便携式轨检仪研究

王志勇，朱洪涛，胡立峰，李江明，魏 晖

(1.南昌大学机电工程学院，江西南昌 330031;2.南昌铁路局鹰潭工务机械化段，江西鹰潭 335000)

轨道检查仪具有检测精度高、检测项目全、检测速度快、环境适应性好等优点，能够大幅度提高轨道检测效率与质量并减轻检测人员的劳动强度。因此，轨检仪作为基本检测装备已广泛应用于200 km/h以上线路。然而，我国路情复杂，目前轨检仪并未做到真正意义上的全覆盖，在非提速线路上轨道检测的主要手段依然是“人工+道尺”。其原因主要在于:①非提速线路建线标准低，并保留了行车间隔作业的条件，因此对于轨检仪的便携性要求较高而对测量项目与精度要求相对较低;②仪器功能的增加与性能的改进带来成本的增加，非提速线路每公里预算有限，这种条件下只要求完成月检的基本项目检测，仪器功能与性能以满足现场要求为度;③目前标准型轨检仪普遍采用“轨检仪+PC终端”的组合模式，其数据采集与分析终端普遍采用的是具有良好的抗震、抗高低温及电磁干扰的军用级PC，但其功能冗余较大且价格昂贵，且串口线连接方式限制了操作人员的活动范围。因此，亟需开发一种功能与运营条件匹配、经济性与便携性好、抗干扰能力强的便携式轨检仪。

本文设计一种便携式轨检仪，在硬件电路方面对原轨检仪进行功能筛选与简化，减小机身重量;应用“移动终端+无线连接”代替原“军用级PC+串口线连接”方案;在移动终端上开发轨检仪应用软件，实现对轨检仪的无线控制，在检测作业时对采集到的数据进行显示、存储，以克服原轨检仪在机动性、经济性与便携性方面的不足。

1 系统总体构架

作为法定计量器具，我国的工务铁专量具实行分级使用，分级管理。其中，轨检仪的准确度依据适用线路速度等级可分为 0级(≤350 km/h)与1级(≤250 km/h)。各级轨检仪又可依据功能特征分为H，T，S，L，HW，TW，SW 或 LW 等型号。其中，H，T，L为基本型号，W为外部参数测量功能特征代码;S为便携型，仅包含轨距、超高(水平)测量功能，其准确度等级仅包含1级。由文献［1］可知，提速及非提速线路轨道检测的主要几何形位参数为轨距、轨距变化率、超高(水平)、扭曲等。为满足对轨检仪的机动性、经济性与便携性，本文设计的轨检仪定为S型。

依据文献［1］，S型轨检仪的主要检测项目及性能指标如表1所示。

基本型号的轨检仪系统采用“轨检仪+采集终端”的组合模式，即轨检仪系统通过布置在小车上的前端传感器获取当前轨道的一系列几何参数，数据汇集到下位机轨检小车，轨检小车对数据进行滤波、放大等处理后提取有效数据打包上传到上位机，上位机接收数据后对其进行校验、分析、处理、显示及存储等操作［2］。

为增加可靠性、减小过程风险并加速开发，该S型轨检仪技术上较多地继承现有基本型号轨检仪并依据非提速线路工况开发部分功能。硬件电路方面，保留水平、轨距两个基本轨道内部几何参数和里程、温度辅助参数，通过以上参数可计算出其他测量项目，如轨距变化率、三角坑等;同时依据功能定义，在保证了轨道检测基本要求的前提下对原系统的测量功能进行了简化，省去一些昂贵的高精度传感器如测量轨向用的陀螺仪等。在数据采集方面，为降低成本并提高便携性，采用蓝牙串口模块进行无线通讯，采用手持终端作为上位机。

表1 S型轨检仪主要检测项目及性能指标

改进后的系统组成如图1所示。

图1 便携式轨检仪

2 数据采集方案

2.1 蓝牙串口模块

蓝牙技术因具有信道开放、低功耗、模块体积小、安全稳定等突出优点，满足了轨道检测对较长续航能力和操作便捷性的要求;但传统蓝牙通信的协议复杂，不易操作。相比之下，串口协议是一种非常通用设备通信协议，其协议简单，易于编程。

蓝牙串口模块支持串口仿真协议(RFCOMM)［3-4］，是蓝牙技术与串口通信结合的产物，它保留了蓝牙通信与串口通信的优点，数据的传输采用蓝牙技术，在上位机的程序开发过程中直接调用虚拟串口就能实现数据的无线通信，整个虚拟串口建立流程如图2所示。

2.2 手持终端

图2 虚拟串口建立流程

手持终端是一种集信息处理、数据通信及远程控制于一身的嵌入式设备。近年来，随着计算机硬件和软件技术的快速发展，嵌入式手持终端性能在不断提高，硬件功能不断扩充，却依然保持着经济性。现有手持终端在硬件性能、抗干扰等方面接近军用级PC，可以实现军用级PC上的复杂应用。图3为采用手持终端对轨检仪进行现场标定。

图3 手持终端标定

3 应用软件设计

3.1 功能规划

采用手持终端的轨检仪应能完全实现传统轨检仪的功能，包括系统标定、数据采集、在线数据监测及数据文件保存等，并且采用移动手持终端代替原有上位机后，传输方式改为蓝牙连接，故采用手持终端后还需要实现蓝牙设备连接的功能。

根据轨道检测需求，该手持终端软件功能模块如表2所示。

表2 软件功能

3.2 软件系统框架

软件系统框架如图4所示，用户在进入各子功能模块后，可以进行系统文件的读写或进行上下位机通讯。其中指令系统建立在上下位机指令格式上，它主要针对轨检仪的控制设计，由命令标识和命令代码组成，数据通讯时采用ASCII码进行数据传输。对应特定上位机指令，轨检仪上传不同数据信息。为使系统中的数据格式统一，轨检仪采用了数据包格式。为方便数据包的拆解，数据包设计为“起始标识符+测量数据”格式，测量数据依上位机指令不同而异。

图4 软件系统框图

文件系统是该软件的重要组成部分，包括系统参数和测量数据两类。系统参数包括标定数据、曲线参数和线路规则等，它们参与对轨检仪上传数据的换算、补偿和校正等过程，用户使用时可以通过中间结构体变量格式对这些参数进行修改与保存。

4 样机测试结果分析

4.1 软件测试效果

采用该便携式轨检仪测量一段已知参数的轨道。图5为手持终端软件系统的现场标定和在线测量界面。

图5 手持终端界面

4.2 重复性测试结果

图6分别为某厂自备线路轨道的水平、轨距测试结果，数据为随机抽取的3组数据。其中由于轨道轨缝的存在，同时轨检仪系统推行速度不均，造成水平传感器受到较大冲击，因而个别水平值较大，实际测量工作中应予以删除［5］。

根据TB/T 3147—2012中1级铁路轨道检查仪的水平、轨距两项重复性允许误差均为0.375 mm，实际线路测试表明本文便携式轨检仪能达到该要求。

图6 重复性测试结果

5 结语

本文针对传统轨检仪在机动性、经济性和操作便携性方面的不足，设计了一种便携式轨检仪。从硬件电路、数据采集方案、应用软件设计三方面对原系统进行了改进。用手持终端取代了昂贵且携带不便的上位机和军用级PC，降低轨检产品成本。手持终端便于携带和操作，使轨检单元便携化，能改善巡道工的劳动强度和劳动环境，提高工作效率，减少了人为操作失误。由原来的有线传输变为无线传输，使用户操作更加灵活、便捷。通过样机测试，证明该系统能够稳定高效地完成轨道检测任务。目前，该轨检仪已投入实际生产并在昆明、重庆地铁施工中得以应用。

［1］中华人民共和国铁道部.TB/T 3147—201 铁路轨道检查仪［S］.北京:中国铁道出版社，2012.

［2］王志勇，朱洪涛，李大勇.基于U盘的单片机低功耗海量存储系统［J］.微计算机信息，2006，22(5-2):91-93.

［3］马晋兴，陈启军.蓝牙协议栈中RFCOMM协议层的分析与实现［J］.计算机工程，2004，30(8):112-113.

［4］余胜生，苏汉华，周敬利.Bluetooth协议栈 RFCOMM协议层分析与设计［J］.小型微型计算机系统，2002，23(9):1037-1040.

［5］朱洪涛，李大勇，王志勇，等.轨检仪抑制轨缝干扰信息的数字滤波法［J］.微计算机信息，2006，22(16):182-183.