),難以適用于鐵路基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測所處的復(fù)雜環(huán)境與傳感器的多樣性。因此本節(jié)采用Sage-Husa adatpive Kalman filter[12]濾波方法與采集儀進(jìn)行融合,實(shí)現(xiàn)了對未知的運(yùn)動(dòng)激勵(lì)噪聲與測量噪聲在線統(tǒng)計(jì)及濾波功能(見圖14)。

圖14 采集儀從站采集數(shù)據(jù)卡爾曼濾波流程圖

整個(gè)計(jì)算流程包括了狀態(tài)估計(jì)、測量更新與參數(shù)估計(jì)3步,現(xiàn)以沉降變形監(jiān)測為例,詳細(xì)介紹其計(jì)算步驟。

第1步:狀態(tài)估計(jì)

(1)

(2)

第2步:測量更新

(3)

(4)

(5)

第3部:參數(shù)估計(jì)

(6)

dk=(1-b)/(1-bk+1)

(7)

(8)

(9)

式中,εk為k時(shí)刻測量值與系統(tǒng)估計(jì)測量誤差值,dk為k時(shí)刻的影響因素,b為遺忘因子,其取值范圍為0.950～0.995,文本設(shè)置為0.96。

然后在對Rk與Qk的統(tǒng)計(jì)計(jì)算中采用了矩陣的減法,從而可能出現(xiàn)Qk喪失正定性與Rk出現(xiàn)負(fù)正定的情況,針對上述問題本文采用一種高效、魯棒的統(tǒng)計(jì)計(jì)算方法[13]避免上述問題的出現(xiàn)。

(10)

(11)

通過采集儀從站連接靜力水準(zhǔn)儀傳感器,在實(shí)驗(yàn)室高精度標(biāo)準(zhǔn)沉降位移測試平臺(tái)下對其濾波前后數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察測試,測試平臺(tái)見圖15所示。

圖15 沉降標(biāo)準(zhǔn)測試平臺(tái)

靜力水準(zhǔn)儀通過感受與基準(zhǔn)點(diǎn)水位高差壓力值,推算出與基準(zhǔn)點(diǎn)垂直高差大小。在標(biāo)準(zhǔn)測試臺(tái)發(fā)生緩慢垂直位移變化時(shí),靜力水準(zhǔn)儀傳感器實(shí)時(shí)感知液位壓力變化并轉(zhuǎn)換成相對位移值,以數(shù)字信號的形式對外輸出。采集儀從站通過串口端子采集靜力水準(zhǔn)儀數(shù)據(jù),并對采集到的原始數(shù)據(jù)、卡爾曼濾波后數(shù)據(jù)及其測試臺(tái)真實(shí)形變量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,其效果圖見圖16所示。

3.3 遠(yuǎn)程升級

①主站遠(yuǎn)程升級

為了能夠更好的對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程管理、修復(fù),同時(shí)配合產(chǎn)品科研需要,軟件能夠?qū)π滤惴ㄌ峁└玫闹С?采集儀提供遠(yuǎn)程在線的固件升級功能。首先由遠(yuǎn)程服務(wù)器通過GPRS模塊發(fā)送指令,使采集儀主站進(jìn)入更新狀態(tài);然后發(fā)送待更新Bin文件程序。由于所使用的GPRS模塊,帶寬只有1 KB,而程序軟件通常在幾十到幾百KB大小范圍內(nèi)。因此對更新的Bin文件需要進(jìn)行分包處理。其具體工作流程見圖17所示。

圖18 采集儀從站遠(yuǎn)程更新流程圖

圖16 觀測數(shù)據(jù)SHAKF濾波前后對比

圖17 采集儀主站遠(yuǎn)程更新流程圖

②從站遠(yuǎn)程升級

采集儀從站進(jìn)入遠(yuǎn)程更新狀態(tài),主要是由采集儀主站通過433 MHz無線模塊發(fā)送指令,然后發(fā)送需要更新的Bin文件程序。由于所使用的基于433 MHz無線模塊的帶寬只有58 byte,而待更新的程序軟件大小通常在幾十到幾百KB大小范圍內(nèi),因此同樣需要對更新的Bin文件進(jìn)行分包處理。其具體工作流程見圖18所示。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由于其多類型傳感器融合技術(shù)以及無線組網(wǎng)的便利性等多個(gè)優(yōu)點(diǎn),目前已在鐵路基礎(chǔ)設(shè)施多個(gè)監(jiān)測工點(diǎn)和地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中得到廣泛應(yīng)用。本文就無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在北盤江特大橋橋面變形監(jiān)測的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行具體闡述。

北盤江特大橋全長721.25 m,橋址位于地形復(fù)雜的V字形峽谷,為了測量拱圈收縮徐變、溫度作用引起的梁部下?lián)弦约安痪鶆蛉照諟夭钜鸬木植繖M向扭轉(zhuǎn)變形,系統(tǒng)在橋墩對應(yīng)的箱梁內(nèi)部上下游共選取了17個(gè)測點(diǎn),布設(shè)靜力水準(zhǔn)儀、溫度計(jì)、數(shù)據(jù)采集儀和太陽能供電設(shè)備,設(shè)備布置見圖19所示。

圖19 系統(tǒng)監(jiān)測設(shè)備布置示意圖

本系統(tǒng)中靜力水準(zhǔn)儀和溫度計(jì)通過RS232信號輸出,由于RS232傳輸距離限制,將17臺(tái)靜力水準(zhǔn)儀和溫度計(jì)分為4組,每組端部位置布設(shè)無線數(shù)據(jù)采集儀從站作為子節(jié)點(diǎn),采集該組所有設(shè)備的數(shù)據(jù),在橋頭位置無線數(shù)據(jù)采集儀主站作為主節(jié)點(diǎn),與其他4個(gè)子節(jié)點(diǎn)組成星型網(wǎng)絡(luò)。主站通過輪詢的方式主動(dòng)獲取各個(gè)從站的監(jiān)測數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)對所有傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和存儲(chǔ),最終主站通過GPRS傳輸單元將數(shù)據(jù)傳回?cái)?shù)據(jù)中心。

由于主節(jié)點(diǎn)與子節(jié)點(diǎn)通過無線傳輸,為了避免因箱梁外側(cè)排水管遮擋引起掉包現(xiàn)象,數(shù)據(jù)采集儀主站、從站均采用5 m高增益天線,利用支架天線接收端固定于箱梁外側(cè)(見圖20(c)所示),滿足主節(jié)點(diǎn)與子節(jié)點(diǎn)透視要求,此外在采集儀應(yīng)用程序中增加掉包重傳功能,從而確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中主站可遠(yuǎn)程或自動(dòng)修改采樣頻率,數(shù)據(jù)中心根據(jù)前端傳回?cái)?shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)算出軌道平順性的評價(jià)結(jié)果,建立了4級安全等級,自動(dòng)下發(fā)不同等級下變頻指令,主站接收到數(shù)據(jù)中心下發(fā)的變頻指令后,立即按照新設(shè)定采樣頻率采樣。此外,為了獲取橋梁不均勻日照溫差引起的變形數(shù)據(jù),亦可人工設(shè)定采樣頻率(1 min～24 h),實(shí)現(xiàn)全天候不間斷采樣。

本系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)采集儀主站、從站、電源箱和天線等實(shí)物見圖20所示,其中圖20(a)為無線數(shù)據(jù)采集儀主站,圖20(b)為無線采集儀從站,圖20(c)為電源箱及天線。

圖20 無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)安裝實(shí)物圖

此外,該無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還應(yīng)用于多個(gè)國內(nèi)鐵路基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測和地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測項(xiàng)目中,采集儀主站、從站共計(jì)應(yīng)用150余套,各個(gè)系統(tǒng)經(jīng)過1～2年的穩(wěn)定運(yùn)行,驗(yàn)證了無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性與數(shù)據(jù)完整性。其典型工程項(xiàng)目列表見表2和圖21所示。

表2 無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用一覽表

圖21 工程現(xiàn)場應(yīng)用圖

5 結(jié)論

①自主研發(fā)一種通用型數(shù)據(jù)采集儀,能夠采集多種不同類型的傳感器數(shù)據(jù),適用于鐵路監(jiān)測系統(tǒng)中多種復(fù)雜類型工點(diǎn)監(jiān)測。

②基于433 MHz的LoRa射頻技術(shù),自主設(shè)計(jì)基于無線傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議,融入三次重傳技術(shù)、主被動(dòng)相結(jié)合報(bào)警機(jī)制。

③基于星狀組網(wǎng)的采集器系統(tǒng)具有多種智能化采集手段,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變頻采集,傳感器數(shù)據(jù)自適應(yīng)卡爾曼濾波,采集器程序遠(yuǎn)程更新升級等功能。

④將Sage-Husa adatpive Kalman filter濾波算法與采集儀融合,大幅度提高了傳感器的數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性與抗干擾性。

⑤該通用采集儀已在如川黔線裁縫巖滑坡監(jiān)測、滬昆線北盤江特大橋沉降監(jiān)測、玉磨線橋位滑坡監(jiān)測、貴廣線田壩嶺泥石流監(jiān)測等一系列鐵路防災(zāi)監(jiān)測項(xiàng)目中獲得成功應(yīng)用。