铁路轨道数据智能采集系统
日期：2009-5-8 23:10:57 来源：中国工控网
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摘 要：根据铁路轨道采集现场的要求，设计铁路轨道数据智能采集系统。详细阐述了该采集系统的硬件结构和软件设计，并对关键问题与难点的解决进行了详细的说明。
关键词：轨道数据;pc\104总线; 传感器
The Intelligent Measurement System of Railway Data
LI Jin-zhong Zhao Xin Tai Jun-jun
Abstract: Based on the demand of railway measured pot, the concept and construction on the intelligent measurement system of railway data are introduced. The principle of every section and software design is discussed.
Key words: railway data;pc\104 BUS;sensors
铁路线路在机车车辆动力作用和自然侵蚀的影响下，不仅发生弹性变形，而且产生永久变形。其中永久变形又可分为两类：一类是几何位置的改变，如线路爬行，方向不良，轨距扩大与缩小等;另一类是轨道各部分的磨损，如钢轨的磨损等。永久变形的存在，不仅影响列车的高速、平稳运行，而且当这种变形日积月累，超过一定限度后，还将大大降低线路的强度和稳定性，严重威胁行车安全。轨道的各个数据是否符合要求，关系到列车运行的安全。
作好铁路线路的测量和养护维修，提高铁路线路质量是铁路工务工作者的一项重要任务。而现在铁路现场对轨道的重要数据的测量都是靠手工测量进行的。工务工人用直尺、卷尺及线绳等简单工具，用拉线等方法测量这些重要参数（包括轨距、水平、三角坑、曲线超高、高低、轨向等）;测量数据由测量人员的眼睛读出。这种测量方法既不准确又要耗费大量的人力、物力，而且还要对测量数据进行大量烦琐的计算。通过上面对铁路现场现状的介绍，可以看出，现场铁路工务工作者的劳动量非常大，而且这种测量方法存在大量的误差隐患，与人的状态有很大联系，不同的测量人员测量同一地段可能会得到不同的测量结果。为解决铁路现场这种工作量大、精度难以保证的困难，本题设计了一个自动测量系统，通过必要的传感器和控制器，对数据进行采集、处理、计算后，只需工作人员按几下按键，就可实现对铁路轨道数据进行自动检测。而且还可把数据转储到PC机上进行进一步的处理。由此，可以通过测量的轨道参数信息得到线路检查记录簿，同时可进行数据的查询，并根据不同的标准可以获取超限地点记录簿、超限地点汇总表等一系列信息表格，利于保持线路设备完整和质量均衡，并能从PC机上以图形方式直观的观察轨道在任何一点的参数信息。这样，采用铁路轨道数据智能采集系统不但大大降低了工人的劳动强度，缩短了检测时间，也使采集的信息更为完整，使数据信息有了高精度的保障，最大限度的满足铁路现场的要求。
1 系统结构
铁路轨道系数智能采集系统由用于现场采集的GD-1型铁路轨道数据智能采集仪和PC机的铁路轨道数据处理系统两部分组成。GD-1型铁路轨道数据智能采集仪，如图1所示。
图1 铁路轨道数据智能采集仪组成框图
本系统使用的是型号为AR-B1320，PC/104 CPU模板，它具有80386SX-40 MHz CPU，PC/104扩展总线，2个RS-232/RS-485串口和可编程看门狗定时器，其上扩展有64MDOC。PC/104总线是超小型PC微机所用的总线标准。这种超小型PC微机体积小，结构紧凑，在各种工业控制、通信控制很受欢迎。它可以嵌入到对体积和功耗要求都很高的产品，例如医疗仪器、实验室仪器、通信设备、商用终端、军用电子设备、机器人等设备之中，因而PC/104微机常称为嵌入式PC机。这种微机有两个总线插头，其中P1有64脚，P2有40脚，共104脚，这也是PC/104名称的由来。它不用插板滑道和总线母板，模块之间采用层叠式封装。总线及整机除小型化的结构外，在硬件和软件上与ISA规范完全兼容，实质上是为了更好的满足工业控制或小型化设备的要求而开发出来的XT、AT、386、486的小型化机型。使用PC/104总线的嵌入式PC机的主要特点是：使用超小尺寸的模块，包括CPU模板在内，全部功能模板均按PC/104标准设计，模板尺寸规定为90.2mm×95.9mm，比一般PC系列微机主板尺寸要小的多;自堆总线结构，取消了底版和插槽，利用模板上的堆装总线插头座，将各模板堆叠连接在一起，组装紧凑灵活;总线驱动电流小（6MA），功耗低（1～2W）。为适应小型化要求，各模板都采用VLSI器件、门阵列、ASCI芯片及大容量固态盘。
PEM-AIO模块化中速模拟输入模块将与IBM PC兼容的PC/104 CPU 模块系统构成一个高性能的数据采集与控制系统。PEM-AIO模块的特点是：8/16个单端模拟输入通道，12位20微秒或10微秒A/D变换器，24通道基于TTL/CMOS 8255芯片的可编程数字量I/O，三个独立的16位，8MHz定时器/计数器（或5MHz）。
其它设备有6个线性度<0.05%，量程为±20mm的差动变压器位移传感器;光电编码器;5×4非编码键盘;液晶显示器等。
铁路轨道数据智能采集仪可以以0.01米～0.99米可调距离的间隔进行轨道数据的自动采集，铁路轨道数据包括距离、轨距、水平（超高）和三角坑，并可在直线与曲线之间进行切换。不仅能把所有测量数据记录到DOC中，且可记录如测量人员编号、线别、上下行、测量时间等信息。具有显示功能，边测量，边显示，使工务人员在现场立即获取测量数据。轨距、水平等数据有一定范围要求，如果超过此限度，仪器就会报警。在检测过程中，可以进行电源、时间和日期、磁盘剩余空间的实时检测，可以对特殊点建立标志，还可暂停检测。在测量过程中，可以查询本次已经测量的数据，用来与现在测量的数据进行比较;还可对上述特殊标记点进行查询。
铁路轨道测量仪通过RS/232串口把现场实际测量到的数据转储到PC机中，数据通过PC机的铁路轨道数据处理系统进行处理。
2 软件设计
铁路轨道数据智能采集系统软件由两大部分组成。第一部分为GD-1型铁路轨道数据智能采集仪的软件，利用开发PC/104的强大工具——C语言来实现;另一部分为地面信息处理软件，采用微软公司的可视化编程语言VB6.0和ACCESS数据库来实现。
GD-1型铁路轨道数据智能采集仪软件由数据测量模块、键盘与显示程序模块、232通信模块、其他辅助模块和抗干扰程序模块等组成。此处难点是对可编程的间隔定时器8253的处理。8253用其工作方式0（计数结束中断方式），通常采用的方法是在计数结束后写入初值，初值不断写入，计数就不断进行。因为8253的这种方式只有在外部有脉冲的情况下才能把计数初值写入，但我们不能保证在软件程序在写初值的时候，外部的光电编码器正好给一个脉冲，所以，采用这种不断写初值的方法并不可取。此处采用的方法是，最初写入初值启动计数器;然后，不断读入计数器中的数值，判断此值与初值的差是否大于或等于计数值，若到则把当前值看作初值，进行必要的处理后，继续计数，再判断此值与初值的差是否大于或等于计数值，如此循环往复进行，则可避免计数初值写不进去所带来的误差。在计数值越过分界点0减到0XFFFF时，计算方法有所不同。
地面信息处理软件主要有数据处理功能和图形功能。具体可实现采集系统数据的接收（通过RS-232串行通讯线）;新建数据库或打开数据库进行接收数据的存储;通过人机对话进行标准值的输入，根据标准值进行相应的数据处理;生成检查记录簿、超限地点汇总表、超限地点统计表等一系列轨道数据信息表;根据采集出的轨道数据进行图形化处理，描绘出轨道状态图形，操作者通过拖动鼠标可查看轨道上任一点的所有数据值，使得轨道状态信息更加一目了然。
3 关键问题与难点的解决
铁路工作者和一些科研人员一直以来都在对如何方便而准确的测量铁路轨道数据而做着不懈的努力，而目前唯一用于自动测量轨道数据的仪器是“轨道检测车”。我国共有轨道检测车30辆，GJ-3型17辆、XGJ-1型6辆、GJ-4型7辆。轨道检测车不但数量少，而且非常庞大，用它检测一次非常不容易。因为轨道检测车是动态测量的，在速度高时检测精度受到影响。据现场的工程师反映，用轨道检测车检测出的数据与现场工人手工测量的数据存在较大误差（均在±5mm左右），因此，现场工程师只用它来观看一下轨道趋势，而真正的轨道数据数据还是靠手工测量获取。因为轨道检测车的这种种不方便性，因此研制轨道数据自动检测装置的人员也不少，但是检测水平（超高）很不容易。轨道检测车检测水平（超高）的方法主要是用陀螺仪和倾角计来检测车体的滚动角。陀螺仪虽然测量角度非常准确，但它的价位比较高，因此虽然研制轨道数据智能采集系统的时间不短、人员也不少，但是他们都半途而废了，直接原因就是因为水平（超高）测量较困难而用陀螺仪成本又太高。
本系统在测量水平（超高）时，也考虑并比较了许多办法，比如：用水银汞柱的倾斜测量压力差的办法，但因为此压力差很大，一般很难找到与其相配的压力传感器而放弃了这种方法。最终，选定了用重锤拉动位移传感器的测量方法。此方法的优点是：静态测量很准确，而且成本小。但也有缺点，就是仪器在动态运动中，重锤易于摆动，存在平衡问题。为了解决这个问题，本仪器除了在误差允许的范围内适当的加大了阻尼以外，还采取了用测量方法弥补的策略。这就是在每处该测点先用指示灯提醒测量人员注意，当红灯亮时，测量人员停止推动仪器，仪器自动等待一段时间（几秒）后，重锤处于静止状态，此时，软件才进行水平（超高）的测量，测量后，用另一指示灯（绿灯）提醒测量人员继续推动仪器运动。在采取了这种测量方法后，避免了由于重锤摆动所带来的误差，而且，从实际运用中来看，并没有太大的影响工作的效率。通过现场工人的使用后反映，这种设计方法，很适合人的生理反映，因为，推动仪器在铁轨上走上一段时间后，很愿意停下来休息一下，而本仪器的设计正好满足了这种需求。
4 结束语
铁路轨道数据智能采集系统是为济南铁路局工务段研制的，系统硬件和软件设计都已调试通过，在济南某铁路线上经大量试验的数据显示，对轨道数据的测量效果良好，测量精度明显高于以前工人的手工测量，可以达到±0.01毫米，并大大减轻了铁路工人的劳动量，经现场工人的实际应用，受到一致好评。下面列出几条对现场某直线段实际采集的手工测量数据（见表1）与本系统测量数据（见表2），从比较中可以看出本系统的优越性。
表1 手工测量数据
表2 本系统测量数据
从经济效益角度来看，该铁路轨道数据智能采集系统将给铁路工务工作者的测量工作带来便利，使测量更为准确。以每年生产20套计算，预计年产值在100万元左右。
本文作者创新点：为改善铁路线路的测量和养护维修都是手工进行的现状，设计了铁路轨道数据智能采集系统。该系统可实现铁路轨道数据（包括轨距、水平、三角坑、曲线超高、高低、轨向等）的自动测量，通过RS/232串口可把现场实际测量到的数据转储到PC机中，数据通过PC机的铁路轨道数据处理系统进行处理，数据处理快捷且可长期保存。该系统经济可靠，具有很好的应用价值。
参考文献：
[1] 铁路曲线养护[M] .中国铁道出版社, 1985.
[2] 申国祥.铁路轨道[M] .中国铁道出版社 ，1996.
[3] 谭浩强.C语言程序设计教程[M].高等教育出版社，1995.
[4] 李杏春.单片机原理及接口技术[M] .北京航空航天大学出版社，1996.
[5] 胡亮，邝业成，李意峰，余有龙.基于VB的数据采集及反馈控制系统设计[J] .微计算机信息，2006，11-2：8-10
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摘 要：根据铁路轨道采集现场的要求，设计铁路轨道数据智能采集系统。详细阐述了该采集系统的硬件结构和软件设计，并对关键问题与难点的解决进行了详细的说明。
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作好铁路线路的测量和养护维修，提高铁路线路质量是铁路工务工作者的一项重要任务。而现在铁路现场对轨道的重要数据的测量都是靠手工测量进行的。工务工人用直尺、卷尺及线绳等简单工具，用拉线等方法测量这些重要参数（包括轨距、水平、三角坑、曲线超高、高低、轨向等）;测量数据由测量人员的眼睛读出。这种测量方法既不准确又要耗费大量的人力、物力，而且还要对测量数据进行大量烦琐的计算。通过上面对铁路现场现状的介绍，可以看出，现场铁路工务工作者的劳动量非常大，而且这种测量方法存在大量的误差隐患，与人的状态有很大联系，不同的测量人员测量同一地段可能会得到不同的测量结果。为解决铁路现场这种工作量大、精度难以保证的困难，本题设计了一个自动测量系统，通过必要的传感器和控制器，对数据进行采集、处理、计算后，只需工作人员按几下按键，就可实现对铁路轨道数据进行自动检测。而且还可把数据转储到PC机上进行进一步的处理。由此，可以通过测量的轨道参数信息得到线路检查记录簿，同时可进行数据的查询，并根据不同的标准可以获取超限地点记录簿、超限地点汇总表等一系列信息表格，利于保持线路设备完整和质量均衡，并能从PC机上以图形方式直观的观察轨道在任何一点的参数信息。这样，采用铁路轨道数据智能采集系统不但大大降低了工人的劳动强度，缩短了检测时间，也使采集的信息更为完整，使数据信息有了高精度的保障，最大限度的满足铁路现场的要求。
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1 系统结构
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PEM-AIO模块化中速模拟输入模块将与IBM PC兼容的PC/104 CPU 模块系统构成一个高性能的数据采集与控制系统。PEM-AIO模块的特点是：8/16个单端模拟输入通道，12位20微秒或10微秒A/D变换器，24通道基于TTL/CMOS 8255芯片的可编程数字量I/O，三个独立的16位，8MHz定时器/计数器（或5MHz）。
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铁路轨道数据智能采集仪可以以0.01米～0.99米可调距离的间隔进行轨道数据的自动采集，铁路轨道数据包括距离、轨距、水平（超高）和三角坑，并可在直线与曲线之间进行切换。不仅能把所有测量数据记录到DOC中，且可记录如测量人员编号、线别、上下行、测量时间等信息。具有显示功能，边测量，边显示，使工务人员在现场立即获取测量数据。轨距、水平等数据有一定范围要求，如果超过此限度，仪器就会报警。在检测过程中，可以进行电源、时间和日期、磁盘剩余空间的实时检测，可以对特殊点建立标志，还可暂停检测。在测量过程中，可以查询本次已经测量的数据，用来与现在测量的数据进行比较;还可对上述特殊标记点进行查询。
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3 关键问题与难点的解决
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铁路工作者和一些科研人员一直以来都在对如何方便而准确的测量铁路轨道数据而做着不懈的努力，而目前唯一用于自动测量轨道数据的仪器是“轨道检测车”。我国共有轨道检测车30辆，GJ-3型17辆、XGJ-1型6辆、GJ-4型7辆。轨道检测车不但数量少，而且非常庞大，用它检测一次非常不容易。因为轨道检测车是动态测量的，在速度高时检测精度受到影响。据现场的工程师反映，用轨道检测车检测出的数据与现场工人手工测量的数据存在较大误差（均在±5mm左右），因此，现场工程师只用它来观看一下轨道趋势，而真正的轨道数据数据还是靠手工测量获取。因为轨道检测车的这种种不方便性，因此研制轨道数据自动检测装置的人员也不少，但是检测水平（超高）很不容易。轨道检测车检测水平（超高）的方法主要是用陀螺仪和倾角计来检测车体的滚动角。陀螺仪虽然测量角度非常准确，但它的价位比较高，因此虽然研制轨道数据智能采集系统的时间不短、人员也不少，但是他们都半途而废了，直接原因就是因为水平（超高）测量较困难而用陀螺仪成本又太高。
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本系统在测量水平（超高）时，也考虑并比较了许多办法，比如：用水银汞柱的倾斜测量压力差的办法，但因为此压力差很大，一般很难找到与其相配的压力传感器而放弃了这种方法。最终，选定了用重锤拉动位移传感器的测量方法。此方法的优点是：静态测量很准确，而且成本小。但也有缺点，就是仪器在动态运动中，重锤易于摆动，存在平衡问题。为了解决这个问题，本仪器除了在误差允许的范围内适当的加大了阻尼以外，还采取了用测量方法弥补的策略。这就是在每处该测点先用指示灯提醒测量人员注意，当红灯亮时，测量人员停止推动仪器，仪器自动等待一段时间（几秒）后，重锤处于静止状态，此时，软件才进行水平（超高）的测量，测量后，用另一指示灯（绿灯）提醒测量人员继续推动仪器运动。在采取了这种测量方法后，避免了由于重锤摆动所带来的误差，而且，从实际运用中来看，并没有太大的影响工作的效率。通过现场工人的使用后反映，这种设计方法，很适合人的生理反映，因为，推动仪器在铁轨上走上一段时间后，很愿意停下来休息一下，而本仪器的设计正好满足了这种需求。
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表1 手工测量数据
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参考文献：
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[1] 铁路曲线养护[M] .中国铁道出版社, 1985.
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[2] 申国祥.铁路轨道[M] .中国铁道出版社 ，1996.
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[3] 谭浩强.C语言程序设计教程[M].高等教育出版社，1995.
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[4] 李杏春.单片机原理及接口技术[M] .北京航空航天大学出版社，1996.
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[5] 胡亮，邝业成，李意峰，余有龙.基于VB的数据采集及反馈控制系统设计[J] .微计算机信息，2006，11-2：8-10
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