軌距尺手機應用平臺設計

朱洪濤，陳 捷，吳維軍

(南昌大學機電工程學院，南昌 330031)

軌距尺手機應用平臺設計

朱洪濤，陳 捷，吳維軍

(南昌大學機電工程學院，南昌 330031)

數字軌距尺因其采用單片機作為微控制器存在在線信息處理能力不強、功能相對簡單以及人機交互操作不直觀等不足。基于此，同時為順應軌道檢測的數字化、網絡化的趨勢，提出一種以Android智能手機為測量控制主機的數字軌距尺在線信息服務與數據實時處理方案。該方案通過藍牙接口建立軌距尺與手機之間的數據鏈路，智能手機對測量數據進行分析、處理和存儲。智能手機使軌距尺的功能具有良好的可擴展性，并提供友好的人機交互界面、數據庫支持和網絡服務等，可實現單片機較難完成的復雜功能。樣機測試結果顯示，系統實現了預期的功能。

軌距尺;靜態測量;在線信息處理;藍牙;Android智能手機

軌距尺是鐵路工務檢測中常用的靜態測量設備［1］，主要用于測量軌距、水平(超高)、查照間隔、護背距離、三角坑、軌距變化率等參數。根據測量準確度的高低，軌距尺分為0級、1級、2級三個等級［2］。數字軌距尺以單片機為微控制器，以高精度傳感器為核心，數據讀取方便，易于實現誤差補償，檢測精度高，是0級軌距尺的主要結構形式。但是，受微控制器處理性能的限制，數字軌距尺的功能相對簡單、在線信息處理能力差、人機交互操作不直觀，較難實現設計線形計算、超限報警等復雜功能。

為此，數字軌距尺產品一般均可將其存儲的外業測量數據以離線方式輸出至配套的PC端內業數據處理軟件，其不足之處在于PC端軟件不能為現場測量提供直接的服務，對提高數字軌距尺的在線處理能力作用不大。

本文設計了一種以Android智能手機為測量控制主機的數字軌距尺在線信息服務與數據實時處理方案，可大大擴展軌距尺的功能，完成一些常規軌距尺難以完成的特殊任務。

1 系統分析與設計

1.1 系統設計思想

依據數字軌距尺的作業內容與作業工況，其最重要、也是最基本的測量功能與性能要求如下。

(1)能檢測軌距、水平(超高)、查照間隔、護背距離等直接測量信息，可計算軌距變化率、三角坑等簡單的二次測量信息。

(2)數值顯示與存儲功能，即能把測量成果直觀、清晰地顯示在顯示界面上，便于讀取、記錄、存儲與轉存。

(3)能自動進行溫度補償、數字濾波等有利于提高測量精度、測量穩定性的智能操作。

(4)便攜性與環境適應性好，適合于野外、夜間、天窗及復雜電磁場等條件下使用，操作簡單。

Android是一個開源、免費的操作系統，廣泛應用于智能移動終端，2013年第一季度其全球市場占有率已達75%［3，4］。基于 Android系統的智能手機便攜性好，普及面廣，且具備相當強的計算能力。如圖1所示，智能手機通過藍牙接口與數字軌距尺建立數據鏈路，利用其數字技術、通訊技術、智能技術的優勢，則可能使數字軌距尺實現一些復雜實用的高級功能。

圖1 系統方案

(1)利用手機管理和實時查詢數據庫，為軌距尺提供線路里程、軌號及軌枕號、線路設計參數等信息服務，實現各測量項目的實測偏差計算、超限報警等功能。

(2)利用手機對軌距尺測量數據進行數字濾波、歷史變化趨勢比較、TQI評價等分析和處理等。

(3)利用手機的網絡通訊功能，實現重要測量成果實時上傳、短信通知等。

(4)利用手機記錄線路病害、線路特征等文字、圖像信息、GPS定位信息等。

(5)利用手機進行數字軌距尺標定、檢定等復雜操作。

(6)利用手機的開放性，運行用戶關注與開發的第三方應用。

1.2 系統的架構

本文以利用Andriod手機實現數字軌距尺標定、測量及數值顯示、超限規則設置及報警、線路設計參數的設置等功能為例，詳細介紹軌距尺手機應用平臺的設計方法與過程。如圖2所示，系統包含藍牙通訊模塊、測量功能模塊、系統標定模塊、水平零位修正模塊、線路管理模塊、超限規則模塊、曲線繪制模塊、GPS模塊和網絡模塊。

其中，藍牙通訊模塊用于建立藍牙連接、管理數據通訊;測量功能模塊實時處理測量數據;系統標定模塊負責傳感器的標定;水平零位修正模塊通過計算掉頭差獲得水平零位修正值;線路管理模塊負責線路設計參數的編輯和下載;超限規則模塊負責設置限值;曲線繪制模塊繪制曲線比較設計參數和實測值;GPS模塊和網絡模塊預留在系統中，作為擴展接口。

圖2 系統整體框架

2 系統的功能和實現

2.1 藍牙通訊模塊

藍牙采用了諸多安全及抗干擾機制，在工業現場應用廣泛，且無需布線，適用于在快速移動下建立通訊。考慮測量時操作人員和數字軌距尺之間的距離通常在1m以內，并應有一定的移動范圍，而藍牙傳輸距離通常在10m以內，故藍牙適用。

藍牙通訊模塊的類圖模型［5］見圖3。Operation_Activity是承載主功能界面的類。Device_List是承載藍牙連接界面的類。BlueTooth_Service類中封裝了藍牙連接線程ConnectThread和數據通訊線程Connect-edThread。

圖3 藍牙連接模塊類圖模型

Android提供了本地藍牙適配器BluetoothAdapter類，用于操作設備上的藍牙。通過BluetoothSocket套接字類創建、訪問RFCOMM信道，2臺設備共享1個RFCOMM信道建立藍牙連接［6］。創建RFCOMM信道要用到藍牙串口服務，UUID為00001101－0000－1000－8000－00805F9B34FB。建立連接時，先查找附近的藍牙設備，更新設備列表，再由用戶選擇目標設備進行連接。應用程序通過Handler-Message消息機制［7］從藍牙獲取軌距尺上傳的數據。

2.2 測量功能模塊

測量功能模塊的主要功能是實現軌距尺檢測數據的實時顯示、存儲，并負責超限報警，也包含了相關測量參數的設置。模塊通過Android的Broadcast廣播機制觸發特定的事件并進行處理［8］。根據Action屬性不同，模塊包含指令發送、測量數據更新、設置更新3個事件。

考慮到測量結果的清晰顯示，并參考Android界面設計官方指南，測量結果分頁顯示。軌距、超高、軌距變化率和三角坑在1個Tab選項卡。查照間隔和護背距離在1個Tab選項卡。處理軌距時，按照公式(1)計算溫度補償量lΔt，再由公式(2)計算修正后的軌距值G。查照間隔、護背距離由軌距減去測頭的寬度推算而來。顯示測量結果的同時，進行超限判斷。若超限，報警并記錄在文件中。

式(1)中 α1為6063鋁合金的線膨脹系數，取23.0×10－6℃－1［9］;α2為軌枕的線膨脹系數，取 11.6×10－6℃－1［10，11］;Δt為工作環境溫度與標定時溫度(20℃)［12］的差值;l為影響軌距測量的尺身長度，mm。式(2)中g為實測軌距值，mm。

用戶可設置起點里程、測量間隔、三角坑基長、軌距變化率基長、基準股等測量參數，通過Android提供的編輯框控件EditText和復選框控件CheckBox實現。數據管理采用Android集成的SQL數據庫。SQL數據庫是一種功能齊全的輕型數據庫，效率高并且占用資源少［13］。通過Android SQLiteDatabase類進行插入操作，數據保存至數據庫。同時，測量數據寫入存儲卡中的TXT文件中。

2.3 系統標定模塊

軌距尺作為工務鐵專量具，其結果的可靠性與合法性需通過檢定及標定實現。系統標定模塊負責軌距傳感器、水平傳感器的標定，標定界面如圖4所示。2種傳感器輸入輸出特性均為線性，故采用線性標定法。

圖4 標定界面

標定時，Android智能手機上可輸入標定位置的數值，發送指令向軌距尺請求數據，軌距尺將標定點的數字量上傳到智能手機，由公式(3)線性標定法原理

設y為被測物理量，x為y所對應的數字量，得到兩點(x1，y1)、(x2，y2)由公式(4)計算增益 k 和零點漂移d。

標定系數通過Android提供的SharedPreferences類保存在DEMARCATION_PREF．xml文件中。Shared-Preferences類是Android平臺上的一個輕量級的存儲類［14］。

2.4 線路管理模塊

通過查看線路設計參數可以直觀地了解所檢測線路的基本信息。同時，線路設計參數下載至數字軌距尺，數字軌距尺檢測中使用這些參數。線路管理模塊列表顯示系統里的所有線路信息，可以進行添加、修改、刪除等操作。線路設計參數信息保存在存儲卡中的TXT文件中，文件名為“線路信息”。正線參數包含起點里程和終點里程等。曲線可設置曲線方向［15］、起點里程、終點里程、半徑、行別、方向、超高、軌距加寬［16］等參數。線路信息可經藍牙下載至軌距尺。

2.5 超限規則模塊

評判標準分為作業驗收、經常保養、臨時修補和限速4個等級［17］。整個界面是Tab界面，在不同的選項卡里顯示各級標準的內容，通過Intent加載各選項卡。各級標準可設置軌距上限、軌距下限、超高、三角坑和軌距變化率的限值，依據《高速鐵路無砟軌道線路維修規則(試行)》設置了默認值。各級標準的限值在授權情況下可修改，通過Android提供的SharedPrefer-ences類保存在OVERRUN_SETTING_PREF．xml文件中。

2.6 曲線繪制模塊

數據以列表或者二維曲線的方式顯示。調用SQLiteDatabase類的query方法遍歷整個數據庫，再以列表形式顯示所有測量數據，用戶向上或向下滑動查看測量數據。通過曲線顯示數據的變化直觀清晰。采用Android開源繪圖工具庫AChartEngine繪制曲線，通過Android SQLiteDatabase類進行查詢操作，從數據庫提取所有測量數據項的某項數據以及所對應的里程，設置數據集。通過AChartEengine庫的相關方法獲得曲線。用戶可以通過手勢，實現坐標軸平移、曲線局部放大等。

3 實驗驗證

為驗證系統功能，在某公司自備線上進行了試驗。測試方法是利用軌距尺樣機對自備線進行測量，樣機將測量數據及其數字量保存在U盤中。測量結束后，使用U盤中的測量數據，在PC端使用串口助手通過藍牙串口模塊按照協議與Android智能手機通訊。數據顯示效果如圖5所示。圖形顯示效果如圖6所示。經與U盤離線數據比較，數據傳輸可靠。

圖5 數據顯示效果

圖6 圖形顯示效果

結果顯示:(1)能夠正確地傳輸、處理、顯示測量數據并可結合里程間隔信息分析軌距變化率及三角坑等二次信息;(2)可實現標定、零位修正、線路管理、超限報警等復雜功能。

4 結語

數字軌距尺以單片機為微控制器，以高精度傳感器為核心，具有使用方便、檢測精度高等特點。但受微控制器處理性能的限制，數字軌距尺的功能相對簡單、在線信息處理能力差、人機交互操作不直觀。本文提出了一種以Android智能手機為測量控制主機的數字軌距尺在線信息服務與數據實時處理方案。考慮到惡劣的工況環境和軌距尺的作業方式，該方案以藍牙作為通訊方式。在完成軌距尺基本測量功能的同時，利用Android智能手機的優勢實現微控制器較難完成的復雜的高級功能，例如線路設計參數的設置、超限報警、圖形繪制等。原理樣機測試結果顯示，系統實現了預期的功能。在軌道檢測作業中，將數字軌距尺與Android智能手機結合，提高了數字軌距尺的性能，具有一定工程應用價值。

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Design of Application Platform of Track Gauge in Combination W ith M obile Phone

ZHU Hong-tao，CHEN Jie，WUWei-jun

(School of Mechanical and Electrical Engineering，Nanchang University，Nanchang 330031，China)

Due to using single chip microcomputer asmicrocontroller，the digital track gauge has some disadvantages，such as poor online information processing ability，few functions，un-visualized manmachine interactive operation and so on．For this reason，in order to comply with the digital and networked trend of track inspection，the system of using Android smart phones asmeasurement control terminalswas put forward in this paper to achieve online information service and real-time data processing of digital track gauge．In this system，the Bluetooth interface is employed to establish data link between digital track gauge and smart phone，and then the measurement results are analyzed，processed and stored by the smart phone．By using smart phone，good functional expansibility of track gauge can be achieved;friendly man-machine interface，database support and network service can be provided;in addition，those complex functions，which cannot be finished by single chip microcomputer，can be achieved easily．Prototype testing shows that all the anticipated functions have been achieved by using this system．

track gauge;static measurement;online information processing;Bluetooth;Android smart phone

U216.3

A

10．13238/j．issn．1004－2954．2014．03．012

1004－2954(2014)03－0050－04

2013－06－29;

2013－07－25

江西省科技支撐項目(編號:20111102040100)

朱洪濤(1962—)，男，教授，博士生導師，工學碩士，E-mail:honey62@163．com。