數(shù)顯式站臺限界測量尺的改進(jìn)探討

趙海琛 中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司科研所

1 引言

目前測量站臺限界的儀器主要有站臺尺、站臺檢測小車等儀器設(shè)備，利用機(jī)械測量、紅外線和超聲波等測量方式[3]。其中，數(shù)顯式站臺限界測量尺因操作簡單、攜帶輕便、測量精度高等優(yōu)點(diǎn)獲得了良好的市場。但其也存在無法存儲測量數(shù)據(jù)、測量范圍也無法覆蓋全量程等不足。

為此，需要在原有的基礎(chǔ)上對數(shù)顯式站臺限界測量尺改進(jìn)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的存儲和導(dǎo)出，擴(kuò)展測量量程，并在其他細(xì)節(jié)上也做出一定改進(jìn)。

2 技術(shù)改進(jìn)

2.1 數(shù)據(jù)的存儲和導(dǎo)出

新增測量數(shù)據(jù)存儲與導(dǎo)出功能。測量作業(yè)時通過按鍵操作，可以將測量數(shù)據(jù)保存在尺內(nèi)；當(dāng)需要導(dǎo)出數(shù)據(jù)是，可通過USB接口導(dǎo)入到計(jì)算機(jī)中。

站臺尺數(shù)據(jù)存儲與導(dǎo)出流程如圖1所示。磁柵傳感器和傾角傳感器將采集的模擬數(shù)據(jù)傳送給高精度ADC并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。MCU將數(shù)字信號計(jì)算之后，獲得站臺限界的橫距和豎高等數(shù)據(jù)結(jié)果，然后將其進(jìn)行存儲。

圖1 電子電路原理框圖

數(shù)據(jù)的存儲選用24c02串行儲存器。串行總線擴(kuò)展接線靈活，不僅占用I/O線少、體積小、功耗低，還具有工作電壓寬、抗干擾能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)不易丟失等特點(diǎn)，方便用戶根據(jù)需求將其作為系統(tǒng)模塊使用。

數(shù)據(jù)的傳輸采用I2C總線協(xié)議。I2C總線協(xié)議只要求兩條總線線路，分別是一條串行數(shù)據(jù)線SDA和一條串行時鐘線SCL。串行的8位雙向數(shù)據(jù)傳輸位速率在標(biāo)準(zhǔn)模式下可達(dá)100 kbit/s，快速模式下可達(dá)400 kbit/s，高速模式下可達(dá)3.4 Mbit/s，數(shù)據(jù)傳輸速度高。此外，片上的濾波器可以濾去總線數(shù)據(jù)線上的毛刺波，保證數(shù)據(jù)完整。

為了對數(shù)據(jù)存儲功能進(jìn)行操作，也對操作面板以及按鍵電路進(jìn)行了修改，增加“功能”按鍵。數(shù)據(jù)可以在站臺尺端手動刪除，也可以通過USB接口導(dǎo)入電腦中,進(jìn)行匯總、統(tǒng)計(jì)、分析。

2.2 豎高全量程測量的實(shí)現(xiàn)

標(biāo)準(zhǔn)站臺可以分為高站臺和低站臺兩類，其中高站臺的豎高范圍是（1 000.0～1 400.0）mm，而低站臺的豎高范圍是（200.0～500.0）mm。但是在一些特殊的場合會有介于高站臺和低站臺之間的非標(biāo)站臺。原數(shù)字式站臺限界測量尺不能測量這類非標(biāo)站臺，為了實(shí)現(xiàn)豎高（200.0～1 400.0）mm范圍內(nèi)全量程的測量，增加了中間測量檔位。

中間檔位需要滿足兩個條件。第一，中間檔位測量在測量中所需的極限行程S應(yīng)低于站臺尺本身的設(shè)計(jì)行程（630 mm）；第二，站臺尺測量中間檔位在測量中的極限傾角差θ應(yīng)低于傾角傳感器的測量范圍（30°）。在確定中間檔位安裝位置之前，應(yīng)通過計(jì)算驗(yàn)證以上條件是否同時滿足，否則需要重新調(diào)整站臺尺的設(shè)計(jì)。

本文針對復(fù)雜探測場景中雜波分布偏離高斯分布的情況，采用Alpha穩(wěn)定分布建立雜波模型，并在此基礎(chǔ)上提出了基于分?jǐn)?shù)低階矩的SAR-STAP雜波抑制算法。文中通過對仿真實(shí)驗(yàn)及多組多通道SAR實(shí)測數(shù)據(jù)處理對算法性能進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明，該算法在非高斯環(huán)境中性能明顯優(yōu)于原有算法，并表現(xiàn)出良好的魯棒性，是一種實(shí)用且有效的多通道SAR雜波抑制算法。

（1）極限行程計(jì)算

當(dāng)站臺的橫距和豎高均處于最大值時，站臺尺的伸長量s1為最大值；當(dāng)站臺的橫距和豎高均處于最小值時，站臺尺的伸長量s2為最小值。計(jì)算出s1和s2之后，可以利用以下公式計(jì)算出s：

從圖 2 中不難看出，a1=Lmax-753-d，a2=Lmin-753-d，b1=Hmax-H0+d，b2=Hmin-H0+d。其中，H0是站臺尺鉸鏈中心點(diǎn)到水平基準(zhǔn)面的距離，d是測量L形鉸鏈尺中連接軸到兩側(cè)測量面的垂直距離。

圖2 站臺尺行程極限位置示意圖

（2）極限傾角計(jì)算

當(dāng)站臺的橫距為最大值，豎高為最小值時，站臺尺的極限位置傾角α為最小值；當(dāng)站臺的橫距為最小值，豎高為最大值時，站臺尺的極限位置傾角β為最大值。計(jì)算出α和β之后，可以利用以下公式計(jì)算出站臺極限傾角差θ：

其他幾何關(guān)系如圖3所示。a1=Lmax-753-d，a2=Lmin-753-d，b1=Hmin-H0+d，b2=Hmaz-H0+d。

圖3 站臺尺傾角極限位置示意圖

（3）檔位與傾角傳感器的安裝

經(jīng)過計(jì)算，行程s為619 mm，小于 630 mm；θ為26.45°，小于30°。滿足設(shè)計(jì)條件，可以在站臺尺現(xiàn)有的基礎(chǔ)上直接增加中間檔位。高低站臺兩個檔位之間的距離為500 mm，小于行程630 mm。因此，中間檔位的位置可以設(shè)定在高低站臺檔位之間的任何位置。與之對應(yīng)需要增加一個傾角傳感器，以覆蓋站臺的測量范圍。傾角傳感器只能測量出水平面為基準(zhǔn)±15°的范圍，經(jīng)計(jì)算，需要把傾角傳感器安裝在與站臺尺尺身方向成58.5°到62°的范圍之間（改進(jìn)前后站臺尺外觀對比情況見圖4）。

圖4 改進(jìn)前后站臺尺外觀對比圖

2.3 多種規(guī)格仿形條的設(shè)計(jì)

鐵路鋼軌有多種不同的規(guī)格，常見的有60軌和50軌，45軌較少用。不同規(guī)格的鋼軌的軌頭外形尺寸略有差異，若使用規(guī)格不匹配的仿形條測量站臺限界，就會造成站臺尺定位基準(zhǔn)與理論基準(zhǔn)的偏差，影響測量結(jié)果。原數(shù)字式站臺限界測量尺只適配60軌，為了提高站臺尺的應(yīng)用性，設(shè)計(jì)了50軌道和45軌道的仿形條。三種規(guī)格如圖5所示。

圖5 多種規(guī)格的仿形條

3 結(jié)束語

改進(jìn)后的站臺限界測量尺在路內(nèi)廣泛使用，現(xiàn)場反應(yīng)情況良好?？梢赃m應(yīng)各種站臺、多種鋼軌，通用性強(qiáng)；改變了過去邊測量邊人工記錄的辦法，極大地提高了工作效率，減少記錄出錯。