工控嵌入式系统技术：铁轨维护的魔法棒，确保公共交通安全与经济性

在美国国家仪器为《VIP-Kongress》贡献的一篇论文中，我们探讨了如何利用工控嵌入式系统技术来改善铁路环境质量，创造出更安全、更经济的公共交通方式。随着铁路和电车轨道的普及，舒适与安全的乘客人数不断增长，因此快速列车和短停站时间变得至关重要。

然而，这种高速运营对铁路和电车轨道造成巨大机械压力，年久失修部件可能导致致命危险。为了解决这一问题，一种新兴的系统维护解决方案被发明出来，以支持铁路和电车轨道的监控与维修。

深入了解铁轨

在建造前，新的铁轨和电车轨道必须经过严格检测以确保正确位置。不过，在建成后，由于机械接触，如动态弹簧-质量模块引起的问题难免出现。工程标准定义了缺陷、临界参数以及宽容窗口，本计划目标是在可接受范围内保持不规则性。

铁轨几何形位

正确距离，即两根轨道之间距离，让列车沿“正弦曲线”运行，从而减少磨损。当地下发生变化时，这些变化会引起倾斜，使列车抖动。此外，如表面不规则（如凹槽或裂洞）也能引起倾斜。在进入弯道时，有了侧面图帮助可以降低对乘客冲击力的影响。合适间距还能够降低高速碰撞风险。

纵剖面表面图

裂缝或破裂属于极其危险的情况，它们可能导致脱轨悲剧。振幅超过0.05毫米的小波长（20-100毫米）会带来噪音，而振幅达到0.3毫米峰值时，对基座造成重大损害。此外，还有沿着铁轨出现的一系列不规则变化符合数理方程多项式规律，并能瞬间形成凹凸不平的地形。

横截面图

新建铁轨磁头几何结构优化了交界处运行，通过切线半径组成使得轮子能顺利导航到水平上。这需要精确GPS定位、路径几何、纵剖面的理解以及测量数据处理能力，以及高级分析软件用于电子地图分析定位测量数据及缺陷。

测量工具

使用非接触感应传感器可以精确定位0.01毫米范围内的距离。而对于倾斜感应器，我们采用同样的方法，将结果准确到0.025度以下，只在1赫兹以下频率下准确可靠。此外，还需复杂浮点算法处理相对简单水平垂直距离数据，最终将其传输出去。在Blackfin处理器控制下，一系列高准度激光扫描部分内部侧面图转换到直角坐标系中，再采取矢量旋转重采样等处理方法后，可以通过图案配对算法提供矢量结果，并进行追踪算法检验以保证结果可靠性。

高速涡流传感器能够记录微米级别表面的变化，同时线性编码器记录里程并激活a/d感应转换器。此外，还可以捕捉局部硬化焊接点等冶金缺陷信息。最先进激光科技可以无接触地精密测量横截面积端部分段，并实时线性化缩放过滤原始图像。

旧科技-测量工具

过去，用各种不同的工具试图区分铁軌裂口，但每个方法只能用作特定区域缺陷检测，不够准确且不可复制。现在，一些技术供应商融合高级处理器技术和先进手段设计出移动多功能 铁路测试设备，可同时确定侧面、高净空、高度、倾斜深度及环境温度，并允许现场操作者即时查看并保存数据至移动存储介质中。当拖曳RailSurf拖运机载设备，其监测工具将持续监视并记录纵向参数，如波浪、裂洞及裂缝信息获得后的智能过滤功能类似X射线，可以发现最严重鐵軌缺陷，最终整体幾何形状測試結果

ADi Blackfin 处理核心驱动多功能测试机具，可以连续10公里长途录制各项鉄道参数，每次5毫米分辩率。一共五个Blackfin 处理单元协同工作，其中一台用于用户交互键盘显示屏；另一个负责高速几何形状与纵剖面的捕获；第三台结合GPS 数据嵌入；第四台捕获横截面积端部分段；最后一个将所有数据汇总至RAM 中，最终保存二进制文件缓冲区中供移动存储介质使用。

平台通用软件平台连接各种设备/汽车/维护机具，将所获得之measurements 输入LabVIEW 软件分析池进行分析，与GPS 定位结合绘制完整鉄軌幾何形狀與側邊圖，並透過智慧過濾技術找到鐵軌中的瑕疵，以便進行維護與改進鐵路系統性能，为创建更安全，更经济性的公共交通提供关键支撑。