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挑戰: 創建提高鐵軌和電車軌道監管維護質量的方案 解決方案: 運用模擬裝置Blackfin處理器與NI Labview軟件，可準確安全存儲所有測量及實地數據，方便使用，并且在更換鐵軌時爭取到更長的操作時間，促進公共交通服務更為經濟，進一步改善。 作者: Anders Norlin Frederiksen - Analog Devices/DK Marco Schmid - Schmid Engineering 這篇案例由美國國家儀器獻給《VIP-Kongress》，完整文章在《Tagungsband》413-424頁的會議記錄中出版。 在過去十年中，鐵路和電車軌道的公共交通方式已經越來越受到歡迎，享受舒適與安全的乘客人數也在不斷攀升。由此，更快的列車和更短的停站時間就顯得十分重要。然而，這也使得鐵路和電車軌道一直承受著巨大的機械壓力，部件的年久失修也會引發致命的危險。因此，人們發明了一個新興的系統維護解決方案（見圖1）來支持鐵路和電車軌道的監控與維修。 深入了解鐵軌 在建造前，新的鐵軌和電車軌道都會經過嚴格的檢測要求來確保正確的軌道位置。然而，建造完成后錯誤難免。（見圖2 ）這是因為車輪與鐵軌間產生了機械接觸，這個與從列車底座延伸到鐵軌地下的動態彈簧 - 質量模件有關。鐵路工程標準明確了缺陷，臨界參數和寬容窗口。此鐵軌維護計劃的目標就是可接受范圍內保有不規則性。 鐵軌軌道幾何形位 軌距是指兩根軌道之間的距離，它讓列車按“正弦曲線”方式運行。這確保了車輪與鐵軌之間的不斷接觸運行，從而減少磨損。地下發生變化會引起鐵軌傾斜，這些變化會造成列車車身抖動。鐵軌表面不規則例如車轍和裂洞，也有可能由引起鐵軌傾斜。因此當列車進出彎道時，有了系統傾斜側面圖的幫助可以降低對乘客的沖擊力。合適的鐵軌間距可以降低列車高速運行時發生碰撞的幾率。 縱剖面表面圖 鐵軌裂縫和破裂均屬于極其危險的不規則，它們可能造成類似脫軌的慘劇。車轍不規則變化的典型波長在20-100毫米之間，當其振幅超過0.05毫米時，列車運行就會很噪雜，但當振幅到達0.3毫米峰值時，振動就會對列車基座造成極大的損害。車轍往往沿著鐵軌出現，科學家們對它們的出現也持有不同意見。旋轉中或飛馳中的車輪通常會引發一個個裂洞，它們符合數理方程多項式的規律并且會瞬間造成鐵軌的凹凸不平。18米鐵路焊接接口會在一些陳舊鐵路上會造成規則的突起狀況。 橫截面圖 新建鐵軌的磁頭幾何結構完全符合接觸面幾何的計算，極大優化了車輪在鐵軌交界處的運行。它的形狀由切線和具體半徑組成，使得車輪可以經濟順利地按照安全的水平導引行駛。 測量鐵軌 有針對性的系統鐵軌維護的主要要求是對鐵軌的現狀或者電車軌道網絡幾何十分熟悉（見圖2）。掌握智能的計算策略可以讓我們對此有所了解，這個策略包含擁有準確GPS定位的里程計算，磁跡幾何，路徑幾何，縱剖面圖以及截面圖。我們使用移動測量設備獲得了這些參數，制造完成了測量工具。在最終建造高級分析軟件前，我們會使用模擬儀器Blackfin處理器來初始化并加工測量數據，最后，這個軟件可以用來在電子地圖（見圖3）上再分析以及明確定位測量數據和缺陷。 磁跡幾何 使用精確到0.01毫米范圍的非接觸感應傳感器原則我們便可測量軌距。基于算法有限脈沖響應低通濾波器抑制了高頻的噪音，而隨后的移動平均濾波器確保了將要不斷持續的“偽高峰”。 對于傾斜感應器我們采用了同樣的方法，操作起來像電子水位，正負10度角度，可精確到0.025度以下。因為物理原理的關系，測試結果只在一定頻率范圍，主要是在1赫茲以下準確可靠。 測量道間距離需要一系列復雜及高計算要求的浮點算法，最終它們可將相對簡單的水平和垂直距離數據傳輸出去。（見圖10）在Blackfin處理器的控制下，安裝在車輛側面的高準度激光在1至5米得范圍內左右5度地搖晃著。在掃描部分的內部，相鄰鐵路的側面圖是低通濾波器和中值濾波器并從極坐標圖轉換到直角坐標系中去。再采取矢量旋轉和重采樣等處理方法后，我們通過圖案配對算法將側面圖傳送出去。目標是在軌頭找出準確的符合特殊幾何特征的矢量。因為在鐵軌中存在著許多障礙物如石頭和草，我們需要將這個矢量通過 可行性檢驗器和追蹤算法以便提供可靠準確的結果，這些都在實時條件下的5赫茲循環中完成。 縱剖面圖 高速渦流傳感器精確到微米，可以記錄鐵軌表面變化（見圖6）。線性編碼器 通過 磁環來處理信號，它的作用是記錄里程并激活a/d感應轉換器。信號 通過 裝有帶通拓樸的有限沖激響應濾波器，將光譜減少到特有的波長。除了表面圖以外，我們還可以記錄下例如局部硬化和焊接點等冶金不規則。 橫截面圖 最先進的激光科技可以不用接觸就準確測量鐵路末端部分橫截面。因為有良好的準確率和捕捉速度，橫切激光或者激光“窗簾”（見圖4）都可以用來使用，并實時線性化，縮放和過濾原始圖。 舊科技-測量工具 幾年前，為了分辨鐵軌的裂口和變化，維修人員使用了許多不同的測量工具。但每一個方法只能用于記錄一條特定鐵路的缺陷，這些方法幾乎缺少準確性，并且不可復制。如今，一些技術方案供應商如施密德工程公司將高級處理器科技和先進的手段融入到了設計當中。這些方法在鐵路基礎行業中的使用使移動和多功能鐵路測量工具更加精密。 鐵路監測工具（見圖5）采用一流測量技術來同時確定鐵路側面圖，凈空高，軌距，傾斜，深度和環境溫度，并可在任何地方進行監測與記錄。所有的關鍵特性都可以當場處理和目測結果，并將其保存在移動存儲器中。當操作員火車車輛沿著軌道拖動RailSurf拖運器（見圖7）時，鐵路監測工具會不斷的監控記錄縱向軌跡參數。它裝有有多個感應器，用來定位鐵路計算和傾斜中出現的問題，如波紋，裂洞和裂縫。獲得的信息可以保留在移動存儲器中，或者無線傳送到操作人員的工作界面上。 Blackfin處理器是這個系統的核心 作為這些測試工具的核心，Blackfin處理器通過對電池操作提供動態電源管理，使得微控制單元和電子信號處理器得以聚合。微控制單元一般與可擴展輸入輸出設備連接，如激光掃描器，模擬電子感應器，鍵盤，TFT屏幕，電池/燃油表 和可移動媒體。數字信號處理器主要處理高級電子算法如濾波，快速傅立葉轉換，判斷幾何誤差或完成其他高難度計算任務。ADI Blackfin處理器內置NI LabVIEW模塊，近來在圖形系統方面取得了一些最新發明，為Blackfin 處理器提供了直接的編程模型，高質量方框圖和數據流語言。可現成使用的數學分析模塊和圖形多任務處理在電子嵌入式設計上提升到了一個新的高度。 測量機器 由五個相互關聯的Blackfin處理器驅動的多功能車可以記錄長達10公里的鐵路的軌道參數，擁有5毫米的點至點的分辨率。 Blackfin＃1處理器允許用戶通過鍵盤和兩個TFT顯示器交互。 Blackfin＃2處理器則記錄高速軌道幾何形狀和縱剖面，并將GPS信息嵌入到Blackfin＃3處理器接收到的測量數據中。連同Blackfin＃4處理器捕獲的橫截面，所有的數據最終被分流到Blackfin＃5處理器中，RAM中大量的數據存儲最終被保存到可移動介質上的二進制文件的緩沖區中。 定位瑕疵 我們將所獲得的測量數據輸入一個通用軟件平臺，它通過GPS定位和里程表信息將軌道幾何形狀，縱剖面以及橫截面連在一起。這個平臺使用LabVIEW和LabVIEW工具包，它的作用就是一個公共數據交換與分析池。它能夠連接到各種測量設備，車輛和維護機器上。測量過程中的智能過濾功能類似于X射線，可以定位最為嚴重的的鐵路缺陷。最終整個軌道的幾何形狀的測量結果由數字形式展示出來（見圖2）。這個重要的信息如今可直接用于鐵路維修、更換等。通過無線連接到外部數據庫和CAD軟件，最終數據記錄可以轉移到客戶的IT環境中。 智能強大的Labview濾波器可發現缺陷 我們使用智能LabVIEW濾波器篩選縱向數據，找到目標處的癥狀。通過FFT分析可以在縱剖面圖中尋找出有特征的波長進而發現起皺部分。我們通過將測量出的側面圖與記憶形狀和機械輪軌接觸模擬進行比較探測到裂洞，。裂縫會呈現出顯著的突變，因此我們區分移動數據窗口就可以檢測到它們。最終，連續運行和評估分析模型我們可以在傾斜圖中定位出獨特的振動模式。 我們將檢測結果縱的癥狀傳輸到相關“超級算法” 中。由此，我們可以從測得數據中進一步減少信息量或者提取額外的有用信息。舉例來說，如果在鐵軌表面沒有的相關信號峰，單獨的傾向癥狀是毫無意義的，并會被退回。然而，在橫截面上顯示的縱向裂縫的明顯磨損，可以觸發報警。 評估鐵路截面的主要理念就是將被測圖與參考做比較。矢量和隨機兩個方法互相結合，疊加兩個側面圖，以獲得重要特征。縱向和垂直殘差可直接顯示磨損（見圖8）。其它參數包括剩余的頭部高度，正確勻稱的軌道半徑（見圖9）或一個活躍的閉合交換機的間隔。保持后者的公差是對確保通過交換機的高速列車沒有脫軌的危險十分關鍵。這就是為什么現在鐵路運營公司都專注于徹底地監測交換機。 鐵路工程師們可以調整濾波器參數容限窗口，提出那些“偽警告”，選出真正顯著影響乘客舒適度與安全的軌軌缺陷 在電子地圖上明確缺陷 我們使用嵌入到定位缺陷的GPS數據，以定位它們在數字地圖上的位置（圖3）。這一地理信息增加了大量關于鐵路“熱點”的信息與新背景，如小半徑曲線，交換機，或車站。我們使用LabVIEW的圖像處理功能來實現這個簡單的地理信息系統（EASY -地理信息系統）。現存感興趣的區域（例如，一個城市）的位圖被分解成單以拼貼圖，并配有精確的地圖坐標。當鐵路工程師瀏覽缺陷時，LabVIEW也不斷的從硬盤驅動器中加載拼貼圖，傳輸到內存中，并組合成一張JPG圖片。此圖片接著被復制到LabVIEW的圖形繪制指示器中并用確切缺陷位置的數字光標覆蓋。 結果付諸應用 最后，我們將結果轉換成高端應用。為了作進一步的分析，我們可采用標準的CAD系統轉換主要缺陷如磨損和裂洞的幾何圖。使用圖形交換格式（DXF）文件格式最終可以實現目標。 通過ActiveX數據對象（ADO），我們建立起外部數據庫管理系統連接，它使用通用數據鏈接（UDL）連接類型和路徑。我們使用了一套高層次的虛擬儀器和數據平臺執行最常見的數據庫任務，如處理表格和數據交換。 VAG紐倫堡運輸合作在Microsoft Access數據庫中維持著一個預定義和關鍵位置的矩陣，它是不斷的篩選，變化的。一旦熱點超過容限窗口，一個電子維修計劃就會被建立，并部署在維修機器的測量設備上。 蘇黎世公共交通（VBZ）的維護理念依賴于一個內置有Microsoft Access數據庫的商業地理信息系統工具。鐵路路段，車站，交換機等所有基礎設施都一一列出，只要按下按鈕就可以在地圖上顯示整個城市的有軌電車網絡。類似紐倫堡，作為一個短期和長期維護理念的重要組成部分VBZ的鐵軌狀態也時時受到監控。 通過ActiveX和NET機制，LabVIEW平臺可以連接到這個地理信息系統工具上。 解決問題 從IT環境反饋產生的維修計劃作為質量設置點被下載到維修機器中。通過用幾個重疊碾磨運行 將鐵路返回到其原來的形狀，雙Blackfin處理器結構能快速系統的修復磨損或檢查鐵路，支持整個的團隊的運作。Blackfin處理器提供了一個多功能鍵盤，兩個TFT顯示器可以顯示鐵軌以及移動存儲器。兩個激光掃描儀連續捕獲20赫茲的交叉配置快照，用CAN網絡將數據在線傳輸到CPU。然后，處理器計算偏差，將新的設定點傳送到由另一個Blackfin處理器控制得底層碾磨單位。 碾磨單元由六個獨立的磨盆組成。在靜壓的原則下，每個碾磨單位提供了3度自由空間。起初，磨盆會水平在軌頭的內部，外部或中間移動。然后，它會旋轉偏差到最壞的情況，最終向下移動，直到它觸及軌頭后開始移除材料。 Blackfin處理器將PWM信號應用到控制著靜流執行器得閥門上便可以同時控制這18個操作。此外，6個旋轉傳感器，6個翻譯儀表，18個非接觸式位置開關，6個壓力傳感器在這個定位過程中連續受到監測。使用傳統的方法需要花費幾分鐘的時間，現在磨盆在幾秒鐘內就可以自動定位。 最后，磨盆開始移除多余的物質（見圖11）。安全和堅固的外殼可以將電子設備和傳感器從四處飛濺的火花，過多的灰塵，濕度和熱隔離開來。在碾磨過程后，使用可移動媒體，通過在IT環境中加載數據，質量就可得到保證。 結論 在下一階段的數字嵌入式設計中，我們采取了一個系統的維修理念用于鐵路和有軌電車。通過在一個中心點上利用低層次的鐵軌測量與控制及對高層次數據進行挖掘與分析，我們設計出了一個最佳的成本效益的解決方案。使用Blackfin處理器的可擴展的表現與性能，計量裝置和測量/維修車輛的能力已經充分達到了苛刻的環境下的實時行為和堅固性的要求。 我們在設計中使用LabVIEW環境定位高層次的數據分析與可視化缺陷。我們也使用LabVIEW來開發復雜的數學濾波器算法，以應對不同的網絡現場設備與IT環境所涉及的連接挑戰。易于使用的LabVIEW再次推出了一個倍受矚目的的設計，展示了重用和重組的最佳可能性。Blackfin中的LabVIEW嵌入式模塊為傳統 ASM或ANSIC / C + +打開了范式轉變的算法的大門。隨著這項技術的革新，現在它能夠優化任何鐵路或電車系統的缺陷（裂縫）的位置。所有缺陷數據存儲在中央數據庫以備緊急修復之需或監察。RailSurf測量拖運器是移動智能計量裝置的第一個范例，它實現了一個快速，環保，維修鐵路的嵌入式解決方案。 
圖1. 一個系統的鐵軌維護理念包含測量，定位，規劃以及維修鐵軌故障
圖2. 鐵軌參數分為軌道幾何形位，縱剖面圖和橫截面圖
圖3. 依靠全球定位系統，可以精確地在地理信息系統中定位數據
圖4. 由高速激光掃描器捕捉到的鐵軌截面圖
圖5. 使用非觸電渦流傳感器繪制出縱剖面圖，并用磁編碼器 脈沖調制
圖6. 由Blackfin處理器和Labview 嵌入所驅動的railsurf托運器可以記錄縱剖面圖的波狀不規則處。操作面板內裝有gps接收器和傾斜傳感器
圖7. 智能橫截面圖分析算法充分運用了高性能的Blackfin處理器，可以實時就地顯示不規則處
圖8. 判斷鐵軌半徑需要復雜的數學函數計算。憑借Labview中的算法工程，該理論在一天中就得到了證明
圖9. 測量道間距離（x軸/y軸）需要在運行時擁有高性能電子信號處理算法
圖10. 在機器維護過程中實施電子維護計劃，解決磨軌的問題
圖11. 惡劣的環境以及工期緊特別需要輕便易用，高效的測量裝置 |
