基于GPS的高速鐵路軌道靜態檢查系統的研究

賈巖

摘要：目前我國鐵路工務部門常采用“相對測量”方式對軌道的幾何狀態參數進行檢查，這種檢查方式效率低、精度不高，常引起人工浪費等問題。為了提高高速鐵路軌道幾何參數的檢查精度、檢查效率，降低檢查成本，本文提出了一種基于GPS的高速鐵路軌道靜態檢查系統，利用GPS全球定位技術，實時對高速鐵路軌道的幾何狀態參數進行檢查。

關鍵詞：軌道幾何狀態;GPS全球定位系統;GPRS無線通信技術

中圖分類號：U216.3?? 文獻標識碼：A?? 文章編號：1672-9129（2020）16-0069-02

1 引言

2020年8月中國國家鐵路集團頒布了《新時代交通強國鐵路先行規劃綱要》，綱要中明確指出了未來30年中國鐵路的發展規劃，我國鐵路將在科技的引領下全面向智能化邁進。鐵路軌道的平順性作為評價鐵路軌道的重要指標，高速鐵路軌道的檢查技術也將不斷向高精度、高效率方向發展。

當前國內外軌道檢測系統主要分為兩類，分別是動態檢查系統和靜態檢查系統。國內外動態檢查系統主要有日本的“East-i”綜合檢測列車，法國國家鐵路公司研發的“IRIS320”綜合檢測列車，我國的GJ型軌檢車等[1]。動態檢查系統檢查效果好，但是大型的動態檢查設備不能直接用于日常線路養護和維修的指導工作。國內外靜態軌道檢查系統主要有瑞士Amberg公司研發的GRP1000軌檢儀，德國sinning公司生產的GEDO CE精調檢測小車，我國的GJY-T-EBJ-2型軌道檢查儀、GJY-T-4A型軌道檢查儀等。目前靜態檢查系統利用全站儀等光學設備的軌檢儀雖然能夠測量軌道的內部、外部參數，但常受溫度、光照、風雨等環境影響，且操作復雜，成本高，作業速度慢，因此有必要探索軌道三維定位的新方式和新手段。

GPS（Global Positioning System）全球定位系統是一種精密的導航系統和定位系統，可全球范圍使用，具有全天候、高速度和高精度等優點，被廣泛應用在測繪、交通、道路工程等

領域[2]。本文應用GPS全球定位系統，結合RTK （Real - Time Kinematic）載波相位實時動態差分技術，構建一種高精度、高效率可同時進行軌道外部和內部幾何狀態參數檢查的高速鐵路軌道靜態檢查系統。

2 系統整體方案設計

GJY-T-4A軌檢儀可通過成熟的相對測量方法得到軌道內部幾何參數。本高速軌道靜態檢查系統，是在GJY-T-4A軌檢儀上進行改進，加入絕對測量方法，得到軌道外部幾何參數。

為了快速得到高精度的高速鐵路軌道的外部幾何狀態參數，利用GPS全球定位技術檢查軌道中線的三維坐標和高程。首先在鐵路軌道的兩側設置GPS控制網，設立GPS數據采集系統，同時利用GPRS將定位數據傳輸至軌檢儀系統的上位機。在軌檢儀上建立移動數據采集系統，利用GPS采集數據、GPRS傳輸數據，最后通過上位機對采集到的GPS和移動數據進行實時分析與處理，得到軌道幾何狀態參數。移動數據采集系統主要在GJY-T-4A軌檢儀CAN總線上新增GPS數據采集節點，用于數據采集與傳輸。

3 硬件系統設計

本高速鐵路軌道靜態檢查系統的硬件主要包括兩部分，一是位于GPS控制網點的GPS數據采集系統;二是位于GJY-T-4A軌檢儀CAN總線節點上的的移動數據采集系統。

3.1 GPS數據采集系統的硬件設計。GPS控制網點的GPS數據采集系統的控制核心選用MSP430F149單片機。MSP430F149單片機具有16位RISC結構，12位A/D轉換器，滿足本系統數據采集的需求[3]。GPS數據采集系統的硬件主要包括天寶BD970 GPS模塊、GPRS通訊模塊、7.4V鋰電池電源系統、單片機最小系統、LCD液晶顯示器等。

GPS數據采集系統中MSP430F149單片機的最小系統主要由提供精準時鐘的時鐘電路，用于單片機復位的復位電路，用于修改和下載程序的BSL電路和調試電路等組成。

MSP430F149單片機與BD970 GPS模塊的工作電壓均為3.3V，所以MSP430F149與BD970板之間不需要電平轉換電路。GPS模塊上電時，為了限制電路電流，在GPS模塊電路中需要串聯300Ω電阻。為了減小電源輸入端的干擾，在BD970模塊VCC和GND引腳間連接100uF與0.1uF的并聯電容。BD970板的COM1_RX引腳與MSP430F149的UTXD0引腳相連，BD970板的COM1_TX引腳與MSP430F149的URXD0引腳相連。BD970板卡電路如圖1所示。

選用SIM300C作為GPRS無線通信模塊，SIM300C內嵌有TCP/IP協議，可使用AT指令進行控制，SIM300C內部有充電電路，被廣泛應用在由電池供電的電路中[4]。SIM300C GPRS模塊工作電壓為3.4V～4.5V，所以與MSP430F149單片機連接時，無需電平轉換。SIM300C的RXD、TXD引腳分別與MSP430F149的UTXD1、URXD1引腳相連。當SIM300C GPRS模塊僅用RXD、TXD通信時，RTS引腳通過連接470Ω電阻后接地。

3.2移動數據采集系統的硬件設計。GJY-T-4A軌道檢查儀具有高精度軌道內部幾何參數檢查基礎，所以移動數據采集系統是GJY-T-4A軌檢儀CAN總線上新增的數據采集節點，通過GPRS與上位機建立連接，在上位機進行數據分析與處理。為了保證數據的可靠傳輸，在上位機中加入SIM300C GPRS模塊連接，用于接收GPS傳來的GPS數據。

由于MSP430F149單片機無法驅動CAN總線，所以引入CAN驅動芯片，本系統選用SJA1000控制器作為CAN驅動芯片。為了實現電氣隔離CAN收發器選用CTM1050 CAN隔離收發器，可保護CAN總線。

4 軟件系統設計

基于GPS的高速鐵路軌道靜態檢查系統的軟件設計，以IAR Embedded Workbench編譯開發環境、C語言和AT指令為軌道檢查系統軟件設計的基礎。

4.1單片機主程序設計。MSP430F149單片機核心控制主要包括控制SIM300C GPRS與具有公網IP的服務器建立連接，實現數據傳輸，將GPS采集到的原始數據傳輸至單片機，單片機對GPS采集到的數據進行數據分析與處理，將采集到的數據通過無線通信傳送至上位機。

MSP430F149單片機主程序為軌檢系統上點后初始化，定義中斷、調用模塊函數等。

GPS數據采集程序在設計時需對單片機和串口初始化，根據天寶BD970 GPS模塊說明，向天寶BD970模式發出數據請求指令，BD970模式通過串口向單片機傳輸采集的原始數據[5]。

4.2 GPRS數據通信程序設計。本系統GPRS通信運用TCP/IP建立網絡，兩個GPRS的IP地址是移動的，兩個GPRS無法建立網絡連接，所以這里需要一個有公網IP地址的服務器作為中轉站。

首先GPS數據采集系統的單片機將采集到的原始數據通過串口發送到SIM300C模塊，然后傳送到服務器進行中轉。移動數據采集系統的單片機命令SIM300C無線通信模塊向服務器發送請求數據，服務器傳送數據到達SIM300C模塊，再通過串口傳送至上位機，對傳送的數據進行處理。

使用AT指令檢查SIM卡，確認是否網絡接通，然后運用AT+CCID指令初始化網絡，最后完成UDP連接。服務器進行socket接收程序，GPRS模塊發送UDP連接指令，如AT+CIPSTART="UDP"，"IP adress"，"port"，。建立連接后發送AT+CIPSEND指令發送數據，服務器響應接收數據，完成GPRS與服務器的數據傳輸。

5 總結

利用GPS技術，RTK技術和GPRS技術，通過對GJY-T-4A軌檢儀進行改進，在原有相對測量的基礎上，融合了絕對測量，從而構建新型高速鐵路軌道靜態檢查系統，可高精度、高效率的對高速鐵路軌道的幾何狀態進行實時檢測。

參考文獻：

[1]仲崇成，李恒奎，李鵬等. 高速綜合檢測列車綜述[J]. 中國鐵路，2013（6）：89-93.

[2]許婭婭. 全球定位系統（GPS）實時動態（RTK）技術在公路勘測設計中的應用研究[D].長安大學，2006.

[3]沈建華，楊艷琴. MSP430 系列單片機 16 位超低功耗單片機原理與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[4]SIM300C_HD_V3.05硬件手冊[EB/OL].

[5]Trimble BD970 GNSS Receive Module User Guide[EB/OL].