劉忠南 王忠慶

（山西晉中理工學(xué)院，山西 晉中 030600）

1 引言

我國是一個擁有14億多人口的大國，隨著人們生活物質(zhì)水平的逐漸提高，人們對交通出行的要求也越來越高。鐵路作為交通出行中不可或缺的出行方式，也獲得了更多人的青睞。我國作為世界的人口大國，同時也是世界上對交通出行和交通消費有巨大需求量的大國，目前人們的出行方式以鐵路為主[1]。隨著中國科技產(chǎn)業(yè)化的不斷集中，大量的頂尖人才和資金投入到鐵路運輸業(yè)的發(fā)展計劃之中，使我國鐵路運輸業(yè)的整體技術(shù)不斷提升發(fā)展[2]。

縱觀人類歷史，高鐵鋼軌沉降產(chǎn)生的影響對高鐵列車的安全運行正變得愈來愈明顯，輕者使列車車輛的輪對造成損壞，嚴(yán)重情況會造成列車脫軌等安全事故的發(fā)生[3]。所以高鐵鋼軌沉降監(jiān)測對高鐵安全運輸具有極大的現(xiàn)實意義[4]。針對這種情況，本文設(shè)計一套基于激光位移傳感器的鋼軌沉降監(jiān)測系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對高鐵鋼軌沉降進行多方位、高精度、自動與實時在線監(jiān)測。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

基于激光位移傳感器的鋼軌沉降監(jiān)測系統(tǒng)是一種測量高速鐵路鋼軌沉降信息的系統(tǒng)，通過數(shù)字電路對其進行控制達到測量高速鐵路沉降的目的。高速鐵路沉降監(jiān)測系統(tǒng)是在沉降監(jiān)測點安裝振動傳感器和激光位移傳感器，通過數(shù)據(jù)采集模塊將傳感器采集到的信號進行匯總，結(jié)合激光位移傳感器和振動傳感器狀態(tài)的變化來綜合判斷鋼軌沉降狀態(tài)。監(jiān)測到的數(shù)據(jù)通過GPRS數(shù)據(jù)傳輸方式傳送到監(jiān)控中心，實時對數(shù)據(jù)進行分析、整理、存儲、顯示及報警，從而實現(xiàn)對高速鐵路鋼軌沉降的實時監(jiān)測。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計功能要求，設(shè)計的系統(tǒng)總體組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體組成框圖

本文設(shè)計的基于激光位移傳感器的鋼軌沉降監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)以下功能：通過激光位移傳感器和振動傳感器對鋼軌的沉降實時監(jiān)測；判斷沉降數(shù)值是否超過安全沉降值；在監(jiān)控中心顯示沉降數(shù)值，并對數(shù)據(jù)進行存儲、預(yù)警等。本文設(shè)計的基于激光位移傳感器的鐵路鋼軌沉降監(jiān)測系統(tǒng)的測量精度不低于0.98mm[5]。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)設(shè)計要求和系統(tǒng)的整體方案，選擇合適的元器件。采集沉降信息的傳感器采用激光位移傳感器和振動傳感器相結(jié)合的方法，單片機采用意法半導(dǎo)體公司(ST)的STM32。根據(jù)硬件設(shè)計原則，按模塊對整個沉降監(jiān)測終端的硬件電路進行設(shè)計。

3.1 激光位移傳感器模塊

對鋼軌沉降進行實時檢測，并將檢測到的實際沉降數(shù)值與安全沉降數(shù)值進行比較，檢測是否超過安全沉降值，并作出預(yù)警。激光位移傳感器由激光發(fā)射裝置和激光接收裝置組成。激光位移傳感器的示意圖如圖2所示。

圖2 激光位移傳感器示意圖

激光發(fā)射裝置是由激光控制電路控制激光發(fā)射器的發(fā)射，根據(jù)不同的天氣以及振動傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)調(diào)整控制激光發(fā)射的間隔時間實現(xiàn)沉降數(shù)值的檢測。

激光發(fā)射裝置的選型，考慮到激光的使用壽命、精度要求、體積要求、抗干擾能力要求、分辨率要求、特性參數(shù)、耗能、價格等方面的要求，以及要求具有實時處理數(shù)據(jù)的功能，且不得干擾列車正常運行，選用圓點狀光斑的半導(dǎo)體激光，故系統(tǒng)采用加拿大Nanoline Laser 公司生產(chǎn)的SNF-501 型激光器。

激光控制電路工作原理如下：考慮在不同天氣條件狀態(tài)下，通過激光發(fā)射裝置中CD4060振蕩器產(chǎn)生所要求頻率的振蕩脈沖，驅(qū)動繼電器工作，控制激光在不同的時間間隔發(fā)出，采集產(chǎn)生沉降數(shù)值信息；有列車經(jīng)過系統(tǒng)監(jiān)測點時，振動傳感器對沉降信息進行采集，觸發(fā)繼電器工作進而收集沉降數(shù)值；當(dāng)發(fā)生雨、雪特殊天氣時，利用雨或雪能導(dǎo)電的原理將電路連通，觸發(fā)光耦工作，改變了光耦器件工作的晶振頻率，減小激光發(fā)射裝置的激光發(fā)射頻率，達到動態(tài)實時監(jiān)測的目的。

本次設(shè)計的激光控制電路如圖3所示。

圖3 激光控制電路

相比CCD、PSD 等光接收裝置，光敏二極管在相同的接收信息量的條件下，價格相對低廉，所以激光接收部分設(shè)計了以光敏二極管面陣作為光接收裝置。該面陣由72個光敏二極管相互并聯(lián)構(gòu)成，以蜂窩狀進行排列，72 個光敏二極管輸出電流信號的總和作為光敏二極管面陣輸出。

激光二極管面陣示意圖如圖4所示。

圖4 激光二極管面陣示意圖

3.2 振動傳感器模塊

采用振動傳感器采集沉降值的目的是用來消除因列車經(jīng)過造成鋼軌震動對激光位移傳感器所采集到的錯誤的沉降數(shù)值的影響，可通過位移傳感器來測量由震動產(chǎn)生的瞬間，物體位移所產(chǎn)生的加速度，進而得到震動瞬間的鋼軌實際產(chǎn)生的沉降數(shù)值，并將該值傳輸給監(jiān)控中心。系統(tǒng)選用GT02型力平衡加速度傳感器作為振動傳感器來消除錯誤的沉降值。GT02型力平衡加速度傳感器的原理如圖5所示。

圖5 GT02型力平衡加速度傳感器原理圖

3.3 主控模塊

當(dāng)前，在工程設(shè)計中最常用的微控制器是采用51 內(nèi)核的，由于本系統(tǒng)對實時性和協(xié)調(diào)性要求較高，普通的51內(nèi)核已經(jīng)不能滿足系統(tǒng)的設(shè)計需求，無法實行嵌入式實時操作，執(zhí)行效率和速度低，故采用STM32 作為系統(tǒng)的主控模塊。STM32 是基于ARM Cortex-M3 內(nèi)核的微控制器，享有豐富的片內(nèi)資源，價格低，能實現(xiàn)系統(tǒng)的實時穩(wěn)定運行。

系統(tǒng)在STM32接收到沉降信息后，將信息處理并通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到GPRS模塊，再將數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)控中心。本系統(tǒng)的主控模塊是基于STM32系列搭建的，并對外圍電路進行了設(shè)計。鋼軌沉降監(jiān)測裝置主控模塊電路圖如圖6所示。

圖6 鋼軌沉降監(jiān)測裝置主控模塊電路圖

3.4 通訊系統(tǒng)模塊

當(dāng)前市場上，通信系統(tǒng)模塊種類繁多，通過對典型的通信模塊進行比較，華為公司的GTM900-C模塊由于為兩頻段GSM/GPRS無線模塊，工作溫度范圍廣，同其他類產(chǎn)品相比，具有更高的性價比，所以更為適合鋼軌沉降實時數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用[6]。又根據(jù)檢測現(xiàn)場實際需要，監(jiān)測點距離監(jiān)控中心較遠，本次設(shè)計我們采用的通信方式是GPRS通信，其接線圖如圖7所示。

圖7 GPRS模塊接線圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

通過監(jiān)控中心中友好的人機界面來保存和處理激光位移傳感器和振動傳感器所監(jiān)測的沉降信息，并通過監(jiān)控中心可以直接控制沉降監(jiān)測系統(tǒng)的工作，進而達到信息監(jiān)測處理的數(shù)字化與智能化，并根據(jù)實際的數(shù)值及時做出科學(xué)的預(yù)判，對可能產(chǎn)生的沉降進行預(yù)防處理，達到保障安全的目的。通過對鐵路工作人員的監(jiān)測經(jīng)驗分析，本系統(tǒng)的監(jiān)控中心應(yīng)具有對沉降數(shù)值的采集、沉降信息的統(tǒng)計與分析、與沉降系統(tǒng)的通信等功能，并可根據(jù)監(jiān)測點的實際情況科學(xué)調(diào)整系統(tǒng)的部分參數(shù)。

軟件流程首先設(shè)定好激光位移傳感器在不同天氣條件下的采樣時間，初始化系統(tǒng)，判斷是否到達設(shè)定的傳感器采集沉降數(shù)據(jù)時間點。每一次到達傳感器采集數(shù)據(jù)的時間點都先通過激光位移傳感器檢測天氣環(huán)境因素，以便對不同天氣情況下傳感器對數(shù)據(jù)采集時間進行調(diào)整，如果天氣狀況為晴天，每隔120秒進行一次采樣，同時上傳數(shù)據(jù)到監(jiān)控中心；如果環(huán)境因素為雨雪天氣，則調(diào)整沉降數(shù)據(jù)采樣的時間間隔為30秒，并將此時的數(shù)值信息上傳給監(jiān)控中心。若沉降數(shù)據(jù)采集異常，則發(fā)送信息給鐵路工作人員進行現(xiàn)場查看，及時關(guān)注并記錄這一異常情況。

其系統(tǒng)的主流程圖如圖8所示。

圖8 主流程圖

5 實測結(jié)果及分析

為了驗證系統(tǒng)功能實現(xiàn)情況，本系統(tǒng)已經(jīng)成功安裝在中國鐵路太原局集團有限公司太原動車所存車場既有線路上，測試現(xiàn)場僅安裝了一個測試沉降點，現(xiàn)場安裝測試點如圖9所示。

圖9 現(xiàn)場安裝測試圖片

系統(tǒng)調(diào)試運行后對沉降數(shù)據(jù)簡單的分析結(jié)果如下：

（1）通過對系統(tǒng)調(diào)試運行時采集到的沉降數(shù)值信息得知，在不同天氣條件下，當(dāng)列車未經(jīng)過監(jiān)測點的沉降值的平均值保持在8毫米左右，如圖10。

圖10 列車未經(jīng)過時的沉降數(shù)值

（2）當(dāng)有列車經(jīng)過時，沉降數(shù)值的平均值大約為25毫米左右，如圖11。

圖11 列車經(jīng)過時的沉降值

6 結(jié)語

本設(shè)計針對鋼軌產(chǎn)生沉降的情況，結(jié)合嵌入式系統(tǒng)、激光位移傳感器模塊、振動傳感器模塊等實現(xiàn)鋼軌沉降的自動檢測，并通過監(jiān)控中心設(shè)置報警值提醒相關(guān)工作人員。通過實地安裝調(diào)試，本裝置可靠、有效，對預(yù)防鋼軌發(fā)生沉降產(chǎn)生的安全事故有較大的實用價值。