基于無(wú)線傳輸?shù)蔫F路列車噪聲遠(yuǎn)程自動(dòng)檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

楊 姝, 趙鴻耀, 王曉玲, 羅 佳

(1.電子科技大學(xué) 成都學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院,成都 611731,E-mail:18483626@qq.com; 2.西南交通大學(xué)唐山研究院,河北 唐山 063000;3.四川大學(xué) 錦江學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院,四川 眉山 620860)

鐵路運(yùn)營(yíng)過(guò)程中對(duì)環(huán)境影響最為顯著的是列車噪聲污染,它直接或間接地危及沿線居民的生理和心理健康,影響人們正常的工作和生活,成為不可忽視的環(huán)境問(wèn)題。噪聲是使人感到不愉快的聲音的總稱,通常用聲級(jí)計(jì)測(cè)量聲波的大小表示[1-3],聲級(jí)單位是分貝(dB)。我國(guó)將噪聲標(biāo)準(zhǔn)值分為5類,其中第四類噪聲標(biāo)準(zhǔn)的等級(jí)最高為55 dB～70 dB,第4類標(biāo)準(zhǔn)適用于城市中的道路交通干線道路兩側(cè)區(qū)域,穿越城區(qū)的鐵路主、次干線兩側(cè)區(qū)域的背景噪聲。我國(guó)城市區(qū)域噪聲等級(jí)規(guī)定,60 dB～65 dB為中度污染,大于65 dB為重度污染[4]。

鐵路沿線列車噪聲問(wèn)題主要發(fā)生于列車通過(guò)曲線段時(shí)輪緣貼靠、輪軌界面滾滑接觸等導(dǎo)致的摩擦嘯叫,以及其他軌面不平順等問(wèn)題引發(fā)的滾動(dòng)接觸噪聲[5-8]。輪軌界面摩擦嘯叫產(chǎn)生噪聲聲壓級(jí)可達(dá)到85 dB～110 dB[9-10],導(dǎo)致嚴(yán)重噪聲污染,影響鐵路沿線居民區(qū)的生活健康,特別是對(duì)地鐵、城軌等運(yùn)行于城市區(qū)間、多曲線特征的城市軌道交通,其噪聲污染已成為當(dāng)前一個(gè)亟需解決的技術(shù)難題[11]。然而,目前我國(guó)鐵路沿線噪聲測(cè)量以人工測(cè)量為主[12-13],測(cè)量人員需培訓(xùn)合格且持專業(yè)設(shè)備,在合適監(jiān)測(cè)地點(diǎn)實(shí)施噪聲監(jiān)測(cè),這使得測(cè)量即費(fèi)時(shí)又費(fèi)力,難以適應(yīng)我國(guó)鐵路快速發(fā)展的要求,因此實(shí)現(xiàn)鐵路列車噪聲的自動(dòng)測(cè)量與監(jiān)測(cè)是十分必要和急迫的。通過(guò)對(duì)列車噪聲嚴(yán)重的曲線地段進(jìn)行噪聲全天候自動(dòng)監(jiān)測(cè),可根據(jù)列車噪聲發(fā)生規(guī)律與等級(jí)來(lái)制訂降低列車噪聲的調(diào)控技術(shù)方案,通過(guò)對(duì)后續(xù)效果的長(zhǎng)期自動(dòng)監(jiān)測(cè)跟蹤,可進(jìn)一步建立控制鐵路列車噪聲的有效技術(shù)方法。

本文基于鐵路列車噪聲現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化需求,研發(fā)設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)線傳輸?shù)蔫F路列車噪聲遠(yuǎn)程自動(dòng)自動(dòng)檢測(cè)裝置,為列車噪聲的全天候?qū)崟r(shí)測(cè)自動(dòng)監(jiān)測(cè)提供了重要技術(shù)支撐。

1 裝置設(shè)計(jì)與組成

為準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)與評(píng)估噪聲狀態(tài),設(shè)計(jì)了基于無(wú)線傳輸?shù)蔫F路列車噪聲遠(yuǎn)程自動(dòng)自動(dòng)檢測(cè)裝置,其裝置的設(shè)計(jì)方案如圖1所示。當(dāng)列車通過(guò)時(shí),紅外限位開關(guān)將檢測(cè)列車通過(guò)并啟動(dòng)檢測(cè)裝置工作,通過(guò)噪聲傳感器聲壓級(jí)測(cè)量,測(cè)量結(jié)果遠(yuǎn)程傳輸保存在云平臺(tái)服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)供后續(xù)評(píng)估分析,該裝置通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間自動(dòng)檢測(cè)存儲(chǔ)噪聲數(shù)據(jù),可為鐵路列車噪聲研究提供數(shù)據(jù)保證,同時(shí)也可通過(guò)移動(dòng)端實(shí)現(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)查看與分析。

圖1 列車噪聲遠(yuǎn)程自動(dòng)自動(dòng)檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)方案

裝置的主要組成包括:自動(dòng)檢測(cè)模塊、噪聲測(cè)量模塊、無(wú)線傳輸模塊等三個(gè)主要模塊及天線、電源電路組成,其工作原理示意圖如圖2所示。裝置所用的主控芯片采用的是STM32 F103C8T6處理器,相比于傳統(tǒng)的STC單片機(jī),該處理器處理速度較快而且性價(jià)比較高。裝置工作采用直流12 V充電聚合物鋰電池供電。

圖2 檢測(cè)裝置原理圖

2 模塊設(shè)計(jì)原理與實(shí)現(xiàn)

自動(dòng)檢測(cè)裝置主控制器采用低功耗的STM32F103C8T6芯片,cortex-M3架構(gòu),片內(nèi)集成64 KB FLASH,20 KB SRAM,最高72 MHz的采樣頻率,兩個(gè)12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器,正常工作電壓2.0 V～3.6 V。主要負(fù)責(zé)將采集到的噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,再將處理好的數(shù)據(jù)打包傳輸至4G DTU。

為實(shí)現(xiàn)列車通過(guò)時(shí)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)功能,列車通過(guò)自動(dòng)檢測(cè)模塊采用紅外測(cè)距觸發(fā)的方式判斷列車通過(guò),列車通過(guò)時(shí)觸發(fā)紅外限位開關(guān),通過(guò)開關(guān)量采集電路,轉(zhuǎn)化為單片機(jī)可識(shí)別的電信號(hào),從而喚醒設(shè)備開始數(shù)據(jù)工作。已知一輛CR400BF-A型長(zhǎng)編組“復(fù)興號(hào)”以時(shí)速250 km/h運(yùn)行通過(guò)定點(diǎn)所需時(shí)間約為6 s,故設(shè)置裝置在觸發(fā)后采集6 s后停止數(shù)據(jù)采集。根據(jù)紅外測(cè)距開關(guān)設(shè)計(jì)了電路圖,實(shí)現(xiàn)了列車通過(guò)自動(dòng)檢測(cè)信號(hào)的傳輸,所設(shè)計(jì)的自動(dòng)檢測(cè)模塊電路如圖3,主要由12 V直流電源供電,通過(guò)觸發(fā)紅外限位開關(guān)可實(shí)現(xiàn)裝置的自動(dòng)開啟。檢測(cè)選用紅外限位開關(guān)型號(hào)為E18-D80NK,它是一種集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器,發(fā)射光經(jīng)過(guò)調(diào)制后發(fā)出,接收頭對(duì)反射光進(jìn)行解調(diào)輸出,從而有效避免了可見光的干擾。

圖3 自動(dòng)檢測(cè)模塊相關(guān)電路設(shè)計(jì)圖

檢測(cè)裝置噪聲測(cè)量模塊通過(guò)噪聲傳感器(選用咪頭測(cè)量噪聲數(shù)據(jù),相關(guān)技術(shù)參數(shù)見表1)將列車通過(guò)12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器以數(shù)字信號(hào)的形式傳輸至單片機(jī),單片機(jī)以電壓值形式讀取該噪聲值,隨后單片機(jī)將該電壓值進(jìn)行量程轉(zhuǎn)換便可獲取實(shí)時(shí)的噪聲數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)使用STM32F103C8T6芯片內(nèi)部12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器,配置AD采集電路來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集,其采集頻率為20 Hz。單片機(jī)將采集的所有數(shù)據(jù)打包在一個(gè)數(shù)組中,并設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)處理程序過(guò)濾無(wú)效數(shù)據(jù)并獲得噪聲真實(shí)數(shù)據(jù)。裝置工作過(guò)程中處理后的真實(shí)的噪聲分貝值存儲(chǔ)于單片機(jī)內(nèi)部Flash中,可實(shí)現(xiàn)隨時(shí)讀寫,設(shè)計(jì)中編寫了數(shù)據(jù)處理程序過(guò)濾無(wú)效數(shù)據(jù)并獲得噪聲真實(shí)數(shù)據(jù)。

表1 噪聲傳感器技術(shù)參數(shù)

自動(dòng)檢測(cè)裝置無(wú)線傳輸模塊采用基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)[14-15],編寫并調(diào)試通訊模塊控制主程序,使用4G DTU無(wú)線終端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。工作時(shí)在紅外限位模塊判斷列車通過(guò)后,采集裝置中單片機(jī)將數(shù)據(jù)傳輸至4G DTU,然后DTU通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)傳輸采用TCP協(xié)議將相關(guān)數(shù)據(jù)到云端平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)保存。為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸與保持,設(shè)計(jì)的無(wú)線傳輸模塊電路設(shè)計(jì)如圖4所示,通過(guò)4G DTU可進(jìn)行數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。

圖4 無(wú)線傳輸模塊電路設(shè)計(jì)圖

無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊工作原理為:單片機(jī)通過(guò)RS485接口將處理后的相關(guān)噪聲數(shù)據(jù)采用Modbus協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸至4G DTU,DTU通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò),與云端平臺(tái)連接并將數(shù)據(jù)傳輸至云端平臺(tái)。通過(guò)通訊模塊和云端平臺(tái)建立連接并實(shí)時(shí)傳輸相關(guān)數(shù)據(jù),設(shè)備每采集一次噪聲數(shù)據(jù)即會(huì)傳輸至云端平臺(tái),云端平臺(tái)可以長(zhǎng)時(shí)間保存噪聲數(shù)據(jù)并制作相關(guān)數(shù)據(jù)報(bào)表。裝置選用的4G DTU型號(hào)為USR-DR504,該DTU 5模13頻、4G全網(wǎng)通,具有高速率、低時(shí)延、體積小、易安裝等優(yōu)點(diǎn)。該DTU插上相關(guān)的物聯(lián)網(wǎng)卡或者電話卡即可滿足4G通訊需求。數(shù)據(jù)采集結(jié)束后,單片機(jī)會(huì)打包將噪聲數(shù)據(jù)發(fā)送至DTU,DTU采用TCP協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)出,數(shù)據(jù)先傳輸至基站,再傳輸至云端平臺(tái)。4G DTU部分技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 4G DTU技術(shù)參數(shù)

自動(dòng)檢測(cè)裝置使用的云端平臺(tái)由云組態(tài)管理平臺(tái)、云監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)、物聯(lián)卡管理平臺(tái)三部分構(gòu)成,通過(guò)主流物聯(lián)網(wǎng)接入?yún)f(xié)議(MOTT)通訊,云端平臺(tái)監(jiān)控界面圖如圖5所示。云端平臺(tái)通過(guò)組態(tài)采集軟件解析并儲(chǔ)存相關(guān)噪聲數(shù)據(jù),用戶可通過(guò)智能手機(jī)或電腦登錄云端平臺(tái)隨時(shí)隨地的查看各時(shí)間段的噪聲監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),并可在該平臺(tái)下載噪聲數(shù)據(jù)報(bào)表,可以設(shè)置噪聲報(bào)警值,在數(shù)值超過(guò)預(yù)警值時(shí),以短信或其他方法提醒用戶。

圖5 云端平臺(tái)監(jiān)控界面圖

設(shè)計(jì)的自動(dòng)檢測(cè)裝置基于單片機(jī)微功耗工作模式進(jìn)行工作。當(dāng)列車未到來(lái)時(shí),裝置處在待機(jī)狀態(tài),待機(jī)電流在0.01 mA量級(jí);當(dāng)列車通過(guò)時(shí),該裝置被喚醒開始工作,平均電流控制在100 mA以下,使用直流鋰電池對(duì)裝置進(jìn)行供電,可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間戶外工作。

3 檢測(cè)裝置現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果

為了保證裝置戶外工作時(shí)的安全性與穩(wěn)定性,自動(dòng)檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)了防水防灰外殼實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能,檢測(cè)裝置整體實(shí)物圖如圖6所示。將該自動(dòng)檢測(cè)裝置放置于鐵路旁邊合適位置,將紅外限位開關(guān)正對(duì)于鋼軌上方約1.5 m位置,打開電源開關(guān)設(shè)備即可自動(dòng)開始工作,當(dāng)列車通過(guò)時(shí)設(shè)備即可喚醒采集相關(guān)數(shù)據(jù)并傳輸至云端平臺(tái);當(dāng)列車完全通過(guò)后,設(shè)備自動(dòng)休眠等待下一次列車通過(guò)時(shí)的喚醒,具體工作流程如圖7所示。

圖6 自動(dòng)檢測(cè)裝置整體實(shí)物圖

圖7 檢測(cè)裝置工作主程序流程

圖8給出了所設(shè)計(jì)自動(dòng)檢測(cè)裝置的遠(yuǎn)端平臺(tái)實(shí)時(shí)噪聲監(jiān)測(cè)結(jié)果。檢測(cè)結(jié)果表明:所設(shè)計(jì)的裝置能自動(dòng)監(jiān)測(cè)列車運(yùn)行通過(guò)并實(shí)時(shí)記錄噪聲值,測(cè)量精度可達(dá)0.01 dB,與現(xiàn)有現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)測(cè)量相比其精度相同,滿足列車噪聲測(cè)量的精度要求。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明該自動(dòng)檢測(cè)裝置具有良好的工作狀態(tài)和可靠性,實(shí)現(xiàn)了基于無(wú)線傳輸?shù)蔫F路列車噪聲全天候自動(dòng)檢測(cè)功能。

圖8 云端平臺(tái)實(shí)時(shí)噪聲監(jiān)測(cè)結(jié)果

4 結(jié)論

(1) 設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)線傳輸?shù)蔫F路列車噪聲遠(yuǎn)程自動(dòng)自動(dòng)檢測(cè)裝置,由列車通過(guò)時(shí)的自動(dòng)檢測(cè)模塊、噪聲測(cè)量模塊及無(wú)線傳輸模塊等構(gòu)成。裝置可自動(dòng)檢測(cè)列車的通過(guò),利用噪聲測(cè)量模塊高頻率采集并實(shí)時(shí)分析噪聲數(shù)據(jù),采用基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)了噪聲數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸并將數(shù)據(jù)保存于云端平臺(tái)中。

(2) 自動(dòng)自動(dòng)檢測(cè)裝置可實(shí)現(xiàn)軌旁全天候列車通過(guò)噪聲的自動(dòng)檢測(cè)與數(shù)據(jù)傳輸,采樣頻率最高20 Hz,測(cè)量精度達(dá)0.01 dB;通過(guò)云端平臺(tái)可實(shí)時(shí)讀取并分析噪聲數(shù)據(jù),具有噪聲自動(dòng)預(yù)警功能,實(shí)現(xiàn)了列車噪聲的遠(yuǎn)程自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。