高速铁路雪深监测系统设计与试验(2)
2013年11月16日至11月25日，黑龙江省迎来大暴雪，在19日当天，已经有28辆客运列车晚点、20辆客运列车被迫取消。部分列车采取降速行驶的方式积雪运行，导致部分列车甚至晚点13小时。另一方面，由于大暴雪导致高速公路封闭、机场航班取消，导致大量旅客改为铁路出行，更加重了铁路的压力，大批旅客滞留火车站。2010年2月15日北京时间15:30，比利时的两个旅客列车在布鲁塞尔附近的一个小镇上相撞，造成至少25人死亡，数十人受伤。此次事故的原因是一列列车司机由于下雪没有看清列车停车的信号灯，没有采取制动措施而使两列列车发生全速相撞。事故导致欧洲西部铁路系统几乎瘫痪，往返于多国之间的高铁暂停运营。
为了避免以上发生的列车事故，我们需要一种能实时监测及组网报告的雪深测量系统，及时给指挥控制中心及列车驾驶员安全警示。由于高速列车线路大都设计在人烟稀少的空旷地带，且铁路沿线绵延数百甚至数千公里，在铁路沿线设置人工的雪深测量平台耗费人力物力，且达不到实时性的要求。因此必须研制一种可以集自动监测、数据处理、数据发送与接收甚至加装摄像头实时采集现场视频信息的自动雪深测量设备，安装在高速铁路沿线，为指挥控制中心采取正确的处理预案提供信息支持。
1.2 国内外研究现状
1.3 本设计研究内容
本文首先对超声波测量雪深和激光测量雪深的原理进行分析，其中激光测量雪深以相位测量法进行说明。再由目前市面上两类雪深测量传感器的主流型号给出其技术参数比较表格，分析两类雪深测量传感器的特点。本文重点介绍以激光雪深测量传感器为核心的雪深测量系统，包括其硬件组成、硬件的安装方式及其图解、软件系统的构成以及基于组态王的控制系统等。
文章分为以下4个章节：
第一章：介绍了研究的背景和意义，积雪深度的主要测量方式，以及本设计的研究内容进行了总结。
第二章：分别介绍了超声波测量雪深和激光测量雪深的原理，根据市面上常见的两类雪深测量传感器进行参数比较，并简要分析其差别的原因。
第三章：介绍系统中需要的硬件，包括各设备间的关系及每部分设备具体型号的确定。
第四章：基于组态王的控制系统，介绍每一个画面的制作方式，各参数的设置，画面的连接以及系统仿真的结果。
2 超声波及激光测量雪深的原理
2.1 超声波测量雪深
2.1.1 超声波的物理特性与应用
频率超过两万赫兹的声波被称为超声波[8]。超声波的频率非常高，波长小，因而具有很好的定向传播能力，在遇到两种不同介质的分界面时，遵循折射定律和反射定律。此外，超声波在介质中传播的衰减很小，所以穿透能力非常强。超声波在通过介质时会发生多种效应，主要有：(1)机械效应；(2)热效应；(3)空化效应。
超声波运用范围较广[9]，主要用于工业和医学。在工业上，由于超声波的直线传播能力好，可利用超声波进行测距；超声波的穿透能力和反射能力极强，可用于工业探伤；由超声波的热效应发展出超声金属冷焊技术超声波的空化特性用于雾化溶液、清洗设备。在医学上，利用超声波在各种组织中声学的特性不同，特别是正常组织和病变组织中声学特性的不同，可以识别出病灶的位置，为治疗提供依据。超声波在其他方面也有广泛的应用。
2.1.2 超声波测量积雪深度原理
利用超声波的反射原理，通过测量超声波发出的时间和接收的时间，可以得出超声波传感器到障碍物的距离[10]。因此，在超声波传感器安装完毕后，测量安装位置到地面的距离，并作为测量的“基准零点”。在有积雪时，超声波测得的距离将比没有积雪时测量的距离小，而两者的差值就是积雪的深度。