楊曉林，張劍平，吳建新，朱思平，楊建平，馬嘉杰

(1.成都貨安計(jì)量技術(shù)中心有限公司 研發(fā)部，四川 成都 610081；2.中國(guó)鐵路青藏集團(tuán)有限公司 客貨營(yíng)銷部，青海 西寧 810007)

1 鐵路計(jì)量系統(tǒng)現(xiàn)狀

鐵路計(jì)量系統(tǒng)是鐵路運(yùn)輸安全監(jiān)測(cè)和貨物計(jì)量的重要工具。目前通用的鐵路計(jì)量系統(tǒng)設(shè)備有軌道衡和超偏載儀，二者都是由模擬信號(hào)方式的壓力傳感器及剪力傳感器、傳感器接線箱、多路數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、打印機(jī)和檢測(cè)軟件等組成。鐵路計(jì)量系統(tǒng)根據(jù)秤體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、不同的數(shù)據(jù)算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)列車整車重量的測(cè)量，以及檢測(cè)車輛的前后重量偏載和左右中心偏移的功能。鐵路計(jì)量系統(tǒng)的工作原理是對(duì)傳感器模擬信號(hào)采集、傳輸、轉(zhuǎn)換、處理的系列過程。鐵路計(jì)量系統(tǒng)的工作流程如下：被檢測(cè)車輛的軸重信息通過傳感器的測(cè)量電路將電阻應(yīng)變計(jì)電阻轉(zhuǎn)換成等比例的模擬電信號(hào)(電壓或電流)輸出，傳送給數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)把傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換等處理，通過專用數(shù)據(jù)接口輸入計(jì)算機(jī)。在稱量系統(tǒng)軟件的支持下，完成系統(tǒng)自檢、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理，以及機(jī)車車輛判別，最后輸出數(shù)據(jù)。通用鐵路計(jì)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 通用鐵路計(jì)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure diagram of general railway weighing system

傳統(tǒng)鐵路計(jì)量系統(tǒng)方式下采用模擬信號(hào)以串行方式輸出數(shù)據(jù)，存在傳輸速度慢，不便于組合，傳感器放大倍數(shù)不可調(diào)，A/D轉(zhuǎn)換速度和網(wǎng)絡(luò)速度較慢，工作狀態(tài)不穩(wěn)定等特點(diǎn)。傳統(tǒng)鐵路計(jì)量系統(tǒng)通常會(huì)帶來以下問題：①傳感器模擬信號(hào)容易受到干擾。在模擬信號(hào)的傳輸過程中，容易被外界的電源、強(qiáng)磁場(chǎng)、微波對(duì)弱電的模擬信號(hào)造成干擾，導(dǎo)致最終采集信號(hào)的不穩(wěn)定、數(shù)據(jù)不真實(shí)，影響對(duì)貨物的計(jì)量和貨運(yùn)安全的監(jiān)控。②現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或采集處理機(jī)維護(hù)較困難。在現(xiàn)場(chǎng)配置的采集處理機(jī)，容易在電源或系統(tǒng)等發(fā)生異常故障時(shí)，難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和恢復(fù)，影響到計(jì)量監(jiān)測(cè)的正常工作；同時(shí)需要維護(hù)人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行維護(hù)，增加維護(hù)難度。③不能滿足高速車輛的檢測(cè)精度要求?，F(xiàn)有計(jì)量設(shè)備由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采樣頻率較低，傳輸方式的限制等因素，造成了在高速列車通過時(shí)所采集的信號(hào)周期不完整，對(duì)計(jì)量誤差有較大影響。④不便遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。由于傳感器輸出為模擬信號(hào)，遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)困難，設(shè)備故障檢查維護(hù)不便。⑤系統(tǒng)不易靈活組網(wǎng)。在傳統(tǒng)的不同類別的軌道衡系統(tǒng)和高低速超偏載系統(tǒng)中，需要根據(jù)傳感器個(gè)數(shù)、機(jī)械臺(tái)面的個(gè)數(shù)等情況，使用不同的采集設(shè)備、信號(hào)處理設(shè)備、傳輸設(shè)備，達(dá)到應(yīng)用和設(shè)備匹配，不能靈活地在不更換設(shè)備的情況下，在各系統(tǒng)中進(jìn)行自由轉(zhuǎn)換。⑥系統(tǒng)方案統(tǒng)一困難。當(dāng)前用戶使用多種形式的設(shè)備，需要對(duì)不同系統(tǒng)的維護(hù)、管理、使用進(jìn)行相應(yīng)地學(xué)習(xí)，致使對(duì)出現(xiàn)問題的設(shè)備維護(hù)、保養(yǎng)、處理難度加大，難以對(duì)設(shè)備儀器實(shí)現(xiàn)高效管理[1]。

針對(duì)傳統(tǒng)鐵路計(jì)量系統(tǒng)存在的上述問題，研究設(shè)計(jì)基于以太網(wǎng)技術(shù)的鐵路計(jì)量系統(tǒng)，以提高鐵路計(jì)量設(shè)備的測(cè)量精度、高速檢測(cè)和遠(yuǎn)程化管理水平。

2 基于以太網(wǎng)技術(shù)的鐵路計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

以太網(wǎng)技術(shù)是指運(yùn)用當(dāng)前流行的網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，采用指定的傳輸協(xié)議，按統(tǒng)一的以太網(wǎng)信息傳輸規(guī)則，對(duì)采集的原始信息，以數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的形式從采集點(diǎn)向接收端進(jìn)行協(xié)議輸送。其優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在：把原始信息以數(shù)字化信息進(jìn)行傳輸，減少外界的電磁場(chǎng)等干擾，提高采樣數(shù)據(jù)的精度；同時(shí)可以避免模擬電信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸時(shí)的信號(hào)衰減，達(dá)到用以太網(wǎng)技術(shù)傳輸時(shí)不受傳輸距離限制的功能。把鐵路計(jì)量系統(tǒng)中各種傳感器采集的原始信息以以太網(wǎng)技術(shù)的方式進(jìn)行信息傳輸，可以保證采集信息的真實(shí)性、實(shí)時(shí)性，體現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)，有利于提高設(shè)備的抗干擾能力和計(jì)量的精確度等級(jí)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)管理的功能。此外，基于以太網(wǎng)技術(shù)的鐵路計(jì)量系統(tǒng)還具有更高的傳輸速度，結(jié)合高性能的模塊采樣率，以及計(jì)算機(jī)性能和軟件處理性能的提升，對(duì)高速通過列車的頻變周期采樣更完整，有利于高速列車的計(jì)量檢測(cè)和安全監(jiān)控[2]。

2.1 總體架構(gòu)

基于以太網(wǎng)技術(shù)的鐵路計(jì)量系統(tǒng)的整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)由剪力傳感器、壓力傳感器、鋼軌、連接配件、過渡區(qū)及線纜組成，整個(gè)測(cè)試區(qū)間分為7個(gè)檢測(cè)臺(tái)面，每個(gè)檢測(cè)臺(tái)面包括左右2段測(cè)量區(qū)及其區(qū)間內(nèi)的檢測(cè)部件，主要涉及區(qū)間內(nèi)的2根水泥枕，中心距為600 mm，每根水泥枕的兩端上方安設(shè)有壓力傳感器，主要檢測(cè)貨車通過時(shí)上方軌道的垂直壓力，區(qū)間內(nèi)有4只壓力傳感器；在測(cè)試區(qū)間的端部，鋼軌的中合軸安裝剪力傳感器，中心距為1 200 mm，檢測(cè)貨車通過時(shí)軌道的剪切力?；谝蕴W(wǎng)技術(shù)的鐵路計(jì)量系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2所示。

每只傳感器在安裝到現(xiàn)場(chǎng)后，由一根特制網(wǎng)線輸出，在輸出網(wǎng)線的一端配置有Rj45接口，直接插入到就近的網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備上，即完成該路傳感器的連接過程，其他傳感器進(jìn)行同樣的操作即可。整個(gè)實(shí)施方案流程簡(jiǎn)單、方便、快速，對(duì)線路的快速投用起到積極作用。中間環(huán)節(jié)的縮減，有利于故障點(diǎn)的減少，所有傳感器接入網(wǎng)絡(luò)后，只需要一條專用網(wǎng)絡(luò)，把終端計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)控制箱連接起來即可投入工作，后期設(shè)備維護(hù)更加方便。

圖2 基于以太網(wǎng)技術(shù)的鐵路計(jì)量系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.2 The overall structure diagram of railway weighing system based on the Ethernet

2.2 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)主要采用數(shù)字電位器和網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)的方式，實(shí)現(xiàn)高速A/D轉(zhuǎn)換，多路傳感器并用，通過設(shè)定IP，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問，采集到每一只傳感器的輸出信號(hào)，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用情況，對(duì)每只傳感器信號(hào)(包括增益、零點(diǎn))輸出進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)試與維護(hù)，通過調(diào)試使得系統(tǒng)盡可能處于理想狀態(tài)，方便查找故障傳感器，保證系統(tǒng)的可靠性與精度，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)每只傳感器狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，還有利于計(jì)量設(shè)備智能化發(fā)展及信息化管理。電路原理框圖如圖3所示。

圖3 電路原理框圖Fig.3 Circuit principle block diagram

電路原理框圖的具體功能描述。

（1）傳感器經(jīng)過外部供橋電路產(chǎn)生穩(wěn)定的壓力輸出信號(hào)進(jìn)入前置放大電路，對(duì)壓力信號(hào)預(yù)放大后，進(jìn)入濾波電路。

（2）濾波電路可通過遠(yuǎn)程傳輸指令傳輸給主控CPU，主控CPU再發(fā)送控制信號(hào)給濾波電路進(jìn)而調(diào)整濾波系數(shù)。

（3）可變放大電路受主控CPU控制放大倍數(shù)，信號(hào)放大幅度為100 ～ 1 000倍。輸出端與調(diào)零電路連接。可變放大電路接收來自主控CPU的控制信號(hào)，對(duì)每只模擬傳感器信號(hào)幅度進(jìn)行調(diào)節(jié)和設(shè)置，將信號(hào)幅度調(diào)整至預(yù)定值。

（4）常用的調(diào)零電路一般采用調(diào)零電位器，零點(diǎn)輸出值較大或者較小通過手動(dòng)改變調(diào)零電位器阻值來改變零點(diǎn)大小，但調(diào)零電位器的調(diào)節(jié)是有限的，超過限度則無法調(diào)節(jié)。在此電路中當(dāng)零點(diǎn)輸出值較大或者較小時(shí)，通過遠(yuǎn)程傳輸指令給主控CPU電路，主控CPU電路再發(fā)送控制信號(hào)至調(diào)零電路實(shí)現(xiàn)調(diào)整零點(diǎn)[3-4]。

（5）主控CPU由單片機(jī)組成，主控CPU接收遠(yuǎn)程控制指令，再發(fā)送控制信號(hào)給可變放大電路、調(diào)零電路、濾波電路和A/D轉(zhuǎn)換電路。主控CPU控制數(shù)字電位器實(shí)現(xiàn)可變放大和調(diào)零。主控CPU連接的存儲(chǔ)電路用于存儲(chǔ)各部分電路所需參數(shù)和部分采樣數(shù)據(jù)[5]。

網(wǎng)絡(luò)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路與交換機(jī)連接，交換機(jī)與上位機(jī)連接。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)帶寬情況，電路具有采樣率可調(diào)功能，以適應(yīng)各種不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。網(wǎng)絡(luò)接口支持標(biāo)準(zhǔn)的TCP協(xié)議和Modbus / TCP協(xié)議，便于PLC與組態(tài)軟件操控；IP地址、網(wǎng)關(guān)、子網(wǎng)掩碼、端口號(hào)均可設(shè)置；具有8 MB (可擴(kuò)展)緩沖區(qū)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的主動(dòng)上傳、自動(dòng)重發(fā)；網(wǎng)絡(luò)接口可以將所采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄钟蚓W(wǎng)或公網(wǎng)。

2.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

基于以太網(wǎng)技術(shù)的鐵路計(jì)量系統(tǒng)功能按需求分為數(shù)據(jù)采樣模塊、數(shù)據(jù)接收及分解模塊、數(shù)據(jù)打包組合模塊、數(shù)據(jù)分析處理模塊、檢測(cè)信息計(jì)算模塊、檢測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)警及處理模塊、波形分析模塊、車號(hào)識(shí)別模塊、數(shù)據(jù)處理模塊，各模塊相互協(xié)作，完成從信號(hào)采集到最終檢測(cè)數(shù)據(jù)輸出的系列過程。

（1）數(shù)據(jù)采樣模塊。該模塊主要負(fù)責(zé)集成在傳感器中的各硬件電路，在接線箱的控制下，實(shí)時(shí)采集傳感器輸出的模擬信號(hào)信息，并實(shí)時(shí)的對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化處理，通過以太網(wǎng)絡(luò)向外進(jìn)行輸出。

（2）數(shù)據(jù)接收及分解模塊。該模塊為運(yùn)行在上位計(jì)算機(jī)中的一個(gè)獨(dú)立模塊，負(fù)責(zé)實(shí)施主控程序與采樣模塊的通信，并實(shí)時(shí)接收其上傳的原始數(shù)據(jù)，并按規(guī)則進(jìn)行解碼，按各自獨(dú)立的通道進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存。

（3）數(shù)據(jù)打包組合模塊。該模塊把接收及分解模塊中各通道緩存的數(shù)據(jù)，按照一定的準(zhǔn)則進(jìn)行獲取，并融合為一個(gè)數(shù)據(jù)包，并將協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)封裝在協(xié)議頭和尾中，進(jìn)而緩存的過程。

（4）數(shù)據(jù)分析處理模塊。該模塊對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)與回放及分析，把數(shù)據(jù)打包組合模塊中，緩存的整合后的數(shù)據(jù)包中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，如進(jìn)行異常數(shù)據(jù)的過濾，去掉各通道初始狀態(tài)的碼值，保留車輛通過時(shí)有效的變化數(shù)據(jù)等。

（5）檢測(cè)信息計(jì)算模塊。該模塊把數(shù)據(jù)分析處理模塊中處理后的數(shù)據(jù)，按照超偏載儀設(shè)備檢測(cè)的要求，進(jìn)行逐項(xiàng)的分析計(jì)算。對(duì)采集數(shù)據(jù)采用希爾伯特-黃變換(Hilbert-Huang Transform)算法[6]，計(jì)算得到車輛的相關(guān)檢測(cè)數(shù)據(jù)[7]。

（6）檢測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)警及處理模塊。該模塊根據(jù)計(jì)算出的檢測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行信息的輸出，并根據(jù)貨運(yùn)管理規(guī)則，判斷相關(guān)檢測(cè)信息是否達(dá)到報(bào)警值，再進(jìn)行相應(yīng)的處理。

（7）波形分析模塊。該模塊對(duì)采樣的原始數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，以一種圖形的方式進(jìn)行展示，方便工作人員對(duì)設(shè)備狀態(tài)的查看和分析，對(duì)數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行縮放、平移、定位(游標(biāo))、對(duì)比，同時(shí)可以通過檢測(cè)信息計(jì)算模塊再次模擬呈現(xiàn)過車時(shí)的狀態(tài)及數(shù)據(jù)。

（8）車號(hào)識(shí)別模塊。在車輛通過檢測(cè)區(qū)域時(shí)，該模塊根據(jù)臺(tái)面?zhèn)鞲衅鞯淖兓闆r，對(duì)車輛識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行有效控制，并接受其采集返回的車輛車號(hào)和車型信息，同步與車輛計(jì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同步輸出顯示[8]。

（9）數(shù)據(jù)處理模塊。該模塊對(duì)采樣計(jì)算保存的數(shù)據(jù)進(jìn)行后期的管理及應(yīng)用，包含檢測(cè)數(shù)據(jù)的顯示、偏載數(shù)據(jù)報(bào)警提示、收貨單位和發(fā)貨單位的快捷選擇和編輯、裝載貨物的品名的快捷選擇和編輯、過磅打印、日?qǐng)?bào)表和月報(bào)表的打印、按條件查詢過磅數(shù)據(jù)和打印查詢的數(shù)據(jù)等。

2.4 實(shí)施方案

基于以太網(wǎng)技術(shù)的鐵路計(jì)量系統(tǒng)，由于在信號(hào)模式、傳輸通道、處理方式上發(fā)生了較大的變化，達(dá)到了減少現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安設(shè)的需求，簡(jiǎn)化了的安裝步驟?；谝蕴W(wǎng)技術(shù)的鐵路計(jì)量系統(tǒng)，實(shí)施方案結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

當(dāng)測(cè)量區(qū)間沒有車輛通過時(shí)，整套系統(tǒng)處于待機(jī)檢測(cè)狀態(tài)，實(shí)時(shí)采集傳感器的輸出信息，判斷當(dāng)前所處狀態(tài)，自動(dòng)跟蹤設(shè)備零點(diǎn)的變化，為車輛到達(dá)時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的初始狀態(tài)檢測(cè)。

當(dāng)列車通過計(jì)量設(shè)備時(shí)，稱重界面上會(huì)實(shí)時(shí)自動(dòng)顯示車輛的車號(hào)、車型、速度、重量等信息。程序自動(dòng)進(jìn)行車輛判別、重量檢測(cè)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、波形文件的生成、三級(jí)聯(lián)網(wǎng)所需的狀態(tài)文件、過衡數(shù)據(jù)文件的生成等功能。

3 結(jié)束語

圖4 實(shí)施方案結(jié)構(gòu)圖Fig.4 The structure diagram of implementation plan

基于以太網(wǎng)技術(shù)的鐵路計(jì)量系統(tǒng)與傳統(tǒng)鐵路計(jì)量系統(tǒng)相比，改變了傳感器輸出的原始信息的數(shù)據(jù)形式，采用具有高速傳輸速率的網(wǎng)絡(luò)方式進(jìn)行數(shù)字化傳輸，可以提高檢測(cè)信號(hào)的抗干擾能力，在高速采樣技術(shù)支持下，還能進(jìn)一步滿足高速列車(可達(dá)100 km/h)的檢測(cè)準(zhǔn)確度要求。同時(shí)，在授權(quán)條件下，通過鏈接網(wǎng)絡(luò)對(duì)采集終端可進(jìn)行遠(yuǎn)程化管理和維護(hù)等功能。通過在青藏鐵路(西寧—拉薩)西寧西至雙寨區(qū)間上行線K0 + 010 m至K0 + 120 m處的試驗(yàn)，該系統(tǒng)達(dá)到了鐵路計(jì)量系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，符合對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)管理單位的使用要求，為鐵路計(jì)量系統(tǒng)的進(jìn)一步標(biāo)準(zhǔn)化制定、高速檢測(cè)手段、遠(yuǎn)程化管理，提供了有效的解決方案，提升了鐵路貨物運(yùn)輸安全保障能力。