（机械电子工程专业论文）路轨两栖综合检测车精确定位与综合同步系统研究.pdf

中文摘要 中文摘要 城市轨道交通基础设施的状态对地铁的安全运营有着重要的影响。随着北京 市轨道交通的快速发展，大量的新线验收工作迫切需要快速准确的基础设施综合 检测设备。路轨两栖综合检测车集成多个检测系统，用来完成对线路基础设施状 态的全面检测。但是各个检测系统相对独立，没有统一的时间、空间等信息，也 不利于对所有检测系统的数据实现综合管理。同时，为实现对线路基础设施状态 变化的趋势分析，需要对同一检测线路的不同检测起点的检测数据按照里程值进 行对位。因此，研究适用于路轨两栖综合检测车的精确定位与综合同步系统对于 城市轨道交通的基础设施状态综合检测具有重大的意义。 同步系统上位机利用多线程技术通过f p g a 数据采集卡，串行通信接口，将 多路传感器数据进行实时地采集、保存、显示并以固定的格式通过现场总线网络 发送给其他车载检测系统，为所有车载检测系统的检测数据提供统一的时间、里 程值、行车速度、车体姿态变化、地理位置等信息。同时，在每次检测中同步系 统通过a r 4 0 0 0 点式激光测距仪和转速传感器，获取轨道特征曲线，通过相关匹配 的方法实现对同一条检测线路不同检测起点的相对定位，为线路基础设施状态变 化的趋势分析提供精确的位置基准。综合系统通过与各个车载检测系统组成星形 局域网，实现对各个车载检测系统检测数据的查询分析及检测数据图形化功能， 并生成线路基础设施状态报告。 论文叙述了路轨两栖综合检测车精确定位与综合同步系统的整体结构及实现 方法，重点介绍了同步系统中多路传感器数据采集处理功能的实现及同步信息的 发送、精确定位方案及算法、综合分析系统的软件设计及实现。同时介绍了在实 验室环境下的系统联调。 关键词：路轨两栖综合检测车；同步系统；相关匹配：精确定位：综合系统 分类号：u 2 1 6 3 a b s t r a c t a bs t r a c t t h es t a t eo fu i b a nm i li n 矗a s t n l c t l l r ei so f 掣。e a ts i g n i f i c a n c et ot h eo p 耐i o no ft h e s u b w a y w i t ht h e 豫p i dd e v e l o p m e l l lo fs u b w a yt 瑚s p o r t a t i o ni nb 喇i n g al 甜翟r e n u r t i b e r0 fn e wl i 鹏ss u b w a ya r ei nu r g e l i tn e e do fr a p i da n da c c u m t ee q u i p m t sw h i c h a r ec a p a b l eo fd e t e c t i n gt h e 姐t eo fi n 船哦r u c t l l r e c o m p i i e h e n s i v ed c t e c t i o nm a dm 谴 v e h i c l ei su s e dt 0a c h i e v et h ec o m p r c h e n s i v ed e t e c t i o n0 fs u b w a yi n f 蕊t f l j c 嘶，w h i c h i sc o m p s e do fm u l t i p l ed e t 鳅i o ns y s t 啪s h o w e v t h e ya r ei n d e p e n d 蛐to f c ho t h w i t h o u t 啪i f o 咖t i m e 锄ds p a c e 龃do m e ri n f b m l a t i o n f u n h e rm o r 岛i ti sn o t c o n v e n i e l l tt 0m 柚a g et l l ed e t c c t i o nd a t a0 fa ns y s t e m s m e 锄w h i l e ，i tn e e d st 0m a t c h t h ed e t e c t i o nd a t ao fi n 触s t l l j c t u r es t a t ea c c o 订i n gt ot h em i l e a g e ，w h i c hp r 印鲫略如rt h e 锄a l y s i so fs u b w a yi n 触s t l 彻c h u 他s t a t et 晌f l d s t h e r e f o 陀，t h es t u d yo np r e c i s el o c a t i 伽 锄d c o m p r e h e n s i v es y n c h m m z a t i o ns y s t e i l l i so fg r e ms i g n i f i c 鲫c ef o r t h e c o m p r e h e n s i v ed 酏e c t i o n a d m i lv e h i c l e ，i nt e 肌so fs u b w a yi n 仔弱仰c m r e d e t e c t i o n s y n c h m n i z a t i o ns y s t 锄，w i t ht h em u l t i t h r e a dt e c h n o l o g y a c h i e v 鹤c o l l e c t i o n 锄d p r 锶e r v a t i o n o fm u l t i - s 朗rd a t a舶mf p g ad a t aa c q u i s i t i o nc a r d锄ds 嘶a l c o m 【m u n i c a t i o np o r t t h es y s t e i t ls e n d st h ed a t ai nf i x 酣内肌a tt 0e a c hw i h i c l ed e t e c t i o n s y s t e mt h r o u g ht h ef i e l db u sn e t w o r k ，w h i c hp r o v i d eu n 涵e dt i m e ，m i l e a g e ，s p l e i e d ，b o d y a n i t u d e c h a n g e ， t h el a t i t l l d e锄d1 0 n g i t u d e ，a n do t h e ri n f o r m a t i o n e v e 叮t i m e ， s y n c h m n i z a t i o ns y s t 啪o b t a i n st h ec l 协m c t 丽s t i cc u n r eo fr a i lp m f i l et h r o u g ht h e a r 4 0 0 0l 勰e rs 朗s o r 锄ds p ds 铋s 0 r b yt h ec 0 丌e l a t i o na l g o t h m ，i ta c h i e v 懿t h e 畔i s el o c a t i o n 姗o n gt h ed i f f e r 朗tt e s ts t a r tp o i n t sf o rt h es a m es u b w a yl i n e ，w h i c h p p 叩a r 鹤f o rt h e 觚a l y s i so fs u b w a yi n f m s t l l l c t u r e s t a t et 瑚d s c o m p r e h e n s i v es y s t 锄 s h a r ed a t aw i t he a c hv e h i c l ed e t e c t i o ns y s t e mt h r o u g hl o c a la r e an e t w o r k m e 锄w h i l e ， t h es y s t 啪d i s p l a y st h ed e t e c t i o nd a t a 丘d mo t h c rv e h i c l ed e t e c t i o ns y s t 啪s 锄d g e r a t e st h er e p o no fi n 触s t m c t l j r es t a t e t h ep a p e rd 龋c 椭e st h eo v e 豫l ls t n 磁u 代绷l d 代a i i z a t i o no ft h ep 嗽i s e1 0 c a t i o n 锄d c o m p r e h 蜘s i v es y n c h m n i z a t i o ns y s t 啪i te m p h a s 骼t h em u l t i s 锄s o rd a t aa c q u i s i t i 伽 a n dp m c e 蹈i n g t 啪s m i s s i o no fs y n c h m l l i z a t i o ni n f o r m a t i o n ，l u t i o n sa n da l g o t h m s o fp r e c i s el o c a t i o n ， d e s i g na n dt e a l i z a t i o no fc o m p r e h e 鸺i v es y s t e m1 f t w a r e m e a n w h il e ，i ti n t m d u c 骼t h es y s t e ma p p l i c a l i o ni n s t a n c ei nl a b 朗v i r o n m e n t v 北京交通大学硕士论文 k e y w o l m s ：c o m p r e h e i l s i v ed e t e c t i o nm a d - m i lv e l l i c l e ；s y i l c h m n i z a t i o ns y s t e i i l ； c o r r d a t i o nm a t c h ；p r e c i s el o c a t i o n ；c o m p r e h 饥s i v es y s t 锄 c l a s s n o ：u 2 1 6 3 致谢 本论文是在我导师余祖俊教授的精心指导下完成的，从论文的选题到最终论 文完成都倾注了余老师的心血。余祖俊教授渊博的学识、严谨的治学态度和科学 的工作方法将使我受益终身。在此，谨向我的导师余祖俊教致以最衷心的感谢。 史红梅副教授在实验室生活和科研工作上都给予了我很大的关心和帮助。在 此，向史红梅老师表示由衷地感谢。 朱力强副教授在我的课题研究和论文撰写过程中，给予了我许多宝贵的意见。 朱老师严谨的治学态度、敏锐的思维、严谨的科研作风令人钦佩。在此向朱力强 老师表示衷心地感谢。 郭保青老师和许西宁老师对我的论文和科研工作都提出了许多宝贵的意见， 王尧博士对我论文撰写提出了宝贵的意见。在此一并表示衷心地感谢。 在实验室工作及撰写论文期问，微机测控实验室的全体同学对我论文中的研 究工作给予了无私的帮助，在此表达我对他们的感谢之情。 另外，感谢我的父母。他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 感谢那些在我求学之路上曾经陪伴过我的朋友以及同学，他们的陪伴使我的求学 生活不再枯燥无趣。 最后，衷心地感谢每一位曾经给予过我帮助的老师、同学和朋友。 绪论 1 1 课题背景和意义 l 绪论 城市轨道交通是北京城市交通的重要组成部分，是缓解交通拥堵的主要措施 之一。城市轨道交通的特点是运行速度快、行车密度高、客流量大、环境封闭， 因而对运营安全要求极高，需要安全可靠的基础设施系统作为保障。随着北京城 市轨道交通的快速发展，大量的新线验收工作迫切需要快速准确的基础设施综合 检测设备。更为重要的是，由于运行车辆的动力冲击、地质变形、临近施工、设 备可靠性以及人为因素的影响，线路( 包括隧道、桥梁) 、轨道、通信信号系统等 基础设施经常滋生安全隐患，因此周期性的基础设施快速检测是掌握线路综合状 态、确保行车安全的必要措施。 人工静态巡检和检测车动态测量是轨道交通线路安全状态检测的主要手段。 目前，我国的城市轨道交通仍然主要采用人工静态检查为主、动态检测车为辅的 方式获取线路状态。一般全线由各个工区分段负责，检查主要在晚上线路无运营 任务时进行，对于不同专业，如轨道和信号，还需要预留不同的检查维修天窗。 这种分专业的以人工为主的检测方式检测速度慢、工作效率低、占用线路时间长， 不符合现代城市轨道交通发展的需求。另一方面，由于一个城市轨道交通系统通 常包含数条长度较短的线路，而检测车在不同线路之间转轨非常困难，因此每一 两条线路就需要购买全套的各种专业检测车。这些专业检测车价格昂贵，例如一 台轨道检查车价格在一千万元以上，因此总体的经济效益非常低。 本课题提出的具有公路、铁路两套走行能力的路轨两栖综合检测车作为轨道 交通线路安全状态检测的平台，一方面可以实现线路各种关键参数的快速综合检 测，提高检测效率，减少线路占用时间；另一方面还可以方便地实现不同线路之 间的转轨，提高运用效率，是城市轨道交通安全状态的理想检测工具。 路轨两栖综合检测车的线路参数检测项目齐全，车上集成了包括线路全断面 与限界、钢轨磨耗和表面状态、线路环境等项目的检测单元，这些检测单元主要 用于线路上检测数据的采集和处理。但是，这些检测单元相对独立，形成了分布 式的检测系统，采集来的线路检测数据没有统一的线路位置基准，无法实现各个 检测系统检测信息时间和空问的同步，不便于对线路各个检测参数的统一管理和 检索，并且由于路轨两栖综合检测车在线路上进行动态检测时会产生车体姿态的 变化，这将会影响各个车载检测系统的精度。 北京交通大学硕+ 论文 同时，不论是采用人工静态巡检还是检测车动态测量的检测方式，如果想要 掌握一定时间内的线路基础设施变化趋势，就需要对比同一线路的基础设施检测 历史数据，检测数据必须能够基于线路公里标进行精确的绝对定位，或者将同一 线路不同次测量的数据进行精确的相对定位。而现有的列车定位技术主要采用基 于轮轴技术的里程计，配以其它辅助手段，如查询应答器、多普勒雷达、卫星定 位系统、线路地图匹配、线路图像匹配、道俞位置匹配的方法l l 刁j ，自动修正由于 车轮空转、打滑、蛇形、磨耗等因素造成的罩程计误差累积。基于这些现有的技 术，目前列车实时的定位精度理论上已经可以达到米级，能够满足列车运行控制 的需求。而对实现线路基础设施状态变化的趋势分析，米级的定位精度是难以满 足要求的。因此针对路轨两栖综合检测车开发一套精确定位及综合同步分析系统 极具重要意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 目前，轨道交通基础设施综合检测技术主要应用在国内外的高速铁路上m d 。 由于动态测量更接近运营列车通过时的线路状态，在高速铁路运营过程中，世界 各国普遍采取高速综合检测列车动态测量为主、检修人员利用轨检小车对动态测 量超限区段进行复测为辅的方式。高速铁路综合检测列车一般由4 6 节检测车辆 组成，装载着轨道状态、轮轨作用力、接触网、通信信号、环境监视等专项检测 设备。更为重要的是，这些专项检测设备在数据采集时能够依靠列车的中央控制 网络在速度、时间和早程位置上保持严格同步，各专项检测数据还可利用列车网 络实现全列车的数据共享。这不但减少了多台专项检测车的重复设备，而且为快 速准确地综合分析处理数据提供了可能。综合检测列车采用和j 下常运营列车相同 的车体，可独立运行，使得综合检测列车可以不影响高速铁路的正常运输秩序， 有利于加大检测频率、及时发现安全隐患。另一方面，由于车体、速度与实际运 营条件接近，高速综合检测列车获取的数据可以更真实地反映列车和基础设旌在 运营时的状态【i 引。世界高速铁路的运营实践证明综合检测列车是高速铁路运营 管理中不可缺少的组成部分。代表世界先进水平的高速铁路综合检测列车有意大 利的“阿基米德”号( a r c h l m e d e 胁i n ) 、只本e a s t i 、法国的m g v i j 。 意大利的阿基米德号综合检测列车作为目前世界上先进的综合检测列车，全 车总长度1 5 0 米，运行的最高速度是2 0 0 l ( m h ，全车装有5 7 台每秒钟能处理3 0 g b i t 的计算机，分布于列车的各节车厢。阿基米德号综合检测列车共安装了2 4 个激光 2 绪论 器，4 3 个光学传感器，4 7 个加速度传感器，4 个受电弓检测仪表，1 5 个摄像机， 许多应力，速度，定位和温度传感器。整车的所有检测子单元都通过局域网网络 同步的方式，使各个子单元检测时记录的检测位置对应在线路实际位置的误差大 概只有5 厘米。同时阿基米德号综合检测列车上设有能够实时获得各个检测单元 数据的监视系统和车载中央数据库服务器上，由于阿基米德号综合检测列车检测 的参数多，传感器多，要有大量的数据通过局域网上传到监视系统。因此阿基米 德号综合检测列车上安装了总长为5 k m 的光纤局域网络系统，以2 ，5 0 0 m b i 低的速 度传送检测数据和图像，从而实现了监视系统获取综合检测列车上其他单元检测 信息的功能，同时“阿基米德”号拥有两套冗余的同步系统，并可以在列车上进 行集中分析。图1 1 是阿基米德号的网络拓扑。 “阿基米德”号( a r c h l m e d et 豫i n ) ，它的数据分析分为三个步骤： 第一步是各个检测单元实时采集并且经过处理的报警和超限数据，这些数据 将作为维修施工的依据；第二步是各个检测单元对同一基础设施的各项检测数据， 将产生一份质量指标。它们将会作为日后优化保养计划及与进行维修工作后质量 是否得到改善的参照依据；第三步是综合分析指挥系统将会根据这条线路的各项 不同的检测数据，生成一份整体的质量指标。它们将会提供一份对整条线路的整 体评价i l s l 。 同本e 嬲t i 综合检测列车可以检测轨道几何参数、接触网、通信信号、轮轨作 用力、环境噪声等内容，各检测系统各自独立完成检测工作【1 4 l 。该综合检测列车 实现一列车运行过程中对线路的综合检测功能，但各检测项目之间的检测数据并 不综合到一个统一的中心，各检测单元自有各自的数据显示、记录、转储和地面 分析、处理、维护管理决策等系统，全系统仅有位置、时间和速度是需要统一的。 整个检测列车在速度、时间和里程位置上保持同步，利用转速传感器和每公里1 个的地面点进行定位，这一点为准确分析线路的检测参数提供了可靠保证。 俄罗斯1 9 9 7 年研制成功u h h h - 4 行轨检车。其技术特点是采用非接触式光电 技术、三维转角陀螺平台和卫星定位系统g p s ，应用3 台联网微机处理检测数据， 轨道状态评定采用摘取超限峰值，按公罩统计不同等级超限值的个数和计算扣分 数，扣分数越高，线路质量越差1 1 6 l 。 3 北京交通大学硕+ 论文 r 鲷剿删 。卜烈獬 p 卿唧婵 矍卜霸! l m i 鼬u 搬 i 鹑删“枷s l 囊荤撬蠢蝎 0 啊墨s 弋可：，j 曩檬h ；1 1 审嘲 图1 1 阿基米德号检测列车网络拓扑 f i g 峨l - ln en e m 浊t o p o l o g yo f a r c l l i m e d et m i n 1 2 2 国内研究现状 于2 0 0 8 年6 月下线交付使用的o 号高速综合检测列车是我国首列2 5 0 公里时 速的综合检测列车，为5 动3 拖8 辆编组，运行时速2 5 0 公里，具备升级到时速 3 0 0 公里的能力，集办公、公务、检测、生活等诸多功能于一体。o 号高速综合检 测列车通过引进集成世界最先进的检测技术和设备，具有对线路轨道、牵引供电、 通信信号等基础设施，轮轨和弓网接触状态及列车舒适性指标等进行高速动 态时空同步检测，并具有实时数据传输、存储和分析处理功能。实现了现代 测量、时空定位同步、大容量数据交换、实时图像识别和数据综合处理等先 进技术，是提高高速铁路基础设施检测效率、指导养护维修、确保高速铁路 运营安全的重要技术装备。2 0 0 7 年交付使用的c i 瑚2 0 1 0 a 综合检测车与2 0 0 8 年下线使用c r h 2 一0 6 l c 综合检测车是根据同本新干线e 2 1 0 0 0 型车为基础生产 的，检测项目与0 号检测车相类似皿j 。 其中，o 号检测列车目前主要承担京津城际铁路及提速既有线的常规检测任 务。目前，京津城际铁路的检测频率为每1 0 天1 次。为了满足我国高速铁路长期 门 绪论 发展的需要，科技部和铁道部于2 0 0 9 年投资6 亿元立项开发我国具有完全自主知 识产权的高速综合检测列车，计划于2 0 1 2 年以前研制样车1 列。 0 号高速综合检测列车在国内首次采用综合检测列车模式进行基础设施检测、 将轨道、轮轨力、接触网、通信和信号等检测系统安装在同一列动车组上，通过 精确定位、同步采集、宽带网路传输和数据库集成，所有检测结果可以实现时空 同步，综合显示、综合分析和综合处理。0 号高速综合检测列车的数据流程如图 1 2 所示。 图1 2 综合检测列车数据流程 f i g i l 陀1 2 1 1 l ed a t an o wc h a no fc o m p 劬钮s i v ed e t t i o nt m i i l 尽管综合检测技术在高速铁路已经有了成功的应用经验，但由于其与城市轨 道交通在运用条件、经济成本等方面存在很大区别，现有技术设备并不能直接在 城市轨道交通中应用。( 1 ) 城市轨道交通列车车速低、轴重轻，线路在不同动态条 件下的状态相差较小，采用低成本的低速、轻型检测车完全能够满足安全检测上 的要求，而不需要像高速铁路综合检测列车那样采用与运营列车完全相同的车体 和运行速度。( 2 ) 高速铁路综合检测列车为满足高速条件下的实时检测需求，必须 采用高成本的检测原理和技术设备，不适合低速的城市轨道交通系统。( 3 ) 城市轨 道交通基础设施与高速铁路在通信、信号、轨道、供电等系统在特点和制式上不 同，必须研发相应的专用检测设备。( 4 ) 高速铁路线路长，不同线路之间联通成网， 而城市轨道交通线路短，联通性差，其综合检测车需要具有路轨两栖能力以方便 通过公路进行转线，提高利用率。路轨两栖载运工具的车载环境与传统的铁路检 测车或检澳列车不同。例如路轨两栖车是依靠轨道轮导向、公路轮支撑和驱动的， 在车路几何关系、车路动态耦合关系和动态特性等方面有显著不同，因此相应的 检测技术在检测原理和装置设计上必需特殊考虑。这也是针对路轨两栖综合检测 车研究精确定位与综合同步系统的主要原因。 s 北京交通人学硕十论文 1 3 课题研究内容 本课题研制基于路轨两栖综合检测车的精确定位与综合同步系统，以激光脉 冲测距原理，获取线路的轨道特征曲线，为线路基础设施状态变化的趋势分析提 供精确的定位基准。实时获取路轨两栖综合检测车在运行过程中的g p s 、位移计、 陀螺仪、转速传感器、点式激光测距传感器的数据。通过现场总线传送给其他车 载检测系统，实现车体振动的姿态测量，整车检测数据的时间和公里标的同步。 利用以太网实现综合系统对各个车载检测系统检测信息的查询和分析。其中，多 路传感器的采集技术，精确定位功能以及基于t c p i p 协议的局域网通信功能设计 是本课题研究的重点和难点。 1 4 论文组织结构 本论文的组织结构如下： 第一章是绪论，对课题来源，课题研究背景及意义，综合检测列车综合同步 技术的国内外使用状况进行简单介绍，同时简要介绍本课题研究的重点与难点。 第二章介绍了路轨两栖综合检测车精确定位与综合同步系统的总体设计方 案。首先，同步系统的功能及方案设计。其次，介绍了精确定位系统的功能及方 案设计。最后，介绍综合系统的功能以及方案设计。 第三章首先简要介绍了同步系统的数据采集卡，然后对同步系统软件进行了 需求分析，重点介绍了在v c + + 开发环境中，利用w i n d o w s 的消息机制及多线程 技术，通过数据采集卡实现上位机对多路传感器数据的采集与处理、相关数据的 保存、显示以及同步信息的发送等功能，同时重点介绍了对于线路基础设施状态 趋势分析具有重要意义的精确定位方法。 第四章首先对数据共享局域网络结构进行了简要的介绍，然后对综合系统软 件进行了需求分析，重点介绍了在v c + + 开发环境中，利用c k 戚套接字通过局域 网与各个车载检测系统问的数据通信，以及将获取的检测信息图形化等功能。 第五章介绍了路轨两栖综合检测车精确定位与综合同步系统的应用。 第六章是总结和展望。本章对研究工作进行总结，对今后的研究方向和前景 进行分析。 6 路轨两栖综合检测午精确定位与综合同步系统的方案设计 2 路轨两栖综合检测车精确定位与综合同步系统的方案设计 本章主要介绍路轨两栖综合检测车精确定位与综合同步系统的总体方案设 计，详细介绍了该系统的各个部分的组成及工作过程。该系统将采集的传感器信 息以固定的格式通过现场总线发送出去，作为其他车载检测系统的同步信息源。 实现了车载各个检测系统检测信息在空问、时白j 以及车体姿态测量方面的统一。 为检测线路基础设施状态提供了可靠统一的基准。而且该系统还能够对其他车载 检测系统实现查询、显示检测数据的功能，成为一个综合的数据共享平台。同时 为了实现对同一线路基础设施状态变化的趋势分析，设计了基于一维激光传感器 结合转速传感器的精确定位系统。 根据功能的划分和需求，路轨两栖综合检测车精确定位与综合同步系统主要 由同步系统、综合系统以及精确定位系统组成。 2 1 同步系统 由于路轨两栖综合检测车各个车载检测系统在检测过程中需要实时记录车体 行进的位置，并且车体行进过程中车辆的底盘通过前后支架与轨道间存在相互作 用力，导致车体产生了姿态的变化从而影响了车载检测系统的检测精度。因此， 同步系统需要将车体行进过程中的时空信息及姿态变化信息实时统一的通过现场 总线发送给其他车载系统，实现整车时空信息及姿态变化信息的统一采集与发送。 因此同步系统要完成车体姿态变化的测量以及车辆的测速定位。 2 1 1 同步系统硬件组成 根据路轨两栖综合检测车其他车载检测系统的需要，同步系统需要采集位移 计、g p s 、转速传感器、陀螺仪、a r 4 0 0 0 点式激光测距仪等传感器的检测值。同步 系统的采集方案设计如图2 一l 所示。 转速传感器如图2 2 所示。该转速传感器广泛用于铁路机车车辆车轮转速的 检测。通过向机车车辆罩程控制单元提供与车轮旋转速度成比例的电脉冲信号， 来实现计算机车行走距离的功能。转速测量范围是1 至6 0 0 0 r m i m ，每转的脉冲个 数为1 0 2 4 个。其输出为双向脉冲信号。 7 北京交通大学硕+ 论文 l 图2 1 同步系统硬件构成 f i g l l 陀2 - lt l l l eh a 珂吼陀s 咖c f u l o f s y n c l l r o n i 动l i 加s y s t 咖 图2 2 转速传感器图 f i g u r e2 2ma p p 昀仡n c eo fs p e ! e d n s o r 位移传感器如图2 3 所示。该位移传感器是美国c e l 骼c 0 公司生产的f r r 8 4 2 0 拉绳式位移传感器，满量程是5 0 0 咖，输出电流为4 l i l a 至2 0 m a ，( 满量程的测量 误差) 该拉绳式位移传感器输出频率高、测量精度高并且在量程范围内输出的线 性度高如图2 3 所示。本系统中，采用该拉绳式位移传感器进行车体姿态变化的 测量。 囝 路轨两栖综合检测乍精确定位与综合同步系统的方案设计 图2 3位移传感器外观及其线性输出特性曲线 f i g i l 代2 - 31 n h ea p p e a m o fd i s p l a c e m ts s o r 卸dt h eo u l p u tc h a 忍c t 酣s t i c 陀螺仪如图2 4 示。该陀螺仪是星网字达公司生产x w 二7 2 0 0 陀螺仪。该陀螺 仪响应频率高达5 0 0 h z ，加速度及的测量范围为l og ，内部全量程温度补偿。本 系统中，采用该陀螺仪进行惯性基准的测量。 图2 - 4 陀螺仪实物图 f i g l l r e2 _ 4t 1 l ea p p 隐忍n o fg y r o g p s 如图2 5 所示。该g p s 的型号为x w 二g p s l o o o 是北京星网字达科技开发 有限公司推出的一款高精度、高动态、高性能的g p s 接收机。自主定位的精度可 以达到1 1 m ，数据更新频率最高可以达到2 0 h z 。是高精度、高动态领域的最佳选 择。接收机可在速度大于5 1 5 觚，高度大于1 8 0 0 0 m 的环境中使用，大大扩展了 g p s 的使用范围。 图2 5g p s 实物幽 f i g u 他2 - 5t h ea p p 朗m n c eo f g p s e 北京交通人学硕士论文 其中，a r 4 0 0 0 将会在后面结合精确定位系统进行介绍。 2 1 2 同步数据发送网络拓扑结构 对于各个车载检测系统来说，只能完成单一的检测功能，而工控机一般都提 供串行通信接口，可以方便的与本地的计算机设备实现互联，从而构成一个分布 式的测控网络，可以通过r s 4 8 5 现场总线实现同步系统与各个车载检测系统的通 信。由于r s 4 8 5 采用差分平衡传输，具有较高的抗干扰特性，结构简单，易于实 现等优点，在分布式的测控系统中得到了广泛的应用【1 8 忽】。本系统中同步系统集 中采集各个传感器的信息并通过同步数据发送网络传送给其他车载检测系统。 同步系统发送网络拓扑结构如图2 6 所示。同步信息采集板卡将陀螺仪、位 移计、以及转速传感器的数据通过p c i 总线传送给工控机，g p s 的数据通过串行接 口进入工控机，经过上位机处理后，保存、显示并将采集的数据以同步信息的格 式通过现场总线网络发送给其他车载检测系统，为整车的检测系统提供统一时间、 空间以及车体姿态的基准。同时在所有检测系统工作之前，同步系统可以通过现 场总线网络实现对各个检测系统的初始化，例如设置轨道特性车载动态检测系统 和线路三维环境检测系统的采样方式，以及统一各个系统的检测线路信息及时间。 】步系统 p c i 总线 秒 r s 2 3 2 r s 2 3 2 转 一1r s 4 8 5 模块广t l，一 赢f 赢j 警一1 _ 赢 tt r s 4 8 5 转r s 4 8 5 转i r s 2 3 2 模块r s 2 3 2 模块 r 阿r 画 t r s 4 8 5 转 r s 2 3 2 模块 轨道特性车 载动态系统 图2 6 同步数据发送网络拓扑 f i g u 陀2 - 6t h en 酣帅d 【t o p o l o g yo fs y i l c 缸痂动t i d a 协哦i 衄l i 豁i 其中，r s 2 3 2 一r s 4 8 5 转换模块采用台湾研华公司生产的a d 棚一4 5 2 0 型号转换 器，该模块提供了1 2 0 0 b i 以2 4 0 0 b i 以，4 8 0 0 b i 魄，9 6 0 0 b i 讹，1 9 2 0 0 b i 洮，3 8 4 0 0 b i 洮，5 7 6 0 0 b i 洮，1 1 5 2 0 0 b i 洮等几种通信波特率。该模块的供电电压范围是+ 1 0 v 到 + 3 0 v 之间。本系统中采用l1 5 2 0 0 b i t s 的波特率进行同步信息的发送。 皿 路轨两栖综合检测乍精确定位与综合同步系统的方案设计 2 1 3回步数据网络通信协议及收发格式 同步数据的发送网络既要考虑通信的实时性，又要兼顾通信的可靠性。同步 数据网络采用r s 4 8 5 现场总线实现同步数据的发送。其特点如下所述： 1 接口采用平衡驱动器和差分接收器，抗共模干扰能力强，即抗噪声干扰性能 好，适合复杂的现场环境； 2 具有多点传输能力，即总线上允许挂接多个接收器，可以建立设备网络； 3 短距离内最高传输率为l o m b p s ； 4 收发器两线输出之间的电平为+ 2 至+ 6 v ，是逻辑“l ”；为6 至2 v ，是逻辑 “o ”，不易损坏测试系统： 5 r s 4 8 5 通信协议只对物理层进行了定义，没有数据传输差错检测机制； 6 应用成熟，稳定性良好。 由于r s 4 8 5 现场总线通信协议中没有数据传输差错检测机制，所以需要在发 送端产生校验码，在接受端进行校验。用来验证数据通信的有效性。所以，根据 车载检测系统的需要制定了适用于综合同步系统与其他车载检测系统问的通信协 议以及数据的收发格式。发送端数据格式如表2 1 所示。其中，校验方式采用检验 和校验方法。 1 a b l 表2 1 同步信息发送格式 字节定义 0 字头，5 5 l 字头，a a 2 年( 1 卜9 9 ) 3 月( o 卜1 2 ) 4 同( o 卜3 0 ) 5 小时( o o 一2 3 ) 6 分钟( 0 卜5 9 ) 7秒钟( 0 卜5 9 ) 8 11毫秒数计数值 1 2 一1 5编码计数值 1 6 _ 1 9公里标d ( 单位：k m ) 2 0 2 3速度v ( 单位：k m h ) 2 4 2 5经度j 2 6 2 7纬度w 2 8 2 9位移计x l ( 单位：嗍) 3 肛3 1位移计x 2 ( 单位：嗍) 3 2 3 3位移汁y l ( 单位：咖) g e 嘶s m i s s i 伽 北京交通人学硕士论文 3 4 3 5 位移计y 2 ( 单位：舢) 3 6 3 7 横滚角口 3 8 3 9 俯仰角 4 0 4 1 航向角口 4 2 4 3x 轴加速度五 4 4 4 5 y 轴加速度厂 4 6 4 7 z 轴加速度缈 4 8 5 0预留扩展字节 5 l 校验位 车载各检测系统的对同步信息的解码方式如下所述： ( 1 ) 速度：从同步数据到测量速度的转换为v 1 0 0 0 ( 2 ) 公里标：从同步数据到公里标的转换为d 1 0 0 0 0 0 0 ( 3 ) 经度：从同步数据到测量位置的转换为j l o o ( 4 ) 纬度：从同步数据到测量位置的转换为w l o o ( 5 ) 位移计数据x 1 ：从同步数据到测量位移的转换为x l 1 0 0 ( 6 ) 位移计数据x 2 ：从同步数据到测量位移的转换为x 2 1 0 0 ( 7 ) 位移计数据y 1 ：从同步数据到测量位移的转换为y l l o o ( 8 ) 位移计数据y 2 ：从同步数据到测量位移的转换为y 2 1 0 0 ( 9 ) 横滚测量数据：从同步数据到测量角的转换为口l o o ，其值为0 1 8 0 。 ( 1 0 ) 俯仰测量数据：从同步数据到测量角的转换为1 0 0 ，其值为0 9 0 。 ( 1 1 ) 航向测量数据：从同步数据到测量角的转换为p 1 0 0 ，其值为0 3 6 0 。 ( 1 2 ) x 轴加速度：从同步数据到测量加速度的转换为五木1 0 3 2 7 6 8 ( 1 3 ) y 轴加速度：从同步数据到测量加速度的转换为y 木1 0 3 2 7 6 8 ( 1 4 ) z 轴加速度：从同步数据到测量加速度的转换为缈木1 0 3 2 7 6 8 2 2 精确定位系统 由于受到列车冲击、地质变形、环境作用等因素影响，线路、桥梁、隧道等 轨道交通基础设施在服役过程中的状态可能会发生变化，威胁行车的安全。因此， 必须经常对基础设施的状态进行检测，并与历史检测数据进行对比分析，把握线 路基础设施状态的变化趋势，科学评估基础设施的安全状态。目前，对于基础设 施的检测通常采用车载式动态检测和人工地面巡检两种方式。但是，不论采用何 种方式检测，由于需要对比移动检测方式获取的历史数据，检测数据必须能够基 1 2 路轨两栖综合检测乍精确定位与综合同步系统的方案设计 于线路公里标进行精确的绝对定位，或者能够将不同次测量数据进行精确的相对 定位。为此设计了精确定位系统。 2 2 1精确定位系统总体设计 本系统的总体方案设计如图2 7 所示。激光测距传感器a r 4 0 0 0 和转速传感器 分别与同步系统相连接，a r 4 0 0 0 传感器用于检测该激光传感器安装位置与轨道表 面特征点之间的距离，即线路轮廓的变化；转速传感器用于测量车体沿检测线路 走行的距离；同步系统用于同步激光测距仪与转速传感器的数据，记录车体在走 行过程中a r 4 0 0 0 两个相邻采样点之f b j 的距离，从而获得已检测线路的轨道特征曲 线。 同步系统 图2 7 精确定位系统方案设计 f i g u 他2 7t h ed 岱i 驴o fp 僦i s ep o s i t i s y s t 铷 对同一线路进行多次检测时，需要对线路相同位置的基础设施状态变化进行 趋势分析，则需要通过轨道特征曲线匹配进行定位，实现检测数据在空间位置上 的重合。 2 2 2 激光测距仪工作原理 a r 4 0 0 0 点式激光测距仪如图2 8 所示。该传感器是美国a c u i t y 公司生产的高 精度的点式激光测距传感器，测量精度可达2 5 m m 最远能精确测量1 6 5 4 m 。 a r 4 0 0 0 传感器内部有一个高能激光二极管和光窄带滤波器增强性能，尽管在明亮 的同光下也能完成精确的户外测试。采该传感器样频率最高可达到2 0 0 k h z 。 a r 4 0 0 0 激光测距仪是根据反射时差原理设计的测量设备。工作原理如图2 9 北京交通大学硕+ 论文 所示。准直激光束从位于收光镜头中心的二极管发射出来，激光照射到被测物体 上，产生漫反射被镜头接收后，聚焦到雪崩光敏二极管上。测距仪同时记录激光 往返的时间和光速。用光速与往返时问的一半相乘得到了测距仪和被测物体之问 的距离。 图2 8a r 4 0 0 0 点式激光测距仪图 f i g u 陀2 - 8t h ea p p 翰r 锄c eo f a r 4 0 0 0 2 3 综合系统 叫u o h 咖 图2 9a r 4 0 0 0 点式激光测距仪原理示意图 f i g u 陀2 - 9t h ed i a 鲥瑚o f a r 4 0 0 0w o r k i n gt h 巧 作为目前世界上先进的综合检测列车，意大利的阿基米德号全车装有5 7 台每 秒钟能处理3 0 g b i t 的计算机，分布于列车的各节车厢。全车的检测数据通过光纤 局域网实现各个监测单元的数据共享。我国的0 号综合检测列车同样采用光纤局 域网进行数据的共享。路轨两栖综合检测车上也存在多个分布式的检测系统，因 此需要建立局域网进行数据的共享。 2 3 1 综合系统数据共享网络拓扑结构 由于路轨两栖综合检测车上存在多个检测系统，这种分布式的检测方式不利 于统一调阅分析各个系统的检测参数。因此，设计了基于局域网的数据综合分析 平台，实现了对分布式检测系统检测数据的综合管理和统一调阅。路轨两栖综合 检测车综合系统局域网络拓扑结构如图2 1 0 所示。综合系统通过与全断面与限界 检测系统、线路三维环境监测系统、轨道特性车载动态检测系统构成了星型结构 的局域网，从而实现与各个检测系统的通信。该网络拓扑结构具有容错能力强、 易于结构扩展的优剧2 3 。2 4 】。 本系统采用的是1 1 p l i i l l ( 公司生产的t l s g l 0 0 8 + 型8 口全千兆以太网交换机， 该交换机符合l e e e 8 0 2 3 、i e e e 8 0 2 3 u 、l e e e 8 0 2 3 a b 标准，即插即用。其8 个接 口均为1 0 l o o l o o o m 自适应端口，支持自动协商功能，自动调整传输方式和传输 速率。 圈 路轨两栖综合检测下精确定位与综合同步系统的方案设计 综合系统 全鬈雾萎翼界线譬孟篥萎境蓑曩萎篥囊 同步系统 检测系统监测系统载动态系统 一 图2 1 0 综合系统数据共享网络拓扑 f i g u r e 2 - l ot h e d a t as l 恼渤gn e t w o 水t o p o l o g yo f c o m p l 翻l e 璐i v es y s t 锄 2 3 2 综合系统网络通信协议 前面介绍了综合系统与各个检测系统间的局域网络拓扑结构。要完成它们之 间的网络通信功能，还需要确定他们之间的网络通信协议。本系统中采用t c p i p 协议，实现网络通信功能。 t c p i p 网络通信协议起源于美国国防部高级研究规划署( d a r p a ) 的一项研 究计划一实现若干台主机的通信【2 引。该协议分为4 个层次。应用层、传输层、网 络层以及网络接口层。其层次由高到低如图2 1 l 所示。各层的功能如下所述。 应用层：应用层是t c p i p 协议中的最高层。在应用层中，用户的应用程序通 过t c p l p 协议在网络中访问可用的服务。应用程序负责与传输层协议进行交互， 从而实现数据的接收和发送。 传输层：传输层主要完成网络上通信节点应用程序之间的通信。要实现系统 管理信息流动的功能，并且提供可靠的传输服务，以保证数据的无差错、无乱序 传输。 网络层：网络层用来处理网络节点上主机之间的通信。它响应传输层的请求， 将具有目的地址信息的分组封装到i p 数据报文中，使用合适的路由算法，将数据 报文通过适当网络端口进行传送。网络应用层的另外一个功能是接收数据报文， 并验证其有效性，并且使用路由算法来确定该报文的目的地址。如果该数据报文 1 5 北京交通大学硕十论文 的目的地址是本机，那么该数据报文将被留在本地交给传输层处理。否则，将该 数据报文将会被转发。 网络接口层：网络接口层是t c p i p 协议的最底层，主要负责接