顏海英，孔令富，李 林

（燕山大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004）

1 引 言

UM71軌道電路每間隔100 m左右兩軌間并接一個電容器，正常值為33μF，稱為補償電容。補償電容是UM71軌道電路的重要組成部分，它的作用是改善軌道電路在調(diào)整狀態(tài)和分流狀態(tài)的傳輸特性，延長軌道電路的傳輸距離，確保鋼軌中有足夠的信號電流向機車發(fā)送信息。然而由于易受溫度濕度以及人為因素的影響產(chǎn)生電容電特性參數(shù)漂移或接觸不良，導(dǎo)致補償電容老化、失效或丟失，最終影響鐵路信號的正常傳輸，故需經(jīng)常檢查。

為滿足鐵路工務(wù)段對軌道電路檢查的需求，在國內(nèi)，鐵路有關(guān)部門和一些研發(fā)機構(gòu)開發(fā)了一些專用的軌道電路在線綜合參數(shù)測試儀，典型產(chǎn)品有鄭州麥科信電子技術(shù)有限公司的ME2000B軌道電路綜合測試儀、北京博學(xué)宏業(yè)信息技術(shù)有限公司的WXY111B型通用測試儀等。該課題組也已研制了一種便攜式UM71型無絕緣軌道電路測試系統(tǒng)[1]，通過對測量出來的補償電容容值來判斷其工作狀態(tài)，以免影響列車的正常運行。但在實際使用中發(fā)現(xiàn)一些問題，因為需要對每個電容使用測試儀進行人工檢測，費時費力，效率低，工作量大。為此，開發(fā)了新的軌道電路測試系統(tǒng)，系統(tǒng)中使用了先進的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)來進行故障定位。新系統(tǒng)通過實驗測試，取得了良好的測試效果。

補償電容測試新系統(tǒng)進行實時采集時，把采集裝置安裝在機車上采集軌道電路信號，通過對測量數(shù)據(jù)處理和分析來進行故障檢測，然后對檢測結(jié)果進行定位，新系統(tǒng)中以車代人進行檢測，使得檢測更快、更安全，同時節(jié)省了人力資源。

2 車載補償電容測試系統(tǒng)的總體設(shè)計

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，系統(tǒng)硬件包括感應(yīng)線圈傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、GPS接收機、天線、電源和筆記本電腦等。鐵路檢測車的下方第一輪對前方裝有感應(yīng)線圈如圖2所示，當列車運行，其第一輪對壓上軌道電路時，傳感器測得模擬信號，接著模擬信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡的模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后通過USB接口輸入處理器。GPS接收機接收GPS信息，經(jīng)RS232串行口傳輸給筆記本電腦。最后計算機USB接口和串口分別接收兩種測量值。

圖1 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 UM71軌道電路構(gòu)成

系統(tǒng)軟件為用戶提供友好的人機交互界面，其總體結(jié)構(gòu)可分為3個層次：（1）底層設(shè)備驅(qū)動程序；（2）上層控制軟件；（3）故障診斷程序，如圖1所示。采集卡驅(qū)動程序是實現(xiàn)底層的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)預(yù)處理的功能[2]，上層控制軟件是控制采集的軌道電路數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)的存儲、顯示等，這兩個部分都是實時控制；故障診斷程序則是離線處理分析由前兩個部分協(xié)作得到的采集數(shù)據(jù)文件，提取補償電容故障信息。

3 GPS定位部分的詳細設(shè)計

根據(jù)需要并處于成本的考慮，系統(tǒng)選擇了已開發(fā)的車輛導(dǎo)航定位型接收機。這種類型的接收機一般采用C/A碼偽距測量，雖然單點實時定位精度較低，文中定位經(jīng)度為10m左右，但是因為電容間隔在100m左右，所以足夠可以區(qū)分兩個電容的位置。

3.1 與GPS接收機的通信

首先要完成GPS接收機與PC機的接口電路的設(shè)計，由于GPS接收機為CMOS電平，而計算機的串行口要求的是RS232電平，所以必須進行電平轉(zhuǎn)換。其次，對GPS接收機進行系統(tǒng)設(shè)置，GPS接收機可以發(fā)送幾十條組合信息，為節(jié)約接收時間，設(shè)置GTRMC包含系統(tǒng)所需信息的語句，屏蔽其他所有語句，并設(shè)置其數(shù)據(jù)輸出格式為NMEA-0183標準格式，通信協(xié)議為全雙工異步串行通信方式（波特率為9600，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無奇偶標志位）。

GPS接收機作為系統(tǒng)的重要組成單元，主要實現(xiàn)對其有用信息（包括經(jīng)度、緯度、速度、定位標志位等信息）的提取，最后有效地利用這些信息解決系統(tǒng)的定位問題。系統(tǒng)利用Microsoft的MSComm控件實現(xiàn)對GPS接收機的通信，通過對MSComm控件的OnComm事件的響應(yīng)，對RS232串口采用查詢方式[3]。

3.2 GPS接收數(shù)據(jù)有用信息的提取[4-5]

采集系統(tǒng)只負責從串口接收GPS數(shù)據(jù)并將其存放于硬盤，這些信息必須通過程序預(yù)處理才能提取出有用的定位信息數(shù)據(jù)。文中的GPS接收機使用的是NMEA-0183的傳輸協(xié)議，對于通常的情況，定位數(shù)據(jù)如經(jīng)緯度、速度、時間等均可以從“SGPRMC”幀中獲取得到，例如：

上述語句中包含了坐標（大地經(jīng)緯度）、速度、時間（UTC時間）、衛(wèi)星數(shù)目、差分狀態(tài)等信息。文中通過搜尋“SGPRMC”來判斷是否是一幀數(shù)據(jù)的幀頭，在對幀頭的類別進行識別后再通過對逗號個數(shù)的計數(shù)來判斷出當前正在處理的是哪一種參數(shù)，并做出相應(yīng)的處理。所以在對GPS數(shù)據(jù)進行解幀處理時，找到第一個以“SGPRMC”開頭的語句時，先通過有效位判斷此語句是否有效，若有效則提取經(jīng)度、緯度保存到數(shù)組變量DGPS（見表1），若無效繼續(xù)查找后續(xù)的以“SGPRMC”開頭的語句。

表1 DGPS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

4 GPS信息在故障定位中的應(yīng)用

4.1 定位原理

GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)能提供全天候、連續(xù)、實時的高精度導(dǎo)航參數(shù)，實現(xiàn)三維定位，并可提供精確的時間信息。應(yīng)用GPS定位系統(tǒng)進行定位有多種實現(xiàn)方式，該文選擇以GPS提供的給定坐標系下的經(jīng)度、緯度進行直接定位[6]。

GPS信息主要用于對故障補償電容進行定位，然后根據(jù)定位信息對相關(guān)補償電容進行維護。為了進行定位，首先在采集數(shù)據(jù)時采用預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)（每寫入一定字節(jié)的軌道電路數(shù)據(jù)接著寫入設(shè)定字節(jié)的GPS數(shù)據(jù)），每段GPS數(shù)據(jù)對其前面的一段軌道電路進行定位。如果查找到的故障補償電容在第n次寫入的軌道電路數(shù)據(jù)里，那么其定位信息就是第n次寫入的GPS信息里提取出來的經(jīng)緯度[7]。

如圖3所示，對分離后的軌道電路數(shù)據(jù)進行濾波、平滑等處理得到數(shù)據(jù)集DTRACK[8]，結(jié)構(gòu)如表2所示。DTRACK作為故障診斷程序的輸入[9]，輸出檢測結(jié)果集，具體用一個采樣點來代表每個補償電容，在第三部分中對GPS有用信息提取得到數(shù)據(jù)集DGPS（結(jié)構(gòu)如表1所示），在DGPS中查找這個采樣點對應(yīng)的經(jīng)緯度，一起保存到結(jié)構(gòu)如表3所示的變量S中。

圖3 故障診斷流程圖

表2 DTRACK數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

表3 診斷結(jié)果表格顯示

4.2 實驗分析

首先使用車載UM71軌道電路補償電容測試系統(tǒng)從西安蔡家坡到眉縣采集軌道電路數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)，然后對這段實際測量數(shù)據(jù)進行如圖3所示的故障診斷，輸出如表3所示的補償電容的信息，表中每行代表一個補償電容的信息（包括序號、采樣值、緯度、經(jīng)度和有無故障標識）。表格顯示一段軌道電路區(qū)間電容檢測結(jié)果，說明這個軌道電路區(qū)間共安裝了9個補償電容，而且檢測結(jié)果顯示均無故障，不需要進行維護，若為故障電容則最后一項值為“0”，然后根據(jù)經(jīng)緯度信息對補償電容進行維護。通過相關(guān)鐵路部門提供的數(shù)據(jù)顯示該次測試結(jié)果完全正確，即所測軌道電路區(qū)間補償電容全無故障。

雖然實驗結(jié)果給出的經(jīng)度和緯度的數(shù)據(jù)只在小數(shù)點后第三位或第四位才有變化（如表3所示），但是根據(jù)地球經(jīng)度每相差一度實際距離相差111.32 km和緯度每相差一度實際相差111.13km等相關(guān)理論，通過高斯坐標變換公式，計算出每兩個補償電容之間的距離為100 m左右，和實際距離基本符合。由于系統(tǒng)不需要計算出相鄰兩個補償電容距離，因此在這具體算法不在闡述。

5 結(jié)束語

該文介紹了用GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)解決車載軌道電路補償電容測試系統(tǒng)的定位問題，實際測試表明，系統(tǒng)效果比較理想，解決了原便攜式測試系統(tǒng)沿線測試每個電容費時費力的問題。雖然新系統(tǒng)也存在新的問題，如穿越隧道等地段時GPS信號丟失，系統(tǒng)無法正常工作。但GPS技術(shù)有很大的發(fā)展?jié)摿?，未來系統(tǒng)可利用經(jīng)緯度信息直接定位并結(jié)合數(shù)據(jù)庫處理檢測的數(shù)據(jù)，可使檢測系統(tǒng)多媒體化，使定位圖形化、直觀化。

[1] 張成剛，孔令富.基于MSP430的軌道電路在線測試系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2007（9）：85-86.

[2] 楊 申，陳 偉.基于無線USB的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].儀器儀表學(xué)報，2004，25（4）：515-518.

[3] 公丕波，郝金明，朱偉剛，等.GPS接收機與PC機間串口通信的實現(xiàn)[J].海洋測繪，2005（3）：35-37.

[4]李擁軍.GPS定位系統(tǒng)中數(shù)據(jù)讀取和坐標的轉(zhuǎn)換鐵路[J].計算機應(yīng)用，2005，14（4）：43-45.

[5]張 健，張 惠.GPS接收機檢定方法的實驗研究[J].計量與測試技術(shù)，2009，36（8）：37-38.

[6] 高 偉，晏 磊，徐紹銓，等.GPS天線相位中心偏差對GPS 高程的影響及改正研究[J].儀器儀表學(xué)報，2007，28（11）2052-2058.

[7] 單慶曉，陳建云，鐘小鵬，等.基于數(shù)據(jù)文件讀取的GPS信號模擬技術(shù)[J].電子測量與儀器學(xué)報，2009，23（5）：79-84.

[8]李 琦，趙京城.吸波材料反射率測試曲線平滑方法[J].電子測量技術(shù)，2007，30（12）：10-12.

[9]徐紹銓，吳祖仰.大地測量學(xué)[M].武漢：武漢測繪科技大學(xué)出版社，2000.