在過去十年中武骆，鐵路和電車軌道的公共交通方式已經(jīng)越來越受到歡迎，享受舒適與安全的乘客人數(shù)也在不斷攀升溃杖。由此硝锨，更快的列車和更短的停站時間就顯得十分重要。然而卢圈，這也使得鐵路和電車軌道一直承受著巨大的機械壓力储佣，部件的年久失修也會引發(fā)致命的危險。因此借衅，人們發(fā)明了一個新興的系統(tǒng)維護解決方案（見圖1）來支持鐵路和電車軌道的監(jiān)控與維修位蓉。

圖1. 一個系統(tǒng)的鐵軌維護理念包含測量，定位送写，規(guī)劃以及維修鐵軌故障

深入了解鐵軌
        在建造前硅枷，新的鐵軌和電車軌道都會經(jīng)過嚴(yán)格的檢測要求來確保正確的軌道位置旱婚。然而，建造完成后錯誤難免太迈。（見圖2 ）這是因為車輪與鐵軌間產(chǎn)生了機械接觸针执，這個與從列車底座延伸到鐵軌地下的動態(tài)彈簧 - 質(zhì)量模件有關(guān)。鐵路工程標(biāo)準(zhǔn)明確了缺陷围辙，臨界參數(shù)和寬容窗口我碟。此鐵軌維護計劃的目標(biāo)就是可接受范圍內(nèi)保有不規(guī)則性。

鐵軌軌道幾何形位
        軌距是指兩根軌道之間的距離姚建，它讓列車按“正弦曲線”方式運行矫俺。這確保了車輪與鐵軌之間的不斷接觸運行，從而減少磨損掸冤。地下發(fā)生變化會引起鐵軌傾斜厘托，這些變化會造成列車車身抖動。鐵軌表面不規(guī)則例如車轍和裂洞稿湿，也有可能由引起鐵軌傾斜铅匹。因此當(dāng)列車進出彎道時，有了系統(tǒng)傾斜側(cè)面圖的幫助可以降低對乘客的沖擊力饺藤。合適的鐵軌間距可以降低列車高速運行時發(fā)生碰撞的幾率包斑。

縱剖面表面圖
        鐵軌裂縫和破裂均屬于極其危險的不規(guī)則，它們可能造成類似脫軌的慘劇涕俗。車轍不規(guī)則變化的典型波長在20-100毫米之間罗丰，當(dāng)其振幅超過0.05毫米時，列車運行就會很噪雜山堵，但當(dāng)振幅到達0.3毫米峰值時腊囤，振動就會對列車基座造成極大的損害。車轍往往沿著鐵軌出現(xiàn)赊手，科學(xué)家們對它們的出現(xiàn)也持有不同意見赠搓。旋轉(zhuǎn)中或飛馳中的車輪通常會引發(fā)一個個裂洞，它們符合數(shù)理方程多項式的規(guī)律并且會瞬間造成鐵軌的凹凸不平猫乃。18米鐵路焊接接口會在一些陳舊鐵路上會造成規(guī)則的突起狀況验沮。

橫截面圖
        新建鐵軌的磁頭幾何結(jié)構(gòu)完全符合接觸面幾何的計算，極大優(yōu)化了車輪在鐵軌交界處的運行责祥。它的形狀由切線和具體半徑組成牡增，使得車輪可以經(jīng)濟順利地按照安全的水平導(dǎo)引行駛。

測量鐵軌
        有針對性的系統(tǒng)鐵軌維護的主要要求是對鐵軌的現(xiàn)狀或者電車軌道網(wǎng)絡(luò)幾何十分熟悉（見圖2）壳坞。掌握智能的計算策略可以讓我們對此有所了解柑耙，這個策略包含擁有準(zhǔn)確GPS定位的里程計算，磁跡幾何，路徑幾何雷鸟，縱剖面圖以及截面圖雇寇。我們使用移動測量設(shè)備獲得了這些參數(shù)，制造完成了測量工具蚌铜。在最終建造高級分析軟件前锨侯，我們會使用模擬儀器Blackfin處理器來初始化并加工測量數(shù)據(jù)，最后冬殃，這個軟件可以用來在電子地圖（見圖3）上再分析以及明確定位測量數(shù)據(jù)和缺陷囚痴。

磁跡幾何
        使用精確到0.01毫米范圍的非接觸感應(yīng)傳感器原則我們便可測量軌距∩笤幔基于算法有限脈沖響應(yīng)低通濾波器抑制了高頻的噪音深滚，而隨后的移動平均濾波器確保了將要不斷持續(xù)的“偽高峰”。

        對于傾斜感應(yīng)器我們采用了同樣的方法涣觉，操作起來像電子水位痴荐，正負10度角度，可精確到0.025度以下旨枯。因為物理原理的關(guān)系蹬昌，測試結(jié)果只在一定頻率范圍，主要是在1赫茲以下準(zhǔn)確可靠攀隔。

        測量道間距離需要一系列復(fù)雜及高計算要求的浮點算法，最終它們可將相對簡單的水平和垂直距離數(shù)據(jù)傳輸出去捣柿。（見圖10）在Blackfin處理器的控制下嚎区，安裝在車輛側(cè)面的高準(zhǔn)度激光在1至5米得范圍內(nèi)左右5度地搖晃著。在掃描部分的內(nèi)部疚都，相鄰鐵路的側(cè)面圖是低通濾波器和中值濾波器并從極坐標(biāo)圖轉(zhuǎn)換到直角坐標(biāo)系中去蝶桑。再采取矢量旋轉(zhuǎn)和重采樣等處理方法后，我們通過圖案配對算法將側(cè)面圖傳送出去哥笤。目標(biāo)是在軌頭找出準(zhǔn)確的符合特殊幾何特征的矢量窄切。因為在鐵軌中存在著許多障礙物如石頭和草，我們需要將這個矢量通過 可行性檢驗器和追蹤算法以便提供可靠準(zhǔn)確的結(jié)果协悼，這些都在實時條件下的5赫茲循環(huán)中完成炫胡。

縱剖面圖
        高速渦流傳感器精確到微米，可以記錄鐵軌表面變化（見圖6）残昔。線性編碼器 通過 磁環(huán)來處理信號狗城，它的作用是記錄里程并激活a/d感應(yīng)轉(zhuǎn)換器。信號 通過 裝有帶通拓樸的有限沖激響應(yīng)濾波器物即，將光譜減少到特有的波長蚊楞。除了表面圖以外，我們還可以記錄下例如局部硬化和焊接點等冶金不規(guī)則。

橫截面圖
        最先進的激光科技可以不用接觸就準(zhǔn)確測量鐵路末端部分橫截面澈驼。因為有良好的準(zhǔn)確率和捕捉速度辛燥，橫切激光或者激光“窗簾”（見圖4）都可以用來使用，并實時線性化缝其，縮放和過濾原始圖挎塌。

舊科技-測量工具
        幾年前，為了分辨鐵軌的裂口和變化氏淑，維修人員使用了許多不同的測量工具勃蜘。但每一個方法只能用于記錄一條特定鐵路的缺陷，這些方法幾乎缺少準(zhǔn)確性假残，并且不可復(fù)制缭贡。如今，一些技術(shù)方案供應(yīng)商如施密德工程公司將高級處理器科技和先進的手段融入到了設(shè)計當(dāng)中辉懒。這些方法在鐵路基礎(chǔ)行業(yè)中的使用使移動和多功能鐵路測量工具更加精密阳惹。

        鐵路監(jiān)測工具（見圖5）采用一流測量技術(shù)來同時確定鐵路側(cè)面圖，凈空高眶俩，軌距琢播，傾斜，深度和環(huán)境溫度荠补，并可在任何地方進行監(jiān)測與記錄茄颈。所有的關(guān)鍵特性都可以當(dāng)場處理和目測結(jié)果，并將其保存在移動存儲器中宁线。當(dāng)操作員火車車輛沿著軌道拖動RailSurf拖運器（見圖7）時去柿，鐵路監(jiān)測工具會不斷的監(jiān)控記錄縱向軌跡參數(shù)。它裝有有多個感應(yīng)器僻一，用來定位鐵路計算和傾斜中出現(xiàn)的問題幅裳，如波紋，裂洞和裂縫冀肆。獲得的信息可以保留在移動存儲器中铆寓，或者無線傳送到操作人員的工作界面上。

Blackfin處理器是這個系統(tǒng)的核心
        作為這些測試工具的核心凄恤，Blackfin處理器通過對電池操作提供動態(tài)電源管理陵蜻，使得微控制單元和電子信號處理器得以聚合。微控制單元一般與可擴展輸入輸出設(shè)備連接夯秃，如激光掃描器座咆，模擬電子感應(yīng)器，鍵盤仓洼，TFT屏幕介陶，電池/燃油表 和可移動媒體堤舒。數(shù)字信號處理器主要處理高級電子算法如濾波，快速傅立葉轉(zhuǎn)換哺呜，判斷幾何誤差或完成其他高難度計算任務(wù)舌缤。ADI Blackfin處理器內(nèi)置NI LabVIEW模塊，近來在圖形系統(tǒng)方面取得了一些最新發(fā)明某残，為Blackfin 處理器提供了直接的編程模型国撵，高質(zhì)量方框圖和數(shù)據(jù)流語言〔Ｊ可現(xiàn)成使用的數(shù)學(xué)分析模塊和圖形多任務(wù)處理在電子嵌入式設(shè)計上提升到了一個新的高度介牙。

測量機器
        由五個相互關(guān)聯(lián)的Blackfin處理器驅(qū)動的多功能車可以記錄長達10公里的鐵路的軌道參數(shù)，擁有5毫米的點至點的分辨率澳厢。 Blackfin＃1處理器允許用戶通過鍵盤和兩個TFT顯示器交互环础。 Blackfin＃2處理器則記錄高速軌道幾何形狀和縱剖面，并將GPS信息嵌入到Blackfin＃3處理器接收到的測量數(shù)據(jù)中姊康。連同Blackfin＃4處理器捕獲的橫截面岗翔，所有的數(shù)據(jù)最終被分流到Blackfin＃5處理器中，RAM中大量的數(shù)據(jù)存儲最終被保存到可移動介質(zhì)上的二進制文件的緩沖區(qū)中碎瓢。

定位瑕疵
        我們將所獲得的測量數(shù)據(jù)輸入一個通用軟件平臺蹲鱼，它通過GPS定位和里程表信息將軌道幾何形狀，縱剖面以及橫截面連在一起戴仁。這個平臺使用LabVIEW和LabVIEW工具包哲耐，它的作用就是一個公共數(shù)據(jù)交換與分析池。它能夠連接到各種測量設(shè)備贱僚，車輛和維護機器上践拐。測量過程中的智能過濾功能類似于X射線，可以定位最為嚴(yán)重的的鐵路缺陷祭啸。最終整個軌道的幾何形狀的測量結(jié)果由數(shù)字形式展示出來（見圖2）。這個重要的信息如今可直接用于鐵路維修魏刘、更換等俐逛。通過無線連接到外部數(shù)據(jù)庫和CAD軟件，最終數(shù)據(jù)記錄可以轉(zhuǎn)移到客戶的IT環(huán)境中绊含。

智能強大的Labview濾波器可發(fā)現(xiàn)缺陷
        我們使用智能LabVIEW濾波器篩選縱向數(shù)據(jù)桑嘶，找到目標(biāo)處的癥狀。通過FFT分析可以在縱剖面圖中尋找出有特征的波長進而發(fā)現(xiàn)起皺部分躬充。我們通過將測量出的側(cè)面圖與記憶形狀和機械輪軌接觸模擬進行比較探測到裂洞逃顶，。裂縫會呈現(xiàn)出顯著的突變充甚，因此我們區(qū)分移動數(shù)據(jù)窗口就可以檢測到它們以政。最終，連續(xù)運行和評估分析模型我們可以在傾斜圖中定位出獨特的振動模式。

        我們將檢測結(jié)果縱的癥狀傳輸?shù)较嚓P(guān)“超級算法” 中盈蛮。由此废菱，我們可以從測得數(shù)據(jù)中進一步減少信息量或者提取額外的有用信息。舉例來說抖誉，如果在鐵軌表面沒有的相關(guān)信號峰殊轴，單獨的傾向癥狀是毫無意義的，并會被退回袒炉。然而旁理，在橫截面上顯示的縱向裂縫的明顯磨損，可以觸發(fā)報警思早。

        評估鐵路截面的主要理念就是將被測圖與參考做比較个宾。矢量和隨機兩個方法互相結(jié)合，疊加兩個側(cè)面圖层阎，以獲得重要特征舰范。縱向和垂直殘差可直接顯示磨損（見圖8）轰弥。其它參數(shù)包括剩余的頭部高度冤兄，正確勻稱的軌道半徑（見圖9）或一個活躍的閉合交換機的間隔。保持后者的公差是對確保通過交換機的高速列車沒有脫軌的危險十分關(guān)鍵杀铆。這就是為什么現(xiàn)在鐵路運營公司都專注于徹底地監(jiān)測交換機沮汇。

        鐵路工程師們可以調(diào)整濾波器參數(shù)容限窗口，提出那些“偽警告”抚袁，選出真正顯著影響乘客舒適度與安全的軌軌缺陷

在電子地圖上明確缺陷
        我們使用嵌入到定位缺陷的GPS數(shù)據(jù)嬉咐，以定位它們在數(shù)字地圖上的位置（圖3）。這一地理信息增加了大量關(guān)于鐵路“熱點”的信息與新背景多尺，如小半徑曲線绕睹，交換機，或車站憨琳。我們使用LabVIEW的圖像處理功能來實現(xiàn)這個簡單的地理信息系統(tǒng)（EASY -地理信息系統(tǒng)）〗氲觯現(xiàn)存感興趣的區(qū)域（例如，一個城市）的位圖被分解成單以拼貼圖篙螟，并配有精確的地圖坐標(biāo)菌湃。當(dāng)鐵路工程師瀏覽缺陷時，LabVIEW也不斷的從硬盤驅(qū)動器中加載拼貼圖遍略，傳輸?shù)絻?nèi)存中惧所，并組合成一張JPG圖片。此圖片接著被復(fù)制到LabVIEW的圖形繪制指示器中并用確切缺陷位置的數(shù)字光標(biāo)覆蓋绪杏。

結(jié)果付諸應(yīng)用
        最后下愈，我們將結(jié)果轉(zhuǎn)換成高端應(yīng)用纽绍。為了作進一步的分析，我們可采用標(biāo)準(zhǔn)的CAD系統(tǒng)轉(zhuǎn)換主要缺陷如磨損和裂洞的幾何圖驰唬。使用圖形交換格式（DXF）文件格式最終可以實現(xiàn)目標(biāo)顶岸。

        通過ActiveX數(shù)據(jù)對象（ADO），我們建立起外部數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)連接叫编，它使用通用數(shù)據(jù)鏈接（UDL）連接類型和路徑拿酱。我們使用了一套高層次的虛擬儀器和數(shù)據(jù)平臺執(zhí)行最常見的數(shù)據(jù)庫任務(wù)，如處理表格和數(shù)據(jù)交換那赘。

        VAG紐倫堡運輸合作在Microsoft Access數(shù)據(jù)庫中維持著一個預(yù)定義和關(guān)鍵位置的矩陣企恢，它是不斷的篩選，變化的朦我。一旦熱點超過容限窗口弓聋，一個電子維修計劃就會被建立，并部署在維修機器的測量設(shè)備上袜娇。

        蘇黎世公共交通（VBZ）的維護理念依賴于一個內(nèi)置有Microsoft Access數(shù)據(jù)庫的商業(yè)地理信息系統(tǒng)工具纷炼。鐵路路段，車站输跑，交換機等所有基礎(chǔ)設(shè)施都一一列出桂葛，只要按下按鈕就可以在地圖上顯示整個城市的有軌電車網(wǎng)絡(luò)。類似紐倫堡营将，作為一個短期和長期維護理念的重要組成部分VBZ的鐵軌狀態(tài)也時時受到監(jiān)控秀裂。 通過ActiveX和NET機制，LabVIEW平臺可以連接到這個地理信息系統(tǒng)工具上冗美。

解決問題
        從IT環(huán)境反饋產(chǎn)生的維修計劃作為質(zhì)量設(shè)置點被下載到維修機器中魔种。通過用幾個重疊碾磨運行 將鐵路返回到其原來的形狀，雙Blackfin處理器結(jié)構(gòu)能快速系統(tǒng)的修復(fù)磨損或檢查鐵路粉洼，支持整個的團隊的運作节预。Blackfin處理器提供了一個多功能鍵盤，兩個TFT顯示器可以顯示鐵軌以及移動存儲器属韧。兩個激光掃描儀連續(xù)捕獲20赫茲的交叉配置快照心铃，用CAN網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)在線傳輸?shù)紺PU。然后挫剑，處理器計算偏差，將新的設(shè)定點傳送到由另一個Blackfin處理器控制得底層碾磨單位柱衔。

        碾磨單元由六個獨立的磨盆組成樊破。在靜壓的原則下，每個碾磨單位提供了3度自由空間唆铐。起初哲戚，磨盆會水平在軌頭的內(nèi)部奔滑，外部或中間移動。然后顺少，它會旋轉(zhuǎn)偏差到最壞的情況迈壤，最終向下移動，直到它觸及軌頭后開始移除材料磕裂。 Blackfin處理器將PWM信號應(yīng)用到控制著靜流執(zhí)行器得閥門上便可以同時控制這18個操作趟雄。此外，6個旋轉(zhuǎn)傳感器印姑，6個翻譯儀表窖夸，18個非接觸式位置開關(guān)，6個壓力傳感器在這個定位過程中連續(xù)受到監(jiān)測狮贪。使用傳統(tǒng)的方法需要花費幾分鐘的時間杂员，現(xiàn)在磨盆在幾秒鐘內(nèi)就可以自動定位。

        最后尾杆，磨盆開始移除多余的物質(zhì)（見圖11）设塑。安全和堅固的外殼可以將電子設(shè)備和傳感器從四處飛濺的火花，過多的灰塵狗丙，濕度和熱隔離開來譬奈。在碾磨過程后，使用可移動媒體扼褪，通過在IT環(huán)境中加載數(shù)據(jù)想幻，質(zhì)量就可得到保證。

結(jié)論
        在下一階段的數(shù)字嵌入式設(shè)計中话浇，我們采取了一個系統(tǒng)的維修理念用于鐵路和有軌電車脏毯。通過在一個中心點上利用低層次的鐵軌測量與控制及對高層次數(shù)據(jù)進行挖掘與分析，我們設(shè)計出了一個最佳的成本效益的解決方案幔崖。使用Blackfin處理器的可擴展的表現(xiàn)與性能食店，計量裝置和測量/維修車輛的能力已經(jīng)充分達到了苛刻的環(huán)境下的實時行為和堅固性的要求。

        我們在設(shè)計中使用LabVIEW環(huán)境定位高層次的數(shù)據(jù)分析與可視化缺陷赏寇。我們也使用LabVIEW來開發(fā)復(fù)雜的數(shù)學(xué)濾波器算法吉嫩，以應(yīng)對不同的網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場設(shè)備與IT環(huán)境所涉及的連接挑戰(zhàn)。易于使用的LabVIEW再次推出了一個倍受矚目的的設(shè)計嗅定，展示了重用和重組的最佳可能性自娩。Blackfin中的LabVIEW嵌入式模塊為傳統(tǒng) ASM或ANSIC / C + +打開了范式轉(zhuǎn)變的算法的大門。隨著這項技術(shù)的革新渠退，現(xiàn)在它能夠優(yōu)化任何鐵路或電車系統(tǒng)的缺陷（裂縫）的位置忙迁。所有缺陷數(shù)據(jù)存儲在中央數(shù)據(jù)庫以備緊急修復(fù)之需或監(jiān)察。RailSurf測量拖運器是移動智能計量裝置的第一個范例论艰，它實現(xiàn)了一個快速吠败，環(huán)保发刨，維修鐵路的嵌入式解決方案。

        Author Information:
        Anders Norlin Frederiksen
        Analog Devices/DK

聲明：本網(wǎng)站所收集的部分公開資料來源于互聯(lián)網(wǎng)镇轿，轉(zhuǎn)載的目的在于傳遞更多信息及用于網(wǎng)絡(luò)分享太队，并不代表本站贊同其觀點和對其真實性負責(zé)，也不構(gòu)成任何其他建議斟彻。本站部分作品是由網(wǎng)友自主投稿和發(fā)布痢玖、編輯整理上傳，對此類作品本站僅提供交流平臺园凫，不為其版權(quán)負責(zé)砍没。如果您發(fā)現(xiàn)網(wǎng)站上所用視頻、圖片十碗、文字如涉及作品版權(quán)問題鸥司，請第一時間告知，我們將根據(jù)您提供的證明材料確認版權(quán)并按國家標(biāo)準(zhǔn)支付稿酬或立即刪除內(nèi)容汉惫，以保證您的權(quán)益培愁！聯(lián)系電話：010-58612588 或 Email:editor@mmsonline.com.cn。