王幫軍

(烏魯木齊鐵路局 工務(wù)機(jī)械段，新疆 烏魯木齊　830013)

隨著鐵路運(yùn)營里程的不斷增加及既有線路養(yǎng)護(hù)工作量的增加，鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械的品種和數(shù)量快速增加。目前，主要的大型養(yǎng)路機(jī)械機(jī)型有：清篩機(jī)、抄平起撥道搗固車、動(dòng)力穩(wěn)定車、配砟整形車、焊軌車、鋼軌打磨車、物料車等。其中，主要作業(yè)車型為前4種。這些大型養(yǎng)路機(jī)械的廣泛使用，大大推動(dòng)了我國鐵路事業(yè)的發(fā)展，為鐵路的高效運(yùn)營提供了保障[1-3]。

然而，這些大型養(yǎng)路機(jī)械作業(yè)時(shí)，基本上都沒有安裝線路橫向水平參數(shù)實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)，而是在作業(yè)后，由配合作業(yè)的工務(wù)段測(cè)量人員對(duì)線路橫向水平參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量人員距離作業(yè)車輛較近，安全性不好。另外，由于目前大機(jī)作業(yè)普遍采用天窗點(diǎn)作業(yè)模式，天窗點(diǎn)多在夜間，因此要求該系統(tǒng)具備良好的可視性，并可自動(dòng)調(diào)節(jié)顯示亮度[4]。

針對(duì)以上問題,本文研制了搗固車超高測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)顯示技術(shù)將所測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，顯示系統(tǒng)采用高亮度顯示屏，顯示亮度可根據(jù)作業(yè)環(huán)境自動(dòng)調(diào)節(jié)，方便檢查人員查閱數(shù)據(jù)，同時(shí)遠(yuǎn)離作業(yè)后較為污染的環(huán)境，有利于作業(yè)人員的身體健康[5]。

1　系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1　系統(tǒng)原理

系統(tǒng)原理如圖1所示，整套系統(tǒng)主要由主機(jī)箱、電氣箱2部分組成。

圖1　系統(tǒng)原理示意

1)主機(jī)箱

主機(jī)箱由控制板、顯示屏、標(biāo)定電阻、機(jī)箱和顯示屏控制卡組成。其中，控制板將傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理；顯示屏顯示測(cè)量結(jié)果，單位為mm；標(biāo)定電阻用于初始值標(biāo)定；控制卡則把控制板的數(shù)據(jù)傳輸?shù)斤@示屏上進(jìn)行顯示。

2)電氣箱

電氣箱由電氣盒和傾角傳感器組成。

1.2　硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件分為4部分：①采用型號(hào)為LCF-100的JEWELL高精度傾角傳感器作為測(cè)量單元；②采用型號(hào)為DSPIC30F6012A的單片機(jī)作為主體的控制單元；③用來進(jìn)行數(shù)值設(shè)定的設(shè)置單元；④采用LED顯示屏進(jìn)行顯示的顯示單元。設(shè)計(jì)原理如圖2所示，系統(tǒng)組成如圖3所示。

圖2　設(shè)計(jì)原理示意

圖3　系統(tǒng)組成

1.3　電路設(shè)計(jì)

硬件采集控制板由CPU模塊、AD采集模塊、硬件濾波電路3部分組成。

1)CPU模塊

CPU模塊主要由單片機(jī)和晶振電路組成，是整個(gè)控制板的控制中樞，采集開關(guān)量和模擬量，通過RS232輸出數(shù)據(jù)到顯示屏，同時(shí)進(jìn)行左超高和右超高判斷，并輸出相應(yīng)的開關(guān)量信號(hào)。

2)AD采集模塊

AD采集模塊主要由AD7656和輔助電路組成，把傳感器采集到的模擬量經(jīng)過轉(zhuǎn)換后變成數(shù)字量，再傳輸給單片機(jī)，由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

3)硬件濾波電路

由于大型養(yǎng)路機(jī)械在作業(yè)時(shí)，車體振動(dòng)較大，因此通過增加硬件濾波電路去除干擾頻率，采集到實(shí)際的數(shù)值。

1.4　顯示設(shè)置

顯示設(shè)置是指對(duì)顯示屏控制卡的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。顯示設(shè)置可用于選擇控制器型號(hào)和通訊方式，選擇串口號(hào)和更改波特率，修改橫向點(diǎn)數(shù)和縱向點(diǎn)數(shù)。設(shè)置不同時(shí)間段的顯示亮度。

1.5　安裝位置

安裝位置如圖4所示，以09-32型搗固車為例，傾角傳感器安裝于搗固裝置后面的測(cè)量小車上；控制盒里包含控制電路及調(diào)節(jié)電路，安裝在車尾駕駛室內(nèi)；顯示屏則安裝在車尾大燈旁邊。

圖4　安裝位置示意

2　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖

圖5　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖見圖5。系統(tǒng)軟件主要分為AD采集、軟件濾波、數(shù)值判斷、數(shù)據(jù)傳輸4部分。

2.2　系統(tǒng)算法

本系統(tǒng)采用濾波算法，濾波算法是軟件設(shè)計(jì)里最關(guān)鍵的部分。本產(chǎn)品采用中位值濾波法、遞推平均濾波法(又稱滑動(dòng)平均濾波法)2種[6-7]。

1)中位值濾波法

濾波方法：連續(xù)采樣N次(N取奇數(shù))，把N次采樣值按大小排列，取中間值為本次有效值。

優(yōu)點(diǎn)：能有效克服因偶然因素引起的波動(dòng)干擾，對(duì)溫度、液位等變化緩慢的被測(cè)參數(shù)具有良好的濾波效果。

缺點(diǎn)：對(duì)流量、速度等快速變化的參數(shù)不適用。

2)遞推平均濾波法(又稱滑動(dòng)平均濾波法)

濾波方法：把連續(xù)N個(gè)采樣值看成1個(gè)隊(duì)列，隊(duì)列的長度固定為N，每次采樣到1個(gè)新數(shù)據(jù)后放入隊(duì)尾，并扔掉原來隊(duì)首的1個(gè)數(shù)據(jù)(先進(jìn)先出原則)，把隊(duì)列中的N個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算，就可獲得新的濾波結(jié)果。N值的選?。毫髁?，N=12；壓力,N=4；液面，N=4～12；溫度，N=1～4。

優(yōu)點(diǎn)：對(duì)周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度高，適用于高頻振蕩的系統(tǒng)。

缺點(diǎn)：靈敏度低，對(duì)偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾的抑制作用較差，不易消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差，不適用于脈沖干擾比較嚴(yán)重的場(chǎng)合，比較浪費(fèi)RAM(random access memory)。

高校本科畢業(yè)論文作為高等學(xué)校本科教育和人才培養(yǎng)中重要的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，重要性不言而喻。通過選題多樣化設(shè)計(jì)，考慮課程體系設(shè)置、學(xué)生未來崗位需求、研究需求以及創(chuàng)新需求等，激發(fā)學(xué)生興趣，能夠發(fā)揮畢業(yè)論文在衡量學(xué)生是否滿足專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)要求、是否掌握本專業(yè)基礎(chǔ)理論知識(shí)方面的作用，提高業(yè)務(wù)水平。通過能力多元化培養(yǎng)，對(duì)學(xué)生進(jìn)行走向社會(huì)、踏上工作崗位前的最后一次系統(tǒng)培訓(xùn)和綜合鍛煉，能夠提高綜合素質(zhì)和科研能力。

結(jié)合系統(tǒng)特點(diǎn)，采用本軟件進(jìn)行AD采集時(shí)，采用了中位值濾波法和遞推平均濾波法，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)由于作業(yè)時(shí)設(shè)備抖動(dòng)導(dǎo)致的干擾具有很好的濾波效果[8-10]。

3　系統(tǒng)安裝試用

3.1　樣機(jī)安裝

2014年8月，在烏魯木齊工務(wù)機(jī)械段檢修基地，在編號(hào)為10163的DCL-32型搗固車上安裝了1套樣機(jī)。

1)主機(jī)箱

主機(jī)箱安裝在車尾護(hù)欄上部位置，如圖6所示。

圖6　主機(jī)箱

2)傳感器盒

傳感器盒安裝在B小車中間連桿上(電子擺右側(cè)中間位置)，如圖7所示。

圖7　傳感器盒

3.2　試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。

表1　測(cè)試數(shù)據(jù)

由表1數(shù)據(jù)可知，所有測(cè)試值與真值誤差均<0.5 mm,具有較高的精度。

3.3　實(shí)施效果

1)方便地面實(shí)時(shí)掌握作業(yè)后線路變化情況。

2)可以提高后續(xù)車輛的作業(yè)質(zhì)量。

3)可有效減輕工務(wù)段配合人員的工作量，提高其安全性。

4)能改善大機(jī)作業(yè)效果，提高線路的養(yǎng)修質(zhì)量。

4　結(jié)論

搗固車超高測(cè)量系統(tǒng)主要技術(shù)特點(diǎn)如下：

1)采用可靠的控制芯片，對(duì)傳感器采集到的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波及數(shù)值轉(zhuǎn)換，并通過RS232傳輸?shù)斤@示屏。

2)采用高精度傾角傳感器，能對(duì)線路橫向水平參數(shù)的變化進(jìn)行精確測(cè)量，同時(shí)具有良好的抗抖動(dòng)性能。

3)采用高亮度顯示屏，保證50 m內(nèi)均能看清數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)，方便檢查人員查閱數(shù)據(jù)，同時(shí)遠(yuǎn)離作業(yè)后較污染的環(huán)境，有利于作業(yè)人員的身體健康。

搗固車超高測(cè)量系統(tǒng)為達(dá)到實(shí)時(shí)顯示作業(yè)后的線路橫向水平參數(shù)的目的，后期需不斷完善軟硬件系統(tǒng)，以保證搗固車的作業(yè)效果，提高作業(yè)效率，從而保障線路的正常運(yùn)營。

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