高速鐵路路基形變多點檢測系統設計

蔣志軍 鄭萍 曹林 李易 彭京平

(西華大學電氣信息學院,四川 成都 610039)

高速鐵路路基形變多點檢測系統設計

蔣志軍 鄭萍 曹林 李易 彭京平

(西華大學電氣信息學院,四川 成都 610039)

為了解決鐵路路基形變多點檢測、遠程監控和預警問題,提出了一種基于嵌入式LAMP的鐵路路基多點檢測系統的設計方案。通過測量路基面豎直方向和水平方向的加速度并運算處理得到路基面的形變量,當其大于設定的閾值時進行報警。系統利用STM32對得到的多點測量信號進行處理,并通過ZigBee網絡傳輸到基于S3C6410的嵌入式LAMP網絡服務器。遠程用戶可通過瀏覽器遠程監控鐵路路基面振動幅度變化。經調試證明,系統運行穩定,能夠滿足設計要求。

鐵路路基形變 多點檢測 LAMP 遠程監控 ARM

0 引言

鐵路路基作為承載軌道和列車荷載的基礎,其形變和沉降變化影響到高速列車運行安全和鐵路路基使用壽命,因此必須要保持路基不產生任何危及正常運行的過大有害形變,以保證鐵路的長期穩定運行。首先需要在路基施工過程中關注路基結構、用材和路基的壓實度的基礎上,準確了解列車在高速運行時其路基表面的振動導致的形變大小。目前,多采用動力觸探實驗方法檢測路基的壓實度。該方法是利用一定質量的重錘,將與探桿連接的標準規格探頭打入土中,根據探頭灌入土中10 cm或30 cm時所需的錘擊次數,判斷路基的壓實程度來間接檢測路基形變大小。這種測量方法不但會破壞鐵路的路基面,而且測量的精度低,不能全天候、實時檢測多點路基面形變信息,因此只適合鐵路路基運行前驗收階段的測量。基于嵌入式LAMP服務器(Linux操作系統+Apache服務器軟件+ MySQL數據庫管理系統+PHP超文本預處理語言)的路基形變量監控系統可以對被監控路基段進行動態多點檢測,可及時地記錄路基面形變參數以及預警,還可通過Internet實現遠程監控[1]。

1 系統的總體設計

系統結構框圖如圖1所示。系統由信息檢測模塊、無線傳輸模塊以及網絡服務器等組成。首先通過加速度傳感器采集路基振動過程中豎直方向和水平方向的加速度,將該信號調理后送入STM32進行A/D轉換與運算處理,最終得到路基面豎直方向和水平方向的加速度值以及形變量。多點測量的值通過ZigBee星型網絡送給基于S3C6410的嵌入式LAMP網絡服務器。信息采集模塊通過串口與ZigBee終端通信, ZigBee協調器亦是通過串口與網絡服務器通信[2]。網絡服務器將接收到的路基面形變量信息和對應的時間戳一并存到數據庫中,即可就地顯示記錄;也可通過3G無線網卡接入以太網,用戶使用瀏覽器登錄到網絡服務器,訪問服務器網頁即可實現用戶對被監控路段路基的遠程監控操作。

圖1 多通道高速數據采集系統框圖Fig.1 Block diagram of multi-channel high-speed data acquisition system

2 系統的信息檢測與傳輸

本節主要介紹檢測模塊設計及ZigBee模塊和組網設計。

2.1 檢測模塊設計

檢測模塊程序流程圖如圖2所示。

圖2 檢測模塊程序流程圖Fig.2 Flowchart of detection module program

列車高速行駛在鐵路路基上時,路基面會產生水平方向和豎直方向的振動。根據鐵路路基鋪設的材料不同,抽樣檢測時需要在100 m內進行3～6處檢測,使用6個檢測模塊(左、中、右各2兩個)對100 m路段進行檢測。每個檢測模塊包括信號調理電路、STM32最小系統電路。使用美國AD公司的ADXL150電容式加速度傳感器測量鐵路路基水平方向和垂直方向的加速度,信號調理電路將信號調理到STM32的ADC測量范圍內。再通過STM32自帶外部ADC運算處理得到加速度值,將該值作為此次采集到下一次采集時間片的平均加速速度,通過兩次積分運算得到路基在該時間片內路基水平和豎直方向的位移量。最終累加得到路基的形變量。路基面的形變量過大時將可能造成路基表面層斷裂,所以為水平方向和豎直方向分別設定一個形變閾值。當形變量大于閾值時,STM32產生PWM信號控制報警燈閃爍報警,實現自動報警。

檢測模塊通過串口和ZigBee終端通信。一方面將檢測的數據送給ZigBee網絡,另一方面也通過ZigBee網絡接收網絡服務器發過來的命令,執行相應的操作,如設置ADC參數、啟動和停止報警等[3]。

2.2 ZigBee模塊和組網設計

ZigBee網絡作為檢測模塊和網絡服務器之間的橋梁,其終端與檢測模塊連接,協調器與網絡服務器相連。檢測模塊采集到的數據通過ZigBee網絡傳輸到網絡服務器,網絡服務器通過ZigBee網絡發送命令給檢測模塊。系統組網方式采用ZigBee星型網絡實現,由6個終端和1個協調器中組成,采用CC2430作為ZigBee模塊的主控芯片,負責對數據的運算和處理,外圍電路包括RS-232接口、電源電路、匹配電路等。ZigBee協調器和ZigBee終端距離為50～100 m,而選用的CC2430無線模塊的傳輸范圍大部分情況下小于100 m。考慮到現場的復雜情況,為了切實保證信息的傳輸,系統采用增加RF發射功率的措施,使得傳輸距離可達1～3 km。當需要監控更遠距離路段時,可通過增加路由器和節點接力方式實現。ZigBee網絡中只有ZigBee協調器才能組網,在ZigBee協調器網絡建立好后,ZigBee終端可以加入協調器建立的ZigBee網絡[4]。

ZigBee協調器的組網過程為:協調器的應用層發出建立網絡請求,網絡層接收到請求后,要求MAC層執行信道掃描以找到一個合適的信道;隨機選擇一個網絡號PAN來標志該ZigBee網絡;然后在MAC層注冊,再選擇網絡地址;最后通知應用層網絡建立狀態。ZigBee協調器建立好網絡后,ZigBee終端有兩種方式加入網絡:關聯方式和直接方式。這里采用的是關聯方式。ZigBee協調器的程序流程如圖3所示。

ZigBee終端加入網絡的過程為:應用層調用原語設定要掃描的信道和每個信道掃描的時間,網絡層接收到該原語后,要求MAC層掃描信道。當掃描完成后通過原語通知應用層具體情況,重新掃描或者從關聯列表中選擇網絡加入。當存在潛在的父節點時,應用層發送入網請求,網絡層接收到該請求后給MAC層發送關聯請求。網絡層接收MAC層連接狀態響應,當接收到連接成功響應后,將根據響應信息中節點的唯一邏輯地址,在關聯列表中建立它和父節點關聯,最后網絡層發送入網成功響應給應用層。ZigBee終端程序流程圖如圖3所示。

圖3 ZigBee協調器/終端程序流程圖Fig.3 Flowchart of ZigBee coordinator and terminal program

3 嵌入式LAMP網絡服務器設計

3.1 硬件框圖設計

網絡服務器CPU使用三星公司的S3C6410,負責對檢測模塊數據的集中運算處理。外圍電路包括存儲芯片、復位電路、電源電路、時鐘電路、RS-232接口、USB接口電路等。網絡服務器通過串口完成與ZigBee協調器通信,接收協調器傳過來的路基形變量數據和發送控制命令給協調器。網絡服務器中使用SD卡存儲ZigBee協調器傳過來的路基形變量數據,根據實際需要,選擇不同大小存儲容量(最大支持32 GB)。服務器與Internet的連接采用華為的E1750 USB總線3 GB無線網卡。系統采用瀏覽器/服務器(Browser/ Server,B/S)模式,用戶可通過瀏覽器訪問網絡服務器,實現對路基變形的遠程監控。

3.2 網絡服務器搭建

嵌入式網絡服務器的結構模型如圖4所示。

圖4 嵌入式網絡服務器結構模型Fig.4 Structural model of the embedded web server

在S3C6410系統硬件平臺上構建嵌入式LAMP網絡服務器的主要工作是:完成Linux操作系統的移植、Apache服務器的移植、MySQL數據庫移植和PHP的移植。

①Linux操作系統的移植:配置Uboot源代碼,交叉編譯生成u-boot.bin,然后將其燒寫到NAND Flash零地址處;解壓Linux內核源代碼,利用#make menuconfig ARCH=arm命令配置內核,添加串口驅動支持、USB驅動支持以及網絡功能,使用make uImage命令和mkimage工具編譯內核并生成鏡像文件;利用busybox制作文件系統,交叉編譯PPP源代碼,移植相關文件到嵌入式Linux系統對應目錄下,使用mkyaffs2image命令生成YAFFS2文件系統鏡像文件。借助tftp命令,將內核和文件系統的鏡像文件下載到目標板的DDRAM,再使用Uboot的nand write命令將其燒寫到NAND Flash對應分區,整個Linux系統移植完成[5-6]。

②Apache服務器的移植:交叉編譯httpd源代碼,并移植到嵌入式Linux系統對應目錄下,通過設置httpd.conf管理Apache,如加入PHP支持。Apache是目前使用較廣的Web服務器軟件,相對BOA,其運行速度快,穩定性好。

③PHP的移植:交叉編譯PHP源代碼,并移植到嵌入式Linux系統對應目錄下;修改php.ini,開啟PHP對串口和MySQL操作的支持。相對傳統CGI,PHP具有穩定性好、圖像處理能力強、效率高、面向對象、消耗系統資源少等特點。

④MySQL數據庫移植的移植:交叉編譯MySQL源代碼,移植到嵌入式Linux系統對應目錄下,通過my.conf管理MySQL的安裝目錄、數據存儲路徑、日志等。MySQL數據庫具有管理用戶權限功能、完整的數據庫功能且支持并發。

3.3 網絡服務器的軟件設計

網絡服務器通過串口接收ZigBee網絡傳過來的各檢測模塊的路基形變量數據,將其和對應的時間戳存儲到數據庫中,通過網頁提供給用戶。網絡服務器中動態網頁包括主界面,用戶注冊界面和高速鐵路路基形變監控中心界面,用戶可以通過瀏覽器訪問服務器主界面,然后登錄進入高速鐵路路基形變監控中心界面;通過調用PHP擴展API訪問MySQL數據庫,得到路基形變量數據和對應的時間,再通過應用Ajax動態顯示路基形變信息[7-10]。當用戶在瀏覽器界面上進行操作時,瀏覽器發送http請求,網絡服務器接收到請求后解析命令,調用PHP擴展庫提供的API操作串口發送控制命令給ZigBee協調器,再通過ZigBee網絡將命令發送給檢測模塊,從而實現遠程監控。高速鐵路路基形變監控中心網頁程序流程如圖5所示。

圖5 高速鐵路路基監控中心網頁程序流程圖Fig.5 Flowchart of the web page program of high speed railway roadbed monitoring center

3.4 系統的遠程監控設計

用戶在瀏覽器地址欄中輸入網絡服務器的IP地址,訪問網絡服務器主頁面;填寫用戶名和密碼登錄進入到高速鐵路路基形變監控中心界面。進入監控中心界面后,用戶可以設置檢測模塊采樣頻率、路基形變顯示界面的動態刷新頻率以及選擇檢測模塊通道,可實現對每個檢測模塊節點路基面形變的監控。同時,用戶可以點擊啟動或停止采樣按鈕,遠程控制各檢測模塊采樣。試驗結果表明,該系統滿足高速鐵路路基行變量多點檢測、遠程監控、預警和記錄路基面形變參數設計要求。

4 結束語

隨著高速列車的普遍使用,對鐵路路基的要求亦同步增加,對鐵路路基的形變多點、動態的實時檢測、預警以及遠程監控問題受到了高度的重視。基于LAMP的多點路檢測控系統,可動態地反映鐵路路基狀態,且體積小、功耗低,特別適合應用于野外環境,使用非常方便。通過設定不同的閾值,可對鐵路路基的形變進行預警、報警,切實保證列車的安全,并為運行中的高速鐵路路基面形變量信息建立數據庫,對鐵路使用和維護提供數據支持。鐵路路基的遠程監控功能亦可為鐵路管理提供良好的支持。

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Design of the Multi-point Detection System for High Speed Railway Roadbed Deformation

In order to solve the problems existing in multi-point detection,remote monitoring and early warning for railway roadbed deformation,the design strategy of the multi-point detection system based on embedded LAMP for this application is proposed.Through measuring the accelerations of the subgrade surface in vertical and horizontal directions,and conducting operating and process,the deformation of the subgrade surface can be obtained.When the deformation value is greater than the set point of threshold,alarm signal will be sent out.In the system,the multi-point measurement signals are processed by using STM32,and transmitted to S3C6410 based embedded LAMP web server through ZigBee network;the remote users may monitor the variation of the vibration amplitude of subgrade surface via browser.The test verifies that the system is running stably,and meets design requirement.

Railway roadbed deformation Multi-point detection LAMP Remote monitoring ARM

TP368+.1

A

四川省重點學科基金資助項目(編號:SZD0503-09-0);

西華大學研究生創新基金資助項目(編號:ycjj2013104)。

修改稿收到日期:2014-02-18。

蔣志軍(1986-),男,現為西華大學控制理論與控制工程專業在讀碩士研究生;主要從事智能化儀器與檢測系統的研究。