陳輝 李濤 趙志敏

摘 要：基于WiFi的鐵軌水平度信號(hào)檢測(cè)儀通過搭載在四輪軌道車上的四組水平度傳感器，可檢測(cè)任意軌道段的水平度，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)通過WIFI發(fā)送到檢測(cè)人員的手機(jī)APP上，檢測(cè)人員通過對(duì)比一段時(shí)間內(nèi)軌道水平度的變化，也可通過手機(jī)發(fā)送到檢測(cè)中心，再做進(jìn)一步的判斷，最后分析原因，找到引起鐵軌水平度變化根源，提示有關(guān)部門采取補(bǔ)救措施，以保證鐵路系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：WiFi 水平度 信號(hào)儀

中圖分類號(hào)：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）01（a）-0014-02

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，鐵路運(yùn)輸無(wú)論是客運(yùn)或者貨運(yùn)能力，相較于過去都有很大的提高，在鐵路建設(shè)速度有限的情況下，通過提速是一個(gè)行之有效的解決辦法。同時(shí)隨時(shí)列車速度的不斷提高，鐵路的安全性問題也顯得尤為重要。

出于對(duì)鐵路行車安全保證，設(shè)計(jì)了鐵軌水平度信號(hào)檢測(cè)儀，它能及時(shí)檢測(cè)出由于行車、鐵路路基沉降等原因?qū)﹁F軌造成的影響，通過記錄和對(duì)比每段鐵路水平度變化情況，間接反映鐵軌路基的沉降狀態(tài)，及時(shí)采取措施消除隱患，以保證鐵路系統(tǒng)的安全運(yùn)行[1-2]。

1 鐵軌水平度信號(hào)檢測(cè)儀的系統(tǒng)構(gòu)成

該系統(tǒng)采用了先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)及無(wú)線通訊技術(shù)，通過系統(tǒng)信息管理平臺(tái)，將鐵軌水平度信息和鐵路路基情況有機(jī)結(jié)合起來，該系統(tǒng)主要由水平度檢測(cè)系統(tǒng)、手機(jī)和檢測(cè)終端等組成，其構(gòu)成如圖1所示。

系統(tǒng)以四輪小車為檢測(cè)平臺(tái)，包含有左右（1、2）和垂直（3、4）各兩組水平度傳感器。其基本布置圖如圖2所示。

當(dāng)四輪小車以某一速度在被檢查鐵軌段運(yùn)行時(shí)，先通過GPS定位出當(dāng)前軌道位置，當(dāng)發(fā)生經(jīng)緯度變化時(shí)，各水平度傳感器開始工作，連續(xù)多次采樣數(shù)據(jù)，再經(jīng)過軟件數(shù)字濾波，將數(shù)據(jù)通過WiFi模塊傳送至手機(jī)終端，檢測(cè)人員可通過手機(jī)APP進(jìn)行預(yù)判，也可通過GPRS將當(dāng)前段鐵軌水平度信息上傳至上位機(jī)，通過調(diào)取歷史數(shù)據(jù)，與當(dāng)前數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，找出變化情況，分析結(jié)果。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路是整個(gè)水平度檢測(cè)系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，系統(tǒng)采用了高性能的PIC24系列單片機(jī)作為控制核心，再輔以GPS模塊、WiFi模塊和水平度傳感器等，最終實(shí)現(xiàn)鐵軌水平度檢測(cè)和上傳功能。

2.1 主控芯片電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用微芯公司PIC24FJ16GA204作為主控芯片，電路設(shè)計(jì)主要包括：電源電路設(shè)計(jì)、基本調(diào)試接口和人機(jī)接口幾個(gè)部分組成。

2.1.1 MCU

系統(tǒng)使用的是微星公司PIC24FJ128GA204，芯片自身包含13通道12位的AD轉(zhuǎn)換器和4路UART，基本無(wú)需外擴(kuò)其他外設(shè)，就可滿足設(shè)計(jì)要求。

2.1.2 電源

由于各模塊工作電源的差異，系統(tǒng)使用了MCP16301和ADP150AUJZ兩種電源芯片。MCP16301電源輸入為4～20V；輸出電壓為2～15V；輸出電流460mA。ADP150AUJZ，其輸入電壓為2.2～5.5V；輸出電壓為1.8～3.3V。

2.1.3 人機(jī)接口

系統(tǒng)采用金鵬系列液晶顯示觸摸屏，通過串口與單片機(jī)進(jìn)行連接，可通過對(duì)其編程完成基本的人機(jī)交互，其界面設(shè)計(jì)如圖3所示。

2.2 水平度采集電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用LCA316T單軸數(shù)字輸出型傾角傳感器作為水平度采集模塊，共用了4組可檢測(cè)軌道之間和單軌的水平度。LCA316T分辨率為0.1°，并具有抗震性能高、長(zhǎng)期穩(wěn)定性強(qiáng)和輸出方式簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。由于此傳感器串口輸出TTL電平標(biāo)準(zhǔn)，因此4組傳感器的輸出通過串接方式與單片機(jī)直接相連。

2.3 通訊電路設(shè)計(jì)

通訊部分主要由三部分組成分別是：用于定位的GPS、用于檢測(cè)系統(tǒng)和手機(jī)通訊的WiFi和手機(jī)與檢測(cè)終端服務(wù)器通訊的GPRS。

2.3.1 GPS定位

衛(wèi)星定位相對(duì)來說是比較穩(wěn)定的，一般不存在人為測(cè)量偏差，為了保證歷史數(shù)據(jù)和即時(shí)數(shù)據(jù)比較對(duì)象的穩(wěn)定性，所以選擇鐵軌的定位方式為衛(wèi)星定位，系統(tǒng)選用衛(wèi)星定位模塊為GPS模塊，可實(shí)現(xiàn)2m范圍內(nèi)的定位。GPS定位數(shù)據(jù)可通過串口與單片機(jī)進(jìn)行連接，完成數(shù)據(jù)讀取[3]。

2.3.2 WiFi通訊

由于從水平度采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可在線檢測(cè)，為了方便檢測(cè)人員檢測(cè)數(shù)據(jù)，可通過短距離無(wú)線通訊方式傳輸數(shù)據(jù)，因此系統(tǒng)使用了WiFi模塊，可將檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到檢測(cè)人員手機(jī)中，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線檢測(cè)。

2.3.3 GPRS

在較短的時(shí)間內(nèi)軌道水平度變化一般都較小，為了能長(zhǎng)期檢測(cè)鐵軌水平度的變化情況，必須將數(shù)據(jù)放到服務(wù)器終端，然而現(xiàn)場(chǎng)和機(jī)房距離可能比較遠(yuǎn)，所以短距離無(wú)線傳輸可能難以實(shí)現(xiàn)，因此系統(tǒng)使用GPRS作為遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸通道，將鐵軌的水平度檢測(cè)數(shù)據(jù)長(zhǎng)期保存下來，以實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間的水平度數(shù)據(jù)的對(duì)比。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是水平度采集系統(tǒng)的靈魂，為了設(shè)計(jì)出安全可靠，穩(wěn)定性高的系統(tǒng)，將軟件設(shè)計(jì)分為3個(gè)部分：水平度采集系統(tǒng)（下位機(jī)）、手機(jī)終端和檢測(cè)中心服務(wù)器終端。

3.1 水平度采集系統(tǒng)

如圖4所示，水平度采集系統(tǒng)（下位機(jī)）主要功能包括水平度采集、GPS信號(hào)采集、水平度數(shù)據(jù)上傳和人機(jī)接口控制。這部分是系統(tǒng)的核心，當(dāng)系統(tǒng)中的GPS模塊檢測(cè)到有位置變化時(shí)，啟動(dòng)兩組共4個(gè)水平度傳感器，連續(xù)采集多次，當(dāng)次數(shù)達(dá)到10次或者有GPS定位經(jīng)緯度變化時(shí)結(jié)束采集，然后將采集到的水平度值作適當(dāng)處理后通過WiFi模塊發(fā)送到手機(jī)，并在觸摸屏上顯示出來。

3.2 手機(jī)終端

手機(jī)應(yīng)用程序是基于Android系統(tǒng)開發(fā)的一款專業(yè)應(yīng)用程序，由于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集最終需上傳至服務(wù)器，所以手機(jī)終端主要包含兩個(gè)任務(wù)：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)檢測(cè)顯示和實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)上傳。

3.3 檢測(cè)中心服務(wù)器終端

手機(jī)終端通過GPRS將現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到檢測(cè)中心服務(wù)器終端，終端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)記錄和歷史數(shù)據(jù)對(duì)比，終端檢測(cè)人員可通過歷史數(shù)據(jù)窗口觀察每一段鐵軌水平度的變化情況。

檢測(cè)中心應(yīng)用程序采用C#開發(fā)，可實(shí)現(xiàn)某一段鐵軌水平度的連續(xù)變化情況顯示或是某一點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間的變化情況顯示等功能。

4 結(jié)語(yǔ)

鐵軌中長(zhǎng)期水平度檢測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵軌水平度長(zhǎng)期變化的檢測(cè)，具有可靠性高、使用方便等特點(diǎn)，特別是對(duì)一些路基沉降比較嚴(yán)重的地區(qū)，可以非常清晰的反映出鐵路路基的變化情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的問題，盡早消除隱患，保障鐵路運(yùn)行安全。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊昌休，宋國(guó)經(jīng)，楊揚(yáng).鐵路路基與鐵軌沉降數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2010，19（7）：23-26.

[2] 林澤鳴.鐵路路基剖面沉降檢測(cè)系統(tǒng)的研究[D].北京：北方交通大學(xué)，2010.

[3] 姚文斌.GPS在高速鐵路勘測(cè)中的應(yīng)用[J].甘肅科技縱橫，2012，41（4）：15-16.