虚拟仪器在铁路货车超偏载监测系统中的应用

伟慕蠡

摘要：铁路货车超偏载一直是影响运输安全的重要问题，然而货车超偏载检测装置（动态轨道衡、大型超偏载）因工程造价高、施工周期长等原因无法大面积使用。针对于这种情况，我们提出一种结构简单、稳定可靠的解决方案，即采用压力传感器和虚拟仪器实时记录铁轨承重信号，通过合理分析压力信号，对发生的超偏载现象进行记录，并通过网络实现多种方式的管理和报警。

关键词：虚拟仪器，货车超偏载，数字信号处理

Abstract: The exceed unbalance loading of railroad wagon is always the important problem influencing the transportation safety. However, because of the high cost, long construction cycle, the detection device (dynamic wagon balance, heavy exceed unbalance loading) is not used in large scale. Based on the condition, we put forward a simple structured, stable and reliable solution, which applys the pressure sensor and virtual instrument to real-timely record tracks bearing signals, through reasonable pressure signal analysis to record exceed unbalance loading phenomenon and realize various management and alarm through the network.

Keywords: virtual instrument; exceed unbalance loading of wagon; digital signal processing

中图分类号: U29 文献标识码：A文章编号：

概述

问题的提出

随着我国铁路运输事业的快速发展，尤其是近年来铁路大幅度的提速后，货车装载状态监测系统的研究在铁路运输中的作用越来越重要。超偏载的检测设备是这一系统研究中的重要内容。长期以来，由于客观条件的限制以及经济利益的驱使，铁路货车超载和偏载现象非常严重，造成车辆严重损伤，大大降低使用寿命甚至危及行车安全；由于装车不准或者装载不均匀和运输中货物移位等原因，铁路不规范装载现象时有发生。货物的欠载使得列车的实际牵引能力发挥不足，使得已经很紧张的铁路运能更显紧张；而超载、偏载对列车本身的技术状态和列车的运输安全都是一种直接的威胁，如果列车长期处于此种运行情况下，列车的车轮和车轴受力不均匀，长期处于疲劳状况，断轴、爬轨和列车的颠覆等事故就会发生。

因此，设计出一种适用于大面积推广、简易可靠的超偏载检测设备，对于改变这种状况有很大的帮助，不仅可以收到很大的经济效益，而且可尽量避免由于货车超偏载带来一系列交通事故。为此，我们展开深入研究并引入虚拟仪器加快系统研制、产品定型过程。

虚拟仪器的使用

虚拟仪器是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器主要是指这种方式。虚拟仪器的主要特点有：

尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。

可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器。

用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。

第二章 系统实现

系统组成和原理

系统包括铁路货车超偏载检测装置、车号自动识别装置、网络集成及数据传输系统等组成。其核心是铁路货车超偏载检测装置，由称重轨传感器、承重灰枕、信号调理转换器、车轮磁电感应器、计算机及信号采集装置等组成，现安装在葫芦岛货场铁路专用线路上，能动态检测出运行中的货车各车轮重量信息，并自动对货车装载情况进行判断将数据通过网络传输到车站、路局有关部门，实现实时监控。系统安装示意图如下：

我们的研究目标是将传感器应用于铁路货车地称重领域，既不影响既有线路、不增加工务部门的工作量，又能实现轴计量、转向架计量、整车计量，也就是铁路普通车辆和液态罐车的计量检测。同时，在检测精度相当于同类设备时造价降至同类设备的五分之一左右。

为此我们将专用灰枕两个和专用称重传感器四个安装于线路上，并在传感器两侧安装磁电感应器实现辅助信号分析。由于在既有线路钢轨轨底安装称重传感器，不破坏其原有线路状态，而且便维护和施工。当车辆通过时，称重传感器将车轮的重量转换为模拟信号，再通过放大器和AD采样转换为数字信号送到计算机，计算机中的虚拟仪器软件再根据数据进行处理。

当车辆通过称量区域时，压力传感器和磁电感应器所产生的数据波形如图：

软件功能实现

传统仪器由信号采集、信号处理和结果表达与仪器控制三部分组成，在传统仪器里，这三部分都是用电子线路来实现的，即：都是采用硬件来实现的。随着计算机技术的发展，尤其是数字信号处理技术的进步，实现各种信号处理功能的软件算法精度越来越高，速度越来越快，在仪器的信号处理部分，用软件代替硬件成为可能，即：用算法代替电子线路，能够实现传统仪器的信号处理功能。这样，把传统仪器的后两部分(信号处理、结果表达与仪器控制)由计算机软件来实现，而不再采用硬件(电子线路)来实现，基于这种思想形成的仪器，就叫虚拟仪器。我们使用的LabVIEW软件具备良好的内存管理机制，多线程的任务管理以及丰富的界面元素，为编程人员提供一个良好的软件平台。在此平台上为了实现系统的功能，我们同时使用了几个任务：

界面显示任务。

数据存储任务。

信号采集任务：数据端口采用中断方式采集模拟信号，并保存到内存缓存中，当缓存满是使用备用缓存，并向分析任务提交数据。

分析任务：当获得数据后，开始分析并计算相关数据（包括：车速、方向、车辆位置、重量等），将结果数据提交界面任务。

软件实施过程中，有一个关键便是如何防止数据的丢失，数据丢失一般是由数据显示与数据采集之间的矛盾引起的，因为Windows是一个多任务、多线程的非实时系统，数据显示、图形显示必然会对要求实时高速数据采集产生一定的时延作用，造成数据丢失、声音的变异和失真，极大影响系统对数据分析的准确性。为克服这一缺憾，我们采用双缓存数据中断采集的方式，即由板卡采集数据缓存满触发中断，并将其暂存于软件数据缓存池中，当处于非中断时间来处理数据、分析、数据输出和屏幕刷新显示等过程。这样即保证了信号的完整性，又满足了系统对信号处理的要求。

软件结构图如下：

第三章 关键技术及实现方式

硬件选型

研华PCI1742U板卡是一款功能强大的高分辩率多功能PCI总线数据采集卡。它的采样速率可达1MS/s，16位分辩率，是大部分数据采集应用的理想选择。PCI-1742U提供16路单端或8路差分的模拟量输入，2路16位D/A模拟输出通道，16位数字量输出通道，以及1个10MHz的16位多功能计数器通道。

在试验过程中，由于参数选择不合适，导致信号不完整，无法获得完整有效的数据。通过大量试验和调整发现问题出在虚拟仪器的软硬件配合上，由于采样频率设置太高，导致了CPU占用过大、数据存储任务过重、内存泄漏等一系列问题，经过多次试验确定采样频率为20KHz。

信号滤波方法

数字滤波器在数字信号处理的各种应用中发挥着十分重要的作用，它是通过抽样数据进行数学运算处理来达到频域滤波的目的。数学运算通常有两种实现方式，一种是频域法，即利用FFT快速算法对输入信号进行离散傅立叶变换，分析其频谱，然后根据所希望的频率特性进行滤波，再利用傅立叶反变换快速算法恢复出时域信号，这种方法具有较好的频率选择特性和灵活性，并且由于信号频率与所希望的频谱特性是简单的相乘关系，它比计算等价的时域卷积要快的多。另一种方法是时域法，这种方法是对离散抽样数据做差分数学运算来达到滤波目的。

一般用两种方法来实现数字滤波器：一是采用通用计算机，利用计算机的存储器、运算器和控制器把滤波器所要完成的运算编成程序通过计算机来执行，也就是采用计算机软件来实现；二是设计专用的数字处理硬件。数字滤波器用硬件实现的基本部件包括延迟器、乘法器和加法器；用软件来实现时，它只是一段线性卷积程序。在LabVIEW中，只需要调用封装好的数字滤波程序，设置恰当的参数即可。软件实现的优点是系统函数具有可变性，仅依赖于算法结构，并且易于获得较理想的滤波性能。我们通过使用不同滤波方法和参数对结果进行综合比较，很快确定了硬件滤波方案，为后期的产品化提供了宝贵参数和模拟环境。

第四章 试验结果和总结

本系统经过多次试验，获得数据和能够准确反映货车超偏载的实际情况，通过全过程记录列车数据，能够提供真实可靠的考核依据。经过对比试验获得数据如下：

通过虚拟仪器的使用进一步加快系统开发进度、产品化进度，为系统的定型确定了合适的参数和滤波特性，同时通过自动记录的数据有助于我们进一步深入分析车速与轮轨重量信号关系、系统长时间零飘，对减少误差提供有益的帮助。

参考文献

[1]侯国屏，王坤等.LabVIEW7.1 编程与虚拟仪器设计[M].北京：清华大学出版社，2005.

[2]于锋，侯永海等.基于PCI-1714 的高速数据采集系统方案设计[J]. 微计算机信息，2005，(21)8：60-62.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。