在過(guò)去十年中,，鐵路和電車軌道的公共交通方式已經(jīng)越來(lái)越受到歡迎,，享受舒適與安全的乘客人數(shù)也在不斷攀升。由此,，更快的列車和更短的停站時(shí)間就顯得十分重要,。然而，這也使得鐵路和電車軌道一直承受著巨大的機(jī)械壓力,，部件的年久失修也會(huì)引發(fā)致命的危險(xiǎn),。因此，人們發(fā)明了一個(gè)新興的系統(tǒng)維護(hù)解決方案（見圖1）來(lái)支持鐵路和電車軌道的監(jiān)控與維修,。

在建造前,，新的鐵軌和電車軌道都會(huì)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的檢測(cè)要求來(lái)確保正確的軌道位置。然而,，建造完成后錯(cuò)誤難免,。（見圖2 ）這是因?yàn)檐囕喤c鐵軌間產(chǎn)生了機(jī)械接觸，這個(gè)與從列車底座延伸到鐵軌地下的動(dòng)態(tài)彈簧 - 質(zhì)量模件有關(guān),。鐵路工程標(biāo)準(zhǔn)明確了缺陷,，臨界參數(shù)和寬容窗口。此鐵軌維護(hù)計(jì)劃的目標(biāo)就是可接受范圍內(nèi)保有不規(guī)則性,。

軌距是指兩根軌道之間的距離,，它讓列車按“正弦曲線”方式運(yùn)行。這確保了車輪與鐵軌之間的不斷接觸運(yùn)行,，從而減少磨損,。地下發(fā)生變化會(huì)引起鐵軌傾斜，這些變化會(huì)造成列車車身抖動(dòng),。鐵軌表面不規(guī)則例如車轍和裂洞,，也有可能由引起鐵軌傾斜。因此當(dāng)列車進(jìn)出彎道時(shí),，有了系統(tǒng)傾斜側(cè)面圖的幫助可以降低對(duì)乘客的沖擊力,。合適的鐵軌間距可以降低列車高速運(yùn)行時(shí)發(fā)生碰撞的幾率。

鐵軌裂縫和破裂均屬于極其危險(xiǎn)的不規(guī)則,，它們可能造成類似脫軌的慘劇,。車轍不規(guī)則變化的典型波長(zhǎng)在20-100毫米之間,，當(dāng)其振幅超過(guò)0.05毫米時(shí)，列車運(yùn)行就會(huì)很噪雜,，但當(dāng)振幅到達(dá)0.3毫米峰值時(shí),，振動(dòng)就會(huì)對(duì)列車基座造成極大的損害。車轍往往沿著鐵軌出現(xiàn),，科學(xué)家們對(duì)它們的出現(xiàn)也持有不同意見,。旋轉(zhuǎn)中或飛馳中的車輪通常會(huì)引發(fā)一個(gè)個(gè)裂洞，它們符合數(shù)理方程多項(xiàng)式的規(guī)律并且會(huì)瞬間造成鐵軌的凹凸不平,。18米鐵路焊接接口會(huì)在一些陳舊鐵路上會(huì)造成規(guī)則的突起狀況,。

新建鐵軌的磁頭幾何結(jié)構(gòu)完全符合接觸面幾何的計(jì)算,，極大優(yōu)化了車輪在鐵軌交界處的運(yùn)行,。它的形狀由切線和具體半徑組成，使得車輪可以經(jīng)濟(jì)順利地按照安全的水平導(dǎo)引行駛,。

有針對(duì)性的系統(tǒng)鐵軌維護(hù)的主要要求是對(duì)鐵軌的現(xiàn)狀或者電車軌道網(wǎng)絡(luò)幾何十分熟悉（見圖2）,。掌握智能的計(jì)算策略可以讓我們對(duì)此有所了解，這個(gè)策略包含擁有準(zhǔn)確GPS定位的里程計(jì)算,，磁跡幾何,，路徑幾何，縱剖面圖以及截面圖,。我們使用移動(dòng)測(cè)量設(shè)備獲得了這些參數(shù),，制造完成了測(cè)量工具。在最終建造高級(jí)分析軟件前,，我們會(huì)使用模擬儀器Blackfin處理器來(lái)初始化并加工測(cè)量數(shù)據(jù),，最后，這個(gè)軟件可以用來(lái)在電子地圖（見圖3）上再分析以及明確定位測(cè)量數(shù)據(jù)和缺陷,。

使用精確到0.01毫米范圍的非接觸感應(yīng)傳感器原則我們便可測(cè)量軌距,。基于算法有限脈沖響應(yīng)低通濾波器抑制了高頻的噪音,，而隨后的移動(dòng)平均濾波器確保了將要不斷持續(xù)的“偽高峰”,。

對(duì)于傾斜感應(yīng)器我們采用了同樣的方法，操作起來(lái)像電子水位,，正負(fù)10度角度,，可精確到0.025度以下。因?yàn)槲锢碓淼年P(guān)系,，測(cè)試結(jié)果只在一定頻率范圍,，主要是在1赫茲以下準(zhǔn)確可靠。

測(cè)量道間距離需要一系列復(fù)雜及高計(jì)算要求的浮點(diǎn)算法,，最終它們可將相對(duì)簡(jiǎn)單的水平和垂直距離數(shù)據(jù)傳輸出去,。（見圖10）在Blackfin處理器的控制下，安裝在車輛側(cè)面的高準(zhǔn)度激光在1至5米得范圍內(nèi)左右5度地?fù)u晃著。在掃描部分的內(nèi)部,，相鄰鐵路的側(cè)面圖是低通濾波器和中值濾波器并從極坐標(biāo)圖轉(zhuǎn)換到直角坐標(biāo)系中去,。再采取矢量旋轉(zhuǎn)和重采樣等處理方法后，我們通過(guò)圖案配對(duì)算法將側(cè)面圖傳送出去,。目標(biāo)是在軌頭找出準(zhǔn)確的符合特殊幾何特征的矢量,。因?yàn)樵阼F軌中存在著許多障礙物如石頭和草，我們需要將這個(gè)矢量通過(guò) 可行性檢驗(yàn)器和追蹤算法以便提供可靠準(zhǔn)確的結(jié)果,，這些都在實(shí)時(shí)條件下的5赫茲循環(huán)中完成,。

高速渦流傳感器精確到微米，可以記錄鐵軌表面變化（見圖6）,。線性編碼器 通過(guò) 磁環(huán)來(lái)處理信號(hào),，它的作用是記錄里程并激活a/d感應(yīng)轉(zhuǎn)換器。信號(hào) 通過(guò) 裝有帶通拓樸的有限沖激響應(yīng)濾波器,，將光譜減少到特有的波長(zhǎng),。除了表面圖以外，我們還可以記錄下例如局部硬化和焊接點(diǎn)等冶金不規(guī)則,。

最先進(jìn)的激光科技可以不用接觸就準(zhǔn)確測(cè)量鐵路末端部分橫截面,。因?yàn)橛辛己玫臏?zhǔn)確率和捕捉速度，橫切激光或者激光“窗簾”（見圖4）都可以用來(lái)使用,，并實(shí)時(shí)線性化,，縮放和過(guò)濾原始圖。

幾年前,，為了分辨鐵軌的裂口和變化,，維修人員使用了許多不同的測(cè)量工具。但每一個(gè)方法只能用于記錄一條特定鐵路的缺陷,，這些方法幾乎缺少準(zhǔn)確性,，并且不可復(fù)制。如今,，一些技術(shù)方案供應(yīng)商如施密德工程公司將高級(jí)處理器科技和先進(jìn)的手段融入到了設(shè)計(jì)當(dāng)中,。這些方法在鐵路基礎(chǔ)行業(yè)中的使用使移動(dòng)和多功能鐵路測(cè)量工具更加精密。

鐵路監(jiān)測(cè)工具（見圖5）采用一流測(cè)量技術(shù)來(lái)同時(shí)確定鐵路側(cè)面圖,，凈空高,，軌距，傾斜,，深度和環(huán)境溫度,，并可在任何地方進(jìn)行監(jiān)測(cè)與記錄。所有的關(guān)鍵特性都可以當(dāng)場(chǎng)處理和目測(cè)結(jié)果,，并將其保存在移動(dòng)存儲(chǔ)器中,。當(dāng)操作員火車車輛沿著軌道拖動(dòng)RailSurf拖運(yùn)器（見圖7）時(shí),，鐵路監(jiān)測(cè)工具會(huì)不斷的監(jiān)控記錄縱向軌跡參數(shù)。它裝有有多個(gè)感應(yīng)器,，用來(lái)定位鐵路計(jì)算和傾斜中出現(xiàn)的問(wèn)題,，如波紋，裂洞和裂縫,。獲得的信息可以保留在移動(dòng)存儲(chǔ)器中,，或者無(wú)線傳送到操作人員的工作界面上。

作為這些測(cè)試工具的核心,，Blackfin處理器通過(guò)對(duì)電池操作提供動(dòng)態(tài)電源管理,，使得微控制單元和電子信號(hào)處理器得以聚合。微控制單元一般與可擴(kuò)展輸入輸出設(shè)備連接,，如激光掃描器,，模擬電子感應(yīng)器，鍵盤,，TFT屏幕,，電池/燃油表 和可移動(dòng)媒體,。數(shù)字信號(hào)處理器主要處理高級(jí)電子算法如濾波,，快速傅立葉轉(zhuǎn)換，判斷幾何誤差或完成其他高難度計(jì)算任務(wù),。ADI Blackfin處理器內(nèi)置NI LabVIEW模塊,，近來(lái)在圖形系統(tǒng)方面取得了一些最新發(fā)明，為Blackfin 處理器提供了直接的編程模型,，高質(zhì)量方框圖和數(shù)據(jù)流語(yǔ)言,。可現(xiàn)成使用的數(shù)學(xué)分析模塊和圖形多任務(wù)處理在電子嵌入式設(shè)計(jì)上提升到了一個(gè)新的高度,。

由五個(gè)相互關(guān)聯(lián)的Blackfin處理器驅(qū)動(dòng)的多功能車可以記錄長(zhǎng)達(dá)10公里的鐵路的軌道參數(shù),，擁有5毫米的點(diǎn)至點(diǎn)的分辨率。 Blackfin＃1處理器允許用戶通過(guò)鍵盤和兩個(gè)TFT顯示器交互,。 Blackfin＃2處理器則記錄高速軌道幾何形狀和縱剖面,，并將GPS信息嵌入到Blackfin＃3處理器接收到的測(cè)量數(shù)據(jù)中。連同Blackfin＃4處理器捕獲的橫截面,，所有的數(shù)據(jù)最終被分流到Blackfin＃5處理器中,，RAM中大量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)最終被保存到可移動(dòng)介質(zhì)上的二進(jìn)制文件的緩沖區(qū)中。

我們將所獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)輸入一個(gè)通用軟件平臺(tái),，它通過(guò)GPS定位和里程表信息將軌道幾何形狀,，縱剖面以及橫截面連在一起。這個(gè)平臺(tái)使用LabVIEW和LabVIEW工具包,，它的作用就是一個(gè)公共數(shù)據(jù)交換與分析池,。它能夠連接到各種測(cè)量設(shè)備,，車輛和維護(hù)機(jī)器上。測(cè)量過(guò)程中的智能過(guò)濾功能類似于X射線,，可以定位最為嚴(yán)重的的鐵路缺陷,。最終整個(gè)軌道的幾何形狀的測(cè)量結(jié)果由數(shù)字形式展示出來(lái)（見圖2）。這個(gè)重要的信息如今可直接用于鐵路維修,、更換等,。通過(guò)無(wú)線連接到外部數(shù)據(jù)庫(kù)和CAD軟件，最終數(shù)據(jù)記錄可以轉(zhuǎn)移到客戶的IT環(huán)境中,。

我們使用智能LabVIEW濾波器篩選縱向數(shù)據(jù),，找到目標(biāo)處的癥狀。通過(guò)FFT分析可以在縱剖面圖中尋找出有特征的波長(zhǎng)進(jìn)而發(fā)現(xiàn)起皺部分,。我們通過(guò)將測(cè)量出的側(cè)面圖與記憶形狀和機(jī)械輪軌接觸模擬進(jìn)行比較探測(cè)到裂洞,，。裂縫會(huì)呈現(xiàn)出顯著的突變,，因此我們區(qū)分移動(dòng)數(shù)據(jù)窗口就可以檢測(cè)到它們,。最終，連續(xù)運(yùn)行和評(píng)估分析模型我們可以在傾斜圖中定位出獨(dú)特的振動(dòng)模式,。

我們將檢測(cè)結(jié)果縱的癥狀傳輸?shù)较嚓P(guān)“超級(jí)算法” 中,。由此，我們可以從測(cè)得數(shù)據(jù)中進(jìn)一步減少信息量或者提取額外的有用信息,。舉例來(lái)說(shuō),，如果在鐵軌表面沒(méi)有的相關(guān)信號(hào)峰，單獨(dú)的傾向癥狀是毫無(wú)意義的,，并會(huì)被退回,。然而，在橫截面上顯示的縱向裂縫的明顯磨損,，可以觸發(fā)報(bào)警,。

評(píng)估鐵路截面的主要理念就是將被測(cè)圖與參考做比較。矢量和隨機(jī)兩個(gè)方法互相結(jié)合,，疊加兩個(gè)側(cè)面圖,，以獲得重要特征?？v向和垂直殘差可直接顯示磨損（見圖8）,。其它參數(shù)包括剩余的頭部高度，正確勻稱的軌道半徑（見圖9）或一個(gè)活躍的閉合交換機(jī)的間隔,。保持后者的公差是對(duì)確保通過(guò)交換機(jī)的高速列車沒(méi)有脫軌的危險(xiǎn)十分關(guān)鍵,。這就是為什么現(xiàn)在鐵路運(yùn)營(yíng)公司都專注于徹底地監(jiān)測(cè)交換機(jī)。

鐵路工程師們可以調(diào)整濾波器參數(shù)容限窗口,，提出那些“偽警告”,，選出真正顯著影響乘客舒適度與安全的軌軌缺陷

我們使用嵌入到定位缺陷的GPS數(shù)據(jù),，以定位它們?cè)跀?shù)字地圖上的位置（圖3）。這一地理信息增加了大量關(guān)于鐵路“熱點(diǎn)”的信息與新背景,，如小半徑曲線,，交換機(jī)，或車站,。我們使用LabVIEW的圖像處理功能來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)簡(jiǎn)單的地理信息系統(tǒng)（EASY -地理信息系統(tǒng)）?，F(xiàn)存感興趣的區(qū)域（例如，一個(gè)城市）的位圖被分解成單以拼貼圖,，并配有精確的地圖坐標(biāo),。當(dāng)鐵路工程師瀏覽缺陷時(shí)，LabVIEW也不斷的從硬盤驅(qū)動(dòng)器中加載拼貼圖,，傳輸?shù)絻?nèi)存中,，并組合成一張JPG圖片。此圖片接著被復(fù)制到LabVIEW的圖形繪制指示器中并用確切缺陷位置的數(shù)字光標(biāo)覆蓋,。

最后,，我們將結(jié)果轉(zhuǎn)換成高端應(yīng)用。為了作進(jìn)一步的分析,，我們可采用標(biāo)準(zhǔn)的CAD系統(tǒng)轉(zhuǎn)換主要缺陷如磨損和裂洞的幾何圖,。使用圖形交換格式（DXF）文件格式最終可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。

通過(guò)ActiveX數(shù)據(jù)對(duì)象（ADO）,，我們建立起外部數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)連接,，它使用通用數(shù)據(jù)鏈接（UDL）連接類型和路徑,。我們使用了一套高層次的虛擬儀器和數(shù)據(jù)平臺(tái)執(zhí)行最常見的數(shù)據(jù)庫(kù)任務(wù),，如處理表格和數(shù)據(jù)交換。

VAG紐倫堡運(yùn)輸合作在Microsoft Access數(shù)據(jù)庫(kù)中維持著一個(gè)預(yù)定義和關(guān)鍵位置的矩陣,，它是不斷的篩選,，變化的。一旦熱點(diǎn)超過(guò)容限窗口,，一個(gè)電子維修計(jì)劃就會(huì)被建立,，并部署在維修機(jī)器的測(cè)量設(shè)備上。

蘇黎世公共交通（VBZ）的維護(hù)理念依賴于一個(gè)內(nèi)置有Microsoft Access數(shù)據(jù)庫(kù)的商業(yè)地理信息系統(tǒng)工具,。鐵路路段,，車站，交換機(jī)等所有基礎(chǔ)設(shè)施都一一列出,，只要按下按鈕就可以在地圖上顯示整個(gè)城市的有軌電車網(wǎng)絡(luò),。類似紐倫堡，作為一個(gè)短期和長(zhǎng)期維護(hù)理念的重要組成部分VBZ的鐵軌狀態(tài)也時(shí)時(shí)受到監(jiān)控,。 通過(guò)ActiveX和NET機(jī)制,，LabVIEW平臺(tái)可以連接到這個(gè)地理信息系統(tǒng)工具上,。

從IT環(huán)境反饋產(chǎn)生的維修計(jì)劃作為質(zhì)量設(shè)置點(diǎn)被下載到維修機(jī)器中。通過(guò)用幾個(gè)重疊碾磨運(yùn)行 將鐵路返回到其原來(lái)的形狀,，雙Blackfin處理器結(jié)構(gòu)能快速系統(tǒng)的修復(fù)磨損或檢查鐵路,，支持整個(gè)的團(tuán)隊(duì)的運(yùn)作。Blackfin處理器提供了一個(gè)多功能鍵盤,，兩個(gè)TFT顯示器可以顯示鐵軌以及移動(dòng)存儲(chǔ)器,。兩個(gè)激光掃描儀連續(xù)捕獲20赫茲的交叉配置快照，用CAN網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)在線傳輸?shù)紺PU,。然后,，處理器計(jì)算偏差，將新的設(shè)定點(diǎn)傳送到由另一個(gè)Blackfin處理器控制得底層碾磨單位,。

碾磨單元由六個(gè)獨(dú)立的磨盆組成,。在靜壓的原則下，每個(gè)碾磨單位提供了3度自由空間,。起初,，磨盆會(huì)水平在軌頭的內(nèi)部，外部或中間移動(dòng),。然后,，它會(huì)旋轉(zhuǎn)偏差到最壞的情況，最終向下移動(dòng),，直到它觸及軌頭后開始移除材料,。 Blackfin處理器將PWM信號(hào)應(yīng)用到控制著靜流執(zhí)行器得閥門上便可以同時(shí)控制這18個(gè)操作。此外,，6個(gè)旋轉(zhuǎn)傳感器,，6個(gè)翻譯儀表，18個(gè)非接觸式位置開關(guān),，6個(gè)壓力傳感器在這個(gè)定位過(guò)程中連續(xù)受到監(jiān)測(cè),。使用傳統(tǒng)的方法需要花費(fèi)幾分鐘的時(shí)間，現(xiàn)在磨盆在幾秒鐘內(nèi)就可以自動(dòng)定位,。

最后,，磨盆開始移除多余的物質(zhì)（見圖11）。安全和堅(jiān)固的外殼可以將電子設(shè)備和傳感器從四處飛濺的火花,，過(guò)多的灰塵,，濕度和熱隔離開來(lái)。在碾磨過(guò)程后,，使用可移動(dòng)媒體,，通過(guò)在IT環(huán)境中加載數(shù)據(jù)，質(zhì)量就可得到保證,。

在下一階段的數(shù)字嵌入式設(shè)計(jì)中,，我們采取了一個(gè)系統(tǒng)的維修理念用于鐵路和有軌電車,。通過(guò)在一個(gè)中心點(diǎn)上利用低層次的鐵軌測(cè)量與控制及對(duì)高層次數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘與分析，我們?cè)O(shè)計(jì)出了一個(gè)最佳的成本效益的解決方案,。使用Blackfin處理器的可擴(kuò)展的表現(xiàn)與性能,，計(jì)量裝置和測(cè)量/維修車輛的能力已經(jīng)充分達(dá)到了苛刻的環(huán)境下的實(shí)時(shí)行為和堅(jiān)固性的要求。

我們?cè)谠O(shè)計(jì)中使用LabVIEW環(huán)境定位高層次的數(shù)據(jù)分析與可視化缺陷,。我們也使用LabVIEW來(lái)開發(fā)復(fù)雜的數(shù)學(xué)濾波器算法,，以應(yīng)對(duì)不同的網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與IT環(huán)境所涉及的連接挑戰(zhàn)。易于使用的LabVIEW再次推出了一個(gè)倍受矚目的的設(shè)計(jì),，展示了重用和重組的最佳可能性,。Blackfin中的LabVIEW嵌入式模塊為傳統(tǒng) ASM或ANSIC / C + +打開了范式轉(zhuǎn)變的算法的大門。隨著這項(xiàng)技術(shù)的革新,，現(xiàn)在它能夠優(yōu)化任何鐵路或電車系統(tǒng)的缺陷（裂縫）的位置,。所有缺陷數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在中央數(shù)據(jù)庫(kù)以備緊急修復(fù)之需或監(jiān)察。RailSurf測(cè)量拖運(yùn)器是移動(dòng)智能計(jì)量裝置的第一個(gè)范例,，它實(shí)現(xiàn)了一個(gè)快速,，環(huán)保，維修鐵路的嵌入式解決方案,。

Author Information:
Anders Norlin Frederiksen
Analog Devices/DK