在過去十年中，鐵路和電車軌道的公共交通方式已經(jīng)越來越受到歡迎，享受舒適與安全的乘客人數(shù)也在不斷攀升。由此，更快的列車和更短的停站時間就顯得十分重要。然而，這也使得鐵路和電車軌道一直承受著巨大的機(jī)械壓力，部件的年久失修也會引發(fā)致命的危險。因此，人們發(fā)明了一個新興的系統(tǒng)維護(hù)解決方案（見圖1）來支持鐵路和電車軌道的監(jiān)控與維修。
深入了解鐵軌
在建造前，新的鐵軌和電車軌道都會經(jīng)過嚴(yán)格的檢測要求來確保正確的軌道位置。然而，建造完成后錯誤難免。（見圖2 ）這是因為車輪與鐵軌間產(chǎn)生了機(jī)械接觸，這個與從列車底座延伸到鐵軌地下的動態(tài)彈簧 - 質(zhì)量模件有關(guān)。鐵路工程標(biāo)準(zhǔn)明確了缺陷，臨界參數(shù)和寬容窗口。此鐵軌維護(hù)計劃的目標(biāo)就是可接受范圍內(nèi)保有不規(guī)則性。
鐵軌軌道幾何形位
軌距是指兩根軌道之間的距離，它讓列車按“正弦曲線”方式運行。這確保了車輪與鐵軌之間的不斷接觸運行，從而減少磨損。地下發(fā)生變化會引起鐵軌傾斜，這些變化會造成列車車身抖動。鐵軌表面不規(guī)則例如車轍和裂洞，也有可能由引起鐵軌傾斜。因此當(dāng)列車進(jìn)出彎道時，有了系統(tǒng)傾斜側(cè)面圖的幫助可以降低對乘客的沖擊力。合適的鐵軌間距可以降低列車高速運行時發(fā)生碰撞的幾率。
縱剖面表面圖
鐵軌裂縫和破裂均屬于極其危險的不規(guī)則，它們可能造成類似脫軌的慘劇。車轍不規(guī)則變化的典型波長在20-100毫米之間，當(dāng)其振幅超過0.05毫米時，列車運行就會很噪雜，但當(dāng)振幅到達(dá)0.3毫米峰值時，振動就會對列車基座造成極大的損害。車轍往往沿著鐵軌出現(xiàn)，科學(xué)家們對它們的出現(xiàn)也持有不同意見。旋轉(zhuǎn)中或飛馳中的車輪通常會引發(fā)一個個裂洞，它們符合數(shù)理方程多項式的規(guī)律并且會瞬間造成鐵軌的凹凸不平。18米鐵路焊接接口會在一些陳舊鐵路上會造成規(guī)則的突起狀況。
橫截面圖
新建鐵軌的磁頭幾何結(jié)構(gòu)完全符合接觸面幾何的計算，極大優(yōu)化了車輪在鐵軌交界處的運行。它的形狀由切線和具體半徑組成，使得車輪可以經(jīng)濟(jì)順利地按照安全的水平導(dǎo)引行駛。
測量鐵軌
有針對性的系統(tǒng)鐵軌維護(hù)的主要要求是對鐵軌的現(xiàn)狀或者電車軌道網(wǎng)絡(luò)幾何十分熟悉（見圖2）。掌握智能的計算策略可以讓我們對此有所了解，這個策略包含擁有準(zhǔn)確GPS定位的里程計算，磁跡幾何，路徑幾何，縱剖面圖以及截面圖。我們使用移動測量設(shè)備獲得了這些參數(shù)，制造完成了測量工具。在最終建造高級分析軟件前，我們會使用模擬儀器Blackfin處理器來初始化并加工測量數(shù)據(jù)，最后，這個軟件可以用來在電子地圖（見圖3）上再分析以及明確定位測量數(shù)據(jù)和缺陷。
磁跡幾何
使用精確到0.01毫米范圍的非接觸感應(yīng)傳感器原則我們便可測量軌距?；谒惴ㄓ邢廾}沖響應(yīng)低通濾波器抑制了高頻的噪音，而隨后的移動平均濾波器確保了將要不斷持續(xù)的“偽高峰”。
對于傾斜感應(yīng)器我們采用了同樣的方法，操作起來像電子水位，正負(fù)10度角度，可精確到0.025度以下。因為物理原理的關(guān)系，測試結(jié)果只在一定頻率范圍，主要是在1赫茲以下準(zhǔn)確可靠。
測量道間距離需要一系列復(fù)雜及高計算要求的浮點算法，最終它們可將相對簡單的水平和垂直距離數(shù)據(jù)傳輸出去。（見圖10）在Blackfin處理器的控制下，安裝在車輛側(cè)面的高準(zhǔn)度激光在1至5米得范圍內(nèi)左右5度地?fù)u晃著。在掃描部分的內(nèi)部，相鄰鐵路的側(cè)面圖是低通濾波器和中值濾波器并從極坐標(biāo)圖轉(zhuǎn)換到直角坐標(biāo)系中去。再采取矢量旋轉(zhuǎn)和重采樣等處理方法后，我們通過圖案配對算法將側(cè)面圖傳送出去。目標(biāo)是在軌頭找出準(zhǔn)確的符合特殊幾何特征的矢量。因為在鐵軌中存在著許多障礙物如石頭和草，我們需要將這個矢量通過 可行性檢驗器和追蹤算法以便提供可靠準(zhǔn)確的結(jié)果，這些都在實時條件下的5赫茲循環(huán)中完成。
縱剖面圖
高速渦流傳感器精確到微米，可以記錄鐵軌表面變化（見圖6）。線性編碼器 通過 磁環(huán)來處理信號，它的作用是記錄里程并激活a/d感應(yīng)轉(zhuǎn)換器。信號 通過 裝有帶通拓樸的有限沖激響應(yīng)濾波器，將光譜減少到特有的波長。除了表面圖以外，我們還可以記錄下例如局部硬化和焊接點等冶金不規(guī)則。
橫截面圖
最先進(jìn)的激光科技可以不用接觸就準(zhǔn)確測量鐵路末端部分橫截面。因為有良好的準(zhǔn)確率和捕捉速度，橫切激光或者激光“窗簾”（見圖4）都可以用來使用，并實時線性化，縮放和過濾原始圖。
舊科技-測量工具
幾年前，為了分辨鐵軌的裂口和變化，維修人員使用了許多不同的測量工具。但每一個方法只能用于記錄一條特定鐵路的缺陷，這些方法幾乎缺少準(zhǔn)確性，并且不可復(fù)制。如今，一些技術(shù)方案供應(yīng)商如施密德工程公司將高級處理器科技和先進(jìn)的手段融入到了設(shè)計當(dāng)中。這些方法在鐵路基礎(chǔ)行業(yè)中的使用使移動和多功能鐵路測量工具更加精密。
鐵路監(jiān)測工具（見圖5）采用一流測量技術(shù)來同時確定鐵路側(cè)面圖，凈空高，軌距，傾斜，深度和環(huán)境溫度，并可在任何地方進(jìn)行監(jiān)測與記錄。所有的關(guān)鍵特性都可以當(dāng)場處理和目測結(jié)果，并將其保存在移動存儲器中。當(dāng)操作員火車車輛沿著軌道拖動RailSurf拖運器（見圖7）時，鐵路監(jiān)測工具會不斷的監(jiān)控記錄縱向軌跡參數(shù)。它裝有有多個感應(yīng)器，用來定位鐵路計算和傾斜中出現(xiàn)的問題，如波紋，裂洞和裂縫。獲得的信息可以保留在移動存儲器中，或者無線傳送到操作人員的工作界面上。
Blackfin處理器是這個系統(tǒng)的核心
作為這些測試工具的核心，Blackfin處理器通過對電池操作提供動態(tài)電源管理，使得微控制單元和電子信號處理器得以聚合。微控制單元一般與可擴(kuò)展輸入輸出設(shè)備連接，如激光掃描器，模擬電子感應(yīng)器，鍵盤，TFT屏幕，電池/燃油表 和可移動媒體。數(shù)字信號處理器主要處理高級電子算法如濾波，快速傅立葉轉(zhuǎn)換，判斷幾何誤差或完成其他高難度計算任務(wù)。ADI Blackfin處理器內(nèi)置NI LabVIEW模塊，近來在圖形系統(tǒng)方面取得了一些最新發(fā)明，為Blackfin 處理器提供了直接的編程模型，高質(zhì)量方框圖和數(shù)據(jù)流語言?？涩F(xiàn)成使用的數(shù)學(xué)分析模塊和圖形多任務(wù)處理在電子嵌入式設(shè)計上提升到了一個新的高度。
測量機(jī)器
由五個相互關(guān)聯(lián)的Blackfin處理器驅(qū)動的多功能車可以記錄長達(dá)10公里的鐵路的軌道參數(shù)，擁有5毫米的點至點的分辨率。 Blackfin＃1處理器允許用戶通過鍵盤和兩個TFT顯示器交互。 Blackfin＃2處理器則記錄高速軌道幾何形狀和縱剖面，并將GPS信息嵌入到Blackfin＃3處理器接收到的測量數(shù)據(jù)中。連同Blackfin＃4處理器捕獲的橫截面，所有的數(shù)據(jù)最終被分流到Blackfin＃5處理器中，RAM中大量的數(shù)據(jù)存儲最終被保存到可移動介質(zhì)上的二進(jìn)制文件的緩沖區(qū)中。
定位瑕疵
我們將所獲得的測量數(shù)據(jù)輸入一個通用軟件平臺，它通過GPS定位和里程表信息將軌道幾何形狀，縱剖面以及橫截面連在一起。這個平臺使用LabVIEW和LabVIEW工具包，它的作用就是一個公共數(shù)據(jù)交換與分析池。它能夠連接到各種測量設(shè)備，車輛和維護(hù)機(jī)器上。測量過程中的智能過濾功能類似于X射線，可以定位最為嚴(yán)重的的鐵路缺陷。最終整個軌道的幾何形狀的測量結(jié)果由數(shù)字形式展示出來（見圖2）。這個重要的信息如今可直接用于鐵路維修、更換等。通過無線連接到外部數(shù)據(jù)庫和CAD軟件，最終數(shù)據(jù)記錄可以轉(zhuǎn)移到客戶的IT環(huán)境中。
智能強(qiáng)大的Labview濾波器可發(fā)現(xiàn)缺陷
我們使用智能LabVIEW濾波器篩選縱向數(shù)據(jù)，找到目標(biāo)處的癥狀。通過FFT分析可以在縱剖面圖中尋找出有特征的波長進(jìn)而發(fā)現(xiàn)起皺部分。我們通過將測量出的側(cè)面圖與記憶形狀和機(jī)械輪軌接觸模擬進(jìn)行比較探測到裂洞，。裂縫會呈現(xiàn)出顯著的突變，因此我們區(qū)分移動數(shù)據(jù)窗口就可以檢測到它們。最終，連續(xù)運行和評估分析模型我們可以在傾斜圖中定位出獨特的振動模式。
我們將檢測結(jié)果縱的癥狀傳輸?shù)较嚓P(guān)“超級算法” 中。由此，我們可以從測得數(shù)據(jù)中進(jìn)一步減少信息量或者提取額外的有用信息。舉例來說，如果在鐵軌表面沒有的相關(guān)信號峰，單獨的傾向癥狀是毫無意義的，并會被退回。然而，在橫截面上顯示的縱向裂縫的明顯磨損，可以觸發(fā)報警。
評估鐵路截面的主要理念就是將被測圖與參考做比較。矢量和隨機(jī)兩個方法互相結(jié)合，疊加兩個側(cè)面圖，以獲得重要特征?？v向和垂直殘差可直接顯示磨損（見圖8）。其它參數(shù)包括剩余的頭部高度，正確勻稱的軌道半徑（見圖9）或一個活躍的閉合交換機(jī)的間隔。保持后者的公差是對確保通過交換機(jī)的高速列車沒有脫軌的危險十分關(guān)鍵。這就是為什么現(xiàn)在鐵路運營公司都專注于徹底地監(jiān)測交換機(jī)。
鐵路工程師們可以調(diào)整濾波器參數(shù)容限窗口，提出那些“偽警告”，選出真正顯著影響乘客舒適度與安全的軌軌缺陷
在電子地圖上明確缺陷
我們使用嵌入到定位缺陷的GPS數(shù)據(jù)，以定位它們在數(shù)字地圖上的位置（圖3）。這一地理信息增加了大量關(guān)于鐵路“熱點”的信息與新背景，如小半徑曲線，交換機(jī)，或車站。我們使用LabVIEW的圖像處理功能來實現(xiàn)這個簡單的地理信息系統(tǒng)（EASY -地理信息系統(tǒng)）?，F(xiàn)存感興趣的區(qū)域（例如，一個城市）的位圖被分解成單以拼貼圖，并配有精確的地圖坐標(biāo)。當(dāng)鐵路工程師瀏覽缺陷時，LabVIEW也不斷的從硬盤驅(qū)動器中加載拼貼圖，傳輸?shù)絻?nèi)存中，并組合成一張JPG圖片。此圖片接著被復(fù)制到LabVIEW的圖形繪制指示器中并用確切缺陷位置的數(shù)字光標(biāo)覆蓋。
結(jié)果付諸應(yīng)用
最后，我們將結(jié)果轉(zhuǎn)換成高端應(yīng)用。為了作進(jìn)一步的分析，我們可采用標(biāo)準(zhǔn)的CAD系統(tǒng)轉(zhuǎn)換主要缺陷如磨損和裂洞的幾何圖。使用圖形交換格式（DXF）文件格式最終可以實現(xiàn)目標(biāo)。
通過ActiveX數(shù)據(jù)對象（ADO），我們建立起外部數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)連接，它使用通用數(shù)據(jù)鏈接（UDL）連接類型和路徑。我們使用了一套高層次的虛擬儀器和數(shù)據(jù)平臺執(zhí)行最常見的數(shù)據(jù)庫任務(wù)，如處理表格和數(shù)據(jù)交換。
VAG紐倫堡運輸合作在Microsoft Access數(shù)據(jù)庫中維持著一個預(yù)定義和關(guān)鍵位置的矩陣，它是不斷的篩選，變化的。一旦熱點超過容限窗口，一個電子維修計劃就會被建立，并部署在維修機(jī)器的測量設(shè)備上。
蘇黎世公共交通（VBZ）的維護(hù)理念依賴于一個內(nèi)置有Microsoft Access數(shù)據(jù)庫的商業(yè)地理信息系統(tǒng)工具。鐵路路段，車站，交換機(jī)等所有基礎(chǔ)設(shè)施都一一列出，只要按下按鈕就可以在地圖上顯示整個城市的有軌電車網(wǎng)絡(luò)。類似紐倫堡，作為一個短期和長期維護(hù)理念的重要組成部分VBZ的鐵軌狀態(tài)也時時受到監(jiān)控。 通過ActiveX和NET機(jī)制，LabVIEW平臺可以連接到這個地理信息系統(tǒng)工具上。
解決問題
從IT環(huán)境反饋產(chǎn)生的維修計劃作為質(zhì)量設(shè)置點被下載到維修機(jī)器中。通過用幾個重疊碾磨運行 將鐵路返回到其原來的形狀，雙Blackfin處理器結(jié)構(gòu)能快速系統(tǒng)的修復(fù)磨損或檢查鐵路，支持整個的團(tuán)隊的運作。Blackfin處理器提供了一個多功能鍵盤，兩個TFT顯示器可以顯示鐵軌以及移動存儲器。兩個激光掃描儀連續(xù)捕獲20赫茲的交叉配置快照，用CAN網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)在線傳輸?shù)紺PU。然后，處理器計算偏差，將新的設(shè)定點傳送到由另一個Blackfin處理器控制得底層碾磨單位。
碾磨單元由六個獨立的磨盆組成。在靜壓的原則下，每個碾磨單位提供了3度自由空間。起初，磨盆會水平在軌頭的內(nèi)部，外部或中間移動。然后，它會旋轉(zhuǎn)偏差到最壞的情況，最終向下移動，直到它觸及軌頭后開始移除材料。 Blackfin處理器將PWM信號應(yīng)用到控制著靜流執(zhí)行器得閥門上便可以同時控制這18個操作。此外，6個旋轉(zhuǎn)傳感器，6個翻譯儀表，18個非接觸式位置開關(guān)，6個壓力傳感器在這個定位過程中連續(xù)受到監(jiān)測。使用傳統(tǒng)的方法需要花費幾分鐘的時間，現(xiàn)在磨盆在幾秒鐘內(nèi)就可以自動定位。
最后，磨盆開始移除多余的物質(zhì)（見圖11）。安全和堅固的外殼可以將電子設(shè)備和傳感器從四處飛濺的火花，過多的灰塵，濕度和熱隔離開來。在碾磨過程后，使用可移動媒體，通過在IT環(huán)境中加載數(shù)據(jù)，質(zhì)量就可得到保證。
結(jié)論
在下一階段的數(shù)字嵌入式設(shè)計中，我們采取了一個系統(tǒng)的維修理念用于鐵路和有軌電車。通過在一個中心點上利用低層次的鐵軌測量與控制及對高層次數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘與分析，我們設(shè)計出了一個最佳的成本效益的解決方案。使用Blackfin處理器的可擴(kuò)展的表現(xiàn)與性能，計量裝置和測量/維修車輛的能力已經(jīng)充分達(dá)到了苛刻的環(huán)境下的實時行為和堅固性的要求。
我們在設(shè)計中使用LabVIEW環(huán)境定位高層次的數(shù)據(jù)分析與可視化缺陷。我們也使用LabVIEW來開發(fā)復(fù)雜的數(shù)學(xué)濾波器算法，以應(yīng)對不同的網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場設(shè)備與IT環(huán)境所涉及的連接挑戰(zhàn)。易于使用的LabVIEW再次推出了一個倍受矚目的的設(shè)計，展示了重用和重組的最佳可能性。Blackfin中的LabVIEW嵌入式模塊為傳統(tǒng) ASM或ANSIC / C + +打開了范式轉(zhuǎn)變的算法的大門。隨著這項技術(shù)的革新，現(xiàn)在它能夠優(yōu)化任何鐵路或電車系統(tǒng)的缺陷（裂縫）的位置。所有缺陷數(shù)據(jù)存儲在中央數(shù)據(jù)庫以備緊急修復(fù)之需或監(jiān)察。RailSurf測量拖運器是移動智能計量裝置的第一個范例，它實現(xiàn)了一個快速，環(huán)保，維修鐵路的嵌入式解決方案。