随着城市轨道交通快速发展，其基础设施检测技术的研究日益受到重视。一般采用专用的车辆安装检测设备，构成专业检测车或综合检测车对基础设施进行周期性检测。但这种方式投入大，须要购置专用的车辆或列车，并对专用车辆进行长期维护；占用运输资源多，须要在运行图中安排检测车的运行，或对检测车进行专门的调度安排。而对于城市轨道交通，每条线路运营里程较短，不同城市的轨道线路甚至同一城市的不同轨道线路常不能实现互联互通，上述专用的检测列车实用性不高。
随着物联网、移动互联网等技术的发展，智能感知装备受到广泛关注，这种装备可嵌入城市轨道交通基础设施检测系统并搭载于运营列车上，从而在不影响运营列车正常运行情况下实时检测线路基础设施。轨道检测是检查轨道病害、指导线路养护维修、保障行车安全的重要手段［1］。但既有的轨道检测装备种类较少，功能单一，体积偏大，因此，研究一种搭载式的轨道检测设备及技术，可以提高城市轨道交通系统运作的效率和实时性；而且不独占车辆资源，降低了运营维护成本，可产生良好的社会效益和经济效益。
目前，国内轻轨和地铁主要采用综合检测车和专业检测车进行基础设施检测。综合检测车如无锡地铁综合检测车、广州地铁网轨检测车等将接触网检测设备和轨道检测设备集成在同一车辆上［2］。专业检测车则执行单一检测功能。无论是综合检测车还是专业检测车，车辆均为专用设备，不具备载客运营功能。
近年来，国外一些公司也在探索使用搭载式检测设备实现对基础设施状态的实时检测。美国联邦铁路管理局研发了一种新型轨道状态检测系统。该系统自带能源，安装在运营列车的转向架或车体上，在列车运营过程中完成对轨道状态的检测，并利用GPS技术远程实时传输检测数据［3］。荷兰RailData 公司开发出一种安装在运营列车上的轨道检测系统——Rila，该系统由电池供电，具备安装快捷、检测方便、耗电量低等特点，既可安装在普通运营列车的自动车钩上，也可安装在专用机车的缓冲器上［4］。此外，法国、德国、加拿大、巴西等国家均对搭载式检测设备进行了研究和应用。
综上，城市轨道交通搭载式基础设施检测系统检测效率高，占用资源少，具有良好的应用前景。
根据上述研究，提出一种基于ARM微处理器和现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）的可搭载在城市轨道交通运营列车上的轨道检测系统。其基本思路是：以检测梁作为惯性基准，集成惯性传感器；然后采用嵌入式微处理板卡通过实时数字网络进行信号传输；最后基于数学计算模型计算轨道几何参数，实现在高速条件下对轨道多个参数的实时采集、精确测量和分级评判［5-6］。
为了更为直观地将中国与六国课程内容设置基本情况进行比较，该研究设计合理算法，将六国课程设置的基本情况进行整合，绘制基于六国代数思维课程内容设置参考模型，如图14所示．
轨道检测系统技术架构为在列车转向架上安装检测梁；激光摄像组件提供检测梁左侧和右侧的横向和垂向单边位移；检测梁中间安装惯性组件，包括3个轴向陀螺和3 个轴向加速度计，利用这些传感器信号组成数字传输网络；通过嵌入式微处理板卡采集和处理信号；根据相应的参数计算模型进行计算，并对信号进行补偿、滤波等数据处理，最终获得轨道不平顺几何参数。其中嵌入式微处理板卡是所有传感器数据采集、计算、发送的关键设备，其具有成本低、功耗低、体积小、环境适应能力强等优点，不占用车上空间，所有设备集成在车下检测梁中即可。搭载式轨道检测系统的结构如图1所示。
图1 搭载式轨道检测系统结构示意
搭载式轨道检测系统嵌入式微处理板卡执行信号接收、同步控制、信号处理、模型计算、网络传输等功能，是搭载式轨道检测系统的核心器件。本文设计了基于ARM 微处理器的数据采集微处理板卡以完成轨道检测数据的采集、计算功能，具体技术指标如下：①满足轨道检测系统在400 km/h 车速情况下，0.25 m采样周期最大抖动时间小于30 µs；②串口接收速率达到 115 200 b/s；③CAN 口接收速率达到 1 Mb/s；④千兆网口TCP 通讯速率达到300 Mb/s；⑤固态硬盘（Solid State Drive，SSD）写入速率不小于20 MB/s，读出速率不小于25 MB/s；⑥编码器信号输入、脉冲信号输出、CAN口、串口、GPIO接口静电防护等级达到2 500 Vrms；⑦编码器信号输入最高频率不小于25 MHz；⑧硬件满足-40～85 ℃的工作温度要求。
嵌入式微处理板卡采用核心板加外围接口电路板的结构，核心板为10 层，底板设计为7 层，从下到上主要有底板（电源、计数器）、CPU 板、SSD 载板。核心板CPU 采用I.MX6Q。板卡设计过程中着重扩展其外围接口，降低系统功耗，预留可扩展的功能接口。
实证检验了内部控制评价对会计稳健性的影响，得出以下结论：在进行内部控制评价工作的过程中，有外部评价主体参与的内部控制评价公司的会计稳健性高于仅有内部评价主体参与的内部控制评价公司的会计稳健性；发现内部控制缺陷并积极配合进行整改的公司的会计稳健性要显著高于发现内部控制缺陷却拒绝配合进行整改的公司的会计稳健性；能够提供真实性较高的内部控制评价报告的公司的会计稳健性要高于提供真实性较低的内部控制评价报告的公司的会计稳健性。
系统设计元件和设计思想须满足工业级标准的设计要求。系统应用于温度为-200～+700 ℃、湿度小于90%的振动环境中［7］，应着重提高系统的可靠性，减少非焊接式连接件的应用。嵌入式处理板卡接口设计如图2所示。
图2 嵌入式处理板卡接口设计示意
处理板卡核心外接接口技术指标见表1，可知轨道检测系统传感器类型及接口方式满足城市轨道交通轨道检测系统的数据采集需求。
表1 处理板卡核心外接接口技术指标
序号1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 11 12 13 14 15技术指标I.MX6Q四核处理器，1 GHz主频1 GB DDR3内存8 GB EMMC flash 128 MB NOR flash（boot flash）1个RS-232调试串口4个RS-232,RS-422,RS-485可配置串口512 G 固态硬盘编码器输入接口1个时钟源可配置的32 bit定时器RTC实时钟1个LED灯接口，5 V或者3.3 V电源供电1个千兆网接口2路CAN 2.0接口，每路速率可单独配置1个USB host接口1个USB device接口
核心板采用Freescale I.MX6Q Cortex-A94 多处理器，I.MX 6Quad 系列具有4 个内核，运行频率高达1.2 GHz（目前 CPU 运行频率为 800 MHz），带有 1 MB L2 缓存和 64 位 DDR3 或 2 通道、32 位 LPDDR2 支持。这个系列的器件集成了FlexCAN、MLB 总线、PCI Express®和SATA-2，具有卓越的连接性，同时集成LVDS、MIPI显示器端口、MIPI摄像机端口和HDMI v1.4，并支持EMMC4.3/4.5 协议接口。
嵌入式处理板卡设计了2 种启动方式：①正常工作状态下NOR flash 启动内核程序及轨道检测应用系统程序，将复位按键SW2［1］、SW2［2］拨码开关选为0∶1即为工作启动状态；②镜像更新启动方式，此时系统进入USB 下载模式，系统可以通过USB_OTG 烧写bootloader、QNX内核镜像等。
DDR 内存由 4 片 IS46TR16128A-15HBLA1 组成，单片2 G bit，共1 G Byte。内核启动在内存中运行，在轨道检测系统运行过程中由于使用精简内核，系统占用接近10%内存、12%CPU。在应用程序中接收进程占用内核及内存最多。
CAN 口为处理板卡核心数据接收接口，CAN 口隔离芯片采用四通道数字隔离器ADuM5402CRWZ。搭载式轨道检测系统中2 个CAN 口分别接收数字惯性组件数据和图像系统提供的轨距点、高低点信号。
为验证传感器与用户的身份，用户首先向传感器发送验证请求。该传感器计算如公式（3）—（5），其中Ti是时间戳：
嵌入式处理板卡经过试制和反复调试修改，最终研制成功，形成样机如图3所示。
图3 嵌入式处理板卡样机
遵循模块化、隐藏信息等原则［8］，基于实时多任务操作系统QNX，开发运行于嵌入式处理板卡的轨道检测软件，包括系统启动程序bootloader IPL、系统内核、应用程序3部分。嵌入式处理板卡平台上电启动时首先启动系统IPL，处理器PC 指针移动至起始地址进行系统初始化，然后进行配置系统时钟、关闭MMU 单元等任务，完成系统初始化；随后系统进行内核代码搬移，跳转首地址完成初始化串口、设定系统内存大小、初始化中断系统等任务；系统内核启动完成后，开始运行轨道检测系统应用程序，软件系统完成数据采集、合成、波形展示、超限统计等功能。软件流程如图4 所示。
图4 搭载式轨道检测软件流程
处理板卡设计完成后，在实验室进行处理板卡数据采集接收功能验证。
那木偶没多大事，只脸上被新漆过的铁架子剐蹭了一些漆渍上去。王爷的脸却变成了猪肝色，一边嘴里咕咕叨叨骂起来，一边从口袋里掏出平日里擦嘴用的手帕，沾了些唾沫，使劲在那木偶脸上擦。见擦不干净，又从口袋里掏出一个小刀（不知道还能掏出啥来），把着力度轻轻地刮，竟然那漆渍就被刮掉了。
5.1.1 CAN总线设备测试
系统采用CAN总线方式采集惯性组件角速度陀螺和加速度计信号、图像横向和垂向位移信号，通过不同的CAN ID 号采集各个信号。对CAN 总线设备进行测试，测试内容见表2。信号测试正常波形如图5所示。
表2 惯性组件CAN信号组成
线程can400_thread_imu1 can400_thread_imu2 can400_thread_imu3 CAN ID 4417 13121 12680信号滚动陀螺倾角计、横向加速度摇头陀螺、垂向加速度
5.1.2 串行设备通信
企业引入财务管理标准化的理念，结合各业务部门工作制定财务管理流程。各企业可以根据本单位的业务实际进行指标分解，结合各部门的工作特点及费用指标的预算情况制定财务报销的业务流程，设计标准统一的单据及传递程序。标准统一了、报销流程设计好了，再借助于“互联网+”的思维和技术，财务部门在处理业务的时候可以做到逻辑上集中，物理上分散。需报销的员工即使在不同的地区工作，也可以利用互联网等通信工具完成财务报销，达到了即时交流的目的。
图5 惯性组件信号测试正常波形
系统中通过串行设备串口方式采集车体加速度计的横向和垂向加速度信号，以及采集里程同步定位信息，信号测试正常波形如图6所示。
中海石油舟山石化有限公司(以下简称舟山石化)有1套液化气和干气脱硫装置，溶剂使用复合性脱硫剂，主要成分为MDEA，系统内胺液贮量约500 t。于2011年购置了1台离子交换胺液净化设备，由于系统带水和外排含胺废水量较大的问题，设备没有长期投入运行，系统胺液中HSS浓度不断升高。2016年4月的化验分析数据表明，胺液质量浓度为0.22 g/m L，HSS质量分数高达10.59%，导致设备腐蚀和胺液跑损等一系列问题。为此，采用浙江海牛电渗析设备对系统内MDEA溶液进行HSS在线脱除操作。
图6 车体加速度计信号测试正常波形
5.1.3 通用型输入输出（GPIO）触发
轨道检测系统每0.25 m 空间距离采集1 次数据［9］，其中处理板卡通过FPGA 实现脉冲计数功能，等距离触发各传感器。通过GPIO 信号发送触发脉冲给图像系统以同步触发采集图像信号，经测试同步触发信号方波如图7时，可正常触发图像采集。
图7 触发脉冲信号正常波形
为测试研发的嵌入式处理板卡性能，在2 列不同的运营动车组上均安装了嵌入式处理板卡和轨道检测系统4U 工控机，分别采集轨道检测传感器数据并进行数据对比［10］，检测车速最高达到310 km/h。根据测试结果发现不同速度级别下2次数据对比重复性良好。可知嵌入式微处理板卡与工控机数据采集结果一致，满足检测系统重复性、一致性要求。图8为沪昆线上其中一列动车组2次测试波形数据对比。
图8 2次测试波形数据对比
通过轨道检测系统嵌入式处理板卡重放工控机设备原始数据，合成、计算产生数据波形文件，并与工控机采集合成的服务器波形数据进行对比，波形完全一致，重放数据波形对比如图9所示，说明嵌入式采集系统在数据合成、发送、超限编辑方面与工控机采集设备一致，满足检测系统准确度要求。
笔者所在学校关于集中技训的实践教学改革是一次重大的教学改革，通过集中技训这一教学实践环节学院各专业都取得了成果，笔者在观看了各专业的集中技训成果过后，发现有些专业的成果展示很好，思路很清晰，值得借鉴，在此基础上笔者谈谈所在学校集中技训成果观摩后的思考，并以此希望全员参与共同提高集中技训质量方面的管理及授课能力。
图9 重放数据波形对比
城市轨道交通轨道检测系统嵌入式处理板卡基于ARM 微处理器和FPGA 技术实现小型化、低功率、多样化数据集成，在准确性、重复性、一致性等方面都满足标准要求。它将之前必须安装的多台4U 大型工控机缩小为一块嵌入式的小型板卡，可大大简化设备，降低轨道几何检测成本，提升检查频率和效率，并提供高质量的检测数据，为轨道检测系统搭载在运营列车组上提供技术储备。此项研究成果具备市场应用前景，在未来的轨道检测中将发挥巨大作用。随着我国城市轨道交通建设快速发展，线路轨道动态质量检测日益重要，创新实用的轨道检测系统必将得到更加广泛的应用，并将产生良好的社会效益和经济效益。
参考文献
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