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(qiáng)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(jī)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(dú)特振動模式則通過持續(xù)運(yùn)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(yùn)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。基于矢量數(shù)學(xué)的算法和隨機(jī)方法相結(jié)合，可覆蓋兩個形貌數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)重要特征的計算。縱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(shí)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(yùn)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(yùn)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)。現(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(yùn)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(diǎn)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(jī)器中的測量設(shè)備中。

蘇黎世公共運(yùn)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(jī)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(diǎn)的維修機(jī)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(shí)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(diǎn)發(fā)送給由另一個Blackfin處理器控制的底部磨削機(jī)。

該磨削機(jī)總共由六個獨(dú)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(xiàng)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(yáng)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(jī)器中，機(jī)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(shí)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(kuò)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)例，通過采用下一代嵌入式解決方案，實(shí)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(yù)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。