动态电子轨道衡系统分析与实现

夏 淇

（中国铁路武汉局集团有限公司货运部，湖北 武汉 430071）

1 概述

轨道衡技术在短短三十年间发展迅速，从断轨到不断轨、静态计量到动态计量、低速轨道衡到高速轨道衡、单一计量的轨道衡到多功能的轨道衡、高误差到精确度高、人工操作到无人值守。未来的轨道衡发展趋势是轨道衡网络化、信息化、多种功能集合，本文主要将通过对高速轨道理论和采样数据实时处理技术的学习研究，以及对现有轨道称重计量系统的考察学习，构建了一个以高速动态称重、车号识别、数据管理、无人值守、超载检测（预警）、远程视频监控的动态电子轨道衡系统。旨在为提高铁路计量、维护、安全的工作效率，为安全高效的铁路系统提供科学、合理和现代化的发展建议和理论指导。

2 动态电子轨道衡称重方案的确定

目前国内轨道衡的称重方案以力学上的称重为主，分别采用正应力、弯矩、剪力三种方法。动态电子轨道衡称重方案可以根据三个方案对重量分析得出结论：正应力基坑型不能摆脱由于基础建设复杂的工序和技术限制而造成精度下降的局限，尽管传感器在某种程度上能达到0.2 以上的水平。但系统设备施工困难，且不能避免车辆前后对称重区域的弹性体应变影响，而称重偏载量测得误差大，不利于铁道货运计量统计，因此不适合动态电子轨道称量需要；而基于sneed 桥称重原则的轨道衡，具有无秤台、不基坑等优点，大大降低了生产成本和装修费用，但铁路货场的恶劣轨枕基础条件，以及邻轴与邻轨之间的影响，加上相邻枕跨距短的局限因素，所以精度比常规的轨道衡低。表1 为三种计量类型的优缺点。

通过上述分析，剪力式动态轨道重量方案，省去了整个基坑、道床，远离钢轨鱼尾板连接区的不断轨技术，是符合动态电子轨道重量系统要求的首选。由于其抗偏载性能，抗不受临轴及轨道的影响，该特性保证了安装高可靠度，而且设备简单，体积小，重量轻，便于安装及标定。特别是，在不换轨道的情况下，本文所采用的剪力传感器可以使系统的精度达到0.5 级以上，这是其它同类轨道衡不能达到的，另外加上采用压力传感器与剪力传感器相配合，形成了1w2s 的数据采集通道，可以使电子轨道的动态衡精度，采样频率和性能均有所提高。因此，本文采用剪力结合压力传感器为本系统计量的方案。

表1 三种计量类型的优缺点

3 动态电子轨道衡系统的硬件设计

3.1 硬件系统的总体设计

动态电子轨道衡硬件系统组成部分如下：

电源系统电路。电源的要求是220v 交流，输出需满足多种直流（±10v，±12v，±5v，±3v）等等。满足传感器，放大电路，A/D 转换电路，以及接口线路的供电。在传感器中偏载传感器件的选择非常重要，偏载传感器直接关系决定了车辆测量时的精度，传感器主要分为两种：轨道超载系统的室外轨道平台两端分别安装有重力传感器和剪切传感器，两种传感器各4 个，利用二力合成的原理对需要测量车辆进行车辆重量精度信息、发生超载时的偏量精度信息、列车运行方向精度信息等，这一部分是轨道整体偏载系统设计中的一个关键组成部分。

放大电路。在轨道衡系统中传感器的输出信号是十分微弱的，这时就需要放大电路对来自传感器的输出信号进行放大处理，进而可对放大后的信号进行分析处理。

A/D 转换电路。放大电路的作用是放大与滤波传感器传输的信号，经过放大电路后的信号下一步将由A/D转换电路进行处理。经过放大电路处理后的信号是模拟信号，但是计算机能够处理的信号是数字信号，所以A/D转换电路在此过程的作用就是将来自传感器的模拟信号转换成计算机可以处理的数字信号。A/D 转换芯片的位元数影响处理精度，一般建议使用16 位作为A/D 位数转换器的芯片。

列车在过衡时，由传感器收集原来的信号，传送到数据采集器，经放大、滤波和a/d 采样，经控制器输送到计算机，由轨道衡测量软件再对数字信号进行处理，然后对管理工作进行显示和打印。图1 为动态电子轨道衡硬件系统的总体设计图。

图1 动态电子轨道衡硬件系统的总体设计图

3.2 硬件系统设计的实现

根据我国轨道衡的不断优化称重计算原则，将测量传感器对其输出的模拟信号进行放大，滤波后再通过某种A/D 信号转换方式产生模拟数字信号，再通过某种传输方式将数据分析和测量运算结果传输传送至处理器，最终可以得到超载重量计算结果和其他相关超载重量信号。

动态电子轨道衡是根据二力合成的原理，由压力传感器收集波形和剪力传感器收集波状信号的合成讯号，称为重信息。剪力传感器安装于称重轨的腰部，负责收集通过重轨列车产生的阻力变形信号。检测车辆在通过系统过程中首先会通过剪力传感器，当车轮尚未达到重传感器的称重时，剪力传感器输出负值，随着车轮与剪力传感器距离减小，传感器输出值也不断减小，到达正上方剪力信号的瞬间为零；随着检测车辆继续前行，剪力信号变成了正的最大值，车轮在两端剪力传感器不同的位置上连续作用，彼此叠加时表现出不断的动态波状。

当轨道衡上有检测车辆通过时，压力传感器收集的信号在秤台上作用，由于列车重量部分在秤台外的过渡区域，压力传感器所输出的波形已不再明显跳变，而是持续不断地正弦波形，当车轮处于两个传感器的中心时，压力信号最大值达到，因此，压力传感器发出的信号值是衰减后的。但重力信号损失仅仅是由于重轨阻尼变形所致，而安装在重轨的腰部剪力传感器则收到阻尼变形信号。剪力传感器的输出信号与压力传感器的输出信号在一定程度上放大，合成信号与轨道衡非常接近的方波跃信号，这种合成讯号被视为重信号来计算。这就解决了不断轨道动态电子轨道衡压力信号的衰减问题。

4 动态电子轨道衡系统的软件设计

4.1 软件的总体设计

动态电子轨道衡称重软件设计的目标是：能实时显示波形、重量、速度、车号、皮重、载重、摄像画面，自动存盘。能识别过衡方向，根据方向选择相应系数。调试检测功能齐全。故障自检能检测到任意一只传感器，并有报警功能。具有远程维护调试功能。管理功能强大，报表丰富。

4.2 软件设计的实现

在轨道衡重量系统中，软件部分的实现体现在应用了MATLAB 等软件，通过计算机软件对传输来的数据进行采集与计算，这一过程中需要实现汽车上衡自动检测，列车车型判断、数字滤波，列车重量计算和超偏载判断等。称重系统的最终实现功能是：列车在没有停止运行的情况下通过轨道衡系统时，计算机自主控制实现对列车进行自动测量、自动称量、单节重、整车的重量、计算火车节数的功能操作，最终打印保存。轨道衡软件系统的功能设置如图2 所示。

图2 轨道衡软件系统的功能设置

4.3 动态电子轨道衡称重软件的流程

传感器收集到的模拟差分信号x（t），通过A/D 转换器，将准差信号从数据采集通道转换成相应的数字信号x（n），并输入控制器，将数字信号 x（n）输入，控制器将数字信号x（n）通过网络传送至计算机，数字信号x（n），在计算机上通过MATLAB 等软件，要完成车辆上衡自动检查、车型分辨、数字滤波、重量测定和超偏载判断等算法。如图3 是动态称重系统的算法设计流程图。

图3 动态轨道衡称重系统的算法流程图

通过网口传送到计算机上的数字信号x（n）先经滤波，当采样数据已经超过x 个时，此时认为采样数据量已经达到要求，可进行下一步的处理，x 的取值来自于经验数据，在这里将其值设置为1024。当传输过来的采样数据出现跳变时，如果跳变值超过“门槛”，则判断车辆已经达到了衡量。随后对生成的波形进行分析，根据车头与车厢的数据特征差异，辨别是车头还是头部，如果将车头移除，接下来依据累计零称的长度判断列车数据段的确切位置，零称时间前推为车厢前转向架波形，后推为车头波形，通过最后两转向架的重量可以得出整车的重量，根据波状图还可以得到列车速度、列车载货重量等数据，进而对下一车厢进行测量。如果零城称时间长度大于所预设的一个值，表示检测车辆完成通过，完成称重过程，然后退出计算，进行文件访问、结果打印等操作。

4.4 计量数据网络共享

计算机移动网络通信技术的不断发展，使用于轨道衡系统输出的多个附加测量数据同时能够通过一个网络管理中心的一个服务器从轨道衡检测系统进行下载，也就是可通过一个网络将其他终端的附加数据同时传送连接到轨道衡检测系统，从而大大降低了用于轨道衡系统输出的附加数据在移动计算机网络中的错误录入，提高了附加数据传输准确度；同时，轨道衡检测系统还同时可以通过一个网络向其他终端用户传送附加称重的测量数据，或者将其数据传送连接到一个网络管理中心的一个服务器，也就是通过一个网络中心来直接实现通过轨道衡系统检测和传送附加的测量数据以及资源信息分享和数据管理。

系统采用了C/S 与B/S 架构。轨道衡重数据采集和自动储存采用C/S 模式，使用内联网技术组成本地局域网，计算机采集轨道衡重数据，并将采集数据自动储存到本地，同时通过网络，在总部的信息中心服务器上同步储存，以便远程数据的浏览、询问和统计。数据采集端使用C/S 模式，可以保证对处理复杂事物的响应快、逻辑性强，数据访问准确和可靠性等要求进行控制。称重现场以外的余下部分，采用B/S 模式设计的网络重管理系统。C/S 和多端统计软件的主要统计功能内容包括：统计实时重要统称数据处理，包括：衡器参数设置，称重统计数据采集，显示、储存和数据上传，B/S 端统计软件主要的统计功能内容包括：统计下发实时重称数据计划（与本地数据处理中心端或服务器数据同步的本地统计数据），统计数据分析，报表统计打印等等。网络轨道衡称重管理系统功能模块如图4 所示。

图4 网络化轨道衡称重管理系统功能模块

5 结论

本文的研究工作初步探讨了动态电子轨道衡的理论实现问题，根据力学理论，分析了影响轨道衡称重系统的计量精度和稳定性的因素，提出了具体的改进措施，实施后效果良好。设计了轨道衡计量数据的网络共享、数据上传等技术方案，为网络化的轨道衡网络化改造提供了参考依据和技术实施方案。