動(dòng)態(tài)電子軌道衡系統(tǒng)分析與實(shí)現(xiàn)

夏 淇

（中國(guó)鐵路武漢局集團(tuán)有限公司貨運(yùn)部，湖北 武漢 430071）

1 概述

軌道衡技術(shù)在短短三十年間發(fā)展迅速，從斷軌到不斷軌、靜態(tài)計(jì)量到動(dòng)態(tài)計(jì)量、低速軌道衡到高速軌道衡、單一計(jì)量的軌道衡到多功能的軌道衡、高誤差到精確度高、人工操作到無(wú)人值守。未來(lái)的軌道衡發(fā)展趨勢(shì)是軌道衡網(wǎng)絡(luò)化、信息化、多種功能集合，本文主要將通過(guò)對(duì)高速軌道理論和采樣數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理技術(shù)的學(xué)習(xí)研究，以及對(duì)現(xiàn)有軌道稱(chēng)重計(jì)量系統(tǒng)的考察學(xué)習(xí)，構(gòu)建了一個(gè)以高速動(dòng)態(tài)稱(chēng)重、車(chē)號(hào)識(shí)別、數(shù)據(jù)管理、無(wú)人值守、超載檢測(cè)（預(yù)警）、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控的動(dòng)態(tài)電子軌道衡系統(tǒng)。旨在為提高鐵路計(jì)量、維護(hù)、安全的工作效率，為安全高效的鐵路系統(tǒng)提供科學(xué)、合理和現(xiàn)代化的發(fā)展建議和理論指導(dǎo)。

2 動(dòng)態(tài)電子軌道衡稱(chēng)重方案的確定

目前國(guó)內(nèi)軌道衡的稱(chēng)重方案以力學(xué)上的稱(chēng)重為主，分別采用正應(yīng)力、彎矩、剪力三種方法。動(dòng)態(tài)電子軌道衡稱(chēng)重方案可以根據(jù)三個(gè)方案對(duì)重量分析得出結(jié)論：正應(yīng)力基坑型不能擺脫由于基礎(chǔ)建設(shè)復(fù)雜的工序和技術(shù)限制而造成精度下降的局限，盡管傳感器在某種程度上能達(dá)到0.2 以上的水平。但系統(tǒng)設(shè)備施工困難，且不能避免車(chē)輛前后對(duì)稱(chēng)重區(qū)域的彈性體應(yīng)變影響，而稱(chēng)重偏載量測(cè)得誤差大，不利于鐵道貨運(yùn)計(jì)量統(tǒng)計(jì)，因此不適合動(dòng)態(tài)電子軌道稱(chēng)量需要；而基于sneed 橋稱(chēng)重原則的軌道衡，具有無(wú)秤臺(tái)、不基坑等優(yōu)點(diǎn)，大大降低了生產(chǎn)成本和裝修費(fèi)用，但鐵路貨場(chǎng)的惡劣軌枕基礎(chǔ)條件，以及鄰軸與鄰軌之間的影響，加上相鄰枕跨距短的局限因素，所以精度比常規(guī)的軌道衡低。表1 為三種計(jì)量類(lèi)型的優(yōu)缺點(diǎn)。

通過(guò)上述分析，剪力式動(dòng)態(tài)軌道重量方案，省去了整個(gè)基坑、道床，遠(yuǎn)離鋼軌?mèng)~尾板連接區(qū)的不斷軌技術(shù)，是符合動(dòng)態(tài)電子軌道重量系統(tǒng)要求的首選。由于其抗偏載性能，抗不受臨軸及軌道的影響，該特性保證了安裝高可靠度，而且設(shè)備簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，便于安裝及標(biāo)定。特別是，在不換軌道的情況下，本文所采用的剪力傳感器可以使系統(tǒng)的精度達(dá)到0.5 級(jí)以上，這是其它同類(lèi)軌道衡不能達(dá)到的，另外加上采用壓力傳感器與剪力傳感器相配合，形成了1w2s 的數(shù)據(jù)采集通道，可以使電子軌道的動(dòng)態(tài)衡精度，采樣頻率和性能均有所提高。因此，本文采用剪力結(jié)合壓力傳感器為本系統(tǒng)計(jì)量的方案。

表1 三種計(jì)量類(lèi)型的優(yōu)缺點(diǎn)

3 動(dòng)態(tài)電子軌道衡系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

動(dòng)態(tài)電子軌道衡硬件系統(tǒng)組成部分如下：

電源系統(tǒng)電路。電源的要求是220v 交流，輸出需滿(mǎn)足多種直流（±10v，±12v，±5v，±3v）等等。滿(mǎn)足傳感器，放大電路，A/D 轉(zhuǎn)換電路，以及接口線路的供電。在傳感器中偏載傳感器件的選擇非常重要，偏載傳感器直接關(guān)系決定了車(chē)輛測(cè)量時(shí)的精度，傳感器主要分為兩種：軌道超載系統(tǒng)的室外軌道平臺(tái)兩端分別安裝有重力傳感器和剪切傳感器，兩種傳感器各4 個(gè)，利用二力合成的原理對(duì)需要測(cè)量車(chē)輛進(jìn)行車(chē)輛重量精度信息、發(fā)生超載時(shí)的偏量精度信息、列車(chē)運(yùn)行方向精度信息等，這一部分是軌道整體偏載系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵組成部分。

放大電路。在軌道衡系統(tǒng)中傳感器的輸出信號(hào)是十分微弱的，這時(shí)就需要放大電路對(duì)來(lái)自傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行放大處理，進(jìn)而可對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行分析處理。

A/D 轉(zhuǎn)換電路。放大電路的作用是放大與濾波傳感器傳輸?shù)男盘?hào)，經(jīng)過(guò)放大電路后的信號(hào)下一步將由A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行處理。經(jīng)過(guò)放大電路處理后的信號(hào)是模擬信號(hào)，但是計(jì)算機(jī)能夠處理的信號(hào)是數(shù)字信號(hào)，所以A/D轉(zhuǎn)換電路在此過(guò)程的作用就是將來(lái)自傳感器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以處理的數(shù)字信號(hào)。A/D 轉(zhuǎn)換芯片的位元數(shù)影響處理精度，一般建議使用16 位作為A/D 位數(shù)轉(zhuǎn)換器的芯片。

列車(chē)在過(guò)衡時(shí)，由傳感器收集原來(lái)的信號(hào)，傳送到數(shù)據(jù)采集器，經(jīng)放大、濾波和a/d 采樣，經(jīng)控制器輸送到計(jì)算機(jī)，由軌道衡測(cè)量軟件再對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，然后對(duì)管理工作進(jìn)行顯示和打印。圖1 為動(dòng)態(tài)電子軌道衡硬件系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)圖。

圖1 動(dòng)態(tài)電子軌道衡硬件系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)圖

3.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)我國(guó)軌道衡的不斷優(yōu)化稱(chēng)重計(jì)算原則，將測(cè)量傳感器對(duì)其輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行放大，濾波后再通過(guò)某種A/D 信號(hào)轉(zhuǎn)換方式產(chǎn)生模擬數(shù)字信號(hào)，再通過(guò)某種傳輸方式將數(shù)據(jù)分析和測(cè)量運(yùn)算結(jié)果傳輸傳送至處理器，最終可以得到超載重量計(jì)算結(jié)果和其他相關(guān)超載重量信號(hào)。

動(dòng)態(tài)電子軌道衡是根據(jù)二力合成的原理，由壓力傳感器收集波形和剪力傳感器收集波狀信號(hào)的合成訊號(hào)，稱(chēng)為重信息。剪力傳感器安裝于稱(chēng)重軌的腰部，負(fù)責(zé)收集通過(guò)重軌列車(chē)產(chǎn)生的阻力變形信號(hào)。檢測(cè)車(chē)輛在通過(guò)系統(tǒng)過(guò)程中首先會(huì)通過(guò)剪力傳感器，當(dāng)車(chē)輪尚未達(dá)到重傳感器的稱(chēng)重時(shí)，剪力傳感器輸出負(fù)值，隨著車(chē)輪與剪力傳感器距離減小，傳感器輸出值也不斷減小，到達(dá)正上方剪力信號(hào)的瞬間為零；隨著檢測(cè)車(chē)輛繼續(xù)前行，剪力信號(hào)變成了正的最大值，車(chē)輪在兩端剪力傳感器不同的位置上連續(xù)作用，彼此疊加時(shí)表現(xiàn)出不斷的動(dòng)態(tài)波狀。

當(dāng)軌道衡上有檢測(cè)車(chē)輛通過(guò)時(shí)，壓力傳感器收集的信號(hào)在秤臺(tái)上作用，由于列車(chē)重量部分在秤臺(tái)外的過(guò)渡區(qū)域，壓力傳感器所輸出的波形已不再明顯跳變，而是持續(xù)不斷地正弦波形，當(dāng)車(chē)輪處于兩個(gè)傳感器的中心時(shí)，壓力信號(hào)最大值達(dá)到，因此，壓力傳感器發(fā)出的信號(hào)值是衰減后的。但重力信號(hào)損失僅僅是由于重軌阻尼變形所致，而安裝在重軌的腰部剪力傳感器則收到阻尼變形信號(hào)。剪力傳感器的輸出信號(hào)與壓力傳感器的輸出信號(hào)在一定程度上放大，合成信號(hào)與軌道衡非常接近的方波躍信號(hào)，這種合成訊號(hào)被視為重信號(hào)來(lái)計(jì)算。這就解決了不斷軌道動(dòng)態(tài)電子軌道衡壓力信號(hào)的衰減問(wèn)題。

4 動(dòng)態(tài)電子軌道衡系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

4.1 軟件的總體設(shè)計(jì)

動(dòng)態(tài)電子軌道衡稱(chēng)重軟件設(shè)計(jì)的目標(biāo)是：能實(shí)時(shí)顯示波形、重量、速度、車(chē)號(hào)、皮重、載重、攝像畫(huà)面，自動(dòng)存盤(pán)。能識(shí)別過(guò)衡方向，根據(jù)方向選擇相應(yīng)系數(shù)。調(diào)試檢測(cè)功能齊全。故障自檢能檢測(cè)到任意一只傳感器，并有報(bào)警功能。具有遠(yuǎn)程維護(hù)調(diào)試功能。管理功能強(qiáng)大，報(bào)表豐富。

4.2 軟件設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

在軌道衡重量系統(tǒng)中，軟件部分的實(shí)現(xiàn)體現(xiàn)在應(yīng)用了MATLAB 等軟件，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件對(duì)傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與計(jì)算，這一過(guò)程中需要實(shí)現(xiàn)汽車(chē)上衡自動(dòng)檢測(cè)，列車(chē)車(chē)型判斷、數(shù)字濾波，列車(chē)重量計(jì)算和超偏載判斷等。稱(chēng)重系統(tǒng)的最終實(shí)現(xiàn)功能是：列車(chē)在沒(méi)有停止運(yùn)行的情況下通過(guò)軌道衡系統(tǒng)時(shí)，計(jì)算機(jī)自主控制實(shí)現(xiàn)對(duì)列車(chē)進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量、自動(dòng)稱(chēng)量、單節(jié)重、整車(chē)的重量、計(jì)算火車(chē)節(jié)數(shù)的功能操作，最終打印保存。軌道衡軟件系統(tǒng)的功能設(shè)置如圖2 所示。

圖2 軌道衡軟件系統(tǒng)的功能設(shè)置

4.3 動(dòng)態(tài)電子軌道衡稱(chēng)重軟件的流程

傳感器收集到的模擬差分信號(hào)x（t），通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換器，將準(zhǔn)差信號(hào)從數(shù)據(jù)采集通道轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)x（n），并輸入控制器，將數(shù)字信號(hào) x（n）輸入，控制器將數(shù)字信號(hào)x（n）通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送至計(jì)算機(jī)，數(shù)字信號(hào)x（n），在計(jì)算機(jī)上通過(guò)MATLAB 等軟件，要完成車(chē)輛上衡自動(dòng)檢查、車(chē)型分辨、數(shù)字濾波、重量測(cè)定和超偏載判斷等算法。如圖3 是動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)的算法設(shè)計(jì)流程圖。

圖3 動(dòng)態(tài)軌道衡稱(chēng)重系統(tǒng)的算法流程圖

通過(guò)網(wǎng)口傳送到計(jì)算機(jī)上的數(shù)字信號(hào)x（n）先經(jīng)濾波，當(dāng)采樣數(shù)據(jù)已經(jīng)超過(guò)x 個(gè)時(shí)，此時(shí)認(rèn)為采樣數(shù)據(jù)量已經(jīng)達(dá)到要求，可進(jìn)行下一步的處理，x 的取值來(lái)自于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在這里將其值設(shè)置為1024。當(dāng)傳輸過(guò)來(lái)的采樣數(shù)據(jù)出現(xiàn)跳變時(shí)，如果跳變值超過(guò)“門(mén)檻”，則判斷車(chē)輛已經(jīng)達(dá)到了衡量。隨后對(duì)生成的波形進(jìn)行分析，根據(jù)車(chē)頭與車(chē)廂的數(shù)據(jù)特征差異，辨別是車(chē)頭還是頭部，如果將車(chē)頭移除，接下來(lái)依據(jù)累計(jì)零稱(chēng)的長(zhǎng)度判斷列車(chē)數(shù)據(jù)段的確切位置，零稱(chēng)時(shí)間前推為車(chē)廂前轉(zhuǎn)向架波形，后推為車(chē)頭波形，通過(guò)最后兩轉(zhuǎn)向架的重量可以得出整車(chē)的重量，根據(jù)波狀圖還可以得到列車(chē)速度、列車(chē)載貨重量等數(shù)據(jù)，進(jìn)而對(duì)下一車(chē)廂進(jìn)行測(cè)量。如果零城稱(chēng)時(shí)間長(zhǎng)度大于所預(yù)設(shè)的一個(gè)值，表示檢測(cè)車(chē)輛完成通過(guò)，完成稱(chēng)重過(guò)程，然后退出計(jì)算，進(jìn)行文件訪問(wèn)、結(jié)果打印等操作。

4.4 計(jì)量數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)共享

計(jì)算機(jī)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，使用于軌道衡系統(tǒng)輸出的多個(gè)附加測(cè)量數(shù)據(jù)同時(shí)能夠通過(guò)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)管理中心的一個(gè)服務(wù)器從軌道衡檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行下載，也就是可通過(guò)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)將其他終端的附加數(shù)據(jù)同時(shí)傳送連接到軌道衡檢測(cè)系統(tǒng)，從而大大降低了用于軌道衡系統(tǒng)輸出的附加數(shù)據(jù)在移動(dòng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的錯(cuò)誤錄入，提高了附加數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確度；同時(shí)，軌道衡檢測(cè)系統(tǒng)還同時(shí)可以通過(guò)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)向其他終端用戶(hù)傳送附加稱(chēng)重的測(cè)量數(shù)據(jù)，或者將其數(shù)據(jù)傳送連接到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)管理中心的一個(gè)服務(wù)器，也就是通過(guò)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中心來(lái)直接實(shí)現(xiàn)通過(guò)軌道衡系統(tǒng)檢測(cè)和傳送附加的測(cè)量數(shù)據(jù)以及資源信息分享和數(shù)據(jù)管理。

系統(tǒng)采用了C/S 與B/S 架構(gòu)。軌道衡重?cái)?shù)據(jù)采集和自動(dòng)儲(chǔ)存采用C/S 模式，使用內(nèi)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)組成本地局域網(wǎng)，計(jì)算機(jī)采集軌道衡重?cái)?shù)據(jù)，并將采集數(shù)據(jù)自動(dòng)儲(chǔ)存到本地，同時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，在總部的信息中心服務(wù)器上同步儲(chǔ)存，以便遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的瀏覽、詢(xún)問(wèn)和統(tǒng)計(jì)。數(shù)據(jù)采集端使用C/S 模式，可以保證對(duì)處理復(fù)雜事物的響應(yīng)快、邏輯性強(qiáng)，數(shù)據(jù)訪問(wèn)準(zhǔn)確和可靠性等要求進(jìn)行控制。稱(chēng)重現(xiàn)場(chǎng)以外的余下部分，采用B/S 模式設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)重管理系統(tǒng)。C/S 和多端統(tǒng)計(jì)軟件的主要統(tǒng)計(jì)功能內(nèi)容包括：統(tǒng)計(jì)實(shí)時(shí)重要統(tǒng)稱(chēng)數(shù)據(jù)處理，包括：衡器參數(shù)設(shè)置，稱(chēng)重統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)采集，顯示、儲(chǔ)存和數(shù)據(jù)上傳，B/S 端統(tǒng)計(jì)軟件主要的統(tǒng)計(jì)功能內(nèi)容包括：統(tǒng)計(jì)下發(fā)實(shí)時(shí)重稱(chēng)數(shù)據(jù)計(jì)劃（與本地?cái)?shù)據(jù)處理中心端或服務(wù)器數(shù)據(jù)同步的本地統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)），統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，報(bào)表統(tǒng)計(jì)打印等等。網(wǎng)絡(luò)軌道衡稱(chēng)重管理系統(tǒng)功能模塊如圖4 所示。

圖4 網(wǎng)絡(luò)化軌道衡稱(chēng)重管理系統(tǒng)功能模塊

5 結(jié)論

本文的研究工作初步探討了動(dòng)態(tài)電子軌道衡的理論實(shí)現(xiàn)問(wèn)題，根據(jù)力學(xué)理論，分析了影響軌道衡稱(chēng)重系統(tǒng)的計(jì)量精度和穩(wěn)定性的因素，提出了具體的改進(jìn)措施，實(shí)施后效果良好。設(shè)計(jì)了軌道衡計(jì)量數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)共享、數(shù)據(jù)上傳等技術(shù)方案，為網(wǎng)絡(luò)化的軌道衡網(wǎng)絡(luò)化改造提供了參考依據(jù)和技術(shù)實(shí)施方案。