绿色工程：改善公共铁路环境质量

"Blackfin处理器的LabVIEW内置模块近来在图形化系统设计方面取得了一些最新发明，为Blackfin处理器提供了直接的编程模型，高质量方框图和数据流语言。"

　　– Anders Norlin Frederiksen, Analog Devices/DK

The Challenge:

创建提高铁轨和电车轨道监管维护质量的方案

The Solution:

运用模拟装置Blackfin处理器与NI Labview软件，可准确安全存储所有测量及实地数据，方便使用，并且在更换铁轨时争取到更长的操作时间，促进公共交通服务更为经济，进一步改善。

在过去十年中，铁路和电车轨道的公共交通方式已经越来越受到欢迎，享受舒适与安全的乘客人数也在不断攀升。由此，更快的列车和更短的停站时间就显得十分重要。然而，这也使得铁路和电车轨道一直承受着巨大的机械压力，部件的年久失修也会引发致命的危险。因此，人们发明了一个新兴的系统维护解决方案(见图1)来支持铁路和电车轨道的监控与维修。

深入了解铁轨

在建造前，新的铁轨和电车轨道都会经过严格的检测要求来确保正确的轨道位置。然而，建造完成后错误难免。(见图2 )这是因为车轮与铁轨间产生了机械接触，这个与从列车底座延伸到铁轨地下的动态弹簧 - 质量模件有关。铁路工程标准明确了缺陷，临界参数和宽容窗口。此铁轨维护计划的目标就是可接受范围内保有不规则性。

铁轨轨道几何形位

轨距是指两根轨道之间的距离，它让列车按“正弦曲线”方式运行。这确保了车轮与铁轨之间的不断接触运行，从而减少磨损。地下发生变化会引起铁轨倾斜，这些变化会造成列车车身抖动。铁轨表面不规则例如车辙和裂洞，也有可能由引起铁轨倾斜。因此当列车进出弯道时，有了系统倾斜侧面图的帮助可以降低对乘客的冲击力。合适的铁轨间距可以降低列车高速运行时发生碰撞的几率。

纵剖面表面图

铁轨裂缝和破裂均属于极其危险的不规则，它们可能造成类似脱轨的惨剧。车辙不规则变化的典型波长在20-100毫米之间，当其振幅超过0.05毫米时，列车运行就会很噪杂，但当振幅到达0.3毫米峰值时，振动就会对列车基座造成极大的损害。车辙往往沿着铁轨出现，科学家们对它们的出现也持有不同意见。旋转中或飞驰中的车轮通常会引发一个个裂洞，它们符合数理方程多项式的规律并且会瞬间造成铁轨的凹凸不平。18米铁路焊接接口会在一些陈旧铁路上会造成规则的突起状况。

横截面图

新建铁轨的磁头几何结构完全符合接触面几何的计算，极大优化了车轮在铁轨交界处的运行。它的形状由切线和具体半径组成，使得车轮可以经济顺利地按照安全的水平导引行驶。

测量铁轨

有针对性的系统铁轨维护的主要要求是对铁轨的现状或者电车轨道网络几何十分熟悉(见图2)。掌握智能的计算策略可以让我们对此有所了解，这个策略包含拥有准确GPS定位的里程计算，磁迹几何，路径几何，纵剖面图以及截面图。我们使用移动测量设备获得了这些参数，制造完成了测量工具。在最终建造高级分析软件前，我们会使用模拟仪器Blackfin处理器来初始化并加工测量数据，最后，这个软件可以用来在电子地图(见图3)上再分析以及明确定位测量数据和缺陷。

磁迹几何

使用精确到0.01毫米范围的非接触感应传感器原则我们便可测量轨距。基于算法有限脉冲响应低通滤波器抑制了高频的噪音，而随后的移动平均滤波器确保了将要不断持续的“伪高峰”。

对于倾斜感应器我们采用了同样的方法，操作起来像电子水位，正负10度角度，可精确到0.025度以下。因为物理原理的关系，测试结果只在一定频率范围，主要是在1赫兹以下准确可靠。

测量道间距离需要一系列复杂及高计算要求的浮点算法，最终它们可将相对简单的水平和垂直距离数据传输出去。(见图10)在Blackfin处理器的控制下，安装在车辆侧面的高准度激光在1至5米得范围内左右5度地摇晃着。在扫描部分的内部，相邻铁路的侧面图是低通滤波器和中值滤波器并从极坐标图转换到直角坐标系中去。再采取矢量旋转和重采样等处理方法后，我们通过图案配对算法将侧面图传送出去。目标是在轨头找出准确的符合特殊几何特征的矢量。因为在铁轨中存在着许多障碍物如石头和草，我们需要将这个矢量通过 可行性检验器和追踪算法以便提供可靠准确的结果，这些都在实时条件下的5赫兹循环中完成。

纵剖面图

高速涡流传感器精确到微米，可以记录铁轨表面变化(见图6)。线性编码器 通过 磁环来处理信号，它的作用是记录里程并激活a/d感应转换器。信号 通过 装有带通拓朴的有限冲激响应滤波器，将光谱减少到特有的波长