高速铁路路基形变多点检测系统设计

蒋志军 郑萍 曹林 李易 彭京平

(西华大学电气信息学院,四川 成都 610039)

高速铁路路基形变多点检测系统设计

蒋志军 郑萍 曹林 李易 彭京平

(西华大学电气信息学院,四川 成都 610039)

为了解决铁路路基形变多点检测、远程监控和预警问题,提出了一种基于嵌入式LAMP的铁路路基多点检测系统的设计方案。通过测量路基面竖直方向和水平方向的加速度并运算处理得到路基面的形变量,当其大于设定的阈值时进行报警。系统利用STM32对得到的多点测量信号进行处理,并通过ZigBee网络传输到基于S3C6410的嵌入式LAMP网络服务器。远程用户可通过浏览器远程监控铁路路基面振动幅度变化。经调试证明,系统运行稳定,能够满足设计要求。

铁路路基形变 多点检测 LAMP 远程监控 ARM

0 引言

铁路路基作为承载轨道和列车荷载的基础,其形变和沉降变化影响到高速列车运行安全和铁路路基使用寿命,因此必须要保持路基不产生任何危及正常运行的过大有害形变,以保证铁路的长期稳定运行。首先需要在路基施工过程中关注路基结构、用材和路基的压实度的基础上,准确了解列车在高速运行时其路基表面的振动导致的形变大小。目前,多采用动力触探实验方法检测路基的压实度。该方法是利用一定质量的重锤,将与探杆连接的标准规格探头打入土中,根据探头灌入土中10 cm或30 cm时所需的锤击次数,判断路基的压实程度来间接检测路基形变大小。这种测量方法不但会破坏铁路的路基面,而且测量的精度低,不能全天候、实时检测多点路基面形变信息,因此只适合铁路路基运行前验收阶段的测量。基于嵌入式LAMP服务器(Linux操作系统+Apache服务器软件+ MySQL数据库管理系统+PHP超文本预处理语言)的路基形变量监控系统可以对被监控路基段进行动态多点检测,可及时地记录路基面形变参数以及预警,还可通过Internet实现远程监控[1]。

1 系统的总体设计

系统结构框图如图1所示。系统由信息检测模块、无线传输模块以及网络服务器等组成。首先通过加速度传感器采集路基振动过程中竖直方向和水平方向的加速度,将该信号调理后送入STM32进行A/D转换与运算处理,最终得到路基面竖直方向和水平方向的加速度值以及形变量。多点测量的值通过ZigBee星型网络送给基于S3C6410的嵌入式LAMP网络服务器。信息采集模块通过串口与ZigBee终端通信, ZigBee协调器亦是通过串口与网络服务器通信[2]。网络服务器将接收到的路基面形变量信息和对应的时间戳一并存到数据库中,即可就地显示记录;也可通过3G无线网卡接入以太网,用户使用浏览器登录到网络服务器,访问服务器网页即可实现用户对被监控路段路基的远程监控操作。

图1 多通道高速数据采集系统框图Fig.1 Block diagram of multi-channel high-speed data acquisition system

2 系统的信息检测与传输

本节主要介绍检测模块设计及ZigBee模块和组网设计。

2.1 检测模块设计

检测模块程序流程图如图2所示。

图2 检测模块程序流程图Fig.2 Flowchart of detection module program

列车高速行驶在铁路路基上时,路基面会产生水平方向和竖直方向的振动。根据铁路路基铺设的材料不同,抽样检测时需要在100 m内进行3～6处检测,使用6个检测模块(左、中、右各2两个)对100 m路段进行检测。每个检测模块包括信号调理电路、STM32最小系统电路。使用美国AD公司的ADXL150电容式加速度传感器测量铁路路基水平方向和垂直方向的加速度,信号调理电路将信号调理到STM32的ADC测量范围内。再通过STM32自带外部ADC运算处理得到加速度值,将该值作为此次采集到下一次采集时间片的平均加速速度,通过两次积分运算得到路基在该时间片内路基水平和竖直方向的位移量。最终累加得到路基的形变量。路基面的形变量过大时将可能造成路基表面层断裂,所以为水平方向和竖直方向分别设定一个形变阈值。当形变量大于阈值时,STM32产生PWM信号控制报警灯闪烁报警,实现自动报警。

检测模块通过串口和ZigBee终端通信。一方面将检测的数据送给ZigBee网络,另一方面也通过ZigBee网络接收网络服务器发过来的命令,执行相应的操作,如设置ADC参数、启动和停止报警等[3]。

2.2 ZigBee模块和组网设计

ZigBee网络作为检测模块和网络服务器之间的桥梁,其终端与检测模块连接,协调器与网络服务器相连。检测模块采集到的数据通过ZigBee网络传输到网络服务器,网络服务器通过ZigBee网络发送命令给检测模块。系统组网方式采用ZigBee星型网络实现,由6个终端和1个协调器中组成,采用CC2430作为ZigBee模块的主控芯片,负责对数据的运算和处理,外围电路包括RS-232接口、电源电路、匹配电路等。ZigBee协调器和ZigBee终端距离为50～100 m,而选用的CC2430无线模块的传输范围大部分情况下小于100 m。考虑到现场的复杂情况,为了切实保证信息的传输,系统采用增加RF发射功率的措施,使得传输距离可达1～3 km。当需要监控更远距离路段时,可通过增加路由器和节点接力方式实现。ZigBee网络中只有ZigBee协调器才能组网,在ZigBee协调器网络建立好后,ZigBee终端可以加入协调器建立的ZigBee网络[4]。

ZigBee协调器的组网过程为:协调器的应用层发出建立网络请求,网络层接收到请求后,要求MAC层执行信道扫描以找到一个合适的信道;随机选择一个网络号PAN来标志该ZigBee网络;然后在MAC层注册,再选择网络地址;最后通知应用层网络建立状态。ZigBee协调器建立好网络后,ZigBee终端有两种方式加入网络:关联方式和直接方式。这里采用的是关联方式。ZigBee协调器的程序流程如图3所示。

ZigBee终端加入网络的过程为:应用层调用原语设定要扫描的信道和每个信道扫描的时间,网络层接收到该原语后,要求MAC层扫描信道。当扫描完成后通过原语通知应用层具体情况,重新扫描或者从关联列表中选择网络加入。当存在潜在的父节点时,应用层发送入网请求,网络层接收到该请求后给MAC层发送关联请求。网络层接收MAC层连接状态响应,当接收到连接成功响应后,将根据响应信息中节点的唯一逻辑地址,在关联列表中建立它和父节点关联,最后网络层发送入网成功响应给应用层。ZigBee终端程序流程图如图3所示。

图3 ZigBee协调器/终端程序流程图Fig.3 Flowchart of ZigBee coordinator and terminal program

3 嵌入式LAMP网络服务器设计

3.1 硬件框图设计

网络服务器CPU使用三星公司的S3C6410,负责对检测模块数据的集中运算处理。外围电路包括存储芯片、复位电路、电源电路、时钟电路、RS-232接口、USB接口电路等。网络服务器通过串口完成与ZigBee协调器通信,接收协调器传过来的路基形变量数据和发送控制命令给协调器。网络服务器中使用SD卡存储ZigBee协调器传过来的路基形变量数据,根据实际需要,选择不同大小存储容量(最大支持32 GB)。服务器与Internet的连接采用华为的E1750 USB总线3 GB无线网卡。系统采用浏览器/服务器(Browser/ Server,B/S)模式,用户可通过浏览器访问网络服务器,实现对路基变形的远程监控。

3.2 网络服务器搭建

嵌入式网络服务器的结构模型如图4所示。

图4 嵌入式网络服务器结构模型Fig.4 Structural model of the embedded web server

在S3C6410系统硬件平台上构建嵌入式LAMP网络服务器的主要工作是:完成Linux操作系统的移植、Apache服务器的移植、MySQL数据库移植和PHP的移植。

①Linux操作系统的移植:配置Uboot源代码,交叉编译生成u-boot.bin,然后将其烧写到NAND Flash零地址处;解压Linux内核源代码,利用#make menuconfig ARCH=arm命令配置内核,添加串口驱动支持、USB驱动支持以及网络功能,使用make uImage命令和mkimage工具编译内核并生成镜像文件;利用busybox制作文件系统,交叉编译PPP源代码,移植相关文件到嵌入式Linux系统对应目录下,使用mkyaffs2image命令生成YAFFS2文件系统镜像文件。借助tftp命令,将内核和文件系统的镜像文件下载到目标板的DDRAM,再使用Uboot的nand write命令将其烧写到NAND Flash对应分区,整个Linux系统移植完成[5-6]。

②Apache服务器的移植:交叉编译httpd源代码,并移植到嵌入式Linux系统对应目录下,通过设置httpd.conf管理Apache,如加入PHP支持。Apache是目前使用较广的Web服务器软件,相对BOA,其运行速度快,稳定性好。

③PHP的移植:交叉编译PHP源代码,并移植到嵌入式Linux系统对应目录下;修改php.ini,开启PHP对串口和MySQL操作的支持。相对传统CGI,PHP具有稳定性好、图像处理能力强、效率高、面向对象、消耗系统资源少等特点。

④MySQL数据库移植的移植:交叉编译MySQL源代码,移植到嵌入式Linux系统对应目录下,通过my.conf管理MySQL的安装目录、数据存储路径、日志等。MySQL数据库具有管理用户权限功能、完整的数据库功能且支持并发。

3.3 网络服务器的软件设计

网络服务器通过串口接收ZigBee网络传过来的各检测模块的路基形变量数据,将其和对应的时间戳存储到数据库中,通过网页提供给用户。网络服务器中动态网页包括主界面,用户注册界面和高速铁路路基形变监控中心界面,用户可以通过浏览器访问服务器主界面,然后登录进入高速铁路路基形变监控中心界面;通过调用PHP扩展API访问MySQL数据库,得到路基形变量数据和对应的时间,再通过应用Ajax动态显示路基形变信息[7-10]。当用户在浏览器界面上进行操作时,浏览器发送http请求,网络服务器接收到请求后解析命令,调用PHP扩展库提供的API操作串口发送控制命令给ZigBee协调器,再通过ZigBee网络将命令发送给检测模块,从而实现远程监控。高速铁路路基形变监控中心网页程序流程如图5所示。

图5 高速铁路路基监控中心网页程序流程图Fig.5 Flowchart of the web page program of high speed railway roadbed monitoring center

3.4 系统的远程监控设计

用户在浏览器地址栏中输入网络服务器的IP地址,访问网络服务器主页面;填写用户名和密码登录进入到高速铁路路基形变监控中心界面。进入监控中心界面后,用户可以设置检测模块采样频率、路基形变显示界面的动态刷新频率以及选择检测模块通道,可实现对每个检测模块节点路基面形变的监控。同时,用户可以点击启动或停止采样按钮,远程控制各检测模块采样。试验结果表明,该系统满足高速铁路路基行变量多点检测、远程监控、预警和记录路基面形变参数设计要求。

4 结束语

随着高速列车的普遍使用,对铁路路基的要求亦同步增加,对铁路路基的形变多点、动态的实时检测、预警以及远程监控问题受到了高度的重视。基于LAMP的多点路检测控系统,可动态地反映铁路路基状态,且体积小、功耗低,特别适合应用于野外环境,使用非常方便。通过设定不同的阈值,可对铁路路基的形变进行预警、报警,切实保证列车的安全,并为运行中的高速铁路路基面形变量信息建立数据库,对铁路使用和维护提供数据支持。铁路路基的远程监控功能亦可为铁路管理提供良好的支持。

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Design of the Multi-point Detection System for High Speed Railway Roadbed Deformation

In order to solve the problems existing in multi-point detection,remote monitoring and early warning for railway roadbed deformation,the design strategy of the multi-point detection system based on embedded LAMP for this application is proposed.Through measuring the accelerations of the subgrade surface in vertical and horizontal directions,and conducting operating and process,the deformation of the subgrade surface can be obtained.When the deformation value is greater than the set point of threshold,alarm signal will be sent out.In the system,the multi-point measurement signals are processed by using STM32,and transmitted to S3C6410 based embedded LAMP web server through ZigBee network;the remote users may monitor the variation of the vibration amplitude of subgrade surface via browser.The test verifies that the system is running stably,and meets design requirement.

Railway roadbed deformation Multi-point detection LAMP Remote monitoring ARM

TP368+.1

A

四川省重点学科基金资助项目(编号:SZD0503-09-0);

西华大学研究生创新基金资助项目(编号:ycjj2013104)。

修改稿收到日期:2014-02-18。

蒋志军(1986-),男,现为西华大学控制理论与控制工程专业在读硕士研究生;主要从事智能化仪器与检测系统的研究。