鋼軌應變實時監測節點研究

摘 要： 為了實現對鋼軌應變的遠距離、實時監測，以MSP430F149單片機為主控制器，結合ZigBee技術，設計了實時監測節點，完成了鋼軌應變、溫度的采集及數據無線傳輸。將節點進行了實驗室測試和標定并將其安裝在某鐵路路段進行了實際測試，實際測得的數據與理論分析相符，節點安裝簡單、運行穩定、速度快、功耗低，適用于戶外無人值守的惡劣監測環境。

關鍵詞： 鋼軌應變； 無線節點； 遠程； 實時監測； ZigBee

中圖分類號： TN926?34； TP216.1 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）19?0135?05

0 引 言

隨著我國鐵路提速戰略的實施及高速鐵路的蓬勃發展，軌道安全成為人們關心的熱點。無縫鋼軌利用扣件阻力、道床阻力等外力強制限制其自由伸縮[1]，由于物體的熱脹冷縮效應，在鋼軌內部會產生很大的縱向溫度力[2?3]。若不能及時、準確掌握鋼軌溫度力狀況，并對溫度力超限地段及時調整、放散，就可能發生斷軌、脹軌跑道等事故，危及行車安全[4?5]。因此，無縫鋼軌溫度力的準確、實用測量是無縫線路安全狀態研究中的一個關鍵課題[6]。

王建文等人利用鋼軌在彈性變形范圍內，其側向撓曲變形與溫度內力變化有密切關系的原理，建模分析了二者的變化規律，并研制出鋼軌溫度內力測試系統[6?7]。彭小丹利用超聲波在彈性體中傳播時，其傳播速度與介質的應力狀態之間存在線性關系的理論，研制了超聲波無縫鋼軌溫度應力檢測系統。系統中的超聲波接收電路接收檢測溫度應力。系統中的超聲波發射電路產生的超聲波，經鋼軌反射和折射后，由接收電路接收，其后測得其傳播速度，進而計算出鋼軌的溫度應力[8]。王驍利用鐵磁材料被交變磁場磁化過程中，材料內部磁疇錯動產生壁移，向外輻射電磁和聲能量的現象，設計了巴克豪森噪訊無縫線路檢測儀[9]。澳洲有一種被稱作“RAILSCAN”的檢測方法[10]，是以攝像原理，對軌道斷面相關部位幾何尺寸的檢測來判斷鋼軌是否因溫度應力等原因發生異常。英國某公司還提出一種被稱作VERSE（Vertical Rail Stiffness Equipment）的測量方法[11]，它是基于抬起鋼軌所需的的垂向力因鋼軌縱向力的不同而不同，從而間接得到鋼軌的溫度應力。以上測試方法都對鋼軌的溫度應力的測試做了有益的探索，但鋼軌本身作為行車信號的通道，對鋼軌測試時不能影響該信號，故以上測試方法不夠完善，設備的安裝使用較為復雜，推廣使用有一定困難。另外，上述溫度應力測試裝置都是便攜式儀器，須在無車時對鋼軌進行現場測試，無法實現實時遠程監測。

應變能準確反映鋼軌內部溫度力的狀況，本文采用應變法，結合無線通信技術，研制了鋼軌應變實時監測節點，實現對數據的實時采集及遠程傳輸。通過高低溫實驗驗證節點性能，并用標準應變模擬儀標定節點，校正其初始值和線性度，最終實現對鋼軌應變的實時在線監測。實踐證明該方法切實可行，節點適用于鋼軌線路等封閉性測量環境。

1 節點應變檢測電路設計

1.1 測量原理

應變與鋼軌溫度變化有直接關系，故節點采集應變的同時也應采集鋼軌的溫度。本文中將應變片和溫度傳感器粘貼在鋼軌表面，直接測得鋼軌應變和溫度。

在鋼軌軌腰中性軸處粘貼應變片，則應變片的絲柵隨鋼軌一起發生長短變化。圖1為應變片和節點內的低溫漂電阻組成的全橋橋路。電阻[R1，R2]的低溫漂特性從一定程度上補償溫度變化對測量值的影響，縱向應變片[R3]主要測量鋼軌縱向應變，而豎向應變片[R4]先貼在與被測軌熱脹系數相同的補償塊上，再將補償塊貼在鋼軌上與鋼軌保持同樣的溫度，用于溫度補償和參照系數。

在B端給橋路供電，AC兩端的壓差[ΔU]輸出為：

[ΔU=UC-UA=VexcR2+R3×R4-VexcR1+R4×R3=Vexc×R2R4-R1R3R2+R3R1+R4] （1）

當鋼軌應變發生變化，應變片阻值[R3，R4]變化引起AC兩端壓差變化，經過后續處理單元，計算出鋼軌應變的改變量。

1.2 檢測電路設計

節點主要由采集單元、無線通信單元和供電單元3部分組成。原理框圖如圖2所示。

采集單元主要實現對橋路信號的放大、濾波等處理，經A/D轉換后對數據進行采集、存儲，并對控制命令及時響應。由于橋路輸出的微小信號易受影響，而橋臂電阻、放大器、濾波器等器件的溫漂不可避免，故本文中選用低溫漂電阻及本身溫度系數小、性能良好的芯片對模擬信號進行處理，盡量減小系統溫漂。選用MSP430系列芯片做CPU，該芯片采用精簡指令結構，執行速度快，片內含有本文中需要的定時器、串行口、SPI口等資源，并有多種低功耗模式，也可根據系統運行速度靈活選擇不同頻率的運行時鐘，以降低功耗。而工作于惡劣環境中的設備，由于強磁干擾、強輻射等影響，可能會造成程序跑飛，發生不可預知的后果。為了防止上述意外發生，使單片機可在無人狀態下連續穩定工作，本系統為微處理器添加看門狗芯片監測程序運行狀態。若程序正常運行，CPU能在規定時間內喂狗，否則看門狗溢出使單片機復位。

為了實現對鋼軌應變的實時遠程監測，本文選用ZigBee網絡進行節點數據的無線傳輸。該網絡容量大、功耗低，且網絡的自組織、自愈能力強。應用該網絡，節點與網關間可自動動態組網，快速建立連接。其協議緊湊簡單，對資源要求少，并建立了碰撞避免和應答通信機制，從而避免了發送數據時的競爭和沖突，保證了傳輸信息的高效和高可靠性。

節點應用于戶外，且要實現全天候監測，由于供電不便且節點進行了低功耗設計，對能源消耗不大，故采用太陽能電池板加蓄電池的方式供電；另外，為了防止雷擊損壞節點、影響行車信號，在供電模塊中添加避雷裝置，以吸收雷擊時的瞬間高壓，保護節點安全。

2 節點軟件設計

2.1 軟件設計總體思路

系統軟件設計總體思路如圖3所示，采用模塊化程序設計方案，程序分為外部接口模塊、處理函數模塊及內存模塊。外部接口模塊主要完成對節點外部接口的操作，如對ZigBee和外部傳感器的初始化、供電控制等。處理函數為節點的外部接口模塊和內存模塊的連接部分，主要完成對ZigBee網絡數據的接收和發送，包括按照協議對接收的數據進行處理、組織待發送數據，及按照設置的采樣參數采集傳感器數據；對數據的管理本文視為內存管理，如對ZigBee網絡中接收的數據、待發送到無線網絡中的數據進行暫存，及對節點運行參數和傳感器數據的存儲，以便后續處理。

2.2 節點與網關間通信協議設計

2.2.1 總體協議

節點與網關通信協議如圖4所示，本文對原有的ZigBee協議進行了優化改進，增加了節點數據的起始符，使網關能快速區分其檢測到的ZigBee設備是否屬于本系統，而對系統外設備的數據，則進行剔除，防止數據混亂。

節點的ID號與其安裝位置一一對應，采集的數據較多需分包傳輸，并且對數據的查詢、分析等操作依賴于時間信息。基于以上原因，節點傳輸的數據中除應變、溫度數據外，還有節點ID號、本次數據采樣起始時間、總共發送的包數、當前包號等附加信息，方便對數據進行后續解析、分析等處理。

該協議中利用幀長度而非特定結束符判斷幀是否結束，防止采集數據中恰好出現結束符導致后續解析錯誤。為保證數據傳輸的高可靠性，采用雙重校驗，對于整幀數據采用簡單和校驗，對于節點數據采用高效差錯控制的CRC法校驗。本文按半字節進行CRC校驗，既不會占用太多內存，又不至于影響處理速度。

2.2.2 數據靜態組包動態發送策略及自動補包機制

發送的一幀數據中，必須包含ZigBee協議中規定的字節。數據包過短會造成資源浪費，而數據包過長又會導致數據不易發送成功。經測試，每個數據包發送成功所需的時間和該數據包長度有關，數據包長度為80～120 B時，發送成功所需的時間最短，而通信質量差時，即便數據包長度很短，也不易發送成功，故本文中采用靜態組包動態發送策略。即數據包長度固定，節點自動檢測當前通信質量，并根據鏈路質量及網關的回應信息，自動調整每包發送次數及發送相鄰的數據包時的間隔時間。

若傳輸過程中，有數據包丟失，則要對本次數據傳輸進行補包處理。每包數據達到最多發送次數，仍未發送成功，則記錄該包的包號，待全部數據包發送完成后，進行補包。丟包較少時，只重發網關未接收成功的數據包；若丟包超過總數據包的[13，]則為減少網關補包后重新組包的工作，節點自動檢測通信質量，適合發送數據時，將全部數據包重新上傳。

2.3 FLASH分塊管理策略

節點采用外部FLASH保存采集的傳感器數據和用戶配置的參數等重要信息，防止意外掉電時數據丟失。因FLASH的擦除次數有限，故應合理規劃數據的存儲機制，以盡量保證磨損均勻，提高FLASH的使用壽命，保證數據安全可靠。本文中采用分塊管理的方法，將各塊按其存儲狀態進行管理。空白塊用于保存下次節點采集的數據，數據塊存儲了節點要向網關發送的數據，可擦除塊為向網關發送成功的數據塊。根據存儲狀態同時兼顧擦除次數，將頁編碼排列在鏈表中，用于指示采集的數據和待發送的數據的存儲位置，同時依據存儲狀態的改變及時調整鏈表。其過程如圖5所示。

3 節點測試與結果

3.1 節點的高低溫實驗

為了測試溫漂特性，將節點連接溫度傳感器并用外接電阻替代圖1中的應變片，進行高低溫測試。溫度循環設置為：從40 ℃降到-20 ℃，然后再升高至40 ℃。節點在-20 ℃、0 ℃、20 ℃及40 ℃分別保持30 min，由一個溫度保持點經過30 min到達下一個設定溫度，每個循環周期為6 h。圖6為節點在高低溫實驗箱內，3個溫度循環周期中測得的應變和溫度數據。可見應變值隨溫度變化而變化，由圖6中應變和溫度的最大、最小值可得平均每攝氏度的應變變化量為2.7 με，節點溫漂較小。

3.2 節點標定

理想狀況下，輸入到節點內的應變值與節點測得的應變值應相同。實際上，由于實驗前電橋不能完全平衡，電路中存在導線電阻，應變片靈敏系數有誤差，元器件存在溫漂等因素的影響，節點應變測量值[εout]與輸入值[εin]不完全相同，而是為式（2）中的線性關系：

[εout=kεin+b] （2）

式中：[k]為二者的線性系數；[b]為節點的應變初始值。

為了校正節點的非線性誤差，提高應變數據采集的準確性，本文將標準應變模擬儀作為輸入源，對節點進行標定。圖7為節點和標定儀器的工作圖，按照標準應變模擬儀的要求，根據圖1中的橋路連接方法，將其輸出線A、B、C分別連接至節點的輸入端，替代應變片[R3，R4，]組成全橋回路。節點采集的數據發送至網關，網關經外部接口與電腦相連，然后通過上位機軟件查看節點采集的數據并計算[k，b]值。

先將應變儀對節點的輸入應變調整為0，待軟件中顯示的節點應變值穩定后，多次記錄節點測得的數據，并計算其平均值，作為節點的[b]值，然后將應變儀調到10 000，按照測得[b]值的方法，依據式（2）計算并記錄[k值。]其后，分別將計算得的[k，b]平均值作為修正系數記錄在節點中。

標定前、后節點的測量值和應變儀的標準輸入值的對照見表1，可見標定的效果明顯，標定后的應變測量值和標準值較為接近。

3.3 現場測試

無縫鋼軌溫度力實時監測系統工作過程為：節點安裝在鋼軌上，實時采集鋼軌溫度和應變，并通過ZigBee網絡發送到網關，實現無線局域數據的傳輸。網關將接收到的數據通過3G網絡傳送到服務器并存儲在數據庫內，使監控中心可通過以太網實時遠程監測鋼軌的溫度力狀態，對故障進行預警和及時處理。整個系統如圖8所示。

將節點安裝在某鐵路路段進行現場實際測試，圖9為監控端獲得的4天內節點采集的鋼軌處的應變和溫度曲線。可見現場實驗期間，節點采集的數據連續，節點運行穩定，實現了數據的實時采集和遠程傳輸。從圖9中可見，鋼軌應變與溫度密切相關，溫度升高時，鋼軌受壓應力，應變為負值；溫度降低時，鋼軌受拉應力，應變為正值。實際測得的應變曲線趨勢鋼軌溫度升高時，壓應變增大；鋼軌溫度降低時，拉應變增大，與鋼軌實際情況相符。測得的數據中，溫度最高時（20.4℃）壓應變最大，為-225.6 με；溫度最低時（-9.9 ℃）拉應變最大，為127.3 με。

4 結 論

本文研究的節點結構簡單、體積小、安裝方便、性能良好，能實現對鋼軌溫度、應變的實時、遠程監測。節點溫漂較小，元器件的溫漂不影響節點數據的正確采集。本文采用數據靜態組包動態發送策略、多重校驗方法和模塊化程序設計，節點數據傳輸過程中，數據丟失及誤傳的現象較少，能在鐵路線路上正常運行，且采集的數據連續。該節點具有很大實際意義和推廣價值。

注：本文通信作者為劉沖。

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