袁亦竑，罗雁云，叶 丰，曾国锋，朱志伟，王国强

（1.同济大学国家磁浮交通工程技术研究中心，上海201804；2.同济大学铁道与城市轨道交通研究院，上海201804）

高速磁浮轨道线形快速检测系统关键部件研发

袁亦竑1，罗雁云2，叶 丰1，曾国锋1，朱志伟1，王国强1

（1.同济大学国家磁浮交通工程技术研究中心，上海201804；2.同济大学铁道与城市轨道交通研究院，上海201804）

介绍了用于上海高速磁浮示范线的新一代轨道检测设备的硬件系统、关键设备及其研制重点,包括轨道检测设备的总体设计、主要技术参数和总体架构,关键部件如非标数模转换卡和信号调理卡的技术方案设计,以及配套数据采集控制软件的设计等。经过8年努力，同济大学（国家）磁浮交通工程技术研究中心的研发团队最终完成了轨道线形检测专用关键部件及新一代轨道检测设备的研制。

磁浮；关键部件；轨道检测

上海高速磁浮示范运营线的日常线形检测采用的是在线随车测量方法，即利用安装在旅客列车上的车载轨道检测设备进行随车测量来实现轨道的长波线形和部分短波偏差的检测。目前使用的设备是德方十几年前提供的一套专门定制的非标轨道检测设备轨道监测系统GMS（guideway monitoring system）。经过长期使用，设备的可靠性与稳定性已明显下降，同时还面临着关键非标备件缺乏和标准备件停产等导致的采购困难等问题，对线路维护作业带来诸多不便，急需通过研制新一代轨检设备进行解决。

为此，同济大学国家磁浮交通工程技术研究中心的研发团队从八年前起开始进行轨检设备的国产化研究，目前已完成两代原型机的研制，正在进行工程样机的研制。本文介绍高速磁浮轨道线形快速检测系统TIS（track inspection system）主机的研制。

1 TIS硬件系统的总体设计

TIS设备设计用于高速磁浮系统的轨道线形检测，设备的硬件部分设计安装于磁浮列车的头车上，在列车正常运行中进行线路轨道的线形检测。检测所需的数据源来自单独安装的加速度传感器和部分列车既有的悬浮、导向控制及测速定位系统的传感器。对于列车传感器信号，考虑到对列车原有系统的影响，在引出之前增加信号隔离模块。

TIS的设备主要包括安装在磁浮列车走行部的车载传感器系统、安装在走行部和驾驶室内的信号分离模块、安装在驾驶室内的主机以及用于数据分析处理的地面计算机等，其中安装在驾驶室机柜内的主机是整个TIS系统的核心。TIS主机主要由数据采集设备、专用数模转换板卡和信号调理板卡、机箱、电源等部件组成。其中专用数模转换板卡和信号调理板卡是与车载既有传感器对接的接口适配器，属于高速磁浮系统专用部件，是研制的重点；其余设备采用成熟可靠的通用部件进行设计，并参考了相关电力电子系统、开关电源等行业的成功经验来提高设备整体的工作稳定性，最后根据TIS的功能需求编制专用的采集控制软件。

1.1 功能需求

TIS的主机需实现如下功能：

（1）磁浮轨道线形检测所需数据的格式转换、采集与记录，包括：4个加速度信号（单端模拟制电流型）通道；6个气隙信号（双端专用协议数字式）通道；2个齿槽信号（双端专用协议数字式）通道；2个定位信号（双端专用协议数字式）通道；8个预留扩展信号（单端模拟电压型）通道。

（2）具有根据车载传感器信号自动实现采集并生成工况信息的采集半自动控制功能；

（3）具有采集数据管理、用户管理、日志管理等功能；

（4）预留了8个模拟电压通道的扩展测试采集功能。

1.2 技术参数

TIS设备的主要技术参数如下：采集通道数为14个（标准模式）或22（扩展模式）个；采样频率为10kHz/通道；采样分辨率为18位；数据容量为不少于上海示范线连续运行两个往返（即4个单程）；设备便携性为设备的重量和体积满足单人手工搬运条件，并预留机柜安装条件；设备工作环境为上海线磁浮列车驾驶室内。

1.3 总体架构

TIS设备的总体架构如图1所示，其中右侧点划线框内的为主机部分，左侧虚线框内的为原有车载设备。

图1 TIS总体架构Fig.1 System frame of the TIS

TIS的主机采用基于面向仪器领域的PCI（peripheral component interconnection）扩展PXI（PCI e-Xtensions for instrumentation）总线的通用模拟数据采集系统架构，选用增加了可折叠式键盘、指控板、触模屏套装的便携式3U8槽机箱作为系统的基本框架，通过车载AC220 V电源供电，外部接口与GMS相兼容。相比上一代原型机需要动用铲车搬运，TIS的主机在重量和体积上均大为减小，实现了可单人搬运的便携目标。同时，显示器屏幕由原来GMS的12寸视频图形阵列VGA（video graphics array）普通屏升级为15寸扩展图形阵列XGA（extended graphics array）触摸屏，人机界面更加友好。

2 数模转换卡

2.1 设计需求

数模转换板卡需实现列车悬浮气隙、导向气隙以及定位齿槽信号的转换功能。将上述数字量信号转换成可供通用数据采集系统接收的模拟电压信号。数模转换板卡分为定子面用和导向面用2种，其中导向面用的转换卡需实现4路不同波特率的导向气隙的转换，定子面的转换卡需实现2路悬浮气隙和2路齿槽信号的转换。

为减小TIS主机的尺寸、提高设备的便携性能，相比以往GMS使用的转换卡（全车需2种不同型号的块卡4块，占4个面板单元），TIS的转换板卡设计提高了通用性和紧凑性，每块卡具有4个输入通道、4个自适应的气隙信号输出通道和2个齿槽信号输出通道，这样板卡既可以用于导向面，也可以用于定子面，且整个TIS只需2块相同型号的数模转换卡，共占2个面板单元。

2.2 技术方案

数模转换卡的总体设计满足PXI/CPCI（compact PCI）规范的相关要求，可直接安装在3U高度的PXI/CPCI机箱内，转换卡面板的宽度为一个槽位，转换卡的电源取自PXI背板总线。

数模转换卡采用复杂可编程逻辑器件CPLD（complex programmable logic device）作为主处理核心，每块板卡可同时处理4个通道的非标协议气隙数据或2个通道气隙数据和2个通道齿槽信号，可根据需要选择用于定子面（2+2通道）或导向面（4+ 0通道）。通过处理器还提供气隙信号的故障诊断的功能，通讯报文的识别结果通过红绿双色LED在面板上显示出来，绿灯表示识别和转换成功，红灯代表有数据未被识别成功。数模转换卡的数据流程如图2所示。

图2 非标数模转换卡数据流程Fig.2 Data flow chart of the DAC card

2.3 板卡设计

自适应数模转换卡主要实现多路非标RS485数字信号转换成模拟量输出。4路非标气隙（或齿槽）信号进入数模转换卡后，先各自经过电平匹配芯片转为TTL电平并同步；再统一送入CPLD芯片以实现信号的波特率识别、报文信息解码、非线性增益控制等；最后将读取与同步后的4路信号以串行形式发送至4片DA芯片DAC8512进行输出；解码后的齿槽信号则由整形电路单独输出。

数模转换卡的PCB板上设置专门的输入选择开关，用于选择板卡作为4路导向气隙解码或是2路悬浮气隙+2路齿槽信号解码用。输出信号则通过跳线进行选择。此外，为每个气隙转换通道设置1组状态指示灯，由CPLD的IO口直接驱动。每组为1个红绿双色LED，由2个IO口独立驱动，用于显示报文的解码状态。

数模转换卡的前面板尺寸参照3U高度的CPCI标准进行设计，1槽宽度，下方设置助拔器1个。面板上主要开设数据输入、数据输出和状态指示灯等6个孔。

3 信号调理卡

3.1 设计需求

信号调理卡实现列车悬浮磁铁和导向磁铁加速度信号的电平转换及滤波处理，以及对定位标志板信号的数模转换解码处理。其中加速度信号为单端电流信号，需要首先转换成电压信号再处理；定位标志板信号为采用磁浮专用协议的双端数字信号，需要进行整形、解码、数模变换等处理。

考虑到加速度滤波元件的尺寸，信号调理板卡仍然采用2槽宽度设计，每块板卡占用1个PXI背板槽，面板占用2个槽位的宽度。定子面和导向面各需1块信号调理卡，2块板卡完全相同，分别实现2路加速度信号的预处理和1路定位标志板信号的转换。

3.2 技术方案

信号调理卡的总体设计满足PXI/CPCI规范的相关要求，可直接安装在3U高度的PXI/CPCI机箱内，调理卡面板的宽度为2个槽位，卡的电源取自PXI背板总线。

信号调理卡的加速度调理部分采用精密取样电阻和标准的4阶巴特沃斯低通滤波器，定位信号转换部分采用CPLD作为主处理核心，处理1个通道的非标协议定位标志板信号。信号调理卡的数据流程如图3所示。

图3 信号调理卡数据流程Fig.3 Data flow chart of the signal pre-processing card

3.3 板卡设计

信号调理卡主要实现2路模拟电流信号的转换和预处理，以及1路非标RS485数字信号转换成开关量电压输出。

单端模拟电流信号送入调理卡后首先进入精密取样电阻构成的取样电路，将电流信号转换成电压信号；然后送入截止频率为1 kHz的双通道4阶巴特沃斯低通滤波器进行滤波；再对信号进行输出。同时，为科研用途还预留了滤波器旁路开关，闭合开关后信号可不通过滤波器直接输出。

同时，非标定位标志板信号进入调理卡后，首先通过电平匹配芯片转为TTL电平，再送入CPLD芯片以实现信号的波特率识别、报文信息解码、标志板使能编码等运算，最后将结果以开关量电压信号的方式输出，送给采集卡。

数据调理卡的前面板尺寸参照3U高度的CPCI标准进行设计，2槽宽度，左下方设置助拔器1个。面板上主要开设数据输入、数据输出、滤波旁路开关等3个孔。

4 数据采集与控制软件

为了实现TIS设备的采集控制与文件管理，磁浮中心团队还专门开发了一套采集控制软件，该软件基于LabVIEW平台编制，运行于PXI采集控制器硬件平台和Microsoft Windows 7 Pro x64软件平台上。数据采集与控制软件主要实现的功能包括：对采集系统硬件的管理和采集控制、14路TIS通道数据文件的记录与格式转换、用户登陆与用户权限管理、采集参数的设定、前端传感器标定计算及标定文件的管理、系统配置文件与通道配置文件的管理、列车进路的设置与进路逻辑判断、半自动化采集控制、通道数据波形实时监视、8路扩展通道的数据采集功能及扩展通道设置、数据文件管理和系统日志文件记录和管理等。软件的设计采用自上而下的3层式设计原则，包括顶层（人机界面层）、中间逻辑层和底层（驱动层），其3层结构如图4所示。软件采用模块化设计，设置了用户管理、数据采集、自定义通道信息、系统日志和文件管理5个主要模块，共包括50多个主要子程序（子VI），其中采集控制软件的数据采集界面如图5所示。

图4 数据采集控制软件的3层结构Fig.4 Three layers structure of data acquision control software

图5 数据采集与控制软件界面Fig.5 Interface of data acquision and control software

正常情况下，软件启动后只需完成用户登录和标定文件确认，并选择当前的列车运行时刻表信息之后软件就可以自动分析相关通道的实时数据，根据列车的运行情况自动实现采集启停控制并生成含有与列车运行工况相对应的数据文件信息，实现无人值守下的连续数据采集。

5 设备的制造

TIS设备的制造过程先后经历了非标板卡研制、设备整机研制、设备线下调试、设备上车联测、设备性能考核等阶段，整个过程历时1年有余，最后完成的非标板卡样本和TIS设备分别如图6、图7所示。

图6 试制完成的非标信号转换卡（右）和加速度信号调理卡（左）Fig.6 DAC card（R）and signal pre-processing card（L）

图7 在磁浮列车上测试中的TIS设备Fig.7 TIS testing on the maglev vehicle

5 结语

自2016-06-15设备首次正线动态测试以来，TIS已陆续跟车运行测试4个多月，随车运行上百趟，总共获得了磁浮列车在整个正线区间双向双轨以不同速度运行工况下的64趟有效数据。测试结果表明，新研制的TIS设备在整个测试过程中工作稳定可靠、各功能作用正常、数据文件正确可用、能实现无人值守情况下的半自动连续数据采集、设备紧凑便携，可实现单人一次搬运，能很好地满足上海线的车载轨道检测应用。

同时在测试期间TIS采集设备还配合上海线轨道维护进行了一次列车测试，对上海线全线双向列车运行情况进行了采集，实现了扩展测试功能的首次科研应用。TIS设备的8路扩展采集功能和半自动化连续采集功能显著提高了现场测试工作的效率，而与数据同步采集的准确的列车定位信息也大大减少了后期的测试数据处理中的定位信息还原工作量。

截止目前，磁浮中心的研发团队仍在继续努力，对TIS设备及相关的轨道检测分析算法进行各项考核和完善，以期使TIS设备及其相关的轨道检测技术更好地适应工程应用的需要。

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R&D of Critical Components for High Speed Maglev Track Online Inspection System

YUAN Yihong1,LUO Yanyun2,YE Feng1,ZENG Guofeng1,ZHU Zhiwei1,WANG Guoqiang1
（1.National Maglev Transportation Engineering R&D Center,Tongji University,Shanghai 201804,China; 2.Institute of Railway and Urban Mass Transit,Tongji University,Shanghai 201804,China）

This article made a description on the hardware system of the high speed maglev track inspection system（TIS）,critical components and their development focus.Including overall design,main parameters,system frame, requirements and technical solution for key parts like digital analogue convert card and signal pre-processing card.as well as the design for the data acquisition control software.After eight years'effort,R&D team of NMTC （national maglev transpor-tation engineering R&D center）finally completed the development for the new track inspection system and its key components.

maglev;critical component;guideway inspection;

袁亦竑

10.13234/j.issn.2095-2805．2017．2.046

TM932

A

袁亦竑（1981-），男，博士研究生，工程师，研究方向：磁浮轨道检测与道岔，E-mail：yuanyihong@tongji.edu.cn。

罗雁云（1960-），男，博士，教授，研究方向：铁路轨道技术，E-mail：yanyunluo@ tongji.edu.cn。

叶丰（1977-），男，通信作者，博士，副研究员，研究方向：磁浮轨道结构，E-mail：yefeng@tongji.edu.cn。

曾国锋（1970-），男，博士，副研究员，研究方向：磁浮轨道结构，E-mail：zengguo feng@tongji.edu.cn。

朱志伟（1980-），女，硕士，高级工程师，研究方向：磁浮轨道结构，E-mail：zhu zhiwei@tongji.edu.cn。

王国强（1964-），男，博士，副研究员，研究方向：磁浮轨道结构，E-mail：wangguo qiang@tongji.edu.cn。

2016-11-17

国家科技支撑资助项目：高速磁浮交通工程化集成系统研究（2013BAG19B01-01-19）

Project Supported by the National Science and Technology Support Program major project:Research on high speed maglev transportation engineering integrated system（2013BAG19B01-01-19）