铁路轨道参数检测及其数据处理技术研究
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摘要
由于我国铁路运输向高速、重载方向发展，必然对轨道结构提出更高的要求，因此加强对轨道参数的检测和养护，对铁路现代化建设有着深远的意义。本文运用计算机技术和智能仪器的设计思想，研究开发了一种便携式、高精度的智能轨道参数检测系统。
在分析检测系统原理和设计系统硬件电路的基础上。采用分段校准和模式搜索相结合的方法对涡流传感器的工作直线进行拟合，将该传感器的测量线性度从1％提高到0.1％，该方法可以让中等精度的涡流传感器进行高精度的测量，大大降低了系统的设计成本。通过设计数据预处理算法，消除了钢轨焊缝、错牙和侧磨对检测数据精度的影响。
为了推算一定弦长的轨向和高低不平顺值，建立了叠加法、总偏角和坐标旋转三种数学模型，并从检测精度和应用背景两方面对模型进行了比较。根据轨道线性变化规律，建立了轨向和高低理论值的计算数学模型，推导出了轨道各点不平顺偏差值的计算公式。在捣固车的拨道应用方面，提出了利用检测系统偏差值修正其残留偏差的方法。
在线路评估中，为了利用轨道不平顺检测数据，分析了利用功率谱密度描述轨道不平顺统计特性的线路质量评估方法，采用改进的周期图估计法对检测系统的不平顺数据样本进行了功率谱分析，由谱图可以直观地看出轨道不平顺幅值和波长的分布规律。
利用串口通信技术、多线程程序设计技术以及COM技术，开发了检测系统的数据分析处理软件，解决了数据读取速度慢和屏幕闪烁等关键问题。试验结果表明该系统测量精度高、重复性好，完全可以满足现场测量要求。
With the development of Chinese high-speed and heavy-haulrailway transportation, the track structure is more important. Reinforcingtrack parameter detection has far-reaching significance to themodernization of railway construction. In this paper, based on computertechnologies and design principle of intelligent instruments, a portableintelligent track parameter detection system with high precision isdesigned.
Based on the analysis of system principle and the design of thehardware circuits, the pattern search method combined with the segmentcalibration is applied to fit a working line for a backset sensor, whichimproves sensor non-linearity from 1％to 0.1％. Therefore, ahigh-accuracy measurement is carried out with medium precision sensors,which can reduce greatly the cost of system design. By the datapreprocessing algorithms, the effects of railway welding line, staggerteeth and abrasion to detection precision can be eliminated.
To calculate a certain chord of track smooth and rough value, thesuperposition, total angle rotation and coordinate rotation mathematicalmodels are set up, and the models are compared from the aspects ofdetection precision and the application background. Based on the law oftrack linear variety, the mathematical model of the railway theoreticalvalue is established, and the formula of the track deviation value isderived. In the application of the tamp vehicle track-dialing, the approachof using system deviation to amend its rudimental warp is presented.
In the track evaluation, in order to utlize the detection data, theapproach based on the power spectral density in the track evaluation isanalyzed. The detection system irregularity data sample is analyzed withthe improved cycle map estimation. From the power spectrum figure, thedistribution rule of the track irregularity amplitude and wavelength areclearly found out.
With serial communication technologies, multithread programmingtechniques and COM technologies, the data processing software of thedetection system is developed. Some key problems are solved, such as thedata-read slow and screen flickered. The experiments results show thatthe system has many features, including high precision, goodrepeatability, and it can satisfy the requirements on the spot.
在分析检测系统原理和设计系统硬件电路的基础上。采用分段校准和模式搜索相结合的方法对涡流传感器的工作直线进行拟合，将该传感器的测量线性度从1％提高到0.1％，该方法可以让中等精度的涡流传感器进行高精度的测量，大大降低了系统的设计成本。通过设计数据预处理算法，消除了钢轨焊缝、错牙和侧磨对检测数据精度的影响。
为了推算一定弦长的轨向和高低不平顺值，建立了叠加法、总偏角和坐标旋转三种数学模型，并从检测精度和应用背景两方面对模型进行了比较。根据轨道线性变化规律，建立了轨向和高低理论值的计算数学模型，推导出了轨道各点不平顺偏差值的计算公式。在捣固车的拨道应用方面，提出了利用检测系统偏差值修正其残留偏差的方法。
在线路评估中，为了利用轨道不平顺检测数据，分析了利用功率谱密度描述轨道不平顺统计特性的线路质量评估方法，采用改进的周期图估计法对检测系统的不平顺数据样本进行了功率谱分析，由谱图可以直观地看出轨道不平顺幅值和波长的分布规律。
利用串口通信技术、多线程程序设计技术以及COM技术，开发了检测系统的数据分析处理软件，解决了数据读取速度慢和屏幕闪烁等关键问题。试验结果表明该系统测量精度高、重复性好，完全可以满足现场测量要求。
With the development of Chinese high-speed and heavy-haulrailway transportation, the track structure is more important. Reinforcingtrack parameter detection has far-reaching significance to themodernization of railway construction. In this paper, based on computertechnologies and design principle of intelligent instruments, a portableintelligent track parameter detection system with high precision isdesigned.
Based on the analysis of system principle and the design of thehardware circuits, the pattern search method combined with the segmentcalibration is applied to fit a working line for a backset sensor, whichimproves sensor non-linearity from 1％to 0.1％. Therefore, ahigh-accuracy measurement is carried out with medium precision sensors,which can reduce greatly the cost of system design. By the datapreprocessing algorithms, the effects of railway welding line, staggerteeth and abrasion to detection precision can be eliminated.
To calculate a certain chord of track smooth and rough value, thesuperposition, total angle rotation and coordinate rotation mathematicalmodels are set up, and the models are compared from the aspects ofdetection precision and the application background. Based on the law oftrack linear variety, the mathematical model of the railway theoreticalvalue is established, and the formula of the track deviation value isderived. In the application of the tamp vehicle track-dialing, the approachof using system deviation to amend its rudimental warp is presented.
In the track evaluation, in order to utlize the detection data, theapproach based on the power spectral density in the track evaluation isanalyzed. The detection system irregularity data sample is analyzed withthe improved cycle map estimation. From the power spectrum figure, thedistribution rule of the track irregularity amplitude and wavelength areclearly found out.
With serial communication technologies, multithread programmingtechniques and COM technologies, the data processing software of thedetection system is developed. Some key problems are solved, such as thedata-read slow and screen flickered. The experiments results show thatthe system has many features, including high precision, goodrepeatability, and it can satisfy the requirements on the spot.
引文
[1] 刘振铎，童夏根，高鹤江等．线路业务[M]．北京：中国铁道出版社，1998
[2] 铁道部工务局，铁路工务技术手册[M]．北京：中国铁道版社，1998
[3] 张未．GJ-4型轨道检查车的原理与应用[M]．北京：中国铁道出版社，2001
[4] 杨欣荣．智能仪器原理、设计与发展[M]．长沙：中南大学出版社，2003
[5] 沈兰荪．智能仪器与信号处理技术[M]．合肥：中国科学技术大学出版社，1990
[6] 申国祥．铁路轨道[M]．北京：中国铁道出版社，1996
[7] 袁希光．传感器技术手册[M]．北京：国防工业出版社，1986
[8] 吴双卿，王泽勇，高晓蓉．倾角传感器检测轨道不平顺状态[J]．铁道标准设计，2004(12)：22-25
[9] Terry K. T-10 Track Geometry Measuement System[J]. ENSCO.INC, 1998, 23(9): 97-101
[10] 邬宽明．单片机外围器件实用手册[M]．北京：北京航空航天大学出版社，1999
[11] 赵茂泰．智能仪器原理及应用[M]．北京：电子工业出版社，1999
[12] Analog Devices Inc. 3V/5V 4/8 Channel High Performance Analog Multiplexers ADG608/ADG609 Data Sheet. REV A. 1995
[13] Maxim Intergrated Products. Ultra-High-Precision SOT23 Series Voltage Reference MAX6033 Data Sheet. 19-2300, Rev 2, 2003. 6
[14] 彭永胜，王太勇．测控系统中的低通滤波技术[J]．精密制造与自动化，2003，增刊(s1)：108-110
[15] 秦曾煌．电工学(下册)电子技术(第五版)[M]．北京：高等教育出版社，1999
[16] Texas Instruments Incorporated. TLC2202/TLC2202A/TLC2202B/TLC2202Y Advanced LinCMOS~(TM). LOW-NOISE PRECISION DUAL OPERATIONAL AMPLIFIERS Data Sheet. SLOS056A-MAY 1990-REVISED AUGUST 1994, Copyright(?)1995 by Texas Instruments
[17] Maxim Intergrated Products. Precision-Mateched Resistor-Divider in SOT23 MAX5491 Data Sheet. 19-3009, Rev 1, 2004. 2
[18] 赵茂泰．智能仪器原理与应用[M]．北京：电子工业出版社，1999
[19] 张强，孟庆南等．PC104在微波辐射计数据采集系统中的应用[J]．吉林大学学报，2006，44(5)：794-797
[20] Bate D, Watts G. Nonlinear regression analysis and its application[M]. New York: Wiley, 1998
[21] 吴晓帆．传感器输出信号的线性化处理[J]．传感器技术，1998，19(7)：31-39
[22] 阎凤文．测量数据处理方法[M]．北京：原子能出版社，1990
[23] 同济大学数学教研室．高等数学[M]．北京：高等教育出版社，1996
[24] 胡新生．用最优化方法求解传感器最佳拟合直线[J]．传感器技术，1995，19(4)：44-46
[25] 薛毅．最优化原理与方法[M]．北京：北京工业大学出版社，2001
[26] 陈宝林．最优化理论与算法[M]．北京：清华大学出版社，1989
[27] 吴贤华．实现模式搜索法快速收敛和全域最优解的方法[J]．温州师范学院学报(自然科学版)，1994，29(6)：46-49
[28] 张世英，刘智敏．测量实践的数据处理[M]．北京：科学出版社，1979
[29] 黄俊钦．测试误差分析与数学模型[M]．北京：国防工业出版社，1985
[30] 韩志青，唐定全．抄平起拨道捣固车[M]．北京：中国铁道出版社，2001
[31] 韩丙虎，张正宏等．铁路轨道不平顺动态检测的一种方法[J]．山东科学，2005，25(19)：69-71
[32] 张树侠，张静．捷联式惯性导航系统[M]．北京：国防工业出版社，1992
[33] Lewis R. The Measurement of Track Alignment and Curature[J]. Rail International, 1998, 23(9): 23-29
[34] Schusser W. Variable digital filters[J]. Arch Electr Vbertr, 1997, 24(9): 56-60
[35] 杜鹤亭，高林奎，樊戈平．数字滤波技术在轨道检测中的应用[J]．中国铁道科学，1997，18(1)：79-85
[36] ENSCO. User Manual of Track Geometry Measurement[Z]. Virginia USA, 1999
[37] 高品贤．测试信号分析处理方法与程序[M]．成都：西南交通大学出版社，1999
[38] Akijoshi Y. Theory and Practice for Restoring and Original Waveform of a Railway Track Irregularity[J]. OR of RTRI, 2002, 36(2): 98-101
[39] Ta-Lun Y. Variable Wave Length Filter for Measurement of Long Wave Length Guideway Smoothness[J]. ENSCO inc, 2001, 34(12): 34-38
[40] 杜荣长．08-32型正线捣固车和08-475型道岔捣固车拨道系统几何原理分析[J]．机车电传动，2002，15(4)：32-37
[41] 易师武．08-32型捣固车曲线作业荒拨的分析与探讨[J]．上海铁道科技，2004，8(3)：47-51
[42] 郑瑞武，刁伯仁．大型养路机械线路作业的残留偏差[J]．铁道建筑，2000，5(10)：27-29
[43] 铁运[2001]23号．铁路线路维修规则[S]．铁道部，2001
[44] 翁绍德，李志隆等．轨道质量指数德基本概念及计算机处理技术[J]．铁道建筑，1994，7(8)：21-24
[45] 佐藤吉彦等．新轨道动力学[M]．北京：中国铁道出版社，2001
[46] 贡照华等．轨道轨向与水平不平顺逆相位复合限值初探[J]．铁道标准设计，2002(5)：25-27
[47] 黄俊飞，练松良等．轨道随机不平顺与车辆动力影响的相干分析[J]．同济大学学报，2003，31(1)：16-20
[48] 罗林，魏世斌等．我国干线轨道不平顺功率谱的研究[J]．中国铁道科学，2002，15(7)：31-35
[49] 刘秀波，吴卫新．钢轨焊接接头短波不平顺功率谱分析[J]．中国铁道科学，2000，21(2)：26-34
[50] 陈秀芳．铁道工程[M]．北京：中国建筑工业出版社，2004
[51] John G, Dimitris G. Digital Signal Processing Principles, Algorithms and Applications[M]. New Jersy: Prentice Hall, 1996
[52] 皇浦堪，陈建文等．现代数字信号处理[M]．北京：电子工业出版社，2003
[53] 张格命，罗林．轨检车测取的轨道谱精度分析[J]．铁道学报，1999，21(3)：67-71
[54] 胡津亚，曾三元．现代随机振动[M]．北京：中国铁道出版社，1989
[55] Brian W, Dennis M, Ritchie K. The C programming Language[M]. New Jersy: Prentice-Hall, 1988
[56] 黄维通，姚瑞霞．Visual C++程序设计教程[M]．北京：机械工业出版社，2002
[57] Stanley B. Inside The C++ Object Model[M]. New Jersy: Prentice-Hall, 1997
[58] Corry M．COM／DCOM编程指南[M]．北京：清华大学出版社，2000
[59] Daid J．Visual C++技术内幕[M]．北京：清华大学出版社，1998
[60] Scott M. Effective STL[M]. New Jersy: Prentice-Hall, 1999
[61] 谢莉．VC++动态链接库的开发及调用[J]．软件天地，2001，15(9)：10-11
[62] Eugene K．MFC经典问答[M]．北京：中国电力出版社，2001
[63] 候捷．深入浅出MFC[M]．武汉：华中科技大学出版社，1998
[64] 姜晓峰，李云飞．计算机图形图像技术与应用教程[M]．北京：北京希望电子出版社，2002
[65] Mahesh C．GDI+图形程序设计[M]．北京：电子工业出版社，2005
[66] 王启德．铁路线路维修与大修[M]．北京：中国铁道出版社，2003
[67] 运基设备[2006]118号．轨道检测仪通用技术条件(暂行)[Z]．铁道部，2006
[2] 铁道部工务局，铁路工务技术手册[M]．北京：中国铁道版社，1998
[3] 张未．GJ-4型轨道检查车的原理与应用[M]．北京：中国铁道出版社，2001
[4] 杨欣荣．智能仪器原理、设计与发展[M]．长沙：中南大学出版社，2003
[5] 沈兰荪．智能仪器与信号处理技术[M]．合肥：中国科学技术大学出版社，1990
[6] 申国祥．铁路轨道[M]．北京：中国铁道出版社，1996
[7] 袁希光．传感器技术手册[M]．北京：国防工业出版社，1986
[8] 吴双卿，王泽勇，高晓蓉．倾角传感器检测轨道不平顺状态[J]．铁道标准设计，2004(12)：22-25
[9] Terry K. T-10 Track Geometry Measuement System[J]. ENSCO.INC, 1998, 23(9): 97-101
[10] 邬宽明．单片机外围器件实用手册[M]．北京：北京航空航天大学出版社，1999
[11] 赵茂泰．智能仪器原理及应用[M]．北京：电子工业出版社，1999
[12] Analog Devices Inc. 3V/5V 4/8 Channel High Performance Analog Multiplexers ADG608/ADG609 Data Sheet. REV A. 1995
[13] Maxim Intergrated Products. Ultra-High-Precision SOT23 Series Voltage Reference MAX6033 Data Sheet. 19-2300, Rev 2, 2003. 6
[14] 彭永胜，王太勇．测控系统中的低通滤波技术[J]．精密制造与自动化，2003，增刊(s1)：108-110
[15] 秦曾煌．电工学(下册)电子技术(第五版)[M]．北京：高等教育出版社，1999
[16] Texas Instruments Incorporated. TLC2202/TLC2202A/TLC2202B/TLC2202Y Advanced LinCMOS~(TM). LOW-NOISE PRECISION DUAL OPERATIONAL AMPLIFIERS Data Sheet. SLOS056A-MAY 1990-REVISED AUGUST 1994, Copyright(?)1995 by Texas Instruments
[17] Maxim Intergrated Products. Precision-Mateched Resistor-Divider in SOT23 MAX5491 Data Sheet. 19-3009, Rev 1, 2004. 2
[18] 赵茂泰．智能仪器原理与应用[M]．北京：电子工业出版社，1999
[19] 张强，孟庆南等．PC104在微波辐射计数据采集系统中的应用[J]．吉林大学学报，2006，44(5)：794-797
[20] Bate D, Watts G. Nonlinear regression analysis and its application[M]. New York: Wiley, 1998
[21] 吴晓帆．传感器输出信号的线性化处理[J]．传感器技术，1998，19(7)：31-39
[22] 阎凤文．测量数据处理方法[M]．北京：原子能出版社，1990
[23] 同济大学数学教研室．高等数学[M]．北京：高等教育出版社，1996
[24] 胡新生．用最优化方法求解传感器最佳拟合直线[J]．传感器技术，1995，19(4)：44-46
[25] 薛毅．最优化原理与方法[M]．北京：北京工业大学出版社，2001
[26] 陈宝林．最优化理论与算法[M]．北京：清华大学出版社，1989
[27] 吴贤华．实现模式搜索法快速收敛和全域最优解的方法[J]．温州师范学院学报(自然科学版)，1994，29(6)：46-49
[28] 张世英，刘智敏．测量实践的数据处理[M]．北京：科学出版社，1979
[29] 黄俊钦．测试误差分析与数学模型[M]．北京：国防工业出版社，1985
[30] 韩志青，唐定全．抄平起拨道捣固车[M]．北京：中国铁道出版社，2001
[31] 韩丙虎，张正宏等．铁路轨道不平顺动态检测的一种方法[J]．山东科学，2005，25(19)：69-71
[32] 张树侠，张静．捷联式惯性导航系统[M]．北京：国防工业出版社，1992
[33] Lewis R. The Measurement of Track Alignment and Curature[J]. Rail International, 1998, 23(9): 23-29
[34] Schusser W. Variable digital filters[J]. Arch Electr Vbertr, 1997, 24(9): 56-60
[35] 杜鹤亭，高林奎，樊戈平．数字滤波技术在轨道检测中的应用[J]．中国铁道科学，1997，18(1)：79-85
[36] ENSCO. User Manual of Track Geometry Measurement[Z]. Virginia USA, 1999
[37] 高品贤．测试信号分析处理方法与程序[M]．成都：西南交通大学出版社，1999
[38] Akijoshi Y. Theory and Practice for Restoring and Original Waveform of a Railway Track Irregularity[J]. OR of RTRI, 2002, 36(2): 98-101
[39] Ta-Lun Y. Variable Wave Length Filter for Measurement of Long Wave Length Guideway Smoothness[J]. ENSCO inc, 2001, 34(12): 34-38
[40] 杜荣长．08-32型正线捣固车和08-475型道岔捣固车拨道系统几何原理分析[J]．机车电传动，2002，15(4)：32-37
[41] 易师武．08-32型捣固车曲线作业荒拨的分析与探讨[J]．上海铁道科技，2004，8(3)：47-51
[42] 郑瑞武，刁伯仁．大型养路机械线路作业的残留偏差[J]．铁道建筑，2000，5(10)：27-29
[43] 铁运[2001]23号．铁路线路维修规则[S]．铁道部，2001
[44] 翁绍德，李志隆等．轨道质量指数德基本概念及计算机处理技术[J]．铁道建筑，1994，7(8)：21-24
[45] 佐藤吉彦等．新轨道动力学[M]．北京：中国铁道出版社，2001
[46] 贡照华等．轨道轨向与水平不平顺逆相位复合限值初探[J]．铁道标准设计，2002(5)：25-27
[47] 黄俊飞，练松良等．轨道随机不平顺与车辆动力影响的相干分析[J]．同济大学学报，2003，31(1)：16-20
[48] 罗林，魏世斌等．我国干线轨道不平顺功率谱的研究[J]．中国铁道科学，2002，15(7)：31-35
[49] 刘秀波，吴卫新．钢轨焊接接头短波不平顺功率谱分析[J]．中国铁道科学，2000，21(2)：26-34
[50] 陈秀芳．铁道工程[M]．北京：中国建筑工业出版社，2004
[51] John G, Dimitris G. Digital Signal Processing Principles, Algorithms and Applications[M]. New Jersy: Prentice Hall, 1996
[52] 皇浦堪，陈建文等．现代数字信号处理[M]．北京：电子工业出版社，2003
[53] 张格命，罗林．轨检车测取的轨道谱精度分析[J]．铁道学报，1999，21(3)：67-71
[54] 胡津亚，曾三元．现代随机振动[M]．北京：中国铁道出版社，1989
[55] Brian W, Dennis M, Ritchie K. The C programming Language[M]. New Jersy: Prentice-Hall, 1988
[56] 黄维通，姚瑞霞．Visual C++程序设计教程[M]．北京：机械工业出版社，2002
[57] Stanley B. Inside The C++ Object Model[M]. New Jersy: Prentice-Hall, 1997
[58] Corry M．COM／DCOM编程指南[M]．北京：清华大学出版社，2000
[59] Daid J．Visual C++技术内幕[M]．北京：清华大学出版社，1998
[60] Scott M. Effective STL[M]. New Jersy: Prentice-Hall, 1999
[61] 谢莉．VC++动态链接库的开发及调用[J]．软件天地，2001，15(9)：10-11
[62] Eugene K．MFC经典问答[M]．北京：中国电力出版社，2001
[63] 候捷．深入浅出MFC[M]．武汉：华中科技大学出版社，1998
[64] 姜晓峰，李云飞．计算机图形图像技术与应用教程[M]．北京：北京希望电子出版社，2002
[65] Mahesh C．GDI+图形程序设计[M]．北京：电子工业出版社，2005
[66] 王启德．铁路线路维修与大修[M]．北京：中国铁道出版社，2003
[67] 运基设备[2006]118号．轨道检测仪通用技术条件(暂行)[Z]．铁道部，2006