（电子科学与技术专业论文）铁路捣固车作业系统优化方法研究与实现.pdf

a b s t r a c t t h er a l lo ft h eh i g h s p e e dr a i l w a yw h o s es p e e dr e a c h e do re x c e e d2 0 0k m h ，m u s th a v ea h i g hs m o o t h ，v e r yp r e c i s eg e o m e t r i cl i n e a rp a r a n l e t e r sa n d t h el e v e lo ft h ed e v i a t i o ns u c ha 8 d i r e c t i o nm u s tb ek e p ti nt h em i l l i m e t e r a tp r e s e n t ，c h i n a sh i g h s p e e dr a l i lh a sp r o g r e s s i v e r e a l i z e dt e c h n o l o g yp a s s e n g e rs p e c i a ll i n e ，f r e i g h to v e r l o a d i n g ，d r i v i n gh i g h - d e n s i t y , h i g h - s p e e d r a i lw h e t h e r w h i c hi st h en e w o v e r l o a d i n g ，s m o o t hi s t h ec o r ei s s u eo ft h e o rt h ee x i s t i n gl i n e f a c e sk g h s p e e da n d r a i l w a yl i n em a n a g e m e n t ，b u tt h et r a d i t i o n a l l a r g e s c a l er a i l w a ym a i n t e n a n c em a c h i n e r yo p e r a t i n gm e t h o dd o e sn o tg u a r a n t e e h i g h q u a l i t y l i n em a i n t e n a n c e t a m p i n gm a c h i n ea st h ei m p o r t a n tl a r g e 。s c a l em a i n t e n a n c em a c h i n e r y ， h o wt oi 、e a l i z et h ep r e c i s em a i n t e n a n c e f o rh i g h s p e e db a l l a s t e dr a i l w a y i so fg r e a t s i g n i f i c a n c ei so fg r e a ts i g n i f i c a n c e t ot a m p i n gm a c h i n el o wp r e c i s eo p e r a t i o nd e f e c t s ，t h et h e s i sm a i n l ys t u d i e st h em e t h o d o f h i g hq u a l i t yd e t e c t i o na n dp r e c i s es t m n p i n g a n dc a r r i e so u tf o l l o w i n gr e s e a r c h ： f 1 ) a c c o r d i n gt ot h ep r o c e s so fp r e c i s i o nm e a s u r e m e n t a n di m p l e m e n t a t i o n ，d e s i g n i n gt h e t a m p e rq u a l i t ym o n i t o r i n ga n dn a e a s u r i n gs y s t e m ，e s t a b l i s h i n gt h ev e h i c l e i n d u s t r i a lp a n e l c o m p u t e ra n di n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t sf o rt h em e a s u r e m e n to f t o t a ls t a t i o ni n s t r u m e n tf o rr e a l t i m ed a t ac o m m u n i c a t i o nt oe n s u r ea c c u r a t em e a s u r e m e n tr e a l - t i m eg u i d ep r e c i s i o no p e r a t m n ( 2 ) b a s e do nt h ea b s o l u t em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ln e t w o r k ，t o t a l s t a t i o ni n s t r u m e n t p r e c i s i o nr e p e t i t i o nm e a s u r e m e n tp l a n ee l e v a t i o n ，o b t a i n e da c t u a la b s o l u t ec o o r d i n a t ef o r m r a l l w a yl i n e ，l i n ep a r a m e t e r , w h i c hc a ne l i m i n a t et h et a m p i n gv e h i c l ed ，pr e s i d u a ld e v i a t i o n ， i n p u tt h es i m u l a t i o na d j u s t m e n tt ot h ed e v i a t i o nc o n t r o lb o a r di n f r o n to ft a m p i n gv e h i c l e ， t a m p i n gs i g n a lt h r o u g hd a c o n v e r s i o nm o d u l ea c c e s s t ot h ec i r c u i t ，r e a l i z er e a l - t i m e p r e c i s i o no p e r a t i o n ，e n s u r et h a tt h e t r a c k so fh i g hs m o o t h ( 3 ) a c c o r d i n g t ot h ed y n a m i co p t i m a lf i t t i n ga l g o r i t h m ，b e f o r e t h e o p e r a t i o n o f m e a s u r e m e n ta d j u s t m e n ta n a l y s i s ，o p e r a t i o na f t e rt h eo p e r a t i o nq u a l i t ym o n i t o t i n gv e r s a n e ， w h i c hl e v e lo fg r a p h i c a lr e a l i z a t i o n t a m p i n gv e h i c l em o n i t o r i n gd a t at od y n a m i cm o n i t o r i n g s o f t w a r ec a r lg u i d et h et a m p i n gm a c h i n el e a s td i a l s ，l i f t i n gw e i g h tt a m p i n g ，e l i m i n a t et h en e e d f o ra r t i f i c i a lf i l li nd a t at a b l e ，a v o i da r t i f i c i a le r r o r s ，a n dr e a l i z et h eh i l e - _ hq u a l i t ya n de f f i c i e n c y o fm a i n t e n a n c e d y n a m i cd e t e c t i o na l g o r i t h mu s i n gt h et o t a ll e a s ts q u a r e sm e t h o da n d 也e w e i g h tm a t r i xt oc o r r e c tf o re r r o rd a t a t h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a t t h ef i t t i n gp r e c i s i o ni s h n p r o v e d v e h i c l em o n i t o r i n gs m a l lc o m p u t e r c a l c u l a t ef o u rp o i n to rt h r e ep o i n tt y p es h i f t i n g ! v e r s i n el e v e l 。l e v e lo fr o a dt h a th a sh i g h e rr e l i a b i l i t ya n da c c u r a c y f 4 1 f o rt h ec o m m u n i c a t i o ni n t e r r u p t ，c r e a t i n gas m a l ld a t a b a s e i nt h el o c a lt os a v e l l l r e a l t i m ed a t aw h i c l lc a 】1b et r a n s m i tt 6t h es e r v e rw h e nt h ec o m m u n i c a t i o n b a c kt on o r m a l ， t h r o u 曲d e t a i l e da n a l y s i st h ef u n c t i o n a lo ft h es y s t e m ，d e s i g n i n ga m o n i t o r i n ga n dc o n t r ( ) l s o f t w a r eb a s e do ne m b e d d e ds y s t e m s ，s o f t w a r eu s em u l t it h r e a dm e c h a n i s mt oi m p r o v et h e r e a l - t i m ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m k e yw o r d s h i # s p e e dr a i l ；o p e r a t i o nq u a l i t ym o n i t o r i n g ；p r e c i s e l ym e a s u r ea n d o p e r a t e ； o p t i m a lf i u i n g ；e m b e d d e dd a t a b a s e ； i v 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 众所周知，铁路列车在运行时是由轨道来导向的，轨道的任务是确保列车按 规定的速度安全平稳不间断运行，它是列车运行的基石。铁路线路在列车重力和 列车运动产生的各种力的作用下，以及在自然环境的影响下，其各组成部分在空 间位置上会不断发生改变，如轨距扩大或缩小，线路爬行，线路方向错动等，因 此轨道几何状态亦应保持与列车运行相匹配的规定状态。 实践证明，列车速度增加，长波的影响便增加，当铁路轨道的平顺性不良时， 由轨道不平顺所引起的车辆震动和轮轨动作用力将随着车行速度的提高而成倍地 加大，加剧轨道和线路的破坏，这些铁路线路病害也会对列车运行的稳定性和舒 适度产生不良影响，阻碍列车的正常运行，甚至危及列车运行安全。增加了列车 脱轨的危险。并且轨道和车辆部件的寿命、维修周期也较长【lj 。 为保证行车的安全、平稳以及舒适性，工务工作需要改变传统的养护维修作 业方法及体制。在采用先进的智能检测设备和大型养路机械的基础上，全面推进 轨道线路“状态修”，消除和控制轨道的不平顺【2 j 。 目前，我国铁路养护、维修大量使用大型养路机械，其采用的作业方法是“相 对作业法”，负责调整和恢复线路相对状况的几何形状。这种调整和恢复线路相对 几何形状作业方法的是一种近似法，只能促使线路方向基本平顺，不能完全地消 除线路方向的偏差。不同波长的轨道不平顺性致使车体以不同频率发生振动，当 车速较低时，主要由短波不平顺引起的车体振动，可以采用“校平方法”进行完 好地修复；但是车速较高时，就会明显地产生长波长的轨道几何不平顺作用，此 时适用于短波的“校平方法”已经难以消除，所以需要铁路工务部门的线路养护 用轨道“绝对几何参数”方式取代“校平方式”，使轨道实际几何参数与设计几 何参数保持最小偏差，也就是对提速线路进行绝对基准系统养护1 3 j 铁路线路需要养护，基本任务是通过对线路进行系统检查，及时发现线路上 任何可能不符合技术标准的瘸害现象，并查明原因，从而合理地组织和计划线路 养护作业，缩小或消除病害影响，使线路经常处于健康状态，保证列车安全、高 速、平稳以及不问断地运行【4 j 。 因此，结合我国铁路维修实际情况，根据提速线路检测的精度要求，借鉴国 外轨道建筑、维护测的先进经验和技术成果，研究我国提速线路轨道绝对坐标控 制系统、建立高精度智能测量设备与大型养路机械配套作业方法、研究轨道几何 露毅利i ：- i ：j j 9 【j ，j j 棠0 7 ，川i i 终形成符合找铁路系统科。、门轨j 啦阶测刷维护仆系。 1 2 国内外高速铁路精测精捣现状 1 2 1 我国既有线的精测精捣 八l 一年代我国铁路引进捣固车使得线路养护水平有了长足的进步，捣固车的 相似法作业原理确保了第六次大提速的成功。然而在速度达到12 0 0 k m h 后，捣固 车自身车长的限制使测量弦长导致其对于长波不平顺的无能为力1 5 1 。为了满足提 速要求，铁道部已立项研究如何提高捣阎车作业质量，提出了“精确法作业 思 路。 但长期以来，我国轨道几何状态检测手段是比较落后的，至今道尺和人工拉 弦仍然普遍使用，例如长期采用手工拉弦检测轨道的高低和方向，用道尺来检测 轨距、水平、超高等，列车运行速度越高，轨道几何学形位的允许偏差越小，这 些传统的器具效率低、精度差，检测项目少，工人的劳动强度大，检测效率低， 无法进行连续高密度的检测【5 6 】，使得精确作业的前端偏移量无法精确得到，与我 国对铁路建设要求不相适应，尤其不能满足日益发展的快速、准高速、高速铁路 的需要。 】“恒距控制法” 我国铁路部门也采取了使用其他新型探索方法，如南昌铁路局采取的“恒距 控制法，其操作流程为：先在曲线外侧打钢桩，间距10 米，在圆曲线或缓和曲线 区域间距缩小到5 米，把曲线养道到平顺良好时轨道与钢桩的距离作为恒距控制 值。曲线养护前，通过检测恒距值来得到偏差值，养护时将此偏差值手动输入捣 固车作为前端偏移量，从而实现精确法作业嘲。它【6 】是南昌铁路局为了有效改进 曲线养护，确保线路方向平顺性，进行的有益尝试 2 轨道检测小车与智能全站仪联测 七十年代后期，随着微型计算机技术的发展与广泛应用，使得测试技术领域 出现了完全突破传统概念的仪器仪表【1 0 】。这种仪器仪表内部带有微处理器，将计 a 尼康c 一1 0 0b 拓普康g t s 7 1 0c 徕卡t p s l 2 0 0 图1 1 智能全站仪主要型号 坝1 ：学位论义 孝机技术与测量技术有机结合，具有信号采集、处理、显示、传输、测试等_ 系 列功能。这类仪器被称为智能仪器【川，而全站仪就是其中一员。 图1 1 智能全站仪的主要型号，其中l e i c a 的t p s 系列应用较为广泛，主要 有自动跟踪目标功能的t p s1 l0 0 12 0 0 2 0 0 0 系列，能强力搜索目标棱镜，并自动 狠准。t p s l2 0 0 全站仪可用于测量系统的绝对定位，与轨道检测小车之间可进行 无线通信。 图1 2 轨道检测小车与全站仪施工联测示意图 如图1 2 所示，轨检小车棱镜高于轨面5 0 c m 以上，以避免全站仪对棱镜的跟 琮被阻断。同时利用智能全站仪和自带棱镜来确定轨检小车的位置，以提供轨道 上每一个测量点的绝对坐标和轨道参数。 采用轨检车检查轨道动态几何状态是为了确保铁路安全的重要环节嫡1 。其中， 安博格手推式轨道检测小车g r p 如图1 3 所示，它主要用于测量轨道几何形状。 赡 等g r f ，3 0 0 0 j 等g r p i 0 0 0 7 - 。妒 沙0 辫黎 、， ；曩j 皆、0 1 ，2 墨， 莎躺漕 “4 4 j 图i 3 安博格g r p 测量系统手推式检测小车 通过内置的里程、轨距、超高等传感器进行测量作业。 g r p l0 0 0 还可提供对轨 道几何测量的综合报表，其输出内容可以用户定义，自定义参数包括轨距、超高、 轨道i 线舷标等。 】2 2 国外精测精捣 1 瑞士m a t i s a 的“b s o d 捣固车一p a l s 系统”模式 由于配有了基于绝对基准的线路三维测量系统，瑞士m a t i s a 公司生产的b s o i ) 型高精度连续式捣固车非常适用于对已经建立了绝对轨道位置标定系统的线路进 行作业，作业后可以使线路恢复到设计标准，因此可以有力的消除长波长不平顺 【7 ，8 】 p a l s 系统是瑞士m u l l e r 公司产品，其主要功能有： ( 1 ) 根据轨道沿线安装的参照点，连续准确地对轨道的三维几何位置进行测 量； ( 2 ) 将测量值与数据库内的中的储存值几何参数相比较，计算轨道的三维几何 偏差；当捣固车运行时，p a l s 系统能通过测量到的角度值实时地计算出其三维坐 标，并根据轨道标准确定当前几何参数相对于定点和轨道位置的偏差。 在配套的t o p o r a i l 轨道设计软件、d f a 固定资产数据库和p a l a s 作业引导系 统配合下，瑞士m a t i s ab 5 0 d 捣固车具有作业精度高、能够消除长波不平顺、彻 底修正轨道误差、完全恢复轨道到设计的目标几何形状，简化作业程序等优点， 因而该系统已经在法国t g v 线路、瑞士铁路上全面推广使用【9 1 。 但此系统也存在一定的问题，因为捣固车在作业前需要先进进行一次慢速行 车测量，再再退回开始整道作业。这种工作方式致使占用天窗和机时过多，作业 效率不高，不符合我国国情。 2 奥地利p l a s s e r 的“轨道作业前导测量车e m - s a t l 2 0 ”模式 在德国、奥地利，1 9 6 1 年开始起用自动抄平起拨道捣固车【7 ，8 ，1 0 】来进行相对性 的线路修复工作。由于长期的养护作业，线路偏离了原先的位置进而造成乘坐 舒适性下降。所以从、1 9 7 2 年开始，德国和奥地利在接触网或标桩电杆上设置了固 定基准点，先用“轨道作业前导测量车e m s a t l 2 0 ”测量相对定位点的线路位置， 在将测量数据传输到捣固车实现精确作作业。 轨道作业前导测量车e m s a t l 2 0 主要由三个部分构成：测量车( e m ) 、卫星前 导车( s a t ) 、和固定点标记、测量装置。它的工作原理是：在测量车( e m ) 和卫星前 导车( s a t ) 之间放置一激光弦，然后测量车朝前导车开行，并用相机记录激光束的 偏离，同时测量山轨距和超高值。一旦测量车抵达卫星前导车位置，即停住不动， 卫星前导车则继续开行到下一个电杆，重新始下一轮测量。 1 3 选题的目的和意义 我国铁路对线路的维护修理有三种修程，分别是线路大修、中修和维修。其 坝：l ：学位论义 = = ! = = 皇= ! ! = 皇= 竺! = = 竺= = = 皇= 皇烹= = = = = = = 皇= = = 皇喜= = ：= = = 篁毒霉= ：= = = = = = = = = = = = 苎皇篁皇穹= ! = 竺! 苎! 竺竺! 鼍墨! ! 墨苎芒竺! = 皇竺 中线路维修又分为三个层次：临时补修、经常保养和综合维修【6 j 。线路太修是以 解决钢轨伤损疲劳为重目的、按周期有计划地对设备进行的改善、更新和全面修 理；线路中修是以解决道床脏污、轨枕和板结失效为目的，按周期有计划地对设 备进行全面修理：线路维修是在线路大中修的时间间隔内，对线路设备进行的临 时补修、综合维修和经常保养的总称【lu ，1 2 j 。 在线路大、中修之间，会安排综合维修，其的主要目的是消除轨道积累的残 余变形，恢复线路设备的完整性和平顺性。经常保养是在对线路进行的日常养护 通常在综合维修周期之外。其目的是确保线路质量处于均衡状态。因而以线路变 化的实际情况为依据，有计划、有重点的进行的【1 3 ，1 4 】故没有周期和次数的规定。 临b , - - , f 修是以轨道几何尺寸偏差为判定依据，保持轨道平顺性和整体性为前提， 保障行车安全为目的而进行的修理。从而防止轨道偏差尺寸扩大、到一定阂值时造 成轨道不平顺的变化速率加快。因此，临时补修对于控制轨道的几何尺寸偏差， 确保行车安全平稳具有重大意义。 目前我国在轨道状态的测量和管理方面与发达国家还有一定的差距。为加快 施工机械化，通过引进、吸收、创造，我国已经能够生产清筛机、捣固车、铺轨 机等一系列养路机械，再与传统的小型的作业机群相结合，显著提高了施工作业 机械化程度 1 0 l ；但仍然有另一个因素影响者国内铁路轨道养护质量：不精确测量 作业手段。由于现行的测量手段不能精确反映铁轨的真实状态，造成了维修计划 不科学、维修周期不准确、验收结果不可靠等一系列后果。 另一方面，在全球范围内，对于线路的精测和管理向着信息化方向迅速发展， 出现了一系列线路维护施工决策系统和生产指挥管理系统，如z t e a 。t e c h a s s o c i a z e s 公司开发的m a j m e n a n c eo f w a yi n f o r m a t i o ns y s t e m ，欧洲轨道研究 院开发的b c o t r a c k ( d e c i s i o n s u p p o r t s y s t e mf o rt r a c km a i n t e n a n c ea n d r e n e w a l ) 轨道维护及更新决策支持系统等。但是它们都依赖于先前的线路轨道状 态资料，所以测量数据能否真实的反映轨道状态将直接影响轨道维修策略和施修 质量m 3 。近来国内研制了一些工务管理信息化系统，且普遍具有数据查询、管理、 统计等传统的m i s 系统功能，且能取代手工报表，但只实现了行政管理自动化， 缺乏决策支持功能，对轨道状态的监视功稍显薄弱。在这种现状下，即使加入决 策管理功能，也会由于缺少能够真正反映轨道状态的信息导致决策失败。 近年来，铁路部门开始使用轨检车检查线路轨道状态。其优势在于轨检车检 测的稳定性、可靠性、等各方面指标都较高。但但不足之处在于总量少，造价贵， 体积大，保养费用高。因而不适合于基层单位使用。只能由铁路局安排全局正线 检查和干线抽查阳。此外，轨检小车也只能检测轨道相对几何尺寸，不能测量轨 道的三维绝对坐标 12 1 。 在测量轨道几何参数过程中还存在着人工测量的方法。其不足在与劳动强度 铁* 各捣i 叫1 i l ：、j | i 系统f j 化疗泓：训f 7 t j 。j j 人、效? 红低、洌0 谴不连续，测艟结粜受1 i 舭例索、个体篪片影响比较人。1 i 利 j 二信息樽加二| 二和数据移植、也不利j 二耵后分析、无法科学评价轨道质量、也不能 被其他管理信息系统使用。所以对辅助维修生产决策的意义不是很大。 因此，利用现代精密测量的成果，建立基于大地绝对坐标系的控制系统，结 合智能检测技术，研制便捷、轻巧、高精度、测量连续，集数据显示、存储、传 送等功能于一体的的轨道参数检测仪器来取落后的检测工具，对于提供可靠的原 始数掘，准确地反映轨道状态，推动轨道维护信息化的发展【1 5 ，1 6 】具有重要意义。 不仅如此，该仪器还能解决铁路轨道维护过程中检测手段落后，劳动强度大，工 作效率低，数据粗糙等一系列问题；能提高轨道参数测量的精度和效率，为轨道 维护提供可靠的原始数据和管理决策信息；能推极大的推动动轨道维护信息化， 智能化、现代化的步伐j 。 1 4 本文的主要内容 本文研究的内容包括以下三个主要方面： ( 1 ) 介绍了铁路精测精捣的现状及发展趋势，结合我国铁路发展实际情况， 给出铁路捣固车作业系统的结构。对车载监测及精捣数据通信等进行了深入的研 究，并给出了精测精捣流程，实现实时精捣作业。 ( 2 ) 车载监控系统整体框架的设计，工作主要包括系统总体结构框架设计及 车载作业系统软件设计及实现。根据数据处理要求以及嵌入式数据库s o ls e r v e r c e 的特点，进行了需求分析、概念结构设计和关系模型的转换，应用a d o c e 技术 构造了方便实用的精测精捣本地数据库系统。 ( 3 ) 研究曲线拟合理论，对测量数据及实时作业数据的优化处理方法进行较 深入研究，提出加权总体最小二乘拟合算法。精测数据的粗差和多余观测问题。 硕士学位论文 第2 章系统方案设计 2 1 系统设计框架 目前，高速铁路建立了全线统二的测量控制网，轨道线形测量控制网普遍采 用分级布网的原则布设，一般情况下应分三级布设，分别为c p i 、c p i i 和c ! p i i i 网。 第一级c p i 为基础平面控制网，第二级c p i i 为线路控制网，第三级c p i i i 为基桩 控制网。c p i 主要为勘测、施工、运营维护提供坐标基准；c p i i 主要为勘测和旌 工提供控制基准；c p i t i 主要为轨道铺设和运营维护提供控制基准。 从实现铁路线路精确养护的功能层面来讲，高速铁路大型养路机械在线监控 系统总体结构主要分为高铁精确测量子系统和大型养路机械在线监控精确捣固：子 系统。见图2 高速铁路大型养路机械在线监控系统总体结构框图，高铁精确测：量 子系统虚线框l 表示，大型养路机械在线监控及精确捣固子系统虚线框2 表示， - - - - - - - - - 一一- - - - - 。- - _ - - - _ _ - 一一- - - - - 。一一。- _ 一一一一一一一_ 一一一一一一 1 图2 1 高速铁路大型养路机械在线监控系统总体结构框图 高速铁路精确测量工控子系统由测量工业控制网，高精度轨道联测装置组成。 测量工控网c p i 、c p i i 和c p i i i 是精确测量子系统的基础与保障。利用各级测量 网的强关联性，地理信息系统g i s ( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) 数据导入高精 度智能测量机器人即全站仪，在大地绝对坐标系的建立下，精确获得全站仪的自 由设站的点坐标。 全站仪与轨道检测棱镜组成轨道精确联测系统，完成对线路特征的测量数据 的采集，线路原始数据以及精确捣固方案可以转存于数据交换站。全站仪与轨道 检测棱镜的配合，得出实际线路线性特征要素，精测数据以所需表格形式导出。 大型养路机械在线监控及精确捣固子系统主要包括车载系统与远程监控中心 铁路捣印作、m 糸优化乃j f i j l l 。，c j 吱叭 纰成。1 i 拽系统i li i 。：找i2 摔l 乜腑、i 淡入，- 数j l l 采集传输系统、。7 视频雌测殴备以 及柑确捣阎控制板组成。棼绒工业控制f ”u 腑魁乍载系统的核心部分，：芷要负责实 时鼢示设嵛检测状态、建立本地数据库、优化处理精测数掘、制定精确捣围方案、 实l i , - j 。控制精确捣固板、响应上级远程控制命令等。 2 1 1 远程监控中心 远程监控中心是总体系统的中枢，完成所有上传的工况数据处理、数据存储 和命令控制等任务。数据交换站主要存储捣固车全部的音视频资料以及工务段测 量小组数据。监控中心可集中监控、集中管理、集中维护，解决了养护与运输的 矛盾，保障了列车的安全快速运输，促进大型养路机械车的科学管理，为推进铁 路技术进步及改革发挥了重要作用。 1 通过局域网向车载系统发送高级控制指令，如捣固车出现类似于破坏性起 拨道的重大失误，远程监控中心触发指令，车载下位机系统强制控制行走制动装 霍，并开启音频对话，控制现场操作人员动作，同时，摄像机的实时监视继续跟 踪记录现场作业情况。 2 客户端提供一个用户操作的界面。工务处的本地用户可以直接在监控中心 的服务器上使用；而远程用户则有另一套操作界面，但是它可以让异地用户通过 i n t e r n e t 或者电话线获得工务处的视频信息。 2 1 2 车载系统 车载系统分为嵌入式数据采集与通信系统、车载工业监控电脑，音视频设备。 车载电脑的最重要职能之一是负责处理数据交换站的精确测量的原始数据，将其 转化为捣固车作业精捣方案，车载人员通过界面操作，完成自动精确捣固。视频 音频监控设备可实时记录车载人员的操作信息，上传至远程服务器或通过互换性 硬盘进行大规模信息传递，运用车间与车队进行信息交换，转存于数据交换站内， 并通过刻录机存储于光盘。通过网络路由器，各路采集的设备状态、作业质量、 音视频等信息数据，无线3 g 可方便实现实时捣固车数据、图像和声音的数字网 络传输。 嵌入式数据采集传输系统主要包括a r m 处理器、c a r l 采集装置、g p r s 3 g 无线传输模块和精确捣固控制板，它的主要功能如下： 1 无线传输装置通过局域网向监控中心传送视频数据和音频数据，并接收监 控中心传送的音频数据： 2 接收远程监控中心的高级用户控制信号，并通过r s 2 3 2 接口回馈给车载 电脑，向摄像头的云台控制器发出控制指令。 3 精确捣固控制装置是嵌入式电路板，替代捣固车原有的捣固控制电路板， 通过数模转换后，控制板输出模拟信号指导捣固动作。 8 捣 圃 生 数据采 集与通 信装置 图2 2 车载系统的整体结构示意图 通过网络电缆，车载工控电脑能与网络摄像头，语音话筒直接连接。模块功 能丰富，c p u 模块、电源时钟模块、控制模块、视频采集编码模块、音频采集编 解码及模拟输人输出模块和网络模块。 车载系统具有很好的扩展性能。对于几百甚至上千个捣固车监控点的大型监 控场所，可以采用多级级联的方式，即在车载系统和远程监控中心之间，加上一 级或者多级区域服务器，每个区域服务器可以管理十几至几十个监控点，分担远 程监控中心的工作，并接受监控中心的控制。 2 2 车载监测及精捣方案设计 2 2 1 车载电脑的作业质量软件设计 车载工控电脑的系统的软件主要分为用户登录管理设计、质量作业监测、精 测数据优化三大部分。捣固车作业监控现场采用工业级平板控制计算机，车载电 脑作为实现精确捣固的核心组成部分，重点是数据处理的算法研究，以及实时控 制精确捣固装置，实现真正意义上的“监控”捣固车精确作业。 车载电脑的作业质量优化处理系统分为三个模块实现：作业前测量数据优化 处理模块，作业中的实时指导模块以及实时作业质量动态检测模块，如图2 3 车 载电脑的功能框图所示。 作业前的测量数据处理模块主要在研究精确测量数据与捣固车的关联性后， 进行数据的优化处理。数据优化处理也可以说成是线路线形识别，是一项基础且 非常重要的工作，对于线路线形参数的计算在线路现状调查、线路优化设计、铁 路线路信息管理、车载铁路线路信息采集、安全分析等均具有重要意义。 作业中指导捣固车精确作业。基于绝对测量控制网。全站仪精密复测平面高 程获得线路实际绝对坐标，与设计线路比较，消除捣固车d 、p 点残余偏差。那 么，利用d a 转换模块将偏差值输出至捣固车的前端偏差控制板，实现精捣作业。 饮j i 杆捣”| 1 ：f 1 ：、i l ! 系统优f l 乃t 鼻州 ，tj + 艾j 姒 i ：j 戈i l 上j j i 蔚。峡i i 、j f t 洲0 f 1 “渺j 贯，l j ，力念 i i ，j i l j 乡、，i 型i ：? j 、水、l t 夺川h 沦j9 j l 坊i 线，通过划比捣删：乍作业胁后的线路轨道儿们j t 、j ，弥补g v a 系统卅i 川l ：观判 断作业质量的缺陷，使j f 作人员j 3 _ ：! i 测更简便，。做障处理更高效。 车载电脑 土， ， 作业前测蹬数据处理 作业巾指导捣冈车实时躲测作业质掇 上il | 绝对坐标系的洲量数据l 精确拨，起道控制板汇矢水平，超商检测 j上l 数据拟合算法 精确拨道精确起道人机界面显示告警 0 导出捣同作业方案表 图2 3 车载电脑作业功能框图 2 2 2 精捣作业方案设计 1 精测精捣的关联性 以维护控制网为基础，进行轨道的几何参数精密测量，复测出既有线状况： 在轨道复测数据基础上拟合出一条偏差最小的拟合的线路，并以此拟合数据库指 导轨道的拨道作业。 智能全站仪测量系统配合捣阑车工作。智能全站仪位于铁路线路的基站位置， 为确定测量系统的绝对定位，与捣固车两者之间可进行无线通信。 首先全站仪通过自由设站确定自身坐标位置，g i s 及控制点数据作为绝对测 量数据基础。初始化配置完成后，全站仪自动搜索棱镜位置，以采集线路轨道中 心线的坐标。测量开始时，同时也要确保捣固车的车载电脑与全站仪正常通信。 当蓝牙正常连接全站仪和车载电脑时，采集到的全部数据统一存储到预先分配好 的车载工业平板电脑的c f 卡中。 一 精确测量与捣固车的通信构成如图2 4 所示： 全站仪与车载电脑之间的无缝数据对接，直接提高线路方案整合效率，减少 数据转存错误率，实现实时精确采集及时精确捣固。由于测量数据后处理非常重 要，第四章节将详细探讨数据优化处理及形成精确捣固方案。 2 具体精捣实现方案 坝= ：掌位论文 作业中的实时指导模块为了完成线路精确起道作业，在捣固车原有的捣固电 路的基础上增加控制模块。实际线路的几何要素与理论设计线路的比较得出偏差 值，一次性导入车载电脑，在同步信号的控制下，精确测量数据可通过移动载体 ( 如：u 盘) 或无线通信传输给车载电脑，软件优化整理数据。 综上所述，车载监控系统具有指导操作、查找故障功能，有效节省了设备故 障处理、线路返工时间，提高了天窗利用率，产生明显时间、质量效益1 8 1 。系统 远程通信功能实现了对设备和工作质量进行远程管理。 图2 4 精确测量系统与捣固车的通信构成图 2 3 车载监测系统的数据通信 捣固车主要用于铁路的养修工作，它在捣固线路的同时完成线路稳定作业。 根据实际要求，对捣固车的监控主要由两方面的工作。第一方面是在捣固车端， 由多个监控软件对捣固车不同部件的工作进行监控，第二方面，在必要的时候， 远程总控中心也需要对捣固车的工作情况进行监控。这将涉及两个方面的数据通 信。车载电脑实际上是一个软件系统，它的功能就是实现将本地或远程监控软件 对所监控的c a n 模块获取的捣固车工作参数及时准确地获得，同是把控制的数 据及时准确地写入指定c a n 模块以控制捣固车的工作。起到了数据代理的作用。 捣固车上每个被监控的设备的数据是由相关的c a n 模块获得，每个c a n 模 块设备都有一个唯一的标识符进行标识。为了对被监控设备数据进行更好的管理， 捣固车监控系统采用了建立车载电脑的方式来统一管理。监控软件对c a n 模：臾 相关参数的获得是由车载电脑完成，车载电脑起到一个代理的作用。每个c a n 模块以车载电脑的通信方式可以根据需要，选择串行通信协议或t c p i p 协议：进 行通信，这可以在监控软件参数配置时进行设置，从而调用不同驱动程序实现。 本节将以车载工业平板电脑的角度，设计各个检测系统的数据通信链路机制， 分析数据通信的关键技术。 铁蹄揣川f 1 1 、忆长统优化办法研究j 刚砒 2 3 i 车载平板电脑与远程监控中心 i 旷j 二捣周车是在行驶t ：l ：，工作的，h 总控室位于远程，因此，对于被鼢 i 控点和 控制中心相距较远而1 5 1 标监控点是移动物体的监控，有线网络是束手无策的，无 线网络技。术将移动的被监控点与总控室连接起来，达到无线移动监控的目的。无 线网络数掘通信平台是建立在i n t e r n e t 的基础上，捣固车端车载电脑通过3 g 接人 i n t e r n e t ，再传输到总控室，由远程总控室对捣固车实时监控。 1 分析及实现 车载电脑对外部只有一个公有地址，与之连接的每个c a n 模块只有私有地 址，且i _ - t = l 于车载电脑采用3 g 方式接人i n t e r n e t ，i - _ n 此，每一次获得的l p 地址是 不同的。远程总控中心不能通过i p 地址访问到车载电脑，为了解决这个问题，采 用的动态域名解析服务，总控室通过域名访问车载电脑。 各c a n 模块工作参数存贮在车载电脑的s q ls e r v e rc e 数据库中。对于远程 的总控室来说，必要时需请求对某一个c a n 模块的监控，对指定c a n 模块数据 的获取也是通过车载电脑来实现。车载电脑与远程总控中心之间是通过3 g 无线 网络进行通信。 2 关键技术 3 g 种类和特点。3 g 网络最大的特点是具有较高的的数据传输速度。目前我 国存在三类3 g 网络，其类型和特点分别是：中国移动t d s c d m a ，真正的民族 产品，但是网络环境不稳定；中国联通，w c d m a ，引用欧洲的成熟技术，相对网 速较快，使用广泛；中国电信c d m a 2 0 0 0 特点为网速不快不慢且资费最低。 2 3 2 车载平板电脑与采集终端 1 与c a n 模块之间的数据通信程序设计思想 c a n 模块可通过以太网接口、r s 2 3 2 接口和r s 4 8 5 接口与车载电脑通信。当 采用r s2 3 2 接口连接c a n 模块时，采集到的全部数据统一存储到预先分配好的 内存中，为c a n 模块与车载电脑之间通信提供源数据。c a n 模块t c p i p 协议的 通信是通过调甩动态链接库实现。车载电脑与c a n 模块之间的数据通信提供了 串，行通信以及t c p i p 协议通信方式。 2 关键技术 ( 1 ) r s - 2 3 2 标准。r s 一2 3 2 是计算机或终端与调制解调器之间的标准接口。 r s 2 3 2 功能规范定义了电路之问的连接，以及它的含义。r s 2 3 2 的规程规范定 义的是协议，即事件出现的正确顺序。 ( 2 ) t c p i p 通信协议。t c p i p 协议定义了使用网络来收发数据的协议，使用 以太网模块所提供的各种读写函数来接收或发送数据，并给应用层提供简单易用 的a p i 接口函数。 佃i ：卜学位论文 2 3 3 车载平板电脑与智能全站仪 考虑现场联测条件，采用无线蓝牙技术，智能全站仪通过无线与车载电脑进 行通信取代了传统的线缆连接。蓝牙技术采用分散网络结构以及快跳频和短包技 术，支持点对点及点对多点通信，工作在全球通用的2 4 g h z 免费i s m ( 即工业、 科学、医学) 频段，其数据速率为1 m b s 。蓝牙内嵌模块又称蓝牙串u a r t 适配器， 只需提供u a r t 接口，不但使操作更加灵活，而且也节省开发成本和周期。 通信选择蓝牙模块b l u e m o d + b 2 0 和b 2 9 ，通过串行、u s b 和p c m 接口，使 终端设备连接到蓝牙信道。它基于c s r 公司的b c 0 4 芯片，斯图曼公司在其上开 发了独特的a th a n d l e r 软件，使用户的进一步应用开发十分方便快捷可靠。 数据通信机制实现要求为： a ) 无线蓝牙连接分主从设备，一个基准端捣固车车载电脑为主设备，另一个 远程端全站仪为从设备。当蓝牙内嵌式模块连接正确的电路，并且加电启动之后， 主从设备会自动建立连接，并且识别对方设备，之后，用户的设备就可以像使用 一条串口线一样的使用蓝牙内嵌式模块。 b 1 通讯参数设置一致：主从设备接口通信设置必须保持一致。 c ) 全站仪g e o c o m 模式激活，即全站仪的参数配置成功后可进行正常线路 测量。g e o c o m 是车载电脑与全站仪通信交互的地理数据应用接口。 2 4 结束语 采用具有代理功能的车载电脑来实现c a n 模块与捣固车以及远程总控中心 端的监控软件进行数据通信，通过调用底层的函数实现c a n 模块与车载电脑的 数据通信，采用3 g 技术构建无线数据通信的传输平台上，这充分体现了分布式 远程数据采集和集中监控的思想，在一定程度上实现了被监控对象捣固车设备状 态及作业质量监测。 铁路 岛1 7 i i i - f 1 i i ，苟；，先1 e 办 太 ，j f 1 ，+ 奂现 第3 章轨道精密检测及精捣实现 3 1 线路轨道整正流程 3 】精测精捣流程 在高效率、高质量的高速铁路时代，既有高速铁路线路的养护与维修标准也 愈加严格，高速有砟铁路是轨道根掘平顺性要求整体移动，般通