摘 要：根據鐵路軌道采集現場的要求，設計鐵路軌道數據智能采集系統。詳細闡述了該采集系統的硬件結構和軟件設計，并對關鍵問題與難點的解決進行了詳細的說明。

　　關鍵詞：軌道數據;pc\104總線; 傳感器

　　The Intelligent Measurement System of Railway Data

　　LI Jin-zhong Zhao Xin Tai Jun-jun

　　Abstract: Based on the demand of railway measured pot, the concept and construction on the intelligent measurement system of railway data are introduced. The principle of every section and software design is discussed.

　　Key words: railway data;pc\104 BUS;sensors

　　鐵路線路在機車車輛動力作用和自然侵蝕的影響下，不僅發生彈性變形，而且產生永久變形。其中永久變形又可分為兩類：一類是幾何位置的改變，如線路爬行，方向不良，軌距擴大與縮小等;另一類是軌道各部分的磨損，如鋼軌的磨損等。永久變形的存在，不僅影響列車的高速、平穩運行，而且當這種變形日積月累，超過一定限度后，還將大大降低線路的強度和穩定性，嚴重威脅行車安全。軌道的各個數據是否符合要求，關系到列車運行的安全。

　　作好鐵路線路的測量和養護維修，提高鐵路線路質量是鐵路工務工作者的一項重要任務。而現在鐵路現場對軌道的重要數據的測量都是靠手工測量進行的。工務工人用直尺、卷尺及線繩等簡單工具，用拉線等方法測量這些重要參數（包括軌距、水平、三角坑、曲線超高、高低、軌向等）;測量數據由測量人員的眼睛讀出。這種測量方法既不準確又要耗費大量的人力、物力，而且還要對測量數據進行大量煩瑣的計算。通過上面對鐵路現場現狀的介紹，可以看出，現場鐵路工務工作者的勞動量非常大，而且這種測量方法存在大量的誤差隱患，與人的狀態有很大聯系，不同的測量人員測量同一地段可能會得到不同的測量結果。為解決鐵路現場這種工作量大、精度難以保證的困難，本題設計了一個自動測量系統，通過必要的傳感器和控制器，對數據進行采集、處理、計算后，只需工作人員按幾下按鍵，就可實現對鐵路軌道數據進行自動檢測。而且還可把數據轉儲到PC機上進行進一步的處理。由此，可以通過測量的軌道參數信息得到線路檢查記錄簿，同時可進行數據的查詢，并根據不同的標準可以獲取超限地點記錄簿、超限地點匯總表等一系列信息表格，利于保持線路設備完整和質量均衡，并能從PC機上以圖形方式直觀的觀察軌道在任何一點的參數信息。這樣，采用鐵路軌道數據智能采集系統不但大大降低了工人的勞動強度，縮短了檢測時間，也使采集的信息更為完整，使數據信息有了高精度的保障，最大限度的滿足鐵路現場的要求。

　　1 系統結構

　　鐵路軌道系數智能采集系統由用于現場采集的GD-1型鐵路軌道數據智能采集儀和PC機的鐵路軌道數據處理系統兩部分組成。GD-1型鐵路軌道數據智能采集儀，如圖1所示。

　　本系統使用的是型號為AR-B1320，PC/104 CPU模板，它具有80386SX-40 MHz CPU，PC/104擴展總線，2個RS-232/RS-485串口和可編程看門狗定時器，其上擴展有64MDOC。PC/104總線是超小型PC微機所用的總線標準。這種超小型PC微機體積小，結構緊湊，在各種工業控制、通信控制很受歡迎。它可以嵌入到對體積和功耗要求都很高的產品，例如醫療儀器、實驗室儀器、通信設備、商用終端、軍用電子設備、機器人等設備之中，因而PC/104微機常稱為嵌入式PC機。這種微機有兩個總線插頭，其中P1有64腳，P2有40腳，共104腳，這也是PC/104名稱的由來。它不用插板滑道和總線母板，模塊之間采用層疊式封裝。總線及整機除小型化的結構外，在硬件和軟件上與ISA規范完全兼容，實質上是為了更好的滿足工業控制或小型化設備的要求而開發出來的XT、AT、386、486的小型化機型。使用PC/104總線的嵌入式PC機的主要特點是：使用超小尺寸的模塊，包括CPU模板在內，全部功能模板均按PC/104標準設計，模板尺寸規定為90.2mm×95.9mm，比一般PC系列微機主板尺寸要小的多;自堆總線結構，取消了底版和插槽，利用模板上的堆裝總線插頭座，將各模板堆疊連接在一起，組裝緊湊靈活;總線驅動電流小（6MA），功耗低（1～2W）。為適應小型化要求，各模板都采用VLSI器件、門陣列、ASCI芯片及大容量固態盤。

　　PEM-AIO模塊化中速模擬輸入模塊將與IBM PC兼容的PC/104 CPU 模塊系統構成一個高性能的數據采集與控制系統。PEM-AIO模塊的特點是：8/16個單端模擬輸入通道，12位20微秒或10微秒A/D變換器，24通道基于TTL/CMOS 8255芯片的可編程數字量I/O，三個獨立的16位，8MHz定時器/計數器（或5MHz）。

　　其它設備有6個線性度<0.05%，量程為±20mm的差動變壓器位移傳感器;光電編碼器;5×4非編碼鍵盤;液晶顯示器等。

圖1 鐵路軌道數據智能采集儀組成框圖

　　鐵路軌道數據智能采集儀可以以0.01米～0.99米可調距離的間隔進行軌道數據的自動采集，鐵路軌道數據包括距離、軌距、水平（超高）和三角坑，并可在直線與曲線之間進行切換。不僅能把所有測量數據記錄到DOC中，且可記錄如測量人員編號、線別、上下行、測量時間等信息。具有顯示功能，邊測量，邊顯示，使工務人員在現場立即獲取測量數據。軌距、水平等數據有一定范圍要求，如果超過此限度，儀器就會報警。在檢測過程中，可以進行電源、時間和日期、磁盤剩余空間的實時檢測，可以對特殊點建立標志，還可暫停檢測。在測量過程中，可以查詢本次已經測量的數據，用來與現在測量的數據進行比較;還可對上述特殊標記點進行查詢。

　　鐵路軌道測量儀通過RS/232串口把現場實際測量到的數據轉儲到PC機中，數據通過PC機的鐵路軌道數據處理系統進行處理。

　　2 軟件設計

　　鐵路軌道數據智能采集系統軟件由兩大部分組成。第一部分為GD-1型鐵路軌道數據智能采集儀的軟件，利用開發PC/104的強大工具——C語言來實現;另一部分為地面信息處理軟件，采用微軟公司的可視化編程語言VB6.0和ACCESS數據庫來實現。

　　GD-1型鐵路軌道數據智能采集儀軟件由數據測量模塊、鍵盤與顯示程序模塊、232通信模塊、其他輔助模塊和抗干擾程序模塊等組成。此處難點是對可編程的間隔定時器8253的處理。8253用其工作方式0（計數結束中斷方式），通常采用的方法是在計數結束后寫入初值，初值不斷寫入，計數就不斷進行。因為8253的這種方式只有在外部有脈沖的情況下才能把計數初值寫入，但我們不能保證在軟件程序在寫初值的時候，外部的光電編碼器正好給一個脈沖，所以，采用這種不斷寫初值的方法并不可取。此處采用的方法是，最初寫入初值啟動計數器;然后，不斷讀入計數器中的數值，判斷此值與初值的差是否大于或等于計數值，若到則把當前值看作初值，進行必要的處理后，繼續計數，再判斷此值與初值的差是否大于或等于計數值，如此循環往復進行，則可避免計數初值寫不進去所帶來的誤差。在計數值越過分界點0減到0XFFFF時，計算方法有所不同。

　　地面信息處理軟件主要有數據處理功能和圖形功能。具體可實現采集系統數據的接收（通過RS-232串行通訊線）;新建數據庫或打開數據庫進行接收數據的存儲;通過人機對話進行標準值的輸入，根據標準值進行相應的數據處理;生成檢查記錄簿、超限地點匯總表、超限地點統計表等一系列軌道數據信息表;根據采集出的軌道數據進行圖形化處理，描繪出軌道狀態圖形，操作者通過拖動鼠標可查看軌道上任一點的所有數據值，使得軌道狀態信息更加一目了然。

　　3 關鍵問題與難點的解決

　　鐵路工作者和一些科研人員一直以來都在對如何方便而準確的測量鐵路軌道數據而做著不懈的努力，而目前唯一用于自動測量軌道數據的儀器是“軌道檢測車”。我國共有軌道檢測車30輛，GJ-3型17輛、XGJ-1型6輛、GJ-4型7輛。軌道檢測車不但數量少，而且非常龐大，用它檢測一次非常不容易。因為軌道檢測車是動態測量的，在速度高時檢測精度受到影響。據現場的工程師反映，用軌道檢測車檢測出的數據與現場工人手工測量的數據存在較大誤差（均在±5mm左右），因此，現場工程師只用它來觀看一下軌道趨勢，而真正的軌道數據數據還是靠手工測量獲取。因為軌道檢測車的這種種不方便性，因此研制軌道數據自動檢測裝置的人員也不少，但是檢測水平（超高）很不容易。軌道檢測車檢測水平（超高）的方法主要是用陀螺儀和傾角計來檢測車體的滾動角。陀螺儀雖然測量角度非常準確，但它的價位比較高，因此雖然研制軌道數據智能采集系統的時間不短、人員也不少，但是他們都半途而廢了，直接原因就是因為水平（超高）測量較困難而用陀螺儀成本又太高。

　　本系統在測量水平（超高）時，也考慮并比較了許多辦法，比如：用水銀汞柱的傾斜測量壓力差的辦法，但因為此壓力差很大，一般很難找到與其相配的壓力傳感器而放棄了這種方法。最終，選定了用重錘拉動位移傳感器的測量方法。此方法的優點是：靜態測量很準確，而且成本小。但也有缺點，就是儀器在動態運動中，重錘易于擺動，存在平衡問題。為了解決這個問題，本儀器除了在誤差允許的范圍內適當的加大了阻尼以外，還采取了用測量方法彌補的策略。這就是在每處該測點先用指示燈提醒測量人員注意，當紅燈亮時，測量人員停止推動儀器，儀器自動等待一段時間（幾秒）后，重錘處于靜止狀態，此時，軟件才進行水平（超高）的測量，測量后，用另一指示燈（綠燈）提醒測量人員繼續推動儀器運動。在采取了這種測量方法后，避免了由于重錘擺動所帶來的誤差，而且，從實際運用中來看，并沒有太大的影響工作的效率。通過現場工人的使用后反映，這種設計方法，很適合人的生理反映，因為，推動儀器在鐵軌上走上一段時間后，很愿意停下來休息一下，而本儀器的設計正好滿足了這種需求。

　　4 結束語

　　鐵路軌道數據智能采集系統是為濟南鐵路局工務段研制的，系統硬件和軟件設計都已調試通過，在濟南某鐵路線上經大量試驗的數據顯示，對軌道數據的測量效果良好，測量精度明顯高于以前工人的手工測量，可以達到±0.01毫米，并大大減輕了鐵路工人的勞動量，經現場工人的實際應用，受到一致好評。下面列出幾條對現場某直線段實際采集的手工測量數據（見表1）與本系統測量數據（見表2），從比較中可以看出本系統的優越性。

　　表1 手工測量數據

　　表2 本系統測量數據

　　從經濟效益角度來看，該鐵路軌道數據智能采集系統將給鐵路工務工作者的測量工作帶來便利，使測量更為準確。以每年生產20套計算，預計年產值在100萬元左右。

　　本文作者創新點：為改善鐵路線路的測量和養護維修都是手工進行的現狀，設計了鐵路軌道數據智能采集系統。該系統可實現鐵路軌道數據（包括軌距、水平、三角坑、曲線超高、高低、軌向等）的自動測量，通過RS/232串口可把現場實際測量到的數據轉儲到PC機中，數據通過PC機的鐵路軌道數據處理系統進行處理，數據處理快捷且可長期保存。該系統經濟可靠，具有很好的應用價值。

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