侯智雄 李穎 魏世斌 劉正毅

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京 100081）

隨著城市軌道交通快速發(fā)展，其基礎(chǔ)設(shè)施檢測技術(shù)的研究日益受到重視。一般采用專用的車輛安裝檢測設(shè)備，構(gòu)成專業(yè)檢測車或綜合檢測車對基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)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(jìn)行長期維護(hù)；占用運(yùn)輸資源多，須要在運(yùn)行圖中安排檢測車的運(yùn)行，或?qū)z測車進(jìn)行專門的調(diào)度安排。而對于城市軌道交通，每條線路運(yùn)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(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，上述專用的檢測列車實(shí)用性不高。

隨著物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，智能感知裝備受到廣泛關(guān)注，這種裝備可嵌入城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施檢測系統(tǒng)并搭載于運(yùn)營列車上，從而在不影響運(yùn)營列車正常運(yùn)行情況下實(shí)時檢測線路基礎(chǔ)設(shè)施。軌道檢測是檢查軌道病害、指導(dǎo)線路養(yǎng)護(hù)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(shè)備及技術(shù)，可以提高城市軌道交通系統(tǒng)運(yùn)作的效率和實(shí)時性；而且不獨(dú)占車輛資源，降低了運(yùn)營維護(hù)成本，可產(chǎn)生良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)輕軌和地鐵主要采用綜合檢測車和專業(yè)檢測車進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施檢測。綜合檢測車如無錫地鐵綜合檢測車、廣州地鐵網(wǎng)軌檢測車等將接觸網(wǎng)檢測設(shè)備和軌道檢測設(shè)備集成在同一車輛上［2］。專業(yè)檢測車則執(zhí)行單一檢測功能。無論是綜合檢測車還是專業(yè)檢測車，車輛均為專用設(shè)備，不具備載客運(yùn)營功能。

近年來，國外一些公司也在探索使用搭載式檢測設(shè)備實(shí)現(xiàn)對基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)的實(shí)時檢測。美國聯(lián)邦鐵路管理局研發(fā)了一種新型軌道狀態(tài)檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)自帶能源，安裝在運(yùn)營列車的轉(zhuǎn)向架或車體上，在列車運(yùn)營過程中完成對軌道狀態(tài)的檢測，并利用GPS技術(shù)遠(yuǎn)程實(shí)時傳輸檢測數(shù)據(jù)［3］。荷蘭RailData 公司開發(fā)出一種安裝在運(yùn)營列車上的軌道檢測系統(tǒng)——Rila，該系統(tǒng)由電池供電，具備安裝快捷、檢測方便、耗電量低等特點(diǎn)，既可安裝在普通運(yùn)營列車的自動車鉤上，也可安裝在專用機(jī)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(shè)備進(jìn)行了研究和應(yīng)用。

綜上，城市軌道交通搭載式基礎(chǔ)設(shè)施檢測系統(tǒng)檢測效率高，占用資源少，具有良好的應(yīng)用前景。

2 搭載式軌道檢測系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.1 總體思路

根據(jù)上述研究，提出一種基于ARM微處理器和現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）的可搭載在城市軌道交通運(yùn)營列車上的軌道檢測系統(tǒng)。其基本思路是：以檢測梁作為慣性基準(zhǔn)，集成慣性傳感器；然后采用嵌入式微處理板卡通過實(shí)時數(shù)字網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信號傳輸；最后基于數(shù)學(xué)計(jì)算模型計(jì)算軌道幾何參數(shù)，實(shí)現(xiàn)在高速條件下對軌道多個參數(shù)的實(shí)時采集、精確測量和分級評判［5-6］。

軌道檢測系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)為在列車轉(zhuǎn)向架上安裝檢測梁；激光攝像組件提供檢測梁左側(cè)和右側(cè)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(jì)，利用這些傳感器信號組成數(shù)字傳輸網(wǎng)絡(luò)；通過嵌入式微處理板卡采集和處理信號；根據(jù)相應(yīng)的參數(shù)計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算，并對信號進(jìn)行補(bǔ)償、濾波等數(shù)據(jù)處理，最終獲得軌道不平順幾何參數(shù)。其中嵌入式微處理板卡是所有傳感器數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、發(fā)送的關(guān)鍵設(shè)備，其具有成本低、功耗低、體積小、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，不占用車上空間，所有設(shè)備集成在車下檢測梁中即可。搭載式軌道檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 搭載式軌道檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2.2 核心部件技術(shù)指標(biāo)及設(shè)計(jì)

搭載式軌道檢測系統(tǒng)嵌入式微處理板卡執(zhí)行信號接收、同步控制、信號處理、模型計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)裙δ?，是搭載式軌道檢測系統(tǒng)的核心器件。本文設(shè)計(jì)了基于ARM 微處理器的數(shù)據(jù)采集微處理板卡以完成軌道檢測數(shù)據(jù)的采集、計(jì)算功能，具體技術(shù)指標(biāo)如下：①滿足軌道檢測系統(tǒng)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(dá)到 115 200 b/s；③CAN 口接收速率達(dá)到 1 Mb/s；④千兆網(wǎng)口TCP 通訊速率達(dá)到300 Mb/s；⑤固態(tài)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(hù)等級達(dá)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(jié)構(gòu)，核心板為10 層，底板設(shè)計(jì)為7 層，從下到上主要有底板（電源、計(jì)數(shù)器）、CPU 板、SSD 載板。核心板CPU 采用I.MX6Q。板卡設(shè)計(jì)過程中著重?cái)U(kuò)展其外圍接口，降低系統(tǒng)功耗，預(yù)留可擴(kuò)展的功能接口。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)元件和設(shè)計(jì)思想須滿足工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)應(yīng)用于溫度為-200～+700 ℃、濕度小于90%的振動環(huán)境中［7］，應(yīng)著重提高系統(tǒng)的可靠性，減少非焊接式連接件的應(yīng)用。嵌入式處理板卡接口設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 嵌入式處理板卡接口設(shè)計(jì)示意

處理板卡核心外接接口技術(shù)指標(biāo)見表1，可知軌道檢測系統(tǒng)傳感器類型及接口方式滿足城市軌道交通軌道檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集需求。

表1 處理板卡核心外接接口技術(shù)指標(biāo)

3 軌道檢測系統(tǒng)嵌入式處理板卡設(shè)計(jì)

核心板采用Freescale I.MX6Q Cortex-A94 多處理器，I.MX 6Quad 系列具有4 個內(nèi)核，運(yùn)行頻率高達(dá)1.2 GHz（目前 CPU 運(yùn)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(jī)端口和HDMI v1.4，并支持EMMC4.3/4.5 協(xié)議接口。

嵌入式處理板卡設(shè)計(jì)了2 種啟動方式：①正常工作狀態(tài)下NOR flash 啟動內(nèi)核程序及軌道檢測應(yīng)用系統(tǒng)程序，將復(fù)位按鍵SW2［1］、SW2［2］撥碼開關(guān)選為0∶1即為工作啟動狀態(tài)；②鏡像更新啟動方式，此時系統(tǒng)進(jìn)入U(xiǎn)SB 下載模式，系統(tǒng)可以通過USB_OTG 燒寫bootloader、QNX內(nèi)核鏡像等。

DDR 內(nèi)存由 4 片 IS46TR16128A-15HBLA1 組成，單片2 G bit，共1 G Byte。內(nèi)核啟動在內(nèi)存中運(yùn)行，在軌道檢測系統(tǒng)運(yùn)行過程中由于使用精簡內(nèi)核，系統(tǒng)占用接近10%內(nèi)存、12%CPU。在應(yīng)用程序中接收進(jìn)程占用內(nèi)核及內(nèi)存最多。

CAN 口為處理板卡核心數(shù)據(jù)接收接口，CAN 口隔離芯片采用四通道數(shù)字隔離器ADuM5402CRWZ。搭載式軌道檢測系統(tǒng)中2 個CAN 口分別接收數(shù)字慣性組件數(shù)據(jù)和圖像系統(tǒng)提供的軌距點(diǎn)、高低點(diǎn)信號。

嵌入式處理板卡經(jīng)過試制和反復(fù)調(diào)試修改，最終研制成功，形成樣機(jī)如圖3所示。

圖3 嵌入式處理板卡樣機(jī)

4 軌道檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

遵循模塊化、隱藏信息等原則［8］，基于實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)QNX，開發(fā)運(yùn)行于嵌入式處理板卡的軌道檢測軟件，包括系統(tǒng)啟動程序bootloader IPL、系統(tǒng)內(nèi)核、應(yīng)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(tǒng)IPL，處理器PC 指針移動至起始地址進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后進(jìn)行配置系統(tǒng)時鐘、關(guān)閉MMU 單元等任務(wù)，完成系統(tǒng)初始化；隨后系統(tǒng)進(jìn)行內(nèi)核代碼搬移，跳轉(zhuǎn)首地址完成初始化串口、設(shè)定系統(tǒng)內(nèi)存大小、初始化中斷系統(tǒng)等任務(wù)；系統(tǒng)內(nèi)核啟動完成后，開始運(yùn)行軌道檢測系統(tǒng)應(yīng)用程序，軟件系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集、合成、波形展示、超限統(tǒng)計(jì)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(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 采集通道驗(yàn)證

處理板卡設(shè)計(jì)完成后，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行處理板卡數(shù)據(jù)采集接收功能驗(yàn)證。

5.1.1 CAN總線設(shè)備測試

系統(tǒng)采用CAN總線方式采集慣性組件角速度陀螺和加速度計(jì)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(shè)備進(jìn)行測試，測試內(nèi)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(shè)備通信

圖5 慣性組件信號測試正常波形

系統(tǒng)中通過串行設(shè)備串口方式采集車體加速度計(jì)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(jì)信號測試正常波形

5.1.3 通用型輸入輸出（GPIO）觸發(fā)

軌道檢測系統(tǒng)每0.25 m 空間距離采集1 次數(shù)據(jù)［9］，其中處理板卡通過FPGA 實(shí)現(xiàn)脈沖計(jì)數(shù)功能，等距離觸發(fā)各傳感器。通過GPIO 信號發(fā)送觸發(fā)脈沖給圖像系統(tǒng)以同步觸發(fā)采集圖像信號，經(jīng)測試同步觸發(fā)信號方波如圖7時，可正常觸發(fā)圖像采集。

圖7 觸發(fā)脈沖信號正常波形

5.2 系統(tǒng)動態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證

為測試研發(fā)的嵌入式處理板卡性能，在2 列不同的運(yùn)營動車組上均安裝了嵌入式處理板卡和軌道檢測系統(tǒng)4U 工控機(jī)，分別采集軌道檢測傳感器數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)對比［10］，檢測車速最高達(dá)到310 km/h。根據(jù)測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同速度級別下2次數(shù)據(jù)對比重復(fù)性良好。可知嵌入式微處理板卡與工控機(jī)數(shù)據(jù)采集結(jié)果一致，滿足檢測系統(tǒng)重復(fù)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(shù)據(jù)對比。

圖8 2次測試波形數(shù)據(jù)對比

通過軌道檢測系統(tǒng)嵌入式處理板卡重放工控機(jī)設(shè)備原始數(shù)據(jù)，合成、計(jì)算產(chǎn)生數(shù)據(jù)波形文件，并與工控機(jī)采集合成的服務(wù)器波形數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，波形完全一致，重放數(shù)據(jù)波形對比如圖9所示，說明嵌入式采集系統(tǒng)在數(shù)據(jù)合成、發(fā)送、超限編輯方面與工控機(jī)采集設(shè)備一致，滿足檢測系統(tǒng)準(zhǔn)確度要求。

圖9 重放數(shù)據(jù)波形對比

6 結(jié)語

城市軌道交通軌道檢測系統(tǒng)嵌入式處理板卡基于ARM 微處理器和FPGA 技術(shù)實(shí)現(xiàn)小型化、低功率、多樣化數(shù)據(jù)集成，在準(zhǔn)確性、重復(fù)性、一致性等方面都滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。它將之前必須安裝的多臺4U 大型工控機(jī)縮小為一塊嵌入式的小型板卡，可大大簡化設(shè)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(zhì)量的檢測數(shù)據(jù)，為軌道檢測系統(tǒng)搭載在運(yùn)營列車組上提供技術(shù)儲備。此項(xiàng)研究成果具備市場應(yīng)用前景，在未來的軌道檢測中將發(fā)揮巨大作用。隨著我國城市軌道交通建設(shè)快速發(fā)展，線路軌道動態(tài)質(zhì)量檢測日益重要，創(chuàng)新實(shí)用的軌道檢測系統(tǒng)必將得到更加廣泛的應(yīng)用，并將產(chǎn)生良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。