以更低的成本和更高的安全性來維護(hù)公共鐵軌

采用智能而強大的LabVIEW濾波器查找缺陷

智能的LabVIEW濾波器審查縱向數(shù)據(jù)以找到有意義的癥狀。起伏數(shù)據(jù)則通過快速傅里葉變換( FFT )分析進(jìn)行檢測，以便監(jiān)視縱向形貌的特征波長。通過比較被測形貌與事先存儲的圖案以及對鐵軌與車輪機械接觸的仿真來跟蹤。裂縫呈現(xiàn)出顯著的瞬變特性，因此可以通過區(qū)分移動數(shù)據(jù)窗口來發(fā)現(xiàn)。而傾角形貌的獨特振動模式則通過持續(xù)運行和評估的分析模型來進(jìn)行定位。

由此產(chǎn)生的癥狀信息也被輸入到相關(guān)“超級算法”中進(jìn)行運算。在這里，信息或者被進(jìn)一步減少，或者從被測數(shù)據(jù)中提取出額外的高層次信息。例如，一個傾斜指示數(shù)據(jù)如果沒有輔以鐵軌表面的相關(guān)信號峰值，就被解釋為毫無意義而丟棄。另一方面，指示出明顯磨損和縱向裂縫的橫截面形貌數(shù)據(jù)將觸發(fā)一次告警。

用于鐵軌橫截面評估的主要技術(shù)是將被測數(shù)據(jù)與參考基準(zhǔn)進(jìn)行比較?；谑噶繑?shù)學(xué)的算法和隨機方法相結(jié)合，可覆蓋兩個形貌數(shù)據(jù)，實現(xiàn)重要特征的計算?？v向和垂直偏差直接指明磨損情況(圖9)。

圖9：智能橫截面分析算法充分利用Blackfin處理器的速度和性能，可在現(xiàn)場實時地揭示不規(guī)則之處。

其它參數(shù)包括剩余頭端高度、準(zhǔn)確而工整的軌道半徑(圖10)，或者有源、封閉式軌道道岔的間隔。保持在道岔容差范圍內(nèi)是一個關(guān)鍵需求，這可避免高速列車經(jīng)過道岔時脫軌的危險性。鐵路運營公司負(fù)責(zé)對這些道岔進(jìn)行監(jiān)控。

圖10：確定軌道半徑需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)函數(shù)。

鐵路工程師們可以調(diào)整濾波器參數(shù)容限窗口，以便將“偽報警”與顯著影響乘客舒適度和運輸安全性的真正的鐵軌缺陷分隔開。

在數(shù)字地圖上查明缺陷

內(nèi)嵌在數(shù)據(jù)中的GPS信息有助于在數(shù)字地圖上查明被定位的缺陷。這一地理信息增加了有關(guān)鐵路熱點位置的重要知識和新的環(huán)境信息，如大幅度的彎道、道岔和車站。這種“Easy-GIS”地理信息系統(tǒng)已通過LabVIEW的圖像處理功能得到實現(xiàn)?，F(xiàn)存的重要區(qū)域位圖，例如一座城市，被細(xì)分為一個個單一區(qū)塊，每個區(qū)塊都有精確的地圖坐標(biāo)。當(dāng)鐵路工程師查看一系列缺陷時，LabVIEW從硬盤向內(nèi)存中不斷加載相應(yīng)的區(qū)塊并將它們組合成單個JPEG圖片。然后此圖片被復(fù)制到LabVIEW曲線圖表指示器內(nèi)，并用數(shù)字光標(biāo)準(zhǔn)確地指向到缺陷的位置。

將結(jié)果分發(fā)給其它應(yīng)用程序

數(shù)據(jù)結(jié)果最后被轉(zhuǎn)移到更高級別的應(yīng)用程序中。諸如磨損和孔洞等關(guān)鍵缺陷的幾何形貌數(shù)據(jù)可以輸入標(biāo)準(zhǔn)的CAD系統(tǒng)中進(jìn)行進(jìn)一步的分析。這里采用的是Drawing-eXchange(文件)格式(DXF)。

與外部數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的連接通過ActiveX數(shù)據(jù)對象(ADO)建立的，它使用通用數(shù)據(jù)鏈接(UDL)連接類型和路徑。一套高層次的虛擬儀器(VI)使數(shù)據(jù)平臺能執(zhí)行最常見的數(shù)據(jù)庫任務(wù)，如尋址表格和數(shù)據(jù)交換。

VAG紐倫堡運輸公司采用一個Microsoft Access數(shù)據(jù)庫中來維護(hù)一個關(guān)鍵的預(yù)定義位置數(shù)據(jù)矩陣，該數(shù)據(jù)庫隨參數(shù)變化而不斷刷新。某些鐵路熱點一旦超過容限范圍，系統(tǒng)就會創(chuàng)建一個電子維修計劃并配置到維修機器中的測量設(shè)備中。

蘇黎世公共運輸公司(Verkehrsbetriebe Zürich，VBZ)的維護(hù)理念依靠一種帶有內(nèi)置MS Access數(shù)據(jù)庫的商業(yè)地理信息系統(tǒng)工具。只要按一個按鈕，所有基礎(chǔ)設(shè)施，包括鐵路區(qū)段、車站、道岔等都會被列出，并能在一幅代表城市整個有軌電車網(wǎng)絡(luò)的地圖中可視化顯示。和紐倫堡的例子一樣，作為短期和長期維護(hù)理念的重要組成部分，鐵軌的狀態(tài)也被連續(xù)監(jiān)測。LabVIEW平臺借助ActiveX和NET機制與這個地理信息系統(tǒng)工具連接。

解決問題

從IT環(huán)境反饋的維修計劃被下載到作為質(zhì)量設(shè)置點的維修機器中。兩個Blackfin處理器支持維護(hù)團(tuán)隊迅速而系統(tǒng)地維修已磨損或存在缺陷的鐵軌區(qū)段，通過若干次磨削使鐵軌恢復(fù)其原來的形貌。

其中一個Blackfin處理器“掌管”多功能鍵盤、顯示鐵軌情況的兩個TFT液晶顯示器和移動存儲器。兩個激光掃描儀以20Hz的頻率連續(xù)捕獲瞬態(tài)橫截面信息，并通過CAN(控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò))將數(shù)據(jù)實時傳送給CPU。該處理器還負(fù)責(zé)計算與參考數(shù)據(jù)的偏差，將新的維修點發(fā)送給由另一個Blackfin處理器控制的底部磨削機。

該磨削機總共由六個獨立的磨削柱構(gòu)成。每個磨削柱所帶的基于流體靜力學(xué)的執(zhí)行部件擁有于有三個自由度：首先是在鐵軌頭端的內(nèi)部、外部或中間橫向移動；然后，針對最壞情況的偏差進(jìn)行旋轉(zhuǎn)磨削；最后下移直至觸碰到鐵軌頭端，就開始磨削。Blackfin處理器對這18項動作進(jìn)行同步控制，采用脈寬調(diào)制(PWM)信號來驅(qū)動閥門以便控制液壓執(zhí)行部件。此外，在此定位過程中，6個旋轉(zhuǎn)傳感器、6個轉(zhuǎn)換測量儀、18個非接觸式位置開關(guān)、6個壓力傳感器持續(xù)受到監(jiān)測。這一過程使用傳統(tǒng)的方法需要幾分鐘，而現(xiàn)在磨削柱可在幾秒鐘內(nèi)自動放置。

最后，磨削柱開始打磨多余的材料(圖11 )。安全和堅固的外殼保護(hù)電子電路和傳感器免受四處飛濺的火花、揚起的灰塵、濕氣和熱氣的影響。

圖11：電子維修計劃被配置到維修機器中，機器在鐵軌上用磨削的方式解決缺陷問題。

經(jīng)過磨削過程后，通過將一套形貌測量數(shù)據(jù)加載回使用移動存儲介質(zhì)的IT環(huán)境，質(zhì)量得到保證。

結(jié)束語

鐵路和有軌電車的系統(tǒng)維護(hù)理念通過采用數(shù)字嵌入式設(shè)計被帶入一個新階段。在軌道上利用低層次的測量與控制技術(shù)，在中央定位系統(tǒng)采用高層次的數(shù)據(jù)挖掘和分析技術(shù)，就可實現(xiàn)軌道維護(hù)的最理想和具有成本效益的集成解決方案。

利用性能和功能可擴展的Blackfin處理器，基于上述測量/維護(hù)理念的測量設(shè)備和車輛已能達(dá)到軌道固有惡劣環(huán)境所要求的關(guān)鍵的實時性能和可靠性。

缺陷的定位，這種設(shè)計的高層次數(shù)據(jù)分析和可視化所需要的故障定位已可在LabVIEW環(huán)境下實現(xiàn)，不僅可開發(fā)復(fù)雜的數(shù)學(xué)濾波器算法，而且還能滿足將現(xiàn)場設(shè)備與IT環(huán)境聯(lián)網(wǎng)所帶來的各種不同的連接性挑戰(zhàn)。簡單易用的LabVIEW再一次實現(xiàn)了具有最佳復(fù)用和重構(gòu)可能性的高端設(shè)計。

LabVIEW嵌入式技術(shù)，特別是當(dāng)專門與Blackfin處理器配合使用時，現(xiàn)在為以往用ASM或C / C + +語言編寫的算法打開了范例轉(zhuǎn)移的大門。通過技術(shù)的變化，現(xiàn)在有可能像本文的案例一樣在任何鐵路或有軌電車系統(tǒng)實現(xiàn)故障(主要是裂縫)定位過程的優(yōu)化。任何故障的所有數(shù)據(jù)儲存在中央數(shù)據(jù)庫，便于立即維復(fù)或者用于監(jiān)控。RailSurf測量雪橇車是第一個移動和智能測量設(shè)備應(yīng)用實例，通過采用下一代嵌入式解決方案，實現(xiàn)了快速、環(huán)保和具有成本效益的維護(hù)理念。

作者簡介

Anders Norlin Frederiksen[anders.frederiksen@analog.com]于1994年獲得丹麥技術(shù)大學(xué)榮譽電子工程學(xué)士學(xué)位(BScEE)，并于1995-1997年間擔(dān)任該大學(xué)的助理教授。他于1998年加入ADI公司馬薩諸塞州諾伍德電力電子和控制部門，擔(dān)任系統(tǒng)工程師一職。此后他曾在ADI擔(dān)任過幾個不同職務(wù)，目前職位是全球工業(yè)行銷經(jīng)理。

Marco Schmid[marco@schmid-engineering.ch]是瑞士Schmid Engineering公司的一名高級工程師。1993年獲得系統(tǒng)科學(xué)工程技術(shù)碩士學(xué)位后開始從事DSP硬件和軟件開發(fā)工作。自1997年以來，作為這家活躍的國際嵌入式系統(tǒng)解決方案提供商的領(lǐng)導(dǎo)者，他專注于研究基于微處理器的系統(tǒng)集成和高層次圖形化系統(tǒng)設(shè)計。