基于GPS的高速铁路轨道静态检查系统的研究

贾岩

摘要：目前我国铁路工务部门常采用“相对测量”方式对轨道的几何状态参数进行检查，这种检查方式效率低、精度不高，常引起人工浪费等问题。为了提高高速铁路轨道几何参数的检查精度、检查效率，降低检查成本，本文提出了一种基于GPS的高速铁路轨道静态检查系统，利用GPS全球定位技术，实时对高速铁路轨道的几何状态参数进行检查。

关键词：轨道几何状态;GPS全球定位系统;GPRS无线通信技术

中图分类号：U216.3   文献标识码：A   文章编号：1672-9129（2020）16-0069-02

1 引言

2020年8月中国国家铁路集团颁布了《新时代交通强国铁路先行规划纲要》，纲要中明确指出了未来30年中国铁路的发展规划，我国铁路将在科技的引领下全面向智能化迈进。铁路轨道的平顺性作为评价铁路轨道的重要指标，高速铁路轨道的检查技术也将不断向高精度、高效率方向发展。

当前国内外轨道检测系统主要分为两类，分别是动态检查系统和静态检查系统。国内外动态检查系统主要有日本的“East-i”综合检测列车，法国国家铁路公司研发的“IRIS320”综合检测列车，我国的GJ型轨检车等[1]。动态检查系统检查效果好，但是大型的动态检查设备不能直接用于日常线路养护和维修的指导工作。国内外静态轨道检查系统主要有瑞士Amberg公司研发的GRP1000轨检仪，德国sinning公司生产的GEDO CE精调检测小车，我国的GJY-T-EBJ-2型轨道检查仪、GJY-T-4A型轨道检查仪等。目前静态检查系统利用全站仪等光学设备的轨检仪虽然能够测量轨道的内部、外部参数，但常受温度、光照、风雨等环境影响，且操作复杂，成本高，作业速度慢，因此有必要探索轨道三维定位的新方式和新手段。

GPS（Global Positioning System）全球定位系统是一种精密的导航系统和定位系统，可全球范围使用，具有全天候、高速度和高精度等优点，被广泛应用在测绘、交通、道路工程等

领域[2]。本文应用GPS全球定位系统，结合RTK （Real - Time Kinematic）载波相位实时动态差分技术，构建一种高精度、高效率可同时进行轨道外部和内部几何状态参数检查的高速铁路轨道静态检查系统。

2 系统整体方案设计

GJY-T-4A轨检仪可通过成熟的相对测量方法得到轨道内部几何参数。本高速轨道静态检查系统，是在GJY-T-4A轨检仪上进行改进，加入绝对测量方法，得到轨道外部几何参数。

为了快速得到高精度的高速铁路轨道的外部几何状态参数，利用GPS全球定位技术检查轨道中线的三维坐标和高程。首先在铁路轨道的两侧设置GPS控制网，设立GPS数据采集系统，同时利用GPRS将定位数据传输至轨检仪系统的上位机。在轨检仪上建立移动数据采集系统，利用GPS采集数据、GPRS传输数据，最后通过上位机对采集到的GPS和移动数据进行实时分析与处理，得到轨道几何状态参数。移动数据采集系统主要在GJY-T-4A轨检仪CAN总线上新增GPS数据采集节点，用于数据采集与传输。

3 硬件系统设计

本高速铁路轨道静态检查系统的硬件主要包括两部分，一是位于GPS控制网点的GPS数据采集系统;二是位于GJY-T-4A轨检仪CAN总线节点上的的移动数据采集系统。

3.1 GPS数据采集系统的硬件设计。GPS控制网点的GPS数据采集系统的控制核心选用MSP430F149单片机。MSP430F149单片机具有16位RISC结构，12位A/D转换器，满足本系统数据采集的需求[3]。GPS数据采集系统的硬件主要包括天宝BD970 GPS模块、GPRS通讯模块、7.4V锂电池电源系统、单片机最小系统、LCD液晶显示器等。

GPS数据采集系统中MSP430F149单片机的最小系统主要由提供精准时钟的时钟电路，用于单片机复位的复位电路，用于修改和下载程序的BSL电路和调试电路等组成。

MSP430F149单片机与BD970 GPS模块的工作电压均为3.3V，所以MSP430F149与BD970板之间不需要电平转换电路。GPS模块上电时，为了限制电路电流，在GPS模块电路中需要串联300Ω电阻。为了减小电源输入端的干扰，在BD970模块VCC和GND引腳间连接100uF与0.1uF的并联电容。BD970板的COM1_RX引脚与MSP430F149的UTXD0引脚相连，BD970板的COM1_TX引脚与MSP430F149的URXD0引脚相连。BD970板卡电路如图1所示。

选用SIM300C作为GPRS无线通信模块，SIM300C内嵌有TCP/IP协议，可使用AT指令进行控制，SIM300C内部有充电电路，被广泛应用在由电池供电的电路中[4]。SIM300C GPRS模块工作电压为3.4V～4.5V，所以与MSP430F149单片机连接时，无需电平转换。SIM300C的RXD、TXD引脚分别与MSP430F149的UTXD1、URXD1引脚相连。当SIM300C GPRS模块仅用RXD、TXD通信时，RTS引脚通过连接470Ω电阻后接地。

3.2移动数据采集系统的硬件设计。GJY-T-4A轨道检查仪具有高精度轨道内部几何参数检查基础，所以移动数据采集系统是GJY-T-4A轨检仪CAN总线上新增的数据采集节点，通过GPRS与上位机建立连接，在上位机进行数据分析与处理。为了保证数据的可靠传输，在上位机中加入SIM300C GPRS模块连接，用于接收GPS传来的GPS数据。

由于MSP430F149单片机无法驱动CAN总线，所以引入CAN驱动芯片，本系统选用SJA1000控制器作为CAN驱动芯片。为了实现电气隔离CAN收发器选用CTM1050 CAN隔离收发器，可保护CAN总线。

4 软件系统设计

基于GPS的高速铁路轨道静态检查系统的软件设计，以IAR Embedded Workbench编译开发环境、C语言和AT指令为轨道检查系统软件设计的基础。

4.1单片机主程序设计。MSP430F149单片机核心控制主要包括控制SIM300C GPRS与具有公网IP的服务器建立连接，实现数据传输，将GPS采集到的原始数据传输至单片机，单片机对GPS采集到的数据进行数据分析与处理，将采集到的数据通过无线通信传送至上位机。

MSP430F149单片机主程序为轨检系统上点后初始化，定义中断、调用模块函数等。

GPS数据采集程序在设计时需对单片机和串口初始化，根据天宝BD970 GPS模块说明，向天宝BD970模式发出数据请求指令，BD970模式通过串口向单片机传输采集的原始数据[5]。

4.2 GPRS数据通信程序设计。本系统GPRS通信运用TCP/IP建立网络，两个GPRS的IP地址是移动的，两个GPRS无法建立网络连接，所以这里需要一个有公网IP地址的服务器作為中转站。

首先GPS数据采集系统的单片机将采集到的原始数据通过串口发送到SIM300C模块，然后传送到服务器进行中转。移动数据采集系统的单片机命令SIM300C无线通信模块向服务器发送请求数据，服务器传送数据到达SIM300C模块，再通过串口传送至上位机，对传送的数据进行处理。

使用AT指令检查SIM卡，确认是否网络接通，然后运用AT+CCID指令初始化网络，最后完成UDP连接。服务器进行socket接收程序，GPRS模块发送UDP连接指令，如AT+CIPSTART="UDP"，"IP adress"，"port"，。建立连接后发送AT+CIPSEND指令发送数据，服务器响应接收数据，完成GPRS与服务器的数据传输。

5 总结

利用GPS技术，RTK技术和GPRS技术，通过对GJY-T-4A轨检仪进行改进，在原有相对测量的基础上，融合了绝对测量，从而构建新型高速铁路轨道静态检查系统，可高精度、高效率的对高速铁路轨道的几何状态进行实时检测。

参考文献：

[1]仲崇成，李恒奎，李鹏等. 高速综合检测列车综述[J]. 中国铁路，2013（6）：89-93.

[2]许娅娅. 全球定位系统（GPS）实时动态（RTK）技术在公路勘测设计中的应用研究[D].长安大学，2006.

[3]沈建华，杨艳琴. MSP430 系列单片机 16 位超低功耗单片机原理与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[4]SIM300C_HD_V3.05硬件手册[EB/OL].

[5]Trimble BD970 GNSS Receive Module User Guide[EB/OL].