蔣萬(wàn)軍，韓占濤

（中國(guó)路橋工程有限責(zé)任公司，北京 100011）

無(wú)縫線(xiàn)路消除了鋼軌接頭，減小了軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)，提高了軌道的平順性和運(yùn)營(yíng)速度，是現(xiàn)代鐵路軌技術(shù)進(jìn)步的標(biāo)志之一[1]。無(wú)縫線(xiàn)路不受鋪設(shè)長(zhǎng)度限制，長(zhǎng)度可達(dá)幾十甚至數(shù)百公里。在長(zhǎng)大坡道、列車(chē)制/啟動(dòng)及溫度過(guò)渡地段，無(wú)縫線(xiàn)路容易產(chǎn)生爬行，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)斷軌、脹軌、跑道等危害，影響行車(chē)安全性[2]。為了有效預(yù)防和監(jiān)測(cè)鐵路安全事故的發(fā)生，有必要對(duì)無(wú)縫線(xiàn)路的鋼軌縱向位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

當(dāng)前，中國(guó)以位移觀測(cè)樁法測(cè)量鋼軌縱向位移為主，該方法需要在線(xiàn)路兩側(cè)設(shè)置觀測(cè)樁，采用手工拉線(xiàn)法或利用光學(xué)儀器進(jìn)行觀測(cè)[3]。由于需要人工操作，工作效率低，檢測(cè)精度不易保證，且不能實(shí)時(shí)測(cè)量。因此，本文基于激光測(cè)距原理，建立了一種實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)軌道縱向位移的測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用激光測(cè)距裝置測(cè)試鋼軌縱向位移，并利用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)將各點(diǎn)鋼軌位移實(shí)時(shí)傳輸?shù)戒撥壟佬杏^測(cè)管理系統(tǒng)[4]。爬行觀測(cè)管理系統(tǒng)對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行智能管理，實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)地段爬行位移實(shí)時(shí)監(jiān)控并自動(dòng)報(bào)警，將超標(biāo)信息自動(dòng)發(fā)送到工電管理部門(mén)、調(diào)度部門(mén)以及現(xiàn)場(chǎng)車(chē)間管理人員手機(jī)，便于及時(shí)安排現(xiàn)場(chǎng)檢查復(fù)核，合理制定爬行綜合整治措施，控制因鋼軌爬行造成連續(xù)瞎縫及鋼軌內(nèi)部應(yīng)力嚴(yán)重不均等不良現(xiàn)象，從而有效預(yù)防由鋼軌疲勞性或突發(fā)性折斷、脹軌跑道等造成的安全事故[5]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以相位法激光測(cè)距原理為理論基礎(chǔ)，在鋼軌軌腰上粘貼楔形靶標(biāo)裝置，通過(guò)測(cè)量該楔形裝置的橫向位移，進(jìn)而計(jì)算出鋼軌的縱向位移[6]。測(cè)試裝置的采集系統(tǒng)放置于路基外側(cè)距離鋼軌3～6 m 處，既不會(huì)影響行車(chē)，又是高精度激光測(cè)距的合適距離[7]。激光測(cè)距及通信系統(tǒng)、楔形靶標(biāo)、鋼軌相對(duì)位置關(guān)系示意圖如圖1 所示。

圖1 激光測(cè)距及通信系統(tǒng)、楔形靶標(biāo)、鋼軌相對(duì)位置關(guān)系示意圖

楔形裝置的剖面是一個(gè)30°頂角的直角三角形，檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)出的激光打在斜邊上，當(dāng)鋼軌發(fā)生縱向位移時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)際上測(cè)量的是斜邊上的橫向位移。假設(shè)在一定的鎖定軌溫變化范圍內(nèi)，鋼軌縱向位移距離為ΔL，檢測(cè)到的楔形裝置橫向位移為ΔD，則ΔL=1.732×ΔD。

檢測(cè)系統(tǒng)中的STM32F4 單片機(jī)根據(jù)通信接口接收到的指令信息控制激光發(fā)射二極管發(fā)光，同時(shí)檢測(cè)目標(biāo)物反射回來(lái)的激光相位與發(fā)射激光之間的相位差，利用式（1）計(jì)算楔形裝置被測(cè)面與測(cè)距系統(tǒng)之間的距離[8]：

式（1）中：D 為測(cè)試距離；E[]為對(duì)[]內(nèi)取整；Df0為低頻尺測(cè)得距離；NARf1為高頻尺不模糊距離；Df1為高頻尺測(cè)得距離。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件電路是以“STM32F407”為核心，外圍電路包含了“905 nm 激光發(fā)射和接收傳感器工作電路”“接收波形重建電路”“AD 采集電路”“數(shù)據(jù)傳輸通信接口電路”以及“系統(tǒng)供電電路”等電路[9]。其中“905 nm 激光發(fā)射和接收傳感器工作電路”是激光測(cè)距的基本電路，主要完成激光發(fā)射和接收功能；“接收波形重建電路”主要是為了系統(tǒng)在接收微弱激光信號(hào)后進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，并把微小的電信號(hào)通過(guò)多級(jí)放大的方式放大到單片機(jī)系統(tǒng)，以達(dá)到使系統(tǒng)能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的電平值范圍；“AD 采集電路”主要負(fù)責(zé)將“接收波形重建電路”產(chǎn)生并放大后的信號(hào)進(jìn)行A/D 采集，提供給單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算；通信接口模塊采用成品4G 通信模塊，與單片機(jī)之間通過(guò)串口互聯(lián)[10]。該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)原理框圖如圖2 所示。

圖2 硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理框圖

由于本系統(tǒng)中激光發(fā)射電路、AD 數(shù)據(jù)采集電路、數(shù)據(jù)傳輸通信接口電路以及電源供電電路較為簡(jiǎn)單常用，因此本部分主要介紹激光接收電路。該電路中激光接收二極管采用響應(yīng)時(shí)間極短的雪崩光電二極管（APD），利用該二極管構(gòu)成的波形整理放大電路[11]及電路器件參數(shù)如圖3 所示。

圖3 APD 構(gòu)成的波形整理放大電路

圖3 是激光接收電路的前置放大電路，由PNP 和NPN 型三極管Q1、Q2、Q3 及Q4 分別組成2 組達(dá)林頓電路，由于Q2 管輸入阻抗較大，為避免信號(hào)放大過(guò)程中產(chǎn)生畸變[12]，需要在Q4 管基極并聯(lián)一個(gè)大小為51 Ω的R10 電阻，使得實(shí)際放大倍數(shù)控制在500 倍左右；通過(guò)Q1 管集電極上的R11 和C8 濾波電路，平滑和重建光脈沖波形，可使得后端接收電路能夠準(zhǔn)確捕捉到經(jīng)過(guò)放大整理后的小信號(hào)，從而達(dá)到準(zhǔn)確測(cè)量的目的[13]。由Q2 和Q4 構(gòu)成的兩級(jí)放大負(fù)反饋電路，其輸入阻抗和APD 的PN 節(jié)電容形成的時(shí)間常數(shù)，可由R11 和C8 確定。為了平滑APD 雪崩脈沖，R11 和C8的具體值需要根據(jù)電路中接入的APD 反復(fù)計(jì)算、試驗(yàn)和測(cè)量得到，本系統(tǒng)中R11 取值150 Ω，C8 取值47 pF。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是在Keil 編譯環(huán)境下完成，該編譯環(huán)境是采用意法半導(dǎo)體STM32 系列的單片機(jī)的官方推薦編譯環(huán)境之一。根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)要求，軟件部分主要完成STM32F407 單片機(jī)對(duì)激光發(fā)射二極管驅(qū)動(dòng)、激光接收信號(hào)波形整理電路的信號(hào)數(shù)據(jù)AD 采集、通信鏈路建立等功能[14]。系統(tǒng)軟件運(yùn)行流程如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖

根據(jù)軟件設(shè)計(jì)流程圖，需要在系統(tǒng)上電后對(duì)單片機(jī)的外設(shè)進(jìn)行必要的初始化，這些初始化不僅包括了單片機(jī)驅(qū)動(dòng)激光發(fā)射二極管及激光接收信號(hào)的I/O 端口進(jìn)行輸入輸出設(shè)置，A/D 采集端口通道指定、采集速率以及采集數(shù)據(jù)的位數(shù)等設(shè)置，還包含串行通信接口的速率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗(yàn)位以及數(shù)據(jù)流控等設(shè)置[15]。

初始化完畢后，軟件進(jìn)入等待接收上位機(jī)指令模式，直到接收到上位機(jī)發(fā)送的測(cè)距指令。根據(jù)協(xié)議格式，系統(tǒng)一旦確認(rèn)接收到上位機(jī)測(cè)距指令，立刻驅(qū)動(dòng)激光發(fā)射二極管發(fā)射激光電路工作，并通過(guò)A/D 采集接收到的激光反射信號(hào)，據(jù)此信號(hào)計(jì)算出測(cè)量距離。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)協(xié)議格式讀取測(cè)量精度，并據(jù)測(cè)量精度要求決定每次輸出的測(cè)量結(jié)果要經(jīng)過(guò)多少次實(shí)際測(cè)量后均值輸出。一般要求測(cè)量精度為2 mm 時(shí)，輸出測(cè)量結(jié)果是經(jīng)過(guò)3 次實(shí)測(cè)后輸出的結(jié)果；要求精度為1 mm時(shí)，輸出測(cè)量結(jié)果是經(jīng)過(guò)10 次實(shí)測(cè)后輸出的結(jié)果；要求精度為0.5 mm 時(shí)，輸出測(cè)量結(jié)果是經(jīng)過(guò)20 次實(shí)測(cè)后輸出的結(jié)果。測(cè)量完成后，系統(tǒng)會(huì)據(jù)要求將符合條件的測(cè)試距離通過(guò)串行通信接口按照協(xié)議格式發(fā)送出去，在上位機(jī)軟件系統(tǒng)中會(huì)將該數(shù)據(jù)幀中的距離參數(shù)顯示出來(lái)，從而完成一次系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與顯示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)經(jīng)過(guò)不斷調(diào)試和改進(jìn)，在室外一定的環(huán)境溫度、鋼軌溫度下，將激光測(cè)距采集設(shè)備按照?qǐng)D1 方式安裝并固定在距離鋼軌3.8 m 的路基上，以100 m 鋼軌為一個(gè)單元軌節(jié)，在活動(dòng)端安裝鋼軌靶標(biāo)物，并進(jìn)行了多個(gè)鋼軌溫度下的實(shí)際測(cè)量。該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用福祿克F59E 手持式溫度測(cè)量、博世GLM25 激光測(cè)距儀和本系統(tǒng)實(shí)際測(cè)量對(duì)比得到，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄表

通過(guò)分析表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，本系統(tǒng)通過(guò)激光測(cè)距的方式可以獲得精度很高的距離值，并利用三角函數(shù)關(guān)系相關(guān)公式將鋼軌的橫向位移數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為縱向位移值，巧妙地簡(jiǎn)化了鋼軌縱向位移的測(cè)量方法，且與傳統(tǒng)人工測(cè)量法相比，降低了人工測(cè)量誤差，大幅度提高了測(cè)量精度，可以將測(cè)量誤差控制在0.5 mm 以?xún)?nèi)。

5 結(jié)論

本文基于相位法激光測(cè)距原理，以嵌入式系統(tǒng)為基礎(chǔ)建立了鋼軌縱向位移實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案以及軟硬件的工作原理，并進(jìn)行了野外實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，獲取了大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，主要得到以下結(jié)論：①該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)鋼軌縱向位移是切實(shí)可行的。利用楔形靶標(biāo)裝置將鋼軌橫向位移轉(zhuǎn)換成縱向位移，簡(jiǎn)化了測(cè)量方法，但是由于本系統(tǒng)將單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)采集終端，并利用數(shù)傳模塊將采集數(shù)據(jù)由電信網(wǎng)絡(luò)傳送至上位機(jī)，造成了本系統(tǒng)對(duì)其正常工作的環(huán)境溫度、濕度、系統(tǒng)密封程度、抗震性能以及基礎(chǔ)通信設(shè)施有一定要求。②與位移觀測(cè)樁法等傳統(tǒng)測(cè)量鋼軌縱向位移相比，本系統(tǒng)通過(guò)相位法激光測(cè)距原理和多次測(cè)量等手段提高了系統(tǒng)測(cè)量精度，可以將測(cè)量誤差控制在0.5 mm 以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足對(duì)鋼軌縱向位移監(jiān)測(cè)的高精度需要，符合鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)的高標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)要求。