轨距尺手机应用平台设计

朱洪涛，陈 捷，吴维军

(南昌大学机电工程学院，南昌 330031)

轨距尺手机应用平台设计

朱洪涛，陈 捷，吴维军

(南昌大学机电工程学院，南昌 330031)

数字轨距尺因其采用单片机作为微控制器存在在线信息处理能力不强、功能相对简单以及人机交互操作不直观等不足。基于此，同时为顺应轨道检测的数字化、网络化的趋势，提出一种以Android智能手机为测量控制主机的数字轨距尺在线信息服务与数据实时处理方案。该方案通过蓝牙接口建立轨距尺与手机之间的数据链路，智能手机对测量数据进行分析、处理和存储。智能手机使轨距尺的功能具有良好的可扩展性，并提供友好的人机交互界面、数据库支持和网络服务等，可实现单片机较难完成的复杂功能。样机测试结果显示，系统实现了预期的功能。

轨距尺;静态测量;在线信息处理;蓝牙;Android智能手机

轨距尺是铁路工务检测中常用的静态测量设备［1］，主要用于测量轨距、水平(超高)、查照间隔、护背距离、三角坑、轨距变化率等参数。根据测量准确度的高低，轨距尺分为0级、1级、2级三个等级［2］。数字轨距尺以单片机为微控制器，以高精度传感器为核心，数据读取方便，易于实现误差补偿，检测精度高，是0级轨距尺的主要结构形式。但是，受微控制器处理性能的限制，数字轨距尺的功能相对简单、在线信息处理能力差、人机交互操作不直观，较难实现设计线形计算、超限报警等复杂功能。

为此，数字轨距尺产品一般均可将其存储的外业测量数据以离线方式输出至配套的PC端内业数据处理软件，其不足之处在于PC端软件不能为现场测量提供直接的服务，对提高数字轨距尺的在线处理能力作用不大。

本文设计了一种以Android智能手机为测量控制主机的数字轨距尺在线信息服务与数据实时处理方案，可大大扩展轨距尺的功能，完成一些常规轨距尺难以完成的特殊任务。

1 系统分析与设计

1.1 系统设计思想

依据数字轨距尺的作业内容与作业工况，其最重要、也是最基本的测量功能与性能要求如下。

(1)能检测轨距、水平(超高)、查照间隔、护背距离等直接测量信息，可计算轨距变化率、三角坑等简单的二次测量信息。

(2)数值显示与存储功能，即能把测量成果直观、清晰地显示在显示界面上，便于读取、记录、存储与转存。

(3)能自动进行温度补偿、数字滤波等有利于提高测量精度、测量稳定性的智能操作。

(4)便携性与环境适应性好，适合于野外、夜间、天窗及复杂电磁场等条件下使用，操作简单。

Android是一个开源、免费的操作系统，广泛应用于智能移动终端，2013年第一季度其全球市场占有率已达75%［3，4］。基于 Android系统的智能手机便携性好，普及面广，且具备相当强的计算能力。如图1所示，智能手机通过蓝牙接口与数字轨距尺建立数据链路，利用其数字技术、通讯技术、智能技术的优势，则可能使数字轨距尺实现一些复杂实用的高级功能。

图1 系统方案

(1)利用手机管理和实时查询数据库，为轨距尺提供线路里程、轨号及轨枕号、线路设计参数等信息服务，实现各测量项目的实测偏差计算、超限报警等功能。

(2)利用手机对轨距尺测量数据进行数字滤波、历史变化趋势比较、TQI评价等分析和处理等。

(3)利用手机的网络通讯功能，实现重要测量成果实时上传、短信通知等。

(4)利用手机记录线路病害、线路特征等文字、图像信息、GPS定位信息等。

(5)利用手机进行数字轨距尺标定、检定等复杂操作。

(6)利用手机的开放性，运行用户关注与开发的第三方应用。

1.2 系统的架构

本文以利用Andriod手机实现数字轨距尺标定、测量及数值显示、超限规则设置及报警、线路设计参数的设置等功能为例，详细介绍轨距尺手机应用平台的设计方法与过程。如图2所示，系统包含蓝牙通讯模块、测量功能模块、系统标定模块、水平零位修正模块、线路管理模块、超限规则模块、曲线绘制模块、GPS模块和网络模块。

其中，蓝牙通讯模块用于建立蓝牙连接、管理数据通讯;测量功能模块实时处理测量数据;系统标定模块负责传感器的标定;水平零位修正模块通过计算掉头差获得水平零位修正值;线路管理模块负责线路设计参数的编辑和下载;超限规则模块负责设置限值;曲线绘制模块绘制曲线比较设计参数和实测值;GPS模块和网络模块预留在系统中，作为扩展接口。

图2 系统整体框架

2 系统的功能和实现

2.1 蓝牙通讯模块

蓝牙采用了诸多安全及抗干扰机制，在工业现场应用广泛，且无需布线，适用于在快速移动下建立通讯。考虑测量时操作人员和数字轨距尺之间的距离通常在1m以内，并应有一定的移动范围，而蓝牙传输距离通常在10m以内，故蓝牙适用。

蓝牙通讯模块的类图模型［5］见图3。Operation_Activity是承载主功能界面的类。Device_List是承载蓝牙连接界面的类。BlueTooth_Service类中封装了蓝牙连接线程ConnectThread和数据通讯线程Connect-edThread。

图3 蓝牙连接模块类图模型

Android提供了本地蓝牙适配器BluetoothAdapter类，用于操作设备上的蓝牙。通过BluetoothSocket套接字类创建、访问RFCOMM信道，2台设备共享1个RFCOMM信道建立蓝牙连接［6］。创建RFCOMM信道要用到蓝牙串口服务，UUID为00001101－0000－1000－8000－00805F9B34FB。建立连接时，先查找附近的蓝牙设备，更新设备列表，再由用户选择目标设备进行连接。应用程序通过Handler-Message消息机制［7］从蓝牙获取轨距尺上传的数据。

2.2 测量功能模块

测量功能模块的主要功能是实现轨距尺检测数据的实时显示、存储，并负责超限报警，也包含了相关测量参数的设置。模块通过Android的Broadcast广播机制触发特定的事件并进行处理［8］。根据Action属性不同，模块包含指令发送、测量数据更新、设置更新3个事件。

考虑到测量结果的清晰显示，并参考Android界面设计官方指南，测量结果分页显示。轨距、超高、轨距变化率和三角坑在1个Tab选项卡。查照间隔和护背距离在1个Tab选项卡。处理轨距时，按照公式(1)计算温度补偿量lΔt，再由公式(2)计算修正后的轨距值G。查照间隔、护背距离由轨距减去测头的宽度推算而来。显示测量结果的同时，进行超限判断。若超限，报警并记录在文件中。

式(1)中 α1为6063铝合金的线膨胀系数，取23.0×10－6℃－1［9］;α2为轨枕的线膨胀系数，取 11.6×10－6℃－1［10，11］;Δt为工作环境温度与标定时温度(20℃)［12］的差值;l为影响轨距测量的尺身长度，mm。式(2)中g为实测轨距值，mm。

用户可设置起点里程、测量间隔、三角坑基长、轨距变化率基长、基准股等测量参数，通过Android提供的编辑框控件EditText和复选框控件CheckBox实现。数据管理采用Android集成的SQL数据库。SQL数据库是一种功能齐全的轻型数据库，效率高并且占用资源少［13］。通过Android SQLiteDatabase类进行插入操作，数据保存至数据库。同时，测量数据写入存储卡中的TXT文件中。

2.3 系统标定模块

轨距尺作为工务铁专量具，其结果的可靠性与合法性需通过检定及标定实现。系统标定模块负责轨距传感器、水平传感器的标定，标定界面如图4所示。2种传感器输入输出特性均为线性，故采用线性标定法。

图4 标定界面

标定时，Android智能手机上可输入标定位置的数值，发送指令向轨距尺请求数据，轨距尺将标定点的数字量上传到智能手机，由公式(3)线性标定法原理

设y为被测物理量，x为y所对应的数字量，得到两点(x1，y1)、(x2，y2)由公式(4)计算增益 k 和零点漂移d。

标定系数通过Android提供的SharedPreferences类保存在DEMARCATION_PREF．xml文件中。Shared-Preferences类是Android平台上的一个轻量级的存储类［14］。

2.4 线路管理模块

通过查看线路设计参数可以直观地了解所检测线路的基本信息。同时，线路设计参数下载至数字轨距尺，数字轨距尺检测中使用这些参数。线路管理模块列表显示系统里的所有线路信息，可以进行添加、修改、删除等操作。线路设计参数信息保存在存储卡中的TXT文件中，文件名为“线路信息”。正线参数包含起点里程和终点里程等。曲线可设置曲线方向［15］、起点里程、终点里程、半径、行别、方向、超高、轨距加宽［16］等参数。线路信息可经蓝牙下载至轨距尺。

2.5 超限规则模块

评判标准分为作业验收、经常保养、临时修补和限速4个等级［17］。整个界面是Tab界面，在不同的选项卡里显示各级标准的内容，通过Intent加载各选项卡。各级标准可设置轨距上限、轨距下限、超高、三角坑和轨距变化率的限值，依据《高速铁路无砟轨道线路维修规则(试行)》设置了默认值。各级标准的限值在授权情况下可修改，通过Android提供的SharedPrefer-ences类保存在OVERRUN_SETTING_PREF．xml文件中。

2.6 曲线绘制模块

数据以列表或者二维曲线的方式显示。调用SQLiteDatabase类的query方法遍历整个数据库，再以列表形式显示所有测量数据，用户向上或向下滑动查看测量数据。通过曲线显示数据的变化直观清晰。采用Android开源绘图工具库AChartEngine绘制曲线，通过Android SQLiteDatabase类进行查询操作，从数据库提取所有测量数据项的某项数据以及所对应的里程，设置数据集。通过AChartEengine库的相关方法获得曲线。用户可以通过手势，实现坐标轴平移、曲线局部放大等。

3 实验验证

为验证系统功能，在某公司自备线上进行了试验。测试方法是利用轨距尺样机对自备线进行测量，样机将测量数据及其数字量保存在U盘中。测量结束后，使用U盘中的测量数据，在PC端使用串口助手通过蓝牙串口模块按照协议与Android智能手机通讯。数据显示效果如图5所示。图形显示效果如图6所示。经与U盘离线数据比较，数据传输可靠。

图5 数据显示效果

图6 图形显示效果

结果显示:(1)能够正确地传输、处理、显示测量数据并可结合里程间隔信息分析轨距变化率及三角坑等二次信息;(2)可实现标定、零位修正、线路管理、超限报警等复杂功能。

4 结语

数字轨距尺以单片机为微控制器，以高精度传感器为核心，具有使用方便、检测精度高等特点。但受微控制器处理性能的限制，数字轨距尺的功能相对简单、在线信息处理能力差、人机交互操作不直观。本文提出了一种以Android智能手机为测量控制主机的数字轨距尺在线信息服务与数据实时处理方案。考虑到恶劣的工况环境和轨距尺的作业方式，该方案以蓝牙作为通讯方式。在完成轨距尺基本测量功能的同时，利用Android智能手机的优势实现微控制器较难完成的复杂的高级功能，例如线路设计参数的设置、超限报警、图形绘制等。原理样机测试结果显示，系统实现了预期的功能。在轨道检测作业中，将数字轨距尺与Android智能手机结合，提高了数字轨距尺的性能，具有一定工程应用价值。

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Design of Application Platform of Track Gauge in Combination W ith M obile Phone

ZHU Hong-tao，CHEN Jie，WUWei-jun

(School of Mechanical and Electrical Engineering，Nanchang University，Nanchang 330031，China)

Due to using single chip microcomputer asmicrocontroller，the digital track gauge has some disadvantages，such as poor online information processing ability，few functions，un-visualized manmachine interactive operation and so on．For this reason，in order to comply with the digital and networked trend of track inspection，the system of using Android smart phones asmeasurement control terminalswas put forward in this paper to achieve online information service and real-time data processing of digital track gauge．In this system，the Bluetooth interface is employed to establish data link between digital track gauge and smart phone，and then the measurement results are analyzed，processed and stored by the smart phone．By using smart phone，good functional expansibility of track gauge can be achieved;friendly man-machine interface，database support and network service can be provided;in addition，those complex functions，which cannot be finished by single chip microcomputer，can be achieved easily．Prototype testing shows that all the anticipated functions have been achieved by using this system．

track gauge;static measurement;online information processing;Bluetooth;Android smart phone

U216.3

A

10．13238/j．issn．1004－2954．2014．03．012

1004－2954(2014)03－0050－04

2013－06－29;

2013－07－25

江西省科技支撑项目(编号:20111102040100)

朱洪涛(1962—)，男，教授，博士生导师，工学硕士，E-mail:honey62@163．com。