基于以太網技術的鐵路計量系統設計研究

楊曉林，張劍平，吳建新，朱思平，楊建平，馬嘉杰

(1.成都貨安計量技術中心有限公司 研發部，四川 成都 610081；2.中國鐵路青藏集團有限公司 客貨營銷部，青海 西寧 810007)

1 鐵路計量系統現狀

鐵路計量系統是鐵路運輸安全監測和貨物計量的重要工具。目前通用的鐵路計量系統設備有軌道衡和超偏載儀，二者都是由模擬信號方式的壓力傳感器及剪力傳感器、傳感器接線箱、多路數據采集控制系統、工業控制計算機、打印機和檢測軟件等組成。鐵路計量系統根據秤體結構設計、不同的數據算法，實現對檢測列車整車重量的測量，以及檢測車輛的前后重量偏載和左右中心偏移的功能。鐵路計量系統的工作原理是對傳感器模擬信號采集、傳輸、轉換、處理的系列過程。鐵路計量系統的工作流程如下：被檢測車輛的軸重信息通過傳感器的測量電路將電阻應變計電阻轉換成等比例的模擬電信號(電壓或電流)輸出，傳送給數據采集控制系統。數據采集控制系統把傳感器輸出的信號進行放大、濾波、A/D轉換等處理，通過專用數據接口輸入計算機。在稱量系統軟件的支持下，完成系統自檢、數據采集和數據處理，以及機車車輛判別，最后輸出數據。通用鐵路計量系統結構圖如圖1所示。

圖1 通用鐵路計量系統結構圖Fig.1 The structure diagram of general railway weighing system

傳統鐵路計量系統方式下采用模擬信號以串行方式輸出數據，存在傳輸速度慢，不便于組合，傳感器放大倍數不可調，A/D轉換速度和網絡速度較慢，工作狀態不穩定等特點。傳統鐵路計量系統通常會帶來以下問題：①傳感器模擬信號容易受到干擾。在模擬信號的傳輸過程中，容易被外界的電源、強磁場、微波對弱電的模擬信號造成干擾，導致最終采集信號的不穩定、數據不真實，影響對貨物的計量和貨運安全的監控。②現場設備或采集處理機維護較困難。在現場配置的采集處理機，容易在電源或系統等發生異常故障時，難以及時發現和恢復，影響到計量監測的正常工作；同時需要維護人員到達現場進行維護，增加維護難度。③不能滿足高速車輛的檢測精度要求。現有計量設備由于系統的結構特點，采樣頻率較低，傳輸方式的限制等因素，造成了在高速列車通過時所采集的信號周期不完整，對計量誤差有較大影響。④不便遠程監控和管理。由于傳感器輸出為模擬信號，遠程監控設備狀態困難，設備故障檢查維護不便。⑤系統不易靈活組網。在傳統的不同類別的軌道衡系統和高低速超偏載系統中，需要根據傳感器個數、機械臺面的個數等情況，使用不同的采集設備、信號處理設備、傳輸設備，達到應用和設備匹配，不能靈活地在不更換設備的情況下，在各系統中進行自由轉換。⑥系統方案統一困難。當前用戶使用多種形式的設備，需要對不同系統的維護、管理、使用進行相應地學習，致使對出現問題的設備維護、保養、處理難度加大，難以對設備儀器實現高效管理[1]。

針對傳統鐵路計量系統存在的上述問題，研究設計基于以太網技術的鐵路計量系統，以提高鐵路計量設備的測量精度、高速檢測和遠程化管理水平。

2 基于以太網技術的鐵路計量系統設計研究

以太網技術是指運用當前流行的網絡傳輸技術，采用指定的傳輸協議，按統一的以太網信息傳輸規則，對采集的原始信息，以數字數據的形式從采集點向接收端進行協議輸送。其優勢表現在：把原始信息以數字化信息進行傳輸，減少外界的電磁場等干擾，提高采樣數據的精度；同時可以避免模擬電信號長距離傳輸時的信號衰減，達到用以太網技術傳輸時不受傳輸距離限制的功能。把鐵路計量系統中各種傳感器采集的原始信息以以太網技術的方式進行信息傳輸，可以保證采集信息的真實性、實時性，體現遠距離傳輸的優勢，有利于提高設備的抗干擾能力和計量的精確度等級，實現遠程網絡管理的功能。此外，基于以太網技術的鐵路計量系統還具有更高的傳輸速度，結合高性能的模塊采樣率，以及計算機性能和軟件處理性能的提升，對高速通過列車的頻變周期采樣更完整，有利于高速列車的計量檢測和安全監控[2]。

2.1 總體架構

基于以太網技術的鐵路計量系統的整個機械結構由剪力傳感器、壓力傳感器、鋼軌、連接配件、過渡區及線纜組成，整個測試區間分為7個檢測臺面，每個檢測臺面包括左右2段測量區及其區間內的檢測部件，主要涉及區間內的2根水泥枕，中心距為600 mm，每根水泥枕的兩端上方安設有壓力傳感器，主要檢測貨車通過時上方軌道的垂直壓力，區間內有4只壓力傳感器；在測試區間的端部，鋼軌的中合軸安裝剪力傳感器，中心距為1 200 mm，檢測貨車通過時軌道的剪切力?；谝蕴W技術的鐵路計量系統總體架構如圖2所示。

每只傳感器在安裝到現場后，由一根特制網線輸出，在輸出網線的一端配置有Rj45接口，直接插入到就近的網絡控制設備上，即完成該路傳感器的連接過程，其他傳感器進行同樣的操作即可。整個實施方案流程簡單、方便、快速，對線路的快速投用起到積極作用。中間環節的縮減，有利于故障點的減少，所有傳感器接入網絡后，只需要一條專用網絡，把終端計算機和網絡控制箱連接起來即可投入工作，后期設備維護更加方便。

圖2 基于以太網技術的鐵路計量系統總體架構Fig.2 The overall structure diagram of railway weighing system based on the Ethernet

2.2 硬件設計

硬件設計主要采用數字電位器和網絡傳輸信號的方式，實現高速A/D轉換，多路傳感器并用，通過設定IP，實現遠程訪問，采集到每一只傳感器的輸出信號，可根據現場實際使用情況，對每只傳感器信號(包括增益、零點)輸出進行遠程調試與維護，通過調試使得系統盡可能處于理想狀態，方便查找故障傳感器，保證系統的可靠性與精度，不僅能夠實現每只傳感器狀態的遠程監控，還有利于計量設備智能化發展及信息化管理。電路原理框圖如圖3所示。

圖3 電路原理框圖Fig.3 Circuit principle block diagram

電路原理框圖的具體功能描述。

（1）傳感器經過外部供橋電路產生穩定的壓力輸出信號進入前置放大電路，對壓力信號預放大后，進入濾波電路。

（2）濾波電路可通過遠程傳輸指令傳輸給主控CPU，主控CPU再發送控制信號給濾波電路進而調整濾波系數。

（3）可變放大電路受主控CPU控制放大倍數，信號放大幅度為100 ～ 1 000倍。輸出端與調零電路連接?？勺兎糯箅娐方邮諄碜灾骺谻PU的控制信號，對每只模擬傳感器信號幅度進行調節和設置，將信號幅度調整至預定值。

（4）常用的調零電路一般采用調零電位器，零點輸出值較大或者較小通過手動改變調零電位器阻值來改變零點大小，但調零電位器的調節是有限的，超過限度則無法調節。在此電路中當零點輸出值較大或者較小時，通過遠程傳輸指令給主控CPU電路，主控CPU電路再發送控制信號至調零電路實現調整零點[3-4]。

（5）主控CPU由單片機組成，主控CPU接收遠程控制指令，再發送控制信號給可變放大電路、調零電路、濾波電路和A/D轉換電路。主控CPU控制數字電位器實現可變放大和調零。主控CPU連接的存儲電路用于存儲各部分電路所需參數和部分采樣數據[5]。

網絡信號轉換電路與交換機連接，交換機與上位機連接。根據網絡帶寬情況，電路具有采樣率可調功能，以適應各種不同的網絡環境。網絡接口支持標準的TCP協議和Modbus / TCP協議，便于PLC與組態軟件操控；IP地址、網關、子網掩碼、端口號均可設置；具有8 MB (可擴展)緩沖區，可實現數據的主動上傳、自動重發；網絡接口可以將所采集的數據傳輸到局域網或公網。

2.3 系統功能設計

基于以太網技術的鐵路計量系統功能按需求分為數據采樣模塊、數據接收及分解模塊、數據打包組合模塊、數據分析處理模塊、檢測信息計算模塊、檢測數據報警及處理模塊、波形分析模塊、車號識別模塊、數據處理模塊，各模塊相互協作，完成從信號采集到最終檢測數據輸出的系列過程。

（1）數據采樣模塊。該模塊主要負責集成在傳感器中的各硬件電路，在接線箱的控制下，實時采集傳感器輸出的模擬信號信息，并實時的對數據進行轉化處理，通過以太網絡向外進行輸出。

（2）數據接收及分解模塊。該模塊為運行在上位計算機中的一個獨立模塊，負責實施主控程序與采樣模塊的通信，并實時接收其上傳的原始數據，并按規則進行解碼，按各自獨立的通道進行數據緩存。

（3）數據打包組合模塊。該模塊把接收及分解模塊中各通道緩存的數據，按照一定的準則進行獲取，并融合為一個數據包，并將協議數據單元(PDU)封裝在協議頭和尾中，進而緩存的過程。

（4）數據分析處理模塊。該模塊對采集的信號進行存儲與回放及分析，把數據打包組合模塊中，緩存的整合后的數據包中數據進行分析、處理，如進行異常數據的過濾，去掉各通道初始狀態的碼值，保留車輛通過時有效的變化數據等。

（5）檢測信息計算模塊。該模塊把數據分析處理模塊中處理后的數據，按照超偏載儀設備檢測的要求，進行逐項的分析計算。對采集數據采用希爾伯特-黃變換(Hilbert-Huang Transform)算法[6]，計算得到車輛的相關檢測數據[7]。

（6）檢測數據報警及處理模塊。該模塊根據計算出的檢測數據，進行信息的輸出，并根據貨運管理規則，判斷相關檢測信息是否達到報警值，再進行相應的處理。

（7）波形分析模塊。該模塊對采樣的原始數字數據，以一種圖形的方式進行展示，方便工作人員對設備狀態的查看和分析，對數據曲線進行縮放、平移、定位(游標)、對比，同時可以通過檢測信息計算模塊再次模擬呈現過車時的狀態及數據。

（8）車號識別模塊。在車輛通過檢測區域時，該模塊根據臺面傳感器的變化情況，對車輛識別系統進行有效控制，并接受其采集返回的車輛車號和車型信息，同步與車輛計量數據進行處理，同步輸出顯示[8]。

（9）數據處理模塊。該模塊對采樣計算保存的數據進行后期的管理及應用，包含檢測數據的顯示、偏載數據報警提示、收貨單位和發貨單位的快捷選擇和編輯、裝載貨物的品名的快捷選擇和編輯、過磅打印、日報表和月報表的打印、按條件查詢過磅數據和打印查詢的數據等。

2.4 實施方案

基于以太網技術的鐵路計量系統，由于在信號模式、傳輸通道、處理方式上發生了較大的變化，達到了減少現場設備安設的需求，簡化了的安裝步驟。基于以太網技術的鐵路計量系統，實施方案結構圖如圖4所示。

當測量區間沒有車輛通過時，整套系統處于待機檢測狀態，實時采集傳感器的輸出信息，判斷當前所處狀態，自動跟蹤設備零點的變化，為車輛到達時進行相應的初始狀態檢測。

當列車通過計量設備時，稱重界面上會實時自動顯示車輛的車號、車型、速度、重量等信息。程序自動進行車輛判別、重量檢測、數據存儲、波形文件的生成、三級聯網所需的狀態文件、過衡數據文件的生成等功能。

3 結束語

圖4 實施方案結構圖Fig.4 The structure diagram of implementation plan

基于以太網技術的鐵路計量系統與傳統鐵路計量系統相比，改變了傳感器輸出的原始信息的數據形式，采用具有高速傳輸速率的網絡方式進行數字化傳輸，可以提高檢測信號的抗干擾能力，在高速采樣技術支持下，還能進一步滿足高速列車(可達100 km/h)的檢測準確度要求。同時，在授權條件下，通過鏈接網絡對采集終端可進行遠程化管理和維護等功能。通過在青藏鐵路(西寧—拉薩)西寧西至雙寨區間上行線K0 + 010 m至K0 + 120 m處的試驗，該系統達到了鐵路計量系統的相關技術指標，符合對鐵路運營管理單位的使用要求，為鐵路計量系統的進一步標準化制定、高速檢測手段、遠程化管理，提供了有效的解決方案，提升了鐵路貨物運輸安全保障能力。