車載式線路檢查儀研制與應(yīng)用

朱 永 勝

(中國(guó)鐵路太原局集團(tuán)有限公司，山西 太原 030013)

1 概述

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)鐵路為適應(yīng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的需求，向高速化發(fā)展，而行車速度的提高對(duì)軌道的平順性要求也越來越高；不僅如此，高鐵及客運(yùn)專線行車密度大，上道作業(yè)只能利用夜間天窗進(jìn)行，線路巡檢、維修養(yǎng)護(hù)時(shí)間短、任務(wù)重。CGDJ-IV車載式線路檢查儀作為鐵路工務(wù)部門動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)線路平順狀態(tài)的重要手段之一，作為工務(wù)人員檢查線路的輔助工具，也要適應(yīng)鐵路高速發(fā)展的需要，為線路維修養(yǎng)護(hù)提供可靠的依據(jù)。該設(shè)備通過測(cè)量機(jī)車運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)加速度，判定病害里程，及時(shí)發(fā)現(xiàn)線路動(dòng)態(tài)不平順，自動(dòng)記錄晃車信息，并具有實(shí)時(shí)報(bào)警和遠(yuǎn)程短信通知相關(guān)負(fù)責(zé)人，指導(dǎo)工務(wù)人員對(duì)線路病害進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核及線路的維修養(yǎng)護(hù)工作。

2 系統(tǒng)組成

2.1 硬件功能及組成

CDGJ-IV型車載式線路檢測(cè)儀工作時(shí)，通過安裝在機(jī)車車軸、架構(gòu)和車體內(nèi)的嵌入式智能傳感器獲得機(jī)車在行車時(shí)的加速度信號(hào)，這些信號(hào)經(jīng)高精度放大器放大后進(jìn)入帶通濾波器，由高速SOC控制A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換并由固化軟件對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波運(yùn)算等處理，處理的結(jié)果經(jīng)RS-485傳輸?shù)杰壍绖?dòng)態(tài)檢測(cè)判斷及GSM/GPRS信息傳送單元，該單元安裝于機(jī)車安全信息綜合檢測(cè)裝置(TAX3)共享機(jī)車信息，將處理后的結(jié)果數(shù)據(jù)與日期、時(shí)間、機(jī)車號(hào)、車次、里程、行別、速度、線路編號(hào)等信息綜合生成一個(gè)能夠準(zhǔn)確反映線路病害位置的數(shù)據(jù)信息包，基于專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而克服機(jī)車特性、線路、速度、上下行等諸多因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，獲取線路病害的準(zhǔn)確位置。通過GSM/GPRS無線傳輸方式將病害信息實(shí)時(shí)發(fā)送到地面接收單元和相關(guān)人員的手機(jī)上，為工務(wù)部門臨時(shí)補(bǔ)修提供依據(jù)。

系統(tǒng)按功能分為嵌入式智能傳感器單元、線路病害檢測(cè)判斷及GSM/GPRS信息傳送單元、藍(lán)牙單元、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)單元及GSM/GPRS遠(yuǎn)程接收數(shù)據(jù)單元組成。

2.2 軟件組成

軟件分為固化軟件和數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)。固化軟件主要進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，分別安裝在嵌入式智能傳感器和軌道線路病害檢測(cè)判斷及GSM/GPRS信息傳送單元。采集數(shù)據(jù)經(jīng)過帶通濾波后，在固化軟件中采用了小波去噪等數(shù)字濾波處理方式以提高傳感器測(cè)量精度。

3 技術(shù)原理

在研制過程中，面臨的最大的任務(wù)就是如何根據(jù)測(cè)量的加速度數(shù)據(jù)來量化反映線路病害，并將檢測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)發(fā)送給相關(guān)部門。課題組反復(fù)多次對(duì)有線路病害的現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過頻譜分析軟件進(jìn)行分析比較，最終確定了機(jī)車不同部位對(duì)線路病害的反應(yīng)特征。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：測(cè)量獲取的加速度值并受到諸多因素的影響，這些干擾因素會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生重大影響，甚至淹沒有用信號(hào)。因此，技術(shù)上難點(diǎn)就是如何排除各種干擾因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響從而準(zhǔn)確獲得線路的病害信息。

列車運(yùn)行時(shí)，線路病害會(huì)造成機(jī)車車體振動(dòng)，直接影響運(yùn)行平穩(wěn)和安全。機(jī)車不同部位的加速度值與線路不平順的種類有關(guān)，同時(shí)受到機(jī)車特性、列車速度、牽引狀況、電磁干擾等諸多因素的影響，測(cè)量結(jié)果會(huì)出現(xiàn)較大的起伏變化。因此，需要在技術(shù)上采取措施，消除各種干擾因素，生成能夠準(zhǔn)確反映線路病害的有效測(cè)量值。

3.1 硬件抗干擾

外部干擾一般以脈沖的形式進(jìn)入測(cè)控系統(tǒng)，干擾竄入系統(tǒng)的渠道主要有空間干擾(通過電磁輻射竄入系統(tǒng))、供電系統(tǒng)干擾、過程通道干擾(通過前向與后向通道竄入系統(tǒng))。針對(duì)不同的干擾，采用相應(yīng)的抗干擾措施：

1)印刷電路板的設(shè)計(jì);2)抗空間干擾措施；3)過程通道抗干擾技術(shù)；4)供電系統(tǒng)抗干擾技術(shù)；5)模擬濾波。

3.2 軟件處理

軟件部分主要由信號(hào)處理軟件和基于專家系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析軟件構(gòu)成。

3.2.1信號(hào)處理軟件

信號(hào)處理軟件主要有完成數(shù)字信號(hào)處理的功能。經(jīng)過模擬濾波處理后的信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，信號(hào)處理軟件采用小波變換對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理。

3.2.2數(shù)據(jù)分析軟件

基于知識(shí)的智能推理系統(tǒng)，它涉及對(duì)知識(shí)獲取、知識(shí)庫(kù)、推理控制機(jī)制以及智能人機(jī)界面的研究，集人工智能和領(lǐng)域知識(shí)于一體。系統(tǒng)能夠在專門領(lǐng)域達(dá)到專家的水平，使這一類用傳統(tǒng)編程難以解決的問題由計(jì)算機(jī)得到高水平的處理。

4 功能及性能特點(diǎn)

4.1 功能特點(diǎn)

1)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)線路狀況，三部位傳感器共同確定線路病害，加強(qiáng)短波不平順的檢測(cè)，病害檢測(cè)更加全面準(zhǔn)確。

2)GPS準(zhǔn)確定位，及時(shí)了解機(jī)車位置。

3)超限數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)報(bào)警并通知相關(guān)負(fù)責(zé)人。

4)大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

5)計(jì)算機(jī)USB接口，高速海量數(shù)據(jù)傳輸。

6)藍(lán)牙通信，與其他設(shè)備實(shí)現(xiàn)資源共享。

4.2 性能特點(diǎn)

1)采用新型傳感器，并且通過機(jī)車多部位同時(shí)檢測(cè)，加強(qiáng)對(duì)線路病害檢測(cè)，更能真實(shí)反映線路實(shí)際狀況，提高了線路檢測(cè)的準(zhǔn)確性和一致性。

2)采用高速DSP處理器，大大提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理速度，減少了病害漏報(bào)情況。

3)數(shù)據(jù)處理引入FFT等新型算法，有效消除各種干擾，降低了誤報(bào)率。

4)系統(tǒng)使用新型GPS模塊，搜星速度快，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確定位。

5)應(yīng)用藍(lán)牙通訊實(shí)現(xiàn)了機(jī)車數(shù)據(jù)與其他設(shè)備信息共享，為其他設(shè)備使用機(jī)車數(shù)據(jù)創(chuàng)造了條件。

6)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)通信等模塊化分區(qū)布置，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性能。

7)滿足各類型機(jī)車使用。系統(tǒng)提供各類型機(jī)車的標(biāo)準(zhǔn)門限，可以根據(jù)線路情況、車況調(diào)整使用門限，使報(bào)警更精準(zhǔn)。

8)完善的軟件分析處理功能。

a.機(jī)車全程超限數(shù)據(jù)可以通過地面計(jì)算機(jī)的分析與處理，可給出超限報(bào)告、公里小結(jié)報(bào)告和段總結(jié)及工區(qū)總結(jié)報(bào)告，便于評(píng)判各段線路狀況。

b.具有多組數(shù)據(jù)分析對(duì)比功能，可將不同時(shí)期的兩組檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析線路變化趨勢(shì)；也可將維修前與維修后的檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，用來檢查維修效果。

c.具有重復(fù)超限統(tǒng)計(jì)分析功能，便于用戶發(fā)現(xiàn)超限多次發(fā)生處所及時(shí)維修。

5 操作使用

CDGJ-IV型車載式線路檢測(cè)儀適用于鐵路各級(jí)安全管理和線路維修保養(yǎng)部門使用?？砂惭b在配備機(jī)車安全信息綜合檢測(cè)裝置(TAX3)的機(jī)車上，對(duì)運(yùn)行區(qū)間內(nèi)各條線路進(jìn)行全天候監(jiān)測(cè)，利用微機(jī)軟件處理線路數(shù)據(jù)，界面友好，操作簡(jiǎn)單。

5.1 計(jì)算機(jī)配置要求

硬件要求：主頻2G、內(nèi)存1G、硬盤140G、USB接口。

軟件要求：操作系統(tǒng)中文Windows 98/2000/XP/Win7。

5.2 硬件安裝

5.2.1安裝傳感器

把軸箱傳感器平穩(wěn)地固定在機(jī)車二、五軸軸頭，將信號(hào)線引出；把架構(gòu)傳感器平穩(wěn)地固定在機(jī)車中軸線位置，將信號(hào)線引出；把車體傳感器平穩(wěn)地固定在機(jī)車中軸線位置地板下發(fā)，將信號(hào)線引出。

5.2.2安裝線路病害檢測(cè)主機(jī)板

將主機(jī)板插入TAX3機(jī)箱的線路檢測(cè)插槽中，固定好；斷軌檢測(cè)儀主板是安裝在TAX箱中，而TAX箱一般在機(jī)車的電器間，上機(jī)車后可根據(jù)機(jī)車圖先找到TAX箱，用螺絲刀把TAX箱上的“軌道檢測(cè)-SZ312”擋板拆下,將主板順著卡槽緩緩?fù)迫氩⒉寰o，并擰緊螺絲，TAX箱如圖1所示。主板是該系統(tǒng)的處理單元，在整個(gè)系統(tǒng)中起至關(guān)重要的作用，一定要安裝正確、牢固。

將傳感器的信號(hào)線匯總到傳感器轉(zhuǎn)接盒后，將轉(zhuǎn)接盒引出的信號(hào)線(10芯插頭)連接到TAX箱背面的X3插座(軌道檢測(cè))如圖2所示。

在機(jī)車外的連線用保護(hù)管進(jìn)行防護(hù)，機(jī)車內(nèi)的線通過綁繩固定，避免壓斷或踩傷，并保證走線整齊、美觀、流暢。

布線原則：1)盡可能走線槽；2)注意安全遠(yuǎn)離干擾源和熱源；3)線露出部分要用綁線固定在安全絕緣的固定物上。

5.3 軟件安裝

1)安裝地面數(shù)據(jù)處理軟件。打開微機(jī)，啟動(dòng)Windows系統(tǒng)后，放入安裝盤，在“我的電腦”中雙擊光驅(qū)圖標(biāo)，再雙擊Setup.exe文件圖標(biāo)，系統(tǒng)開始安裝《軌道動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)》軟件，屏幕顯示安裝進(jìn)度條，按照提示信息逐步操作，出現(xiàn)“安裝完畢”信息后，完成軟件安裝。

2)運(yùn)行處理分析軟件。在Windows系統(tǒng)桌面下，點(diǎn)擊“開始”菜單，在“程序”菜單選中“線路動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”項(xiàng)，啟動(dòng)數(shù)據(jù)處理軟件，詳細(xì)操作見軟件使用手冊(cè)。

6 結(jié)語(yǔ)

CGDJ-Ⅳ車載式線路檢查儀在原車載式線路檢查儀基礎(chǔ)上增加了軸箱傳感器、構(gòu)架傳感器、GPS定位模塊，可實(shí)現(xiàn)對(duì)軸箱、構(gòu)架振動(dòng)加速度檢測(cè)和自動(dòng)識(shí)別列車運(yùn)行線路信息。具有以下特點(diǎn)：

1)通過機(jī)車軸箱、構(gòu)架、車體多部位同時(shí)檢測(cè)，加強(qiáng)對(duì)線路病害檢測(cè)，更能真實(shí)反映線路實(shí)際狀況，提高了線路檢測(cè)的準(zhǔn)確性和一致性。

2)采用高速DSP處理器，大大提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理速度，減少了病害漏報(bào)情況數(shù)據(jù)處理引入FFT等新型算法，有效消除各種干擾，降低了誤報(bào)率。

3)超限數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)報(bào)警，并通過短信及時(shí)通知相關(guān)負(fù)責(zé)人。應(yīng)用藍(lán)牙通訊實(shí)現(xiàn)了與其他設(shè)備信息共享。

4)系統(tǒng)使用新型GPS模塊，搜星速度快，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確定位。

5)完善的軟件分析處理功能，可將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過不同條件進(jìn)行對(duì)比，分析線路變化趨勢(shì)。