便攜式軌檢儀研究

王志勇，朱洪濤，胡立峰，李江明，魏 暉

(1.南昌大學機電工程學院，江西南昌 330031;2.南昌鐵路局鷹潭工務機械化段，江西鷹潭 335000)

軌道檢查儀具有檢測精度高、檢測項目全、檢測速度快、環境適應性好等優點，能夠大幅度提高軌道檢測效率與質量并減輕檢測人員的勞動強度。因此，軌檢儀作為基本檢測裝備已廣泛應用于200 km/h以上線路。然而，我國路情復雜，目前軌檢儀并未做到真正意義上的全覆蓋，在非提速線路上軌道檢測的主要手段依然是“人工+道尺”。其原因主要在于:①非提速線路建線標準低，并保留了行車間隔作業的條件，因此對于軌檢儀的便攜性要求較高而對測量項目與精度要求相對較低;②儀器功能的增加與性能的改進帶來成本的增加，非提速線路每公里預算有限，這種條件下只要求完成月檢的基本項目檢測，儀器功能與性能以滿足現場要求為度;③目前標準型軌檢儀普遍采用“軌檢儀+PC終端”的組合模式，其數據采集與分析終端普遍采用的是具有良好的抗震、抗高低溫及電磁干擾的軍用級PC，但其功能冗余較大且價格昂貴，且串口線連接方式限制了操作人員的活動范圍。因此，亟需開發一種功能與運營條件匹配、經濟性與便攜性好、抗干擾能力強的便攜式軌檢儀。

本文設計一種便攜式軌檢儀，在硬件電路方面對原軌檢儀進行功能篩選與簡化，減小機身重量;應用“移動終端+無線連接”代替原“軍用級PC+串口線連接”方案;在移動終端上開發軌檢儀應用軟件，實現對軌檢儀的無線控制，在檢測作業時對采集到的數據進行顯示、存儲，以克服原軌檢儀在機動性、經濟性與便攜性方面的不足。

1 系統總體構架

作為法定計量器具，我國的工務鐵專量具實行分級使用，分級管理。其中，軌檢儀的準確度依據適用線路速度等級可分為 0級(≤350 km/h)與1級(≤250 km/h)。各級軌檢儀又可依據功能特征分為H，T，S，L，HW，TW，SW 或 LW 等型號。其中，H，T，L為基本型號，W為外部參數測量功能特征代碼;S為便攜型，僅包含軌距、超高(水平)測量功能，其準確度等級僅包含1級。由文獻［1］可知，提速及非提速線路軌道檢測的主要幾何形位參數為軌距、軌距變化率、超高(水平)、扭曲等。為滿足對軌檢儀的機動性、經濟性與便攜性，本文設計的軌檢儀定為S型。

依據文獻［1］，S型軌檢儀的主要檢測項目及性能指標如表1所示。

基本型號的軌檢儀系統采用“軌檢儀+采集終端”的組合模式，即軌檢儀系統通過布置在小車上的前端傳感器獲取當前軌道的一系列幾何參數，數據匯集到下位機軌檢小車，軌檢小車對數據進行濾波、放大等處理后提取有效數據打包上傳到上位機，上位機接收數據后對其進行校驗、分析、處理、顯示及存儲等操作［2］。

為增加可靠性、減小過程風險并加速開發，該S型軌檢儀技術上較多地繼承現有基本型號軌檢儀并依據非提速線路工況開發部分功能。硬件電路方面，保留水平、軌距兩個基本軌道內部幾何參數和里程、溫度輔助參數，通過以上參數可計算出其他測量項目，如軌距變化率、三角坑等;同時依據功能定義，在保證了軌道檢測基本要求的前提下對原系統的測量功能進行了簡化，省去一些昂貴的高精度傳感器如測量軌向用的陀螺儀等。在數據采集方面，為降低成本并提高便攜性，采用藍牙串口模塊進行無線通訊，采用手持終端作為上位機。

表1 S型軌檢儀主要檢測項目及性能指標

改進后的系統組成如圖1所示。

圖1 便攜式軌檢儀

2 數據采集方案

2.1 藍牙串口模塊

藍牙技術因具有信道開放、低功耗、模塊體積小、安全穩定等突出優點，滿足了軌道檢測對較長續航能力和操作便捷性的要求;但傳統藍牙通信的協議復雜，不易操作。相比之下，串口協議是一種非常通用設備通信協議，其協議簡單，易于編程。

藍牙串口模塊支持串口仿真協議(RFCOMM)［3-4］，是藍牙技術與串口通信結合的產物，它保留了藍牙通信與串口通信的優點，數據的傳輸采用藍牙技術，在上位機的程序開發過程中直接調用虛擬串口就能實現數據的無線通信，整個虛擬串口建立流程如圖2所示。

2.2 手持終端

圖2 虛擬串口建立流程

手持終端是一種集信息處理、數據通信及遠程控制于一身的嵌入式設備。近年來，隨著計算機硬件和軟件技術的快速發展，嵌入式手持終端性能在不斷提高，硬件功能不斷擴充，卻依然保持著經濟性。現有手持終端在硬件性能、抗干擾等方面接近軍用級PC，可以實現軍用級PC上的復雜應用。圖3為采用手持終端對軌檢儀進行現場標定。

圖3 手持終端標定

3 應用軟件設計

3.1 功能規劃

采用手持終端的軌檢儀應能完全實現傳統軌檢儀的功能，包括系統標定、數據采集、在線數據監測及數據文件保存等，并且采用移動手持終端代替原有上位機后，傳輸方式改為藍牙連接，故采用手持終端后還需要實現藍牙設備連接的功能。

根據軌道檢測需求，該手持終端軟件功能模塊如表2所示。

表2 軟件功能

3.2 軟件系統框架

軟件系統框架如圖4所示，用戶在進入各子功能模塊后，可以進行系統文件的讀寫或進行上下位機通訊。其中指令系統建立在上下位機指令格式上，它主要針對軌檢儀的控制設計，由命令標識和命令代碼組成，數據通訊時采用ASCII碼進行數據傳輸。對應特定上位機指令，軌檢儀上傳不同數據信息。為使系統中的數據格式統一，軌檢儀采用了數據包格式。為方便數據包的拆解，數據包設計為“起始標識符+測量數據”格式，測量數據依上位機指令不同而異。

圖4 軟件系統框圖

文件系統是該軟件的重要組成部分，包括系統參數和測量數據兩類。系統參數包括標定數據、曲線參數和線路規則等，它們參與對軌檢儀上傳數據的換算、補償和校正等過程，用戶使用時可以通過中間結構體變量格式對這些參數進行修改與保存。

4 樣機測試結果分析

4.1 軟件測試效果

采用該便攜式軌檢儀測量一段已知參數的軌道。圖5為手持終端軟件系統的現場標定和在線測量界面。

圖5 手持終端界面

4.2 重復性測試結果

圖6分別為某廠自備線路軌道的水平、軌距測試結果，數據為隨機抽取的3組數據。其中由于軌道軌縫的存在，同時軌檢儀系統推行速度不均，造成水平傳感器受到較大沖擊，因而個別水平值較大，實際測量工作中應予以刪除［5］。

根據TB/T 3147—2012中1級鐵路軌道檢查儀的水平、軌距兩項重復性允許誤差均為0.375 mm，實際線路測試表明本文便攜式軌檢儀能達到該要求。

圖6 重復性測試結果

5 結語

本文針對傳統軌檢儀在機動性、經濟性和操作便攜性方面的不足，設計了一種便攜式軌檢儀。從硬件電路、數據采集方案、應用軟件設計三方面對原系統進行了改進。用手持終端取代了昂貴且攜帶不便的上位機和軍用級PC，降低軌檢產品成本。手持終端便于攜帶和操作，使軌檢單元便攜化，能改善巡道工的勞動強度和勞動環境，提高工作效率，減少了人為操作失誤。由原來的有線傳輸變為無線傳輸，使用戶操作更加靈活、便捷。通過樣機測試，證明該系統能夠穩定高效地完成軌道檢測任務。目前，該軌檢儀已投入實際生產并在昆明、重慶地鐵施工中得以應用。

［1］中華人民共和國鐵道部.TB/T 3147—201 鐵路軌道檢查儀［S］.北京:中國鐵道出版社，2012.

［2］王志勇，朱洪濤，李大勇.基于U盤的單片機低功耗海量存儲系統［J］.微計算機信息，2006，22(5-2):91-93.

［3］馬晉興，陳啟軍.藍牙協議棧中RFCOMM協議層的分析與實現［J］.計算機工程，2004，30(8):112-113.

［4］余勝生，蘇漢華，周敬利.Bluetooth協議棧 RFCOMM協議層分析與設計［J］.小型微型計算機系統，2002，23(9):1037-1040.

［5］朱洪濤，李大勇，王志勇，等.軌檢儀抑制軌縫干擾信息的數字濾波法［J］.微計算機信息，2006，22(16):182-183.