非接觸式鐵路貨運(yùn)車輛超偏載檢測系統(tǒng)研究

譚覃，高廣軍，張亞妮，陳功

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非接觸式鐵路貨運(yùn)車輛超偏載檢測系統(tǒng)研究

譚覃，高廣軍，張亞妮，陳功

(中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410075)

針對(duì)現(xiàn)有鐵路貨運(yùn)裝載站存在的裝貨效率低，過程反復(fù)的問題，提出一種新型鐵路貨運(yùn)車輛無線動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，即在被測車輛底部非共線的4個(gè)點(diǎn)上垂直于軌面安裝測距傳感器，得到各測點(diǎn)投射到鋼軌表面的位移量，從而得到車輛的超偏載信息。并設(shè)計(jì)出一種貨運(yùn)車輛超偏載檢測裝置。詳細(xì)介紹車輛超偏載檢測原理，系統(tǒng)的硬軟件設(shè)計(jì)以及樣機(jī)模型功能檢驗(yàn)。研究結(jié)果表明：本系統(tǒng)穩(wěn)定、測量精度較高、可拓展性強(qiáng)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測裝載的超偏載狀態(tài)，可達(dá)到預(yù)期效果。

超偏載檢測；測量；ARM；嵌入式；Zigbee

裝車作業(yè)系統(tǒng)的效率高低是衡量鐵路貨物運(yùn)輸組織效率的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。目前，我國許多貨運(yùn)站場的裝載作業(yè)還停留在人工控制的階段，裝車過程無法定量，人工控制極易造成裝車過多或裝車不足的現(xiàn)象[1]。若裝車過量，就會(huì)威脅到鐵路貨運(yùn)的行車安全；如果裝車不足，又會(huì)造成運(yùn)輸效益低，運(yùn)輸成本上升[2]。因此，貨運(yùn)車輛裝載過程超偏載檢測研究具有重要意義。國內(nèi)外學(xué)者在貨運(yùn)車輛超偏載檢測方面做出了大量的研究，其中，軌道衡目前在車輛裝載計(jì)量中應(yīng)用最為廣泛。軌道衡技術(shù)在1954年即應(yīng)用在國內(nèi)的列車裝載計(jì)量中[3]，當(dāng)時(shí)的軌道衡主要是機(jī)械靜態(tài)軌道衡，檢測時(shí)間長，且只能測量車輛是否超重，不能檢測車輛的超偏載狀況。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，軌道衡的研究不再只滿足于稱重的準(zhǔn)確度，開始向測量、計(jì)算、控制及通訊等多維度全面發(fā)展。鄭傳行等[4]實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)軌道衡稱重與視頻監(jiān)測的整合，完成了監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、稱重計(jì)量、視頻監(jiān)測以及異常告警等功能。李劍[5]將軌道衡應(yīng)用到翻車機(jī)中，可以在電廠、碼頭和礦山等環(huán)境較為復(fù)雜的地點(diǎn)工作。除對(duì)傳統(tǒng)的軌道衡的功能拓展研究之外，更多人采用更輕便，成本更低的傳感器來進(jìn)行貨運(yùn)車輛的動(dòng)態(tài)稱重研究。Liljencrantz等[6]通過在鐵路橋施工階段，嵌入4個(gè)特制的電阻應(yīng)變傳感器組成惠斯通電橋，將電信號(hào)放大獲得車輛的動(dòng)態(tài)稱重信息。Seku?a等[7]通過對(duì)比石英式壓電傳感器和陶瓷壓電傳感器，與半橋式應(yīng)變儀的稱重信號(hào)，驗(yàn)證了壓電式傳感器在動(dòng)態(tài)稱重中應(yīng)用的可行性，并設(shè)計(jì)光伏組件為動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)供電。D’Adamio等[8]通過在鋼軌上鉆小孔安裝應(yīng)變敏感元件，來估算鋼軌的剪切力，同時(shí)在軌枕上安裝力敏感元件來測定軌枕的受力，2種方式結(jié)合來完成對(duì)車輛稱重的動(dòng)態(tài)測量。Allotta等[9]通過間接測量鋼軌剪切，鋼軌彎曲、對(duì)枕木的垂直壓力等數(shù)據(jù)，估計(jì)一般列車車軸和車輪負(fù)載。Gajda等[10]通過將多個(gè)壓電傳感器，感應(yīng)線圈以及溫度傳感器組成多傳感器動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)，來弱化溫度變化，對(duì)位于軌內(nèi)的傳感器的影響。WANG等[11]通過在靜態(tài)條件下總結(jié)光纖傳感器在被擠壓狀態(tài)的光強(qiáng)變化反映車體的質(zhì)量變化，認(rèn)為光纖傳感器可以運(yùn)用在車體質(zhì)量檢測上。LI等[12?13]通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，對(duì)車輛信息進(jìn)行多重監(jiān)視，并且擴(kuò)展性好。李屹罡等[14?15]依據(jù)鋼軌在車輪載荷作用下產(chǎn)生撓度彎曲的工作原理，通過激光發(fā)射器和光電位置檢測器檢測光斑位置變化，獲取車輪的載荷信息。目前，對(duì)于貨運(yùn)車輛的動(dòng)態(tài)稱重檢測雖然已經(jīng)不局限于傳統(tǒng)的軌道衡設(shè)備，但是依舊主要集中在軌面內(nèi)的傳感器設(shè)備。軌面內(nèi)設(shè)備只能定點(diǎn)檢測，且傳感器測量值更易受到溫度，軌道振動(dòng)等因素干擾的影響，同時(shí)傳感器的牢固使用壽命也大幅下降。針對(duì)以上問題，本文將設(shè)計(jì)一種安裝在車體底面上的非接觸式貨運(yùn)車輛動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)，通過獲取傳感器到軌面的距離值，經(jīng)過相應(yīng)計(jì)算轉(zhuǎn)換為彈簧位置的垂向位移量，結(jié)合貨運(yùn)車輛的搖枕彈簧的彈簧剛度系數(shù)，獲得各車輪的輪重，從而達(dá)到檢測車輛載重以及超偏載信息的目的。為鐵路貨運(yùn)車輛裝載超偏載檢測提供一種新型的檢測方式，并通過進(jìn)行相應(yīng)的硬軟件開發(fā)，制作功能樣機(jī)，驗(yàn)證系統(tǒng)的正確性、完整性。

1 檢測原理及方法

目前我國貨運(yùn)列車常用的轉(zhuǎn)向架為轉(zhuǎn)k系列，轉(zhuǎn)k系列轉(zhuǎn)向架是傳統(tǒng)3大件結(jié)構(gòu)，由1個(gè)搖枕和2個(gè)側(cè)架構(gòu)成。通過分析車輛的力傳導(dǎo)特性，得到車輛轉(zhuǎn)向架的垂向載荷傳遞路線(自上而下)：車體→上心盤→下心盤→搖枕→搖枕彈簧→彈簧承臺(tái)→側(cè)架→導(dǎo)框→承載鞍→軸承→輪對(duì)→鋼軌。由轉(zhuǎn)向架垂向載荷傳遞順序可知，搖枕彈簧是轉(zhuǎn)k型轉(zhuǎn)向架對(duì)車輛自重、載重起支承作用的主要部件。因此，車輛載重量可表示為4組承載彈簧裝載前后壓縮量的差值與各彈簧剛度系數(shù)的乘積。

本文做出以下假設(shè)：1) 不考慮車輛橫向、縱向運(yùn)動(dòng)。2) 4組承載彈簧質(zhì)地和性能一致，位于車體對(duì)稱的4個(gè)位置。3) 在裝載過程中車體的彈性變形量很小，在檢測車體的超偏載狀態(tài)時(shí)，認(rèn)為車輛結(jié)構(gòu)為剛性結(jié)構(gòu)。

將傳感器分別安裝在被測車體底面對(duì)稱的4個(gè)位置。為保證車輛的裝載安全，監(jiān)測系統(tǒng)的安裝位置不得超過鐵路限界且不能接觸軌道。同時(shí)為準(zhǔn)確安裝和計(jì)算，預(yù)定義傳感器的安裝位置：傳感器垂直于車輛底面安裝，傳感器水平位置垂直投影于軌面，傳感器與彈簧位置所在直線與軸平行，且傳感器與彈簧之間的距離為，車輛軸距為，傳感器與搖枕彈簧的位置關(guān)系如圖1(b)所示。

(a) 三維坐標(biāo)簡化模型；(b) 主視圖簡化模型

初始狀態(tài)下，4個(gè)測距傳感器的安裝位置分別為1(1,1,1)，2(2,2,2)，3(3,3,3)和4(4,4,4)。測定車輛空載狀態(tài)下，測點(diǎn)與軌面的垂向距離作為初始值。配合裝載后測點(diǎn)的測量值，通過偏載平面與基準(zhǔn)平面的夾角，測點(diǎn)與搖枕彈簧的距離關(guān)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換，最終獲取彈簧的實(shí)際變形量，從而獲得車輛的輪重信息及超偏載狀況。

過3點(diǎn)M(x,y,z)(=1, 2, 3)的平面方程為

設(shè)平面方程為

由其中3點(diǎn)坐標(biāo)代入式(1)可得，

方程0的參數(shù)分別為

口腔粘液腺囊腫是口腔的常見疾病,該病有多種治療方法,我科自2015年01月—2015年12月以來,采用手術(shù)切除治療及注射碘酊治療兩種方法,共治療口腔粘液腺囊腫260例,對(duì)其臨床療效進(jìn)行對(duì)比,現(xiàn)報(bào)告如下:

設(shè)加載后的平面為11110

基準(zhǔn)平面為2222

加載后的平面與基準(zhǔn)平面的夾角為

基準(zhǔn)平面與平面平行，故

基準(zhǔn)平面為=0, 代入式(4)可得，

即偏載狀態(tài)下的各測點(diǎn)的垂向坐標(biāo)1，2，3和4。

圖2 傳感器測量值與平面實(shí)際垂向位移關(guān)系圖

由于傳感器的坐標(biāo)和搖枕彈簧坐標(biāo)不同，單純的運(yùn)用傳感器測點(diǎn)的垂向坐標(biāo)與初始坐標(biāo)的差值來反映車輛的超偏載信息仍然存在偏差。利用三角形相似關(guān)系，將測點(diǎn)位置的垂向位移量轉(zhuǎn)化成彈簧位置的位移量，達(dá)到精確測量車輛超偏載信息的目的。

圖3 偏載狀態(tài)下測點(diǎn)垂向坐標(biāo)與彈簧位置垂向坐標(biāo)關(guān)系

測點(diǎn)的垂向坐標(biāo)與彈簧位置垂向坐標(biāo)關(guān)系如圖3所示。由三角形相似關(guān)系得：

同理可得：

結(jié)合初始測得空車下的彈簧位置坐標(biāo)的高度，可得各彈簧形變量?1，?2，?3和?4。

根據(jù)上述車輛簡化模型，由轉(zhuǎn)向架垂向載荷傳遞順序可知，車廂重量即為各彈簧組的承載力之和。車輛載重大小可表示為4組承載彈簧壓縮量大小和各彈簧剛度系數(shù)的乘積。

通過檢測可獲得各輪重，前后轉(zhuǎn)向架及左右側(cè)載荷，以及車廂的載重量，根據(jù)相互關(guān)系即可以直觀獲得車輛的超載、偏載信息。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

結(jié)合上述對(duì)非接觸式貨運(yùn)車輛超偏載檢測的原理研究，本文采用ARM Cortex-A9處理器作為車載嵌入式工控設(shè)備、ZigBee作為采集節(jié)點(diǎn)與現(xiàn)場工控設(shè)備的通訊手段，超聲波測距傳感器作為測量執(zhí)行元件。通過觸摸屏結(jié)合QT嵌入式linux系統(tǒng)建立可視化圖形用戶界面。使現(xiàn)場工作人員更直觀，易懂的獲取車輛的相關(guān)狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)車輛的超偏載信息，從而最大程度的緩解裝載作業(yè)失誤造成的效率問題。

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本鐵路貨運(yùn)車輛超偏載檢測系統(tǒng)的硬件資源主要由Cortex-A9內(nèi)核架構(gòu)的4412核心板，底板、7寸LCD觸摸屏、zigbee無線通信模塊以及超聲波測距傳感器組成。硬件系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框架如圖4所示。

圖4 硬件結(jié)構(gòu)及整體框架

為了滿足現(xiàn)場工作人員能直觀獲取車輛的超偏載信息，本文選擇應(yīng)用廣泛的ARM系列核心板搭配7寸LCD觸摸屏作為上位機(jī)設(shè)備；同時(shí)為了降低布線的復(fù)雜性，提高設(shè)備的靈活性，便攜性，選取工業(yè)級(jí)無線通信模塊CC2530的ZigBee芯片作為下位機(jī)設(shè)備及無線傳輸手段；在測量執(zhí)行元件上選擇抗干擾能力強(qiáng)，價(jià)格成本低，在對(duì)車底距軌面距離檢測中效果最優(yōu)的超聲波測距傳感器。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了使現(xiàn)場檢測人員能夠簡單直觀的獲取車輛超偏載信息，系統(tǒng)上位機(jī)軟件主要基于嵌入式Linux-QT系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，在滿足現(xiàn)場工控人機(jī)界面的要求下[16]，主要實(shí)現(xiàn)了包括通過串口讀取下位機(jī)及傳感器上傳的數(shù)據(jù)，現(xiàn)場數(shù)據(jù)通信統(tǒng)籌以及上傳現(xiàn)場數(shù)據(jù)到遠(yuǎn)程服務(wù)器3個(gè)功能。

在本系統(tǒng)中，串口通信是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)與下位機(jī)接收端通信的主要手段，應(yīng)具有接受下位機(jī)傳感器的上傳數(shù)據(jù)、對(duì)下位機(jī)傳感器下達(dá)指令的功能。本文使用在Qt串口開發(fā)中常用到的第三方串口類Qextserialport進(jìn)行串口界面的程序設(shè)計(jì)。QextSerialPort是一個(gè)跨平臺(tái)的第三方串口類，可以很方便地在QT中對(duì)串口讀寫操作。對(duì)上位機(jī)串口的串口號(hào)，波特率等信息統(tǒng)一在InitCom()函數(shù)中進(jìn)行預(yù)定義，也可以在圖形界面進(jìn)行修改。通過clicked()信號(hào)與on_btnOpen_clicked()槽函數(shù)的連接來執(zhí)行開啟/關(guān)閉串口命令，對(duì)下位機(jī)數(shù)據(jù)接收的圖形界面如圖5所示。通過串口信息的圖形界面顯示，現(xiàn)場檢測員可以直觀得獲取車輛的超偏載信息，從而大幅度降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

圖5 下位機(jī)數(shù)據(jù)接收界面

圖6 網(wǎng)絡(luò)通信流程圖

針對(duì)貨運(yùn)站場存在多條線路的狀況，每條線的檢測員在各自設(shè)備檢測車輛的超偏載信息后，需要及時(shí)匯總給現(xiàn)場管理員。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕芾韱T與檢測員設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)通信通過IP/TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)通信流程圖如圖6所示。首先管理員設(shè)備初始化套接字，綁定本地端口號(hào)，創(chuàng)建一個(gè)TCP接口，持續(xù)監(jiān)聽連接請(qǐng)求；隨后，檢測員設(shè)備創(chuàng)建檢測員套接字，向管理員設(shè)備發(fā)送連接請(qǐng)求；經(jīng)過3次握手，管理員和檢測員設(shè)備建立連接。雙方設(shè)備建立有效連接后即可持續(xù)收發(fā)數(shù)據(jù)，最后通過關(guān)閉套接字來釋放網(wǎng)絡(luò)資源，現(xiàn)場數(shù)據(jù)通信統(tǒng)籌如圖7所示?，F(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)通信可以實(shí)現(xiàn)檢測員與管理員的即時(shí)通信，以及檢測信息的順序上傳，方便對(duì)站場資源進(jìn)行統(tǒng)籌管理。

單純的現(xiàn)場通信管理不能滿足系統(tǒng)的實(shí)際需求，為了提高貨運(yùn)現(xiàn)場的開放性，本文建立了一個(gè)多級(jí)用戶管理的系統(tǒng)。采集貨運(yùn)現(xiàn)場傳感器節(jié)點(diǎn)信息，并上傳到遠(yuǎn)程服務(wù)器，如圖8所示，實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的存儲(chǔ)和統(tǒng)籌，在遠(yuǎn)程服務(wù)器及客戶端對(duì)數(shù)據(jù)的復(fù)雜分析進(jìn)行處理，同時(shí)為鐵路貨運(yùn)客戶訪問自己的貨物信息提供了接口和途徑。

(a) 管理員客戶端；(b) 檢測員客戶端

3 樣機(jī)功能檢測

本文制作了功能樣機(jī)對(duì)系統(tǒng)功能完整性進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證模型如圖9~10所示。圖9驗(yàn)證了模型在初始狀態(tài)下傳感器距地面的位移量，人工測量值及系統(tǒng)檢測結(jié)果相同，均為3 cm。圖10驗(yàn)證了模型在偏載作用下傳感器距地面的位移量，人工測量值與系統(tǒng)檢測值結(jié)果相同，均為2 cm。測試結(jié)果表明：系統(tǒng)功能健全且數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確滿足現(xiàn)場超偏載檢測要求。

(a) 實(shí)物模型初始位移量檢測；(b) 傳感器初始位移量檢測

(a) 實(shí)物模型偏載位移量檢測；(b) 傳感器偏載位移量檢測

4 結(jié)論

1) 提出一種新型貨運(yùn)車輛動(dòng)態(tài)稱重方法，將測距傳感器垂直于軌面安裝在車底部，結(jié)合測距傳感器測量值獲得彈簧壓縮量，間接獲取貨運(yùn)車輛輪重，從而判斷車輛裝載是否超偏載，滿足檢測要求。

2) 系統(tǒng)結(jié)合新型超偏載檢測方法，運(yùn)用嵌入式工控設(shè)備、ZigBee無線通訊手段，超聲波測距執(zhí)行元件，搭建了一套非接觸式鐵路貨運(yùn)車輛裝載動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)。系統(tǒng)兼容性好，布線簡單，擴(kuò)展性強(qiáng)，功耗低，抗干擾能力強(qiáng)。

3) 所設(shè)計(jì)開發(fā)的“非接觸式鐵路貨運(yùn)車輛裝載動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)”，與傳統(tǒng)的地面檢測設(shè)備相比，測得偏移量結(jié)果相同，從源頭上解決超偏載車輛過軌道衡后扣留整改問題，極大的提高了貨運(yùn)裝載效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度及勞動(dòng)成本，保障運(yùn)輸安全。

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Research on non-contact overload and unbalance load system of railway freight transport vehicles

TAN Tan, GAO Guangjun, ZHANG Yani, CHEN Gong

(Key Laboratory of Traffic Safety on Track of Ministry of Education, School of Traffic & Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Targeting at the low loading rate in railway freight station arising, a design method of wireless dynamic weighing system for railway freight vehicles was proposed in this paper. According to the method, distance measuring sensors were installed at four non-colinear points of the tested vehicle to obtain the displacement of each measuring point relative to the rail, as well as the whole vehicle attitude. A detection device for overloading of freight vehicles was designed. In this paper, the principle of vehicle overload and unbalance load detection, the hardware and software design of the system and the function test of the prototype model were introduced in detail. The experimental results show that the system is stable, accurate and expandable, and can monitor the loading state of overloading in real time, achieving the expected effect.

dynamic leveling; measurement; ARM; embedded; Zigbee

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.04.032

U270

A

1672 ? 7029(2019)04 ? 1081 ? 08

2018?06?04

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016YFB1200403)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(U1334208)；中南大學(xué)理工醫(yī)學(xué)科第二批戰(zhàn)略先導(dǎo)立項(xiàng)專項(xiàng)資助項(xiàng)目(ZLXD2017002)；中國鐵路總公司重點(diǎn)科研資助項(xiàng)目(2016J009-F)

高廣軍(1973?)，男，河南安陽人，教授，從事列車撞擊動(dòng)力學(xué)研究；E?mail：gjgao@csu.edu.cn

(編輯 蔣學(xué)東)