侯智雄 李穎 魏世斌 劉正毅

（中國鐵道科學研究院集團有限公司基礎設施檢測研究所，北京 100081）

隨著城市軌道交通快速發展，其基礎設施檢測技術的研究日益受到重視。一般采用專用的車輛安裝檢測設備，構成專業檢測車或綜合檢測車對基礎設施進行周期性檢測。但這種方式投入大，須要購置專用的車輛或列車，并對專用車輛進行長期維護；占用運輸資源多，須要在運行圖中安排檢測車的運行，或對檢測車進行專門的調度安排。而對于城市軌道交通，每條線路運營里程較短，不同城市的軌道線路甚至同一城市的不同軌道線路常不能實現互聯互通，上述專用的檢測列車實用性不高。

隨著物聯網、移動互聯網等技術的發展，智能感知裝備受到廣泛關注，這種裝備可嵌入城市軌道交通基礎設施檢測系統并搭載于運營列車上，從而在不影響運營列車正常運行情況下實時檢測線路基礎設施。軌道檢測是檢查軌道病害、指導線路養護維修、保障行車安全的重要手段［1］。但既有的軌道檢測裝備種類較少，功能單一，體積偏大，因此，研究一種搭載式的軌道檢測設備及技術，可以提高城市軌道交通系統運作的效率和實時性；而且不獨占車輛資源，降低了運營維護成本，可產生良好的社會效益和經濟效益。

1 國內外研究現狀

目前，國內輕軌和地鐵主要采用綜合檢測車和專業檢測車進行基礎設施檢測。綜合檢測車如無錫地鐵綜合檢測車、廣州地鐵網軌檢測車等將接觸網檢測設備和軌道檢測設備集成在同一車輛上［2］。專業檢測車則執行單一檢測功能。無論是綜合檢測車還是專業檢測車，車輛均為專用設備，不具備載客運營功能。

近年來，國外一些公司也在探索使用搭載式檢測設備實現對基礎設施狀態的實時檢測。美國聯邦鐵路管理局研發了一種新型軌道狀態檢測系統。該系統自帶能源，安裝在運營列車的轉向架或車體上，在列車運營過程中完成對軌道狀態的檢測，并利用GPS技術遠程實時傳輸檢測數據［3］。荷蘭RailData 公司開發出一種安裝在運營列車上的軌道檢測系統——Rila，該系統由電池供電，具備安裝快捷、檢測方便、耗電量低等特點，既可安裝在普通運營列車的自動車鉤上，也可安裝在專用機車的緩沖器上［4］。此外，法國、德國、加拿大、巴西等國家均對搭載式檢測設備進行了研究和應用。

綜上，城市軌道交通搭載式基礎設施檢測系統檢測效率高，占用資源少，具有良好的應用前景。

2 搭載式軌道檢測系統總體架構

2.1 總體思路

根據上述研究，提出一種基于ARM微處理器和現場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）的可搭載在城市軌道交通運營列車上的軌道檢測系統。其基本思路是：以檢測梁作為慣性基準，集成慣性傳感器；然后采用嵌入式微處理板卡通過實時數字網絡進行信號傳輸；最后基于數學計算模型計算軌道幾何參數，實現在高速條件下對軌道多個參數的實時采集、精確測量和分級評判［5-6］。

軌道檢測系統技術架構為在列車轉向架上安裝檢測梁；激光攝像組件提供檢測梁左側和右側的橫向和垂向單邊位移；檢測梁中間安裝慣性組件，包括3個軸向陀螺和3 個軸向加速度計，利用這些傳感器信號組成數字傳輸網絡；通過嵌入式微處理板卡采集和處理信號；根據相應的參數計算模型進行計算，并對信號進行補償、濾波等數據處理，最終獲得軌道不平順幾何參數。其中嵌入式微處理板卡是所有傳感器數據采集、計算、發送的關鍵設備，其具有成本低、功耗低、體積小、環境適應能力強等優點，不占用車上空間，所有設備集成在車下檢測梁中即可。搭載式軌道檢測系統的結構如圖1所示。

圖1 搭載式軌道檢測系統結構示意

2.2 核心部件技術指標及設計

搭載式軌道檢測系統嵌入式微處理板卡執行信號接收、同步控制、信號處理、模型計算、網絡傳輸等功能，是搭載式軌道檢測系統的核心器件。本文設計了基于ARM 微處理器的數據采集微處理板卡以完成軌道檢測數據的采集、計算功能，具體技術指標如下：①滿足軌道檢測系統在400 km/h 車速情況下，0.25 m采樣周期最大抖動時間小于30 μs；②串口接收速率達到 115 200 b/s；③CAN 口接收速率達到 1 Mb/s；④千兆網口TCP 通訊速率達到300 Mb/s；⑤固態硬盤（Solid State Drive，SSD）寫入速率不小于20 MB/s，讀出速率不小于25 MB/s；⑥編碼器信號輸入、脈沖信號輸出、CAN口、串口、GPIO接口靜電防護等級達到2 500 Vrms；⑦編碼器信號輸入最高頻率不小于25 MHz；⑧硬件滿足-40～85 ℃的工作溫度要求。

嵌入式微處理板卡采用核心板加外圍接口電路板的結構，核心板為10 層，底板設計為7 層，從下到上主要有底板（電源、計數器）、CPU 板、SSD 載板。核心板CPU 采用I.MX6Q。板卡設計過程中著重擴展其外圍接口，降低系統功耗，預留可擴展的功能接口。

系統設計元件和設計思想須滿足工業級標準的設計要求。系統應用于溫度為-200～+700 ℃、濕度小于90%的振動環境中［7］，應著重提高系統的可靠性，減少非焊接式連接件的應用。嵌入式處理板卡接口設計如圖2所示。

圖2 嵌入式處理板卡接口設計示意

處理板卡核心外接接口技術指標見表1，可知軌道檢測系統傳感器類型及接口方式滿足城市軌道交通軌道檢測系統的數據采集需求。

表1 處理板卡核心外接接口技術指標

3 軌道檢測系統嵌入式處理板卡設計

核心板采用Freescale I.MX6Q Cortex-A94 多處理器，I.MX 6Quad 系列具有4 個內核，運行頻率高達1.2 GHz（目前 CPU 運行頻率為 800 MHz），帶有 1 MB L2 緩存和 64 位 DDR3 或 2 通道、32 位 LPDDR2 支持。這個系列的器件集成了FlexCAN、MLB 總線、PCI Express?和SATA-2，具有卓越的連接性，同時集成LVDS、MIPI顯示器端口、MIPI攝像機端口和HDMI v1.4，并支持EMMC4.3/4.5 協議接口。

嵌入式處理板卡設計了2 種啟動方式：①正常工作狀態下NOR flash 啟動內核程序及軌道檢測應用系統程序，將復位按鍵SW2［1］、SW2［2］撥碼開關選為0∶1即為工作啟動狀態；②鏡像更新啟動方式，此時系統進入USB 下載模式，系統可以通過USB_OTG 燒寫bootloader、QNX內核鏡像等。

DDR 內存由 4 片 IS46TR16128A-15HBLA1 組成，單片2 G bit，共1 G Byte。內核啟動在內存中運行，在軌道檢測系統運行過程中由于使用精簡內核，系統占用接近10%內存、12%CPU。在應用程序中接收進程占用內核及內存最多。

CAN 口為處理板卡核心數據接收接口，CAN 口隔離芯片采用四通道數字隔離器ADuM5402CRWZ。搭載式軌道檢測系統中2 個CAN 口分別接收數字慣性組件數據和圖像系統提供的軌距點、高低點信號。

嵌入式處理板卡經過試制和反復調試修改，最終研制成功，形成樣機如圖3所示。

圖3 嵌入式處理板卡樣機

4 軌道檢測系統軟件設計

遵循模塊化、隱藏信息等原則［8］，基于實時多任務操作系統QNX，開發運行于嵌入式處理板卡的軌道檢測軟件，包括系統啟動程序bootloader IPL、系統內核、應用程序3部分。嵌入式處理板卡平臺上電啟動時首先啟動系統IPL，處理器PC 指針移動至起始地址進行系統初始化，然后進行配置系統時鐘、關閉MMU 單元等任務，完成系統初始化；隨后系統進行內核代碼搬移，跳轉首地址完成初始化串口、設定系統內存大小、初始化中斷系統等任務；系統內核啟動完成后，開始運行軌道檢測系統應用程序，軟件系統完成數據采集、合成、波形展示、超限統計等功能。軟件流程如圖4 所示。

圖4 搭載式軌道檢測軟件流程

5 樣機試驗驗證

5.1 采集通道驗證

處理板卡設計完成后，在實驗室進行處理板卡數據采集接收功能驗證。

5.1.1 CAN總線設備測試

系統采用CAN總線方式采集慣性組件角速度陀螺和加速度計信號、圖像橫向和垂向位移信號，通過不同的CAN ID 號采集各個信號。對CAN 總線設備進行測試，測試內容見表2。信號測試正常波形如圖5所示。

表2 慣性組件CAN信號組成

5.1.2 串行設備通信

圖5 慣性組件信號測試正常波形

系統中通過串行設備串口方式采集車體加速度計的橫向和垂向加速度信號，以及采集里程同步定位信息，信號測試正常波形如圖6所示。

圖6 車體加速度計信號測試正常波形

5.1.3 通用型輸入輸出（GPIO）觸發

軌道檢測系統每0.25 m 空間距離采集1 次數據［9］，其中處理板卡通過FPGA 實現脈沖計數功能，等距離觸發各傳感器。通過GPIO 信號發送觸發脈沖給圖像系統以同步觸發采集圖像信號，經測試同步觸發信號方波如圖7時，可正常觸發圖像采集。

圖7 觸發脈沖信號正常波形

5.2 系統動態試驗驗證

為測試研發的嵌入式處理板卡性能，在2 列不同的運營動車組上均安裝了嵌入式處理板卡和軌道檢測系統4U 工控機，分別采集軌道檢測傳感器數據并進行數據對比［10］，檢測車速最高達到310 km/h。根據測試結果發現不同速度級別下2次數據對比重復性良好。可知嵌入式微處理板卡與工控機數據采集結果一致，滿足檢測系統重復性、一致性要求。圖8為滬昆線上其中一列動車組2次測試波形數據對比。

圖8 2次測試波形數據對比

通過軌道檢測系統嵌入式處理板卡重放工控機設備原始數據，合成、計算產生數據波形文件，并與工控機采集合成的服務器波形數據進行對比，波形完全一致，重放數據波形對比如圖9所示，說明嵌入式采集系統在數據合成、發送、超限編輯方面與工控機采集設備一致，滿足檢測系統準確度要求。

圖9 重放數據波形對比

6 結語

城市軌道交通軌道檢測系統嵌入式處理板卡基于ARM 微處理器和FPGA 技術實現小型化、低功率、多樣化數據集成，在準確性、重復性、一致性等方面都滿足標準要求。它將之前必須安裝的多臺4U 大型工控機縮小為一塊嵌入式的小型板卡，可大大簡化設備，降低軌道幾何檢測成本，提升檢查頻率和效率，并提供高質量的檢測數據，為軌道檢測系統搭載在運營列車組上提供技術儲備。此項研究成果具備市場應用前景，在未來的軌道檢測中將發揮巨大作用。隨著我國城市軌道交通建設快速發展，線路軌道動態質量檢測日益重要，創新實用的軌道檢測系統必將得到更加廣泛的應用，并將產生良好的社會效益和經濟效益。