一种城市轨道交通线路状态动态检测实验平台及使用方法与流程

本发明属于城市轨道交通领域，涉及一种动态检测实验平台及使用方法，尤其是一种城市轨道交通线路状态动态检测实验平台及使用方法。

背景技术：

我国城市轨道交通建设正处于高速发展期，城市轨道交通是绿色出行的主要方式，同时也是解决大中城市交通拥堵的有效方法。在轨道交通系统中，轨道状态的变化是影响乘客的舒适度的重要因素，并且如果形态变化超出标准将导致列车的卡道和脱轨，可能会造成严重的生命财产损失。因此，检测轨道线路状态的变形情况已成为轨道运营部门必须随时掌握的重要内容。传统的检测手段由于耗时耗力、精度低等原因已经无法满足目前轨道状态检测的需求；采用新方法、新技术实现对轨道状态进行自动化、高速准确检测和实时监控，指导维修作业，对保障列车安全运行具有重大意义。

国外从事轨道状态检测方面的研究已有百余年的发展历史，到目前为止，他们已拥有成熟的检测技术，并开发了多种类型的检测产品，并取得了良好的经济效益。国内开展轨道状态检测的研究起步较晚，目前使用的轨检车主要进口自国外。我国轨检状态检测的手段及平台还存在一定问题，主要表现在：

1.目前，城市轨道交通运行及控制的综合仿真平台较多，但采用的运行规则及技术方法繁杂，针对性不强，适用于普通高等院校教学与实训的轨道线路状态动态监测的仿真平台非常缺乏。

2.现有的城市轨道交通相关仿真平台多为地铁公司培训设计，整体结构较为复杂，设备元件成本及沙盘造价高，占用空间及安装难度大，且计算机处理过程为内部已经封装好的固定运算，对学生来说不够直观，不适合应用在普通高等院校相关专业教学使用。

3.对于比例模型轨道及列车，几乎没有能够实现实时显示轨道线路绘制，并形成轨道线路问题分析、记录报告单来进行反馈功能的捷联惯性系统及数字积分建模方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种能够快速、准确完成轨道状态检测并绘制轨道线路三维图形计算相关参数的平台，实时与控制中心进行通信，保障城市轨道交通列车安全、舒适运行。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

这种城市轨道交通线路状态动态检测实验平台，包括轨道和设置在轨道上的列车；

所述列车上设置有姿态测量模块、视频采集模块和视频传输模块；所述姿态测量模块包括加速度计、陀螺仪和蓝牙发送模块；所述视频采集模块通过视频传输模块将视频信号传输给显示屏；

所述轨道通过控制器与控制中心的电脑接口板相连接；所述控制中心与姿态测量模块保持通信。

进一步，上述轨道上还设置有位置传感器和道岔。

进一步，上述控制中心与单片机相连接；所述控制中心通过单片机控制继电器，所述继电器控制道岔的转换。

进一步，上述位置传感器为红外光电传感器。

进一步，上述位置传感器通过单片机向控制中心发送列车的定点位置信号；所述单片机为STM32。

进一步，上述控制中心上设置有蓝牙接收模块，通过蓝牙接收模块和蓝牙发送模块与姿态测量模块保持通信；所述控制中心与单片机通信方式为串口通信。所述控制中心通过串口与控制器连接，所述控制器通过轨道控制列车的启停，所述轨道为导电轨道。

进一步，上述视频采集模块为摄像头，所述显示屏为液晶显示屏。

进一步，上述控制中心根据接收到的检测数据进行图像绘制，所述图像绘制软件为OpenGL；所述控制中心通过MFC编写显示界面的程序及控制功能的程序，所述控制中心为计算机。

上述城市轨道交通线路状态动态检测实验平台的使用方法，包括以下步骤：

步骤1：打开电源给检测实验平台上电，控制中心查询轨道控制器、蓝牙接收器、道岔、和单片机的串行通信端口的端口号；在控制中心上设置各通信端口的参数，建立控制中心与各设备的串行通信；

步骤2：控制中心通过步骤1中打开的串口向道岔及单片机发送需要切换的线路指令，单片机根据指令控制继电器动作，扳动道岔；控制中心通过控制控制器启动列车，列车开始运行；

步骤3：控制中心接受各端口采集的信号并通过OpenGL进行绘制三维路线图，当列车行驶到校准点时，校准加速度和角度；

步骤4：当列车以稳定速度运行时，清除列车之前运行过程中产生的数据，重新记录并绘制列车稳定运行的三维路线图像；

步骤5：对步骤4中所得到的三维路线图像进行分段评估，得到评定后的轨道状态。

进一步，上述控制中心为计算机；所述单片机为STM32。

相对于现有技术，本发明的优点及效果为：

本发明轨道交通线路状态动态检测平台设计了一种适用于研究轨道线路检测的实验平台。

本平台所设计的沙盘模型较为简易，体积较小，电路设计简单，易于实现和安装；计算机所运用的编程软件结构简单，易于实现及学习，维护周期短；相关元器件在满足基本要求的条件下价格低廉，易购买及更换维修，平台功能可满足相关专业学生的教学及实训需求，并且能够大幅度节约成本。

本平台能够较好的实现列车运行控制，实时显示轨道线路绘制，并完成形成轨道线路问题分析、记录报告单来进行反馈等功能，为城市轨道交通的教学提供了一种新的设备。

附图说明

图1为本发明列车结构示意图；

图2为本发明控制系统结构示意图；

图3为本发明的操作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1至图3所示，本发明一种城市轨道交通线路状态动态检测实验平台，包括轨道和设置在轨道上的列车；

所述列车上设置有姿态测量模块、视频采集模块和视频传输模块；所述姿态测量模块包括加速度计、陀螺仪和蓝牙发送模块；所述视频采集模块通过视频传输模块将视频信号传输给显示屏；

所述轨道通过控制器与控制中心的电脑接口板相连接；所述控制中心与姿态测量模块保持通信。

轨道上还设置有位置传感器和道岔。控制中心与单片机相连接；所述控制中心通过单片机控制继电器，所述继电器控制道岔的转换。

位置传感器为红外光电传感器。位置传感器通过单片机向控制中心发送列车的定点位置信号；所述单片机为STM32。

控制中心上设置有蓝牙接收模块，通过蓝牙接收模块和蓝牙发送模块与姿态测量模块保持通信；所述控制中心与单片机通信方式为串口通信。所述控制中心通过串口与控制器连接，所述控制器通过轨道控制列车的启停，所述轨道为导电轨道。

视频采集模块为摄像头，所述显示屏为液晶显示屏。控制中心根据接收到的检测数据进行图像绘制，所述图像绘制软件为OpenGL；所述控制中心通过MFC编写显示界面的程序及控制功能的程序，所述控制中心为计算机。

上述城市轨道交通线路状态动态检测实验平台的使用方法，包括以下步骤：

步骤1：打开电源给检测实验平台上电，控制中心查询轨道控制器、蓝牙接收器、道岔、和单片机的串行通信端口的端口号；在控制中心上设置各通信端口的参数，建立控制中心与各设备的串行通信；

步骤2：控制中心通过步骤1中打开的串口向道岔及单片机发送需要切换的线路指令，单片机根据指令控制继电器动作，扳动道岔；控制中心通过控制控制器启动列车，列车开始运行；

步骤3：控制中心接受各端口采集的信号并通过OpenGL进行绘制三维路线图，当列车行驶到校准点时，校准加速度和角度；

步骤4：当列车以稳定速度运行时，清除列车之前运行过程中产生的数据，重新记录并绘制列车稳定运行的三维路线图像；

步骤5：对步骤4中所得到的三维路线图像进行分段评估，得到评定后的轨道状态。

其中控制中心为计算机；所述单片机为STM32。

本发明开发一套城市轨道交通线路状态动态检测平台，通过平台来模拟再现城市轨道交通线路状态动态检测的过程，并且通过模拟驾驶室真实地模拟列车驾驶室中的工作环境。利用软硬件相结合的方式来对轨道线路状态的动态检测进行仿真，软件完成三维建模及线路参数计算；硬件实现轨道的铺设及实际列车运行检验。本平台的开发能够为实际轨检设备的开发提供原理参考，并且为列车驾驶员的培训及相关专业学生的实验等教学活动提供了设备。

本发明利用1:48比例城市轨道交通电客车及轨道设施模型开发城市轨道交通轨道状态实时检测平台。该平台能够快速、准确完成轨道状态检测并绘制轨道线路三维图形计算相关参数，实时与控制中心(OCC)进行通信，保障城市轨道交通列车安全、舒适运行。

轨道沙盘：用XPS塑料泡沫作为基底，搭建角度约为10度的倾斜坡度，已椭圆为原型做上下坡，并用道岔做支路，对比实现检测与观察的目的。

本发明选用MPU6050加速度传感器，测量三轴的加速度值，并通过姿态融合求出姿态角，利用姿态角绘制时间T的位移图像。

在PC端使用基于对话框的MFC(Microsoft Foundation Classes)库函数进行图形化界面程序设计。后期为MFC添加界面库以美化界面。

在实际运行过程中，列车控制台程序通过调用mscomm ActiveX控件中的方法，通过串行接口与沙盘轨道控制器进行通讯，通讯内容即为B-TC 877booster控制命令的格式化字符串。

对于列车运行过程中运动轨迹的实时绘制，我们决定采用OpenGL进行绘制。OpenGL是一个功能强大，调用方便的底层图形库，被广泛用于教育科研领域。在程序初始化后，先绘制一个右手坐标系，并将XOZ平面上色，以表示地面。在串口收到列车端发送的传感器信息后，对X、Y、Z轴偏移位移及偏转角度进行计算，并在坐标系上确定相应坐标，绘制相应轨迹。同时在屏幕上以2D方式显示实时传感器数据作为参考。

列车的虚拟驾驶功能的重点在于列车实时影像的传输与显示。视频信息由于其信息流量大，实时性要求高，因此我们拟采用2.4G频段的无线通信技术来传输图像信息。在上位机端，基于MFC与OpenGL，可以方便的对采集到的图形进行处理、显示，由此使用者获得与实际驾驶相差无几的视觉感受。

道岔由PC端的模拟列车控制中心控制。控制中心采用图形化控制。使用者可以通过点击来改变道岔状态，以改变列车的进路。同时将有关道岔和敌对进路予以锁闭，确保行车安全(计算机联锁)，并向信号机给出允许信号，放行列车或车列。在行进过程中，控制中心通过判断前方路况，实时给出速度参考值，作为行车的依据。

本发明具体的使用方法为：

1.打开轨道控制器877、899的电源(使用直流稳压电源供电)；打开姿态传感器(与蓝牙发射器集成在一起)的电源开关；打开摄像头模块(与WiFi发送模块集成)的电源开关；将道岔控制继电器(执行结构)、红外位置传感器上电；将道岔及轨旁设备控制下位机上电；将上位机(电脑)的运行控制台打开，并将轨道控制器、蓝牙接收器、道岔及轨旁设备控制下位机的串口通信线与USB集线器相连接,将传感器蓝牙收发模块与上位机的蓝牙模块相配对。在设备管理器中查询轨道控制器、蓝牙接收器和道岔及轨旁设备控制单片机的串行通信端口的端口号。

2.根据步骤1中查询的端口号，在列车控制台界面左上角的“设置及开关面板”的“通信设置”中分别单击第一列的三个按键设定各自端口的端口号，其余各项参数(波特率、数据位、停止位、校验位)保持默认即可(控制器和道岔及轨旁设备：波特率：9600数据位：8停止位：1校验位：NONE蓝牙接收器：波特率：115200数据位：8停止位：1 校验位：NONE)。

3.确认步骤2中参数的设定值与步骤1中查询的端口号实际对应后，单击步骤2中三个参数设定按键右侧相应的“ON”按键，打开对应的通信端口，建立控制中心与相应设备的串行通信。

4.根据需要单击控制界面右下角“线路选择”中的“一号线”和“二号线”两个按钮进行行驶线路的选择，控制中心通过步骤3中打开的串口向作为道岔及轨旁设备控制器的单片机发送需要切换的线路编码，单片机根据编码改变对应的IO口电平0V-5V的高低转换，使道岔控制继电器动作，扳动道岔。

5.单击控制界面左下角的“启动列车电源”按键，界面右上角“电源状态”右侧的“关闭(Shut Down)”变为“开启(Start Up)”，电源状态左侧图标也由黑色的“×”转变为黑色的“√”，下方的速度手柄变为可拖动状态。

6.上下拖动步骤5中所述的速度手柄，给定列车牵引力，速度手柄释放后，控制中心每隔0.5秒通过步骤3中打开的串口发送一个递增的速度码给控制器，共用时5秒发送到设定值，在一定程度上避免出现因为启动时发送的过大速度码引起的列车启动不平稳情况。例如，想让它以40％的牵引力运行，那么松开滑动杆之后，马上发送5％的速度码，过0.5秒之后发送10％的速度码，一直到第5秒发送40％的速度码。这样做的好处是可以一定程度上避免因为启动时发送的过大速度码引起的列车启动不平稳。

控制器将收到的速度码转换为轨道上的PWM信号占空比，并通过一个升压电路将信号发送到轨道上，改变轨道的电压，以控制列车电机的牵引力，列车开始运行。单击控制界面左侧“图像设置”中的“开始显示”按键，控制界面中心不断更新显示三维路线的图像(在步骤九中详细说明绘图过程)。

7.当列车行驶到校准点(设定在水平地面上的轨道某处，用于确定图像水平面及起始角度)时，单击控制界面左下角的“关闭列车电源”按键，进行停车操作，同时，步骤5中所述的速度手柄自动回到拖动条中间“零速”位置，与步骤6相同，发送0速度码给轨道，改变轨道电压，控制列车运行速度。单击控制界面左侧“图像设置”中的“校准加速度和角度”按键，等待校准完成后，拖动速度手柄给定列车牵引力，列车加速。

8.等到列车以稳定速度运行后，单击控制界面左侧“图像设置”中的“坐标及图像清零”按键，清除之前步骤6中非平稳运行过程时的误差数据。

9.姿态角测量模块中的陀螺仪和加速度计不断测量当前列车运行的角速度和加速度，通过内部运算得到列车运行姿态角，并将其通过集成的蓝牙发送模块发送给控制中心。与控制中心相连接的蓝牙接收模块接收到数据后，通过系统中的模拟串口把数据发送给控制中心。控制中心对姿态角数据进行三维空间解析后将绘图数据存在一个预先定义在全局范围内的链表中，并同时写入一个硬盘文件中进行永久存储，当链表节点超过3000个时，为了避免绘图时过高的时间复杂度，对这个链表进行有损压缩，最后得到三维线路模型图像，鼠标左键拖动图像可改变观察角度，滚轮滚动可改变视角半径。每次OpenGL绘图刷新(用定时器刷新使每秒帧数(FPS)维持在30～31)，对存储有空间坐标解析结果的链表(预先定义的一个全局对象，在内存里，专门为每次OpenGL刷新提供数据)进行遍历，在控制界面的空间坐标系中将每个点都显示出来并依次两两连接，就得到三维线路的图像。

10.每次向链表压入数据后，控制中心取这个压入的点和它之前的两个点，利用编写的计算程序计算此三点组成的三角形的外接圆圆心位置和半径，并对线路的坡度等参数进行定量检查，以判定线路质量。在采样频率足够高的情况下，外接圆圆心和半径的计算结果可以视为此时列车所处弯道的曲率半径。当判定当前线路情况不符合规定值时，控制中心即对此段(提前将轨道线路进行分段)的数据进行记录，写入.csv文件(一种表格文件)，并依据规定指标将轨道评定状态显示在控制界面上。程序运行结束后生成的.csv文件即存储了所有存在问题的轨道区段数据。