袁亦竑，羅雁云，葉 豐，曾國鋒，朱志偉，王國強(qiáng)

（1.同濟(jì)大學(xué)國家磁浮交通工程技術(shù)研究中心，上海201804；2.同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，上海201804）

高速磁浮軌道線形快速檢測系統(tǒng)關(guān)鍵部件研發(fā)

袁亦竑1，羅雁云2，葉 豐1，曾國鋒1，朱志偉1，王國強(qiáng)1

（1.同濟(jì)大學(xué)國家磁浮交通工程技術(shù)研究中心，上海201804；2.同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，上海201804）

介紹了用于上海高速磁浮示范線的新一代軌道檢測設(shè)備的硬件系統(tǒng)、關(guān)鍵設(shè)備及其研制重點(diǎn),包括軌道檢測設(shè)備的總體設(shè)計(jì)、主要技術(shù)參數(shù)和總體架構(gòu),關(guān)鍵部件如非標(biāo)數(shù)模轉(zhuǎn)換卡和信號調(diào)理卡的技術(shù)方案設(shè)計(jì),以及配套數(shù)據(jù)采集控制軟件的設(shè)計(jì)等。經(jīng)過8年努力，同濟(jì)大學(xué)（國家）磁浮交通工程技術(shù)研究中心的研發(fā)團(tuán)隊(duì)最終完成了軌道線形檢測專用關(guān)鍵部件及新一代軌道檢測設(shè)備的研制。

磁浮；關(guān)鍵部件；軌道檢測

上海高速磁浮示范運(yùn)營線的日常線形檢測采用的是在線隨車測量方法，即利用安裝在旅客列車上的車載軌道檢測設(shè)備進(jìn)行隨車測量來實(shí)現(xiàn)軌道的長波線形和部分短波偏差的檢測。目前使用的設(shè)備是德方十幾年前提供的一套專門定制的非標(biāo)軌道檢測設(shè)備軌道監(jiān)測系統(tǒng)GMS（guideway monitoring system）。經(jīng)過長期使用，設(shè)備的可靠性與穩(wěn)定性已明顯下降，同時(shí)還面臨著關(guān)鍵非標(biāo)備件缺乏和標(biāo)準(zhǔn)備件停產(chǎn)等導(dǎo)致的采購困難等問題，對線路維護(hù)作業(yè)帶來諸多不便，急需通過研制新一代軌檢設(shè)備進(jìn)行解決。

為此，同濟(jì)大學(xué)國家磁浮交通工程技術(shù)研究中心的研發(fā)團(tuán)隊(duì)從八年前起開始進(jìn)行軌檢設(shè)備的國產(chǎn)化研究，目前已完成兩代原型機(jī)的研制，正在進(jìn)行工程樣機(jī)的研制。本文介紹高速磁浮軌道線形快速檢測系統(tǒng)TIS（track inspection system）主機(jī)的研制。

1 TIS硬件系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

TIS設(shè)備設(shè)計(jì)用于高速磁浮系統(tǒng)的軌道線形檢測，設(shè)備的硬件部分設(shè)計(jì)安裝于磁浮列車的頭車上，在列車正常運(yùn)行中進(jìn)行線路軌道的線形檢測。檢測所需的數(shù)據(jù)源來自單獨(dú)安裝的加速度傳感器和部分列車既有的懸浮、導(dǎo)向控制及測速定位系統(tǒng)的傳感器。對于列車傳感器信號，考慮到對列車原有系統(tǒng)的影響，在引出之前增加信號隔離模塊。

TIS的設(shè)備主要包括安裝在磁浮列車走行部的車載傳感器系統(tǒng)、安裝在走行部和駕駛室內(nèi)的信號分離模塊、安裝在駕駛室內(nèi)的主機(jī)以及用于數(shù)據(jù)分析處理的地面計(jì)算機(jī)等，其中安裝在駕駛室機(jī)柜內(nèi)的主機(jī)是整個(gè)TIS系統(tǒng)的核心。TIS主機(jī)主要由數(shù)據(jù)采集設(shè)備、專用數(shù)模轉(zhuǎn)換板卡和信號調(diào)理板卡、機(jī)箱、電源等部件組成。其中專用數(shù)模轉(zhuǎn)換板卡和信號調(diào)理板卡是與車載既有傳感器對接的接口適配器，屬于高速磁浮系統(tǒng)專用部件，是研制的重點(diǎn)；其余設(shè)備采用成熟可靠的通用部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并參考了相關(guān)電力電子系統(tǒng)、開關(guān)電源等行業(yè)的成功經(jīng)驗(yàn)來提高設(shè)備整體的工作穩(wěn)定性，最后根據(jù)TIS的功能需求編制專用的采集控制軟件。

1.1 功能需求

TIS的主機(jī)需實(shí)現(xiàn)如下功能：

（1）磁浮軌道線形檢測所需數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換、采集與記錄，包括：4個(gè)加速度信號（單端模擬制電流型）通道；6個(gè)氣隙信號（雙端專用協(xié)議數(shù)字式）通道；2個(gè)齒槽信號（雙端專用協(xié)議數(shù)字式）通道；2個(gè)定位信號（雙端專用協(xié)議數(shù)字式）通道；8個(gè)預(yù)留擴(kuò)展信號（單端模擬電壓型）通道。

（2）具有根據(jù)車載傳感器信號自動(dòng)實(shí)現(xiàn)采集并生成工況信息的采集半自動(dòng)控制功能；

（3）具有采集數(shù)據(jù)管理、用戶管理、日志管理等功能；

（4）預(yù)留了8個(gè)模擬電壓通道的擴(kuò)展測試采集功能。

1.2 技術(shù)參數(shù)

TIS設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)如下：采集通道數(shù)為14個(gè)（標(biāo)準(zhǔn)模式）或22（擴(kuò)展模式）個(gè)；采樣頻率為10kHz/通道；采樣分辨率為18位；數(shù)據(jù)容量為不少于上海示范線連續(xù)運(yùn)行兩個(gè)往返（即4個(gè)單程）；設(shè)備便攜性為設(shè)備的重量和體積滿足單人手工搬運(yùn)條件，并預(yù)留機(jī)柜安裝條件；設(shè)備工作環(huán)境為上海線磁浮列車駕駛室內(nèi)。

1.3 總體架構(gòu)

TIS設(shè)備的總體架構(gòu)如圖1所示，其中右側(cè)點(diǎn)劃線框內(nèi)的為主機(jī)部分，左側(cè)虛線框內(nèi)的為原有車載設(shè)備。

圖1 TIS總體架構(gòu)Fig.1 System frame of the TIS

TIS的主機(jī)采用基于面向儀器領(lǐng)域的PCI（peripheral component interconnection）擴(kuò)展PXI（PCI e-Xtensions for instrumentation）總線的通用模擬數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)，選用增加了可折疊式鍵盤、指控板、觸模屏套裝的便攜式3U8槽機(jī)箱作為系統(tǒng)的基本框架，通過車載AC220 V電源供電，外部接口與GMS相兼容。相比上一代原型機(jī)需要?jiǎng)佑苗P車搬運(yùn)，TIS的主機(jī)在重量和體積上均大為減小，實(shí)現(xiàn)了可單人搬運(yùn)的便攜目標(biāo)。同時(shí)，顯示器屏幕由原來GMS的12寸視頻圖形陣列VGA（video graphics array）普通屏升級為15寸擴(kuò)展圖形陣列XGA（extended graphics array）觸摸屏，人機(jī)界面更加友好。

2 數(shù)模轉(zhuǎn)換卡

2.1 設(shè)計(jì)需求

數(shù)模轉(zhuǎn)換板卡需實(shí)現(xiàn)列車懸浮氣隙、導(dǎo)向氣隙以及定位齒槽信號的轉(zhuǎn)換功能。將上述數(shù)字量信號轉(zhuǎn)換成可供通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接收的模擬電壓信號。數(shù)模轉(zhuǎn)換板卡分為定子面用和導(dǎo)向面用2種，其中導(dǎo)向面用的轉(zhuǎn)換卡需實(shí)現(xiàn)4路不同波特率的導(dǎo)向氣隙的轉(zhuǎn)換，定子面的轉(zhuǎn)換卡需實(shí)現(xiàn)2路懸浮氣隙和2路齒槽信號的轉(zhuǎn)換。

為減小TIS主機(jī)的尺寸、提高設(shè)備的便攜性能，相比以往GMS使用的轉(zhuǎn)換卡（全車需2種不同型號的塊卡4塊，占4個(gè)面板單元），TIS的轉(zhuǎn)換板卡設(shè)計(jì)提高了通用性和緊湊性，每塊卡具有4個(gè)輸入通道、4個(gè)自適應(yīng)的氣隙信號輸出通道和2個(gè)齒槽信號輸出通道，這樣板卡既可以用于導(dǎo)向面，也可以用于定子面，且整個(gè)TIS只需2塊相同型號的數(shù)模轉(zhuǎn)換卡，共占2個(gè)面板單元。

2.2 技術(shù)方案

數(shù)模轉(zhuǎn)換卡的總體設(shè)計(jì)滿足PXI/CPCI（compact PCI）規(guī)范的相關(guān)要求，可直接安裝在3U高度的PXI/CPCI機(jī)箱內(nèi)，轉(zhuǎn)換卡面板的寬度為一個(gè)槽位，轉(zhuǎn)換卡的電源取自PXI背板總線。

數(shù)模轉(zhuǎn)換卡采用復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD（complex programmable logic device）作為主處理核心，每塊板卡可同時(shí)處理4個(gè)通道的非標(biāo)協(xié)議氣隙數(shù)據(jù)或2個(gè)通道氣隙數(shù)據(jù)和2個(gè)通道齒槽信號，可根據(jù)需要選擇用于定子面（2+2通道）或?qū)蛎妫?+ 0通道）。通過處理器還提供氣隙信號的故障診斷的功能，通訊報(bào)文的識別結(jié)果通過紅綠雙色LED在面板上顯示出來，綠燈表示識別和轉(zhuǎn)換成功，紅燈代表有數(shù)據(jù)未被識別成功。數(shù)模轉(zhuǎn)換卡的數(shù)據(jù)流程如圖2所示。

圖2 非標(biāo)數(shù)模轉(zhuǎn)換卡數(shù)據(jù)流程Fig.2 Data flow chart of the DAC card

2.3 板卡設(shè)計(jì)

自適應(yīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換卡主要實(shí)現(xiàn)多路非標(biāo)RS485數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬量輸出。4路非標(biāo)氣隙（或齒槽）信號進(jìn)入數(shù)模轉(zhuǎn)換卡后，先各自經(jīng)過電平匹配芯片轉(zhuǎn)為TTL電平并同步；再統(tǒng)一送入CPLD芯片以實(shí)現(xiàn)信號的波特率識別、報(bào)文信息解碼、非線性增益控制等；最后將讀取與同步后的4路信號以串行形式發(fā)送至4片DA芯片DAC8512進(jìn)行輸出；解碼后的齒槽信號則由整形電路單獨(dú)輸出。

數(shù)模轉(zhuǎn)換卡的PCB板上設(shè)置專門的輸入選擇開關(guān)，用于選擇板卡作為4路導(dǎo)向氣隙解碼或是2路懸浮氣隙+2路齒槽信號解碼用。輸出信號則通過跳線進(jìn)行選擇。此外，為每個(gè)氣隙轉(zhuǎn)換通道設(shè)置1組狀態(tài)指示燈，由CPLD的IO口直接驅(qū)動(dòng)。每組為1個(gè)紅綠雙色LED，由2個(gè)IO口獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，用于顯示報(bào)文的解碼狀態(tài)。

數(shù)模轉(zhuǎn)換卡的前面板尺寸參照3U高度的CPCI標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，1槽寬度，下方設(shè)置助拔器1個(gè)。面板上主要開設(shè)數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)輸出和狀態(tài)指示燈等6個(gè)孔。

3 信號調(diào)理卡

3.1 設(shè)計(jì)需求

信號調(diào)理卡實(shí)現(xiàn)列車懸浮磁鐵和導(dǎo)向磁鐵加速度信號的電平轉(zhuǎn)換及濾波處理，以及對定位標(biāo)志板信號的數(shù)模轉(zhuǎn)換解碼處理。其中加速度信號為單端電流信號，需要首先轉(zhuǎn)換成電壓信號再處理；定位標(biāo)志板信號為采用磁浮專用協(xié)議的雙端數(shù)字信號，需要進(jìn)行整形、解碼、數(shù)模變換等處理。

考慮到加速度濾波元件的尺寸，信號調(diào)理板卡仍然采用2槽寬度設(shè)計(jì)，每塊板卡占用1個(gè)PXI背板槽，面板占用2個(gè)槽位的寬度。定子面和導(dǎo)向面各需1塊信號調(diào)理卡，2塊板卡完全相同，分別實(shí)現(xiàn)2路加速度信號的預(yù)處理和1路定位標(biāo)志板信號的轉(zhuǎn)換。

3.2 技術(shù)方案

信號調(diào)理卡的總體設(shè)計(jì)滿足PXI/CPCI規(guī)范的相關(guān)要求，可直接安裝在3U高度的PXI/CPCI機(jī)箱內(nèi)，調(diào)理卡面板的寬度為2個(gè)槽位，卡的電源取自PXI背板總線。

信號調(diào)理卡的加速度調(diào)理部分采用精密取樣電阻和標(biāo)準(zhǔn)的4階巴特沃斯低通濾波器，定位信號轉(zhuǎn)換部分采用CPLD作為主處理核心，處理1個(gè)通道的非標(biāo)協(xié)議定位標(biāo)志板信號。信號調(diào)理卡的數(shù)據(jù)流程如圖3所示。

圖3 信號調(diào)理卡數(shù)據(jù)流程Fig.3 Data flow chart of the signal pre-processing card

3.3 板卡設(shè)計(jì)

信號調(diào)理卡主要實(shí)現(xiàn)2路模擬電流信號的轉(zhuǎn)換和預(yù)處理，以及1路非標(biāo)RS485數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成開關(guān)量電壓輸出。

單端模擬電流信號送入調(diào)理卡后首先進(jìn)入精密取樣電阻構(gòu)成的取樣電路，將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號；然后送入截止頻率為1 kHz的雙通道4階巴特沃斯低通濾波器進(jìn)行濾波；再對信號進(jìn)行輸出。同時(shí)，為科研用途還預(yù)留了濾波器旁路開關(guān)，閉合開關(guān)后信號可不通過濾波器直接輸出。

同時(shí)，非標(biāo)定位標(biāo)志板信號進(jìn)入調(diào)理卡后，首先通過電平匹配芯片轉(zhuǎn)為TTL電平，再送入CPLD芯片以實(shí)現(xiàn)信號的波特率識別、報(bào)文信息解碼、標(biāo)志板使能編碼等運(yùn)算，最后將結(jié)果以開關(guān)量電壓信號的方式輸出，送給采集卡。

數(shù)據(jù)調(diào)理卡的前面板尺寸參照3U高度的CPCI標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，2槽寬度，左下方設(shè)置助拔器1個(gè)。面板上主要開設(shè)數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)輸出、濾波旁路開關(guān)等3個(gè)孔。

4 數(shù)據(jù)采集與控制軟件

為了實(shí)現(xiàn)TIS設(shè)備的采集控制與文件管理，磁浮中心團(tuán)隊(duì)還專門開發(fā)了一套采集控制軟件，該軟件基于LabVIEW平臺編制，運(yùn)行于PXI采集控制器硬件平臺和Microsoft Windows 7 Pro x64軟件平臺上。數(shù)據(jù)采集與控制軟件主要實(shí)現(xiàn)的功能包括：對采集系統(tǒng)硬件的管理和采集控制、14路TIS通道數(shù)據(jù)文件的記錄與格式轉(zhuǎn)換、用戶登陸與用戶權(quán)限管理、采集參數(shù)的設(shè)定、前端傳感器標(biāo)定計(jì)算及標(biāo)定文件的管理、系統(tǒng)配置文件與通道配置文件的管理、列車進(jìn)路的設(shè)置與進(jìn)路邏輯判斷、半自動(dòng)化采集控制、通道數(shù)據(jù)波形實(shí)時(shí)監(jiān)視、8路擴(kuò)展通道的數(shù)據(jù)采集功能及擴(kuò)展通道設(shè)置、數(shù)據(jù)文件管理和系統(tǒng)日志文件記錄和管理等。軟件的設(shè)計(jì)采用自上而下的3層式設(shè)計(jì)原則，包括頂層（人機(jī)界面層）、中間邏輯層和底層（驅(qū)動(dòng)層），其3層結(jié)構(gòu)如圖4所示。軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，設(shè)置了用戶管理、數(shù)據(jù)采集、自定義通道信息、系統(tǒng)日志和文件管理5個(gè)主要模塊，共包括50多個(gè)主要子程序（子VI），其中采集控制軟件的數(shù)據(jù)采集界面如圖5所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集控制軟件的3層結(jié)構(gòu)Fig.4 Three layers structure of data acquision control software

圖5 數(shù)據(jù)采集與控制軟件界面Fig.5 Interface of data acquision and control software

正常情況下，軟件啟動(dòng)后只需完成用戶登錄和標(biāo)定文件確認(rèn)，并選擇當(dāng)前的列車運(yùn)行時(shí)刻表信息之后軟件就可以自動(dòng)分析相關(guān)通道的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，根據(jù)列車的運(yùn)行情況自動(dòng)實(shí)現(xiàn)采集啟?？刂撇⑸珊信c列車運(yùn)行工況相對應(yīng)的數(shù)據(jù)文件信息，實(shí)現(xiàn)無人值守下的連續(xù)數(shù)據(jù)采集。

5 設(shè)備的制造

TIS設(shè)備的制造過程先后經(jīng)歷了非標(biāo)板卡研制、設(shè)備整機(jī)研制、設(shè)備線下調(diào)試、設(shè)備上車聯(lián)測、設(shè)備性能考核等階段，整個(gè)過程歷時(shí)1年有余，最后完成的非標(biāo)板卡樣本和TIS設(shè)備分別如圖6、圖7所示。

圖6 試制完成的非標(biāo)信號轉(zhuǎn)換卡（右）和加速度信號調(diào)理卡（左）Fig.6 DAC card（R）and signal pre-processing card（L）

圖7 在磁浮列車上測試中的TIS設(shè)備Fig.7 TIS testing on the maglev vehicle

5 結(jié)語

自2016-06-15設(shè)備首次正線動(dòng)態(tài)測試以來，TIS已陸續(xù)跟車運(yùn)行測試4個(gè)多月，隨車運(yùn)行上百趟，總共獲得了磁浮列車在整個(gè)正線區(qū)間雙向雙軌以不同速度運(yùn)行工況下的64趟有效數(shù)據(jù)。測試結(jié)果表明，新研制的TIS設(shè)備在整個(gè)測試過程中工作穩(wěn)定可靠、各功能作用正常、數(shù)據(jù)文件正確可用、能實(shí)現(xiàn)無人值守情況下的半自動(dòng)連續(xù)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備緊湊便攜，可實(shí)現(xiàn)單人一次搬運(yùn)，能很好地滿足上海線的車載軌道檢測應(yīng)用。

同時(shí)在測試期間TIS采集設(shè)備還配合上海線軌道維護(hù)進(jìn)行了一次列車測試，對上海線全線雙向列車運(yùn)行情況進(jìn)行了采集，實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)展測試功能的首次科研應(yīng)用。TIS設(shè)備的8路擴(kuò)展采集功能和半自動(dòng)化連續(xù)采集功能顯著提高了現(xiàn)場測試工作的效率，而與數(shù)據(jù)同步采集的準(zhǔn)確的列車定位信息也大大減少了后期的測試數(shù)據(jù)處理中的定位信息還原工作量。

截止目前，磁浮中心的研發(fā)團(tuán)隊(duì)仍在繼續(xù)努力，對TIS設(shè)備及相關(guān)的軌道檢測分析算法進(jìn)行各項(xiàng)考核和完善，以期使TIS設(shè)備及其相關(guān)的軌道檢測技術(shù)更好地適應(yīng)工程應(yīng)用的需要。

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R&D of Critical Components for High Speed Maglev Track Online Inspection System

YUAN Yihong1,LUO Yanyun2,YE Feng1,ZENG Guofeng1,ZHU Zhiwei1,WANG Guoqiang1
（1.National Maglev Transportation Engineering R&D Center,Tongji University,Shanghai 201804,China; 2.Institute of Railway and Urban Mass Transit,Tongji University,Shanghai 201804,China）

This article made a description on the hardware system of the high speed maglev track inspection system（TIS）,critical components and their development focus.Including overall design,main parameters,system frame, requirements and technical solution for key parts like digital analogue convert card and signal pre-processing card.as well as the design for the data acquisition control software.After eight years'effort,R&D team of NMTC （national maglev transpor-tation engineering R&D center）finally completed the development for the new track inspection system and its key components.

maglev;critical component;guideway inspection;

袁亦竑

10.13234/j.issn.2095-2805．2017．2.046

TM932

A

袁亦竑（1981-），男，博士研究生，工程師，研究方向：磁浮軌道檢測與道岔，E-mail：yuanyihong@#edu.cn。

羅雁云（1960-），男，博士，教授，研究方向：鐵路軌道技術(shù)，E-mail：yanyunluo@ #edu.cn。

葉豐（1977-），男，通信作者，博士，副研究員，研究方向：磁浮軌道結(jié)構(gòu)，E-mail：yefeng@#edu.cn。

曾國鋒（1970-），男，博士，副研究員，研究方向：磁浮軌道結(jié)構(gòu)，E-mail：zengguo feng@#edu.cn。

朱志偉（1980-），女，碩士，高級工程師，研究方向：磁浮軌道結(jié)構(gòu)，E-mail：zhu zhiwei@#edu.cn。

王國強(qiáng)（1964-），男，博士，副研究員，研究方向：磁浮軌道結(jié)構(gòu)，E-mail：wangguo qiang@#edu.cn。

2016-11-17

國家科技支撐資助項(xiàng)目：高速磁浮交通工程化集成系統(tǒng)研究（2013BAG19B01-01-19）

Project Supported by the National Science and Technology Support Program major project:Research on high speed maglev transportation engineering integrated system（2013BAG19B01-01-19）