既有線站臺雨棚限界測量小車的研制與設計

陳艷平 中國鐵路上海局集團有限公司科研所

1 概述

目前，我國鐵路運營里程每年保持高速增長，既有線鐵路在鐵路運輸中仍發揮著重要作用，既有線站臺因修建時間久且維護難等原因導致沉降問題越來越突出。既有線站臺雨棚在發生沉降、變形時，線路的位置也會隨著運營不斷發生變化，從而影響雨棚的限界尺寸，嚴重超限時可能發生車頂受電弓擦刮，影響行車安全。

因此，本文利用數字電子和傳感器技術，研制一種精準高效的既有線站臺雨棚限界測量小車，采用激光測距和高精度編碼器來測量雨棚的限界，可以在測量點位置自動或手動測量，結合限界管理軟件能對測量數據匯總統計，方便鐵路房建部門對站臺雨棚限界進行高效的定期檢測、維護。

2 系統方案組成

2.1 總體結構與功能

站臺雨棚限界測量小車采用雙軌搭靠的推行測量方式，小車采用H 形結構設計，橫跨于兩側鋼軌上的推行結構，車身鋁合金材料、可分拆，輕巧牢固。小車機械結構分為H 形車架和傳感器支架兩部分。H形車架是限界測量小車的底部機構，是整個測量系統的基準平臺。將激光測距儀、步進電機和角度編碼器同軸固定安裝于遠站臺一側的傳感器支架上，位移和傾角傳感器安裝于車架橫梁內，里程傳感器與車輪聯動，安裝于小車橫梁的高性能單片機采集模塊進行位移、傾角和里程信號采集處理，在信號處理過程中進行多重抗干擾措施，最后由上位機算法計算出限界尺寸，測量示意圖如圖1所示。

圖1 雨棚限界測量小車測量示意圖

小車有定點手動和定點自動兩種測量方式，前者適用于限界明顯突出點的測量以及對個別限界點的復核測量，后者則是一般情況下使用的測量方式。定點手動測量時，小車推行至測量位置，通過上位機測量軟件手動調節激光測距儀的激光點至被測點的測量方式。定點自動測量時，小車推行至測量位置，激光測距儀的激光點只需粗調至雨棚上沿，然后由步進電機帶動激光測距儀自動掃描雨棚輪廓面的測量方式。

2.2 性能指標

根據鐵路限界相關規定，本文設計的既有線站臺限界測量小車有以下主要性能指標：

（1）雨棚下表面至鋼軌面高度測量范圍：(4500～6550)mm；

（2）雨棚側邊到軌道中心測量范圍：(1400～2000)mm；

（3）測量示值誤差范圍：(-10～0)mm；

（4）測量示值重復性誤差：≤2mm。

2.3 數據檢測系統

雨棚限界測量小車數據檢測系統包含三個部分：激光角度測量模塊、信號采集模塊和限界管理軟件，數據檢測系統示意圖如圖2所示。

激光角度測量模塊由激光測距儀、角度編碼器和步進電機組成。步進電機帶動激光測距儀和角度編碼器轉動，激光測距儀實時檢測其到雨棚測量點的直線距離，角度編碼器同步檢測激光測距儀所轉過的角度，最后角度編碼器和激光測距儀的數據通過串口發送至信號采集模塊。

圖2 雨棚限界小車數據檢測系統示意圖

信號采集模塊由單片機控制單元和位移、里程及傾角傳感器組成。位移、傾角及里程傳感器分別采集H 形車架的軌距、超高及里程信息，單片機控制單元采集到上述信號后，結合激光角度測量模塊的數據，經處理匯總后統一送至上位機限界管理軟件。

限界管理軟件安裝于上位機中，用于計算限界尺寸數值以及管理匯總限界數據，實現對限界數據的存儲和分析，生成站臺限界數據報表，并可按照用戶需求，根據對應里程值自動繪制出整個站臺雨棚的限界橫向和垂向尺寸曲線。

3 關鍵部件選型與設計

3.1 單片機模塊

STM32F103 是意法半導體（ST）公司旗下的一款常用的32位嵌入式ARM 微控制器，系統時鐘頻率達72 MHz，且內置大容量FLASH 存儲器，還有豐富的接口，非常適用于多傳感器檢測系統設計。為適應本系統復雜且精準的控制需求，本文采用STM32F103C8T6 低功耗單片機作為數據采集控制芯片。

3.2 激光測距儀

激光測距儀采用德國Leuze公司的ODSL 30型號激光測距傳感器，該傳感器具有最大30 m 的量程，測量分辨率達到1 mm，具備工業“三防”性能，其采集接口如圖3所示。

圖3 激光測距儀信號采集設計圖

3.3 步進電機

步進電機采用北京偉恩斯公司的VSMD102_025T 型號的微型一體化步進電機控制驅動器，支持最高32 細分，能夠完成各種復雜運動的控制，特殊電流控制模式，能在保持平穩的前提下，減小噪聲，降低發熱量，其信號采集電路設計如圖4所示。

圖4 步進電機信號采集設計圖

3.4 角度編碼器

角度編碼器選用德國博斯特公司的OCD-S101G-0016-T120-CRW 型號單圈絕對值編碼器，該編碼器角度數據16位數字輸出，測量精度高，具備IP65防護等級，能夠很好地適應在線路復雜環境下使用。

4 軟件設計

4.1 下位機軟件設計流程

下位機軟件設計主要包括初始化子程序、通信測試子程序、上位機控制子程序以及測量處理子程序，設計流程如下圖5所示。

圖5 下位機軟件設計流程圖

初始化子程序完成單片機內各部分的初始化及各個傳感器的初始化，并檢查各部件是否能正常工作；通信測試子程序確保上下位機通信正常，為接下來的控制測量做準備；上位機控制子程序主要用來接收上位機發送過來的控制指令，本系統的所有操作指令是通過雨棚限界管理軟件來完成；測量處理子程序完成指令的解碼以及完成相應的操作及傳感器采集，最后再把采集數據通過串口發送至上位機進行處理。

4.2 雨棚限界管理軟件

雨棚限界管理軟件安裝在上位機中，其操作主界面如下圖6所示。軟件功能包括“測量數值”模塊、“限界曲線”模塊、“報警信號”模塊、“電機控制”模塊、“測量控制”模塊以及菜單欄功能模塊。管理軟件能夠實時顯示測量數值，并保存在后臺數據庫，對多次測量的數據統計分析，形成數據報表。

圖6 雨棚限界管理軟件操作界面

5 結束語

鐵路既有線站臺雨棚作為鐵路運輸設施的重要組成部分，需要用數字化手段來提高雨棚限界的檢測效率和精度。本文利用新型微型控制芯片，設計了一套能在鋼軌上推行的既有線鐵路站臺雨棚限界測量系統，其測量精度高，操作簡單，能夠有效減輕勞動強度，提高工作效率。經過現場實驗，雨棚限界檢測小車運行正常、性能穩定，數據準確可靠，測量效率較高，能較好地滿足站臺雨棚限界測量需求。