動態電子軌道衡系統分析與實現

夏 淇

（中國鐵路武漢局集團有限公司貨運部，湖北 武漢 430071）

1 概述

軌道衡技術在短短三十年間發展迅速，從斷軌到不斷軌、靜態計量到動態計量、低速軌道衡到高速軌道衡、單一計量的軌道衡到多功能的軌道衡、高誤差到精確度高、人工操作到無人值守。未來的軌道衡發展趨勢是軌道衡網絡化、信息化、多種功能集合，本文主要將通過對高速軌道理論和采樣數據實時處理技術的學習研究，以及對現有軌道稱重計量系統的考察學習，構建了一個以高速動態稱重、車號識別、數據管理、無人值守、超載檢測（預警）、遠程視頻監控的動態電子軌道衡系統。旨在為提高鐵路計量、維護、安全的工作效率，為安全高效的鐵路系統提供科學、合理和現代化的發展建議和理論指導。

2 動態電子軌道衡稱重方案的確定

目前國內軌道衡的稱重方案以力學上的稱重為主，分別采用正應力、彎矩、剪力三種方法。動態電子軌道衡稱重方案可以根據三個方案對重量分析得出結論：正應力基坑型不能擺脫由于基礎建設復雜的工序和技術限制而造成精度下降的局限，盡管傳感器在某種程度上能達到0.2 以上的水平。但系統設備施工困難，且不能避免車輛前后對稱重區域的彈性體應變影響，而稱重偏載量測得誤差大，不利于鐵道貨運計量統計，因此不適合動態電子軌道稱量需要；而基于sneed 橋稱重原則的軌道衡，具有無秤臺、不基坑等優點，大大降低了生產成本和裝修費用，但鐵路貨場的惡劣軌枕基礎條件，以及鄰軸與鄰軌之間的影響，加上相鄰枕跨距短的局限因素，所以精度比常規的軌道衡低。表1 為三種計量類型的優缺點。

通過上述分析，剪力式動態軌道重量方案，省去了整個基坑、道床，遠離鋼軌魚尾板連接區的不斷軌技術，是符合動態電子軌道重量系統要求的首選。由于其抗偏載性能，抗不受臨軸及軌道的影響，該特性保證了安裝高可靠度，而且設備簡單，體積小，重量輕，便于安裝及標定。特別是，在不換軌道的情況下，本文所采用的剪力傳感器可以使系統的精度達到0.5 級以上，這是其它同類軌道衡不能達到的，另外加上采用壓力傳感器與剪力傳感器相配合，形成了1w2s 的數據采集通道，可以使電子軌道的動態衡精度，采樣頻率和性能均有所提高。因此，本文采用剪力結合壓力傳感器為本系統計量的方案。

表1 三種計量類型的優缺點

3 動態電子軌道衡系統的硬件設計

3.1 硬件系統的總體設計

動態電子軌道衡硬件系統組成部分如下：

電源系統電路。電源的要求是220v 交流，輸出需滿足多種直流（±10v，±12v，±5v，±3v）等等。滿足傳感器，放大電路，A/D 轉換電路，以及接口線路的供電。在傳感器中偏載傳感器件的選擇非常重要，偏載傳感器直接關系決定了車輛測量時的精度，傳感器主要分為兩種：軌道超載系統的室外軌道平臺兩端分別安裝有重力傳感器和剪切傳感器，兩種傳感器各4 個，利用二力合成的原理對需要測量車輛進行車輛重量精度信息、發生超載時的偏量精度信息、列車運行方向精度信息等，這一部分是軌道整體偏載系統設計中的一個關鍵組成部分。

放大電路。在軌道衡系統中傳感器的輸出信號是十分微弱的，這時就需要放大電路對來自傳感器的輸出信號進行放大處理，進而可對放大后的信號進行分析處理。

A/D 轉換電路。放大電路的作用是放大與濾波傳感器傳輸的信號，經過放大電路后的信號下一步將由A/D轉換電路進行處理。經過放大電路處理后的信號是模擬信號，但是計算機能夠處理的信號是數字信號，所以A/D轉換電路在此過程的作用就是將來自傳感器的模擬信號轉換成計算機可以處理的數字信號。A/D 轉換芯片的位元數影響處理精度，一般建議使用16 位作為A/D 位數轉換器的芯片。

列車在過衡時，由傳感器收集原來的信號，傳送到數據采集器，經放大、濾波和a/d 采樣，經控制器輸送到計算機，由軌道衡測量軟件再對數字信號進行處理，然后對管理工作進行顯示和打印。圖1 為動態電子軌道衡硬件系統的總體設計圖。

圖1 動態電子軌道衡硬件系統的總體設計圖

3.2 硬件系統設計的實現

根據我國軌道衡的不斷優化稱重計算原則，將測量傳感器對其輸出的模擬信號進行放大，濾波后再通過某種A/D 信號轉換方式產生模擬數字信號，再通過某種傳輸方式將數據分析和測量運算結果傳輸傳送至處理器，最終可以得到超載重量計算結果和其他相關超載重量信號。

動態電子軌道衡是根據二力合成的原理，由壓力傳感器收集波形和剪力傳感器收集波狀信號的合成訊號，稱為重信息。剪力傳感器安裝于稱重軌的腰部，負責收集通過重軌列車產生的阻力變形信號。檢測車輛在通過系統過程中首先會通過剪力傳感器，當車輪尚未達到重傳感器的稱重時，剪力傳感器輸出負值，隨著車輪與剪力傳感器距離減小，傳感器輸出值也不斷減小，到達正上方剪力信號的瞬間為零；隨著檢測車輛繼續前行，剪力信號變成了正的最大值，車輪在兩端剪力傳感器不同的位置上連續作用，彼此疊加時表現出不斷的動態波狀。

當軌道衡上有檢測車輛通過時，壓力傳感器收集的信號在秤臺上作用，由于列車重量部分在秤臺外的過渡區域，壓力傳感器所輸出的波形已不再明顯跳變，而是持續不斷地正弦波形，當車輪處于兩個傳感器的中心時，壓力信號最大值達到，因此，壓力傳感器發出的信號值是衰減后的。但重力信號損失僅僅是由于重軌阻尼變形所致，而安裝在重軌的腰部剪力傳感器則收到阻尼變形信號。剪力傳感器的輸出信號與壓力傳感器的輸出信號在一定程度上放大，合成信號與軌道衡非常接近的方波躍信號，這種合成訊號被視為重信號來計算。這就解決了不斷軌道動態電子軌道衡壓力信號的衰減問題。

4 動態電子軌道衡系統的軟件設計

4.1 軟件的總體設計

動態電子軌道衡稱重軟件設計的目標是：能實時顯示波形、重量、速度、車號、皮重、載重、攝像畫面，自動存盤。能識別過衡方向，根據方向選擇相應系數。調試檢測功能齊全。故障自檢能檢測到任意一只傳感器，并有報警功能。具有遠程維護調試功能。管理功能強大，報表豐富。

4.2 軟件設計的實現

在軌道衡重量系統中，軟件部分的實現體現在應用了MATLAB 等軟件，通過計算機軟件對傳輸來的數據進行采集與計算，這一過程中需要實現汽車上衡自動檢測，列車車型判斷、數字濾波，列車重量計算和超偏載判斷等。稱重系統的最終實現功能是：列車在沒有停止運行的情況下通過軌道衡系統時，計算機自主控制實現對列車進行自動測量、自動稱量、單節重、整車的重量、計算火車節數的功能操作，最終打印保存。軌道衡軟件系統的功能設置如圖2 所示。

圖2 軌道衡軟件系統的功能設置

4.3 動態電子軌道衡稱重軟件的流程

傳感器收集到的模擬差分信號x（t），通過A/D 轉換器，將準差信號從數據采集通道轉換成相應的數字信號x（n），并輸入控制器，將數字信號 x（n）輸入，控制器將數字信號x（n）通過網絡傳送至計算機，數字信號x（n），在計算機上通過MATLAB 等軟件，要完成車輛上衡自動檢查、車型分辨、數字濾波、重量測定和超偏載判斷等算法。如圖3 是動態稱重系統的算法設計流程圖。

圖3 動態軌道衡稱重系統的算法流程圖

通過網口傳送到計算機上的數字信號x（n）先經濾波，當采樣數據已經超過x 個時，此時認為采樣數據量已經達到要求，可進行下一步的處理，x 的取值來自于經驗數據，在這里將其值設置為1024。當傳輸過來的采樣數據出現跳變時，如果跳變值超過“門檻”，則判斷車輛已經達到了衡量。隨后對生成的波形進行分析，根據車頭與車廂的數據特征差異，辨別是車頭還是頭部，如果將車頭移除，接下來依據累計零稱的長度判斷列車數據段的確切位置，零稱時間前推為車廂前轉向架波形，后推為車頭波形，通過最后兩轉向架的重量可以得出整車的重量，根據波狀圖還可以得到列車速度、列車載貨重量等數據，進而對下一車廂進行測量。如果零城稱時間長度大于所預設的一個值，表示檢測車輛完成通過，完成稱重過程，然后退出計算，進行文件訪問、結果打印等操作。

4.4 計量數據網絡共享

計算機移動網絡通信技術的不斷發展，使用于軌道衡系統輸出的多個附加測量數據同時能夠通過一個網絡管理中心的一個服務器從軌道衡檢測系統進行下載，也就是可通過一個網絡將其他終端的附加數據同時傳送連接到軌道衡檢測系統，從而大大降低了用于軌道衡系統輸出的附加數據在移動計算機網絡中的錯誤錄入，提高了附加數據傳輸準確度；同時，軌道衡檢測系統還同時可以通過一個網絡向其他終端用戶傳送附加稱重的測量數據，或者將其數據傳送連接到一個網絡管理中心的一個服務器，也就是通過一個網絡中心來直接實現通過軌道衡系統檢測和傳送附加的測量數據以及資源信息分享和數據管理。

系統采用了C/S 與B/S 架構。軌道衡重數據采集和自動儲存采用C/S 模式，使用內聯網技術組成本地局域網，計算機采集軌道衡重數據，并將采集數據自動儲存到本地，同時通過網絡，在總部的信息中心服務器上同步儲存，以便遠程數據的瀏覽、詢問和統計。數據采集端使用C/S 模式，可以保證對處理復雜事物的響應快、邏輯性強，數據訪問準確和可靠性等要求進行控制。稱重現場以外的余下部分，采用B/S 模式設計的網絡重管理系統。C/S 和多端統計軟件的主要統計功能內容包括：統計實時重要統稱數據處理，包括：衡器參數設置，稱重統計數據采集，顯示、儲存和數據上傳，B/S 端統計軟件主要的統計功能內容包括：統計下發實時重稱數據計劃（與本地數據處理中心端或服務器數據同步的本地統計數據），統計數據分析，報表統計打印等等。網絡軌道衡稱重管理系統功能模塊如圖4 所示。

圖4 網絡化軌道衡稱重管理系統功能模塊

5 結論

本文的研究工作初步探討了動態電子軌道衡的理論實現問題，根據力學理論，分析了影響軌道衡稱重系統的計量精度和穩定性的因素，提出了具體的改進措施，實施后效果良好。設計了軌道衡計量數據的網絡共享、數據上傳等技術方案，為網絡化的軌道衡網絡化改造提供了參考依據和技術實施方案。