铁路岛固车设备状态与作业质量在线监测方法及应用

摘要

抄平起拨道捣固车(简称捣固车)，是铁路线路的新线施工、旧线大中修清筛作业和运营线路维修作业的必备装备，能对轨道进行自动抄平起、拨道、道碴捣固作业，使轨道线路达到线路设计标准和线路维护要求，确保列车的安全运行。由于中国铁路列车的提速、重载和高密度运行，中国既有的捣固车已不能完全满足现代铁路线路维护的要求。现有08-32型捣固车是目前铁路线路大修、维修作业的主力车型，铁道部广州铁路集团公司提出了对其进行技术改进的要求，在现有08-32型捣固车上增加设备状态与作业质量在线监测系统，提高现有08-32型捣固车线路作业性能和设备维护水平。捣固车设备状态与作业质量在线监测系统，对设备运行状态实时监测，掌握设备运转状况，对其故障实时告警、早期诊断并处理；对作业质量信息实时采集处理，采用精确作业新方法，提高作业效率和作业精度。本文以捣固车设备状态与作业质量在线监测系统的设计与开发为主线，对设备状态在线监测方法、线路作业新方法、多功能混合I/O模块和远程监控系统通信服务器等关键技术进行了深入研究。
　　(1)根据项目的研究目的、内容及要求，总结了捣固车在线监测系统的研究现状及发展趋势，给出了项目实施方案和技术路线，确定了研究的重点和攻克的难点。
　　(2)针对捣固车设备状态在线监测方法及技术实现的问题，分析了捣固车的结构与运行工况，确定了在线监测系统的监测点，建立了捣固车在线监测系统模型和监测数据库，提出了监测系统故障告警与故障诊断算法，实现了设备故障实时告警、故障诊断和远程
　　(3)针对捣固车线路作业新方法与技术实现问题，建立了作业圆形竖曲线的数学模型，采用激光长弦精确测量竖曲线，消除残余偏差，实现竖曲线精确起道作业；建立了精测精捣新方法的模型，捣固车采集精测数据，采用最小二乘法拟合曲线，重新设计目标曲线线型，为精确捣固提供线路理论参数，实现数字化精确起拔道控制。
　　(4)通过分析捣固车在线监测系统对I/O模块的需求，设计实现了一种多种形态的多功能混合I/O模块。该模块具有模拟量输入、模拟量输出、开关量输入、开关量输出、脉冲计数量输入等多种功能，I/O端口可软件配置为上述五功能之一。采用该模块，可减少采集设备成本、提高系统可靠性和缩减安装空间。
　　(5)针对捣固车远程监控系统通信服务器的设计与要求，设计了一种非阻塞NIO模式的通信服务器。建立了铁路捣固车远程监控系统的时延模型，对车载终端与远程服务器通信的GPRS链路部分进行了时延性分析，给出了优化GPRS时延和恢复GPRS中断数据的措；设计了服务器与车载终端、服务器与监控客户端的实时并发通信协议。
　　(6)分别在实验室和现场恶劣环境下对捣固车在线监测系统进行了运行实测，完成对GPRS通信功能、通信性能和数据采集的测试。实测结果表明本系统工作正常，达到系统设计目的和性能指标。
　　本文提出的捣固车设备状态和作业质量在线监测方法，有效解决了铁路线路捣固车常规作业过程中作业效率低、作业质量差和设备维护困难等技术难题，显著地提高了现有捣固车线路作业技术水准和装备信息化程度，为设计开发其它大型工程机械在线监测系统提供了重要理论依据和技术实现途径。本课题设计开发的捣固车设备状态与作业质量在线监测系统已于2009年11月通过了广州铁路集团公司的科技成果鉴定，认为该系统技术先进、设计合理、运行可靠，在整体技术和应用理论上达到国内领先水平。

目录

文摘

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附表索引

第1章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 捣固车在线监测技术的国内外研究现状及发展趋势

1.2.1 国内外研究状况

1.2.3 捣固车在线监测技术发展趋势

1.3 课题主要技术内容与本文研究重点

1.3.1 捣固车在线监测系统构架

1.3.2 课题实施技术路线

1.3.3 本文研究重点与难点

1.4 论文结构与主要研究内容

第2章 捣固车设备状态在线监测

2.1 捣固车设备状态常规监测技术及问题分析

2.1.1 状态分析

2.1.2 常规监测与维护方法分析

2.2 捣固车设备状态在线监测系统设计

2.2.1 总体设计

2.2.2 动力系统测点确定

2.2.3 电气系统测点确定

2.3 捣固车设备状态在线监测数据综合处理方法

2.3.1 告警与故障诊断

2.3.2 异质多传感器数据融合方法

2.3.3 远程实时控制

2.4 本章小结

第3章 捣固车线路作业方法改进与作业质量在线监测

3.1 线路作业方法的改进思路

3.1.1 常规铁路线路养护与维修方法存在的问题

3.1.2 线路作业方法改进的总体思路

3.2 线路方向与水平检测方法及残留偏差分析

3.2.1 线路方向偏差检测原理

3.2.2 线路水平检测

3.2.3 残余偏差分析

3.3 线路纵断面竖曲线激光长弦精确作业法

3.3.1 竖曲线检测系统结构框架

3.3.2 激光长弦检测竖曲线模型的建立

3.3.3 激光长弦检测竖曲线方法实现

3.4 精测精捣新方法

3.4.1 加权总体最小二乘曲线拟合方法

3.4.2 优化目标曲线流程

3.4.3 数字化精确起拨道控制实现

3.5 作业质量实时监测

3.5.1 曲线矢距检测模型及修正值计算

3.5.2 三角坑检测算法

3.6 本章小结

第4章 捣固车在线监测多功能混合I/O模块设计

4.1 多功能混合I/O模块需求分析与性能指标确定

4.1.1 捣固车在线监测系统对I/O模块的需求

4.1.2 多功能混合I/O模块的设计思想

4.1.3 多功能混合I/O模块的功能与技术指标

4.2 多功能混合I/O模块设计创新

4.2.1 总体设计

4.2.2 多功能可软件配置I/O端口设计方法与实现

4.2.324bit模拟量输入通道设计与实现

4.2.4 高隔离度及超低纹波的电源电路设计与实现

4.2.5 基于CANopen协议的通信端口设计与实现

4.3 基于PWM的高精度D/A转换器研究与实现

4.3.1 PWM方式D/A转换器的基本原理

4.3.2 PWM方式D/A转换器的精度分析

4.3.3 提高PWM方式DAC分辨率的方法

4.3.4 PWM信号的频谱分析和模拟低通滤波器设计

4.3.5 PWM方式D/A转换器的电路设计

4.4 本章小结

第5章 捣固车远程监控系统通信服务器设计与开发

5.1 通信服务器的总体设计

5.1.1 捣固车远程监控系统整体架构

5.1.2 通信服务器的基本功能

5.1.3 通信服务器的组成架构

5.2 服务器通信时延分析

5.2.1 捣固车远程监控系统通信时延模型

5.2.2 捣固车远程监控系统GPRS时延分析

5.2.3 GPRS数据时延优化及中断防护措施

5.3 通信模式与通信协议设计

5.3.1 服务器非阻塞式通信框架设计

5.3.2 服务器与终端通信流程

5.3.3 服务器与车载终端间的通信协议

5.4 通信服务器性能分析与测试

5.4.1 测试平台架构

5.4.2 测试结果与分析

5.5 本章小结

第6章 捣固车在线监测系统测试及运行

6.1 样机的实验室测试

6.1.1 实验室测试平台构建

6.1.2 实验室测试方法及结果

6.2 捣固车在线监测系统运行实测

6.2.1 车载监控系统运行实测

6.2.2 远程监控中心运行实测

6.3 本章小结

总结与展望

参考文献

附录A 捣固车设备状态监测点

附录B 捣固车常见故障分析表

附录C 作业质量轨道偏差检测参考表格

附录D 科技项目鉴定证书

附录E 攻读博士学位期间发表的学术论文

附录F 攻读博士学位期间科研工作情况

致谢