基于轉(zhuǎn)向架計(jì)量的動(dòng)態(tài)電子軌道衡數(shù)據(jù)波形分析

徐 棟

（廣西工學(xué)院 電子信息與控制工程系，碩士研究生，廣西 柳州 545006）

動(dòng)態(tài)軌道衡是一種對(duì)行進(jìn)中的貨車(chē)進(jìn)行動(dòng)態(tài)稱(chēng)量的計(jì)量設(shè)備。它通過(guò)重力傳感器感應(yīng)通過(guò)秤臺(tái)的貨車(chē)重量并轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，再經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)［1］。這種信號(hào)包含了大量關(guān)于貨車(chē)的信息，如過(guò)衡速度、距離、車(chē)型、軸重、輪重等，通過(guò)分析這些數(shù)據(jù)就可以得到有關(guān)車(chē)輛行駛方向、速度、車(chē)輛重量、偏載等信息，可見(jiàn)準(zhǔn)確分析波形數(shù)據(jù)對(duì)準(zhǔn)確稱(chēng)量具有十分重要的意義。由于軌道衡的波形數(shù)據(jù)不僅與軌道衡的結(jié)構(gòu)形式、臺(tái)面參數(shù)有關(guān)，還與車(chē)輛本身的軸距、重量、過(guò)衡速度、輪對(duì)是否有擦傷等因素有關(guān)，并與現(xiàn)場(chǎng)的各種電磁干擾因素有關(guān)。因此，實(shí)際的波形數(shù)據(jù)形狀很復(fù)雜，給準(zhǔn)確識(shí)別帶來(lái)較大困難。轉(zhuǎn)向架計(jì)量方式具有測(cè)區(qū)長(zhǎng)，精度高、外圍有基礎(chǔ)受震動(dòng)性小等特點(diǎn)，通過(guò)識(shí)別波形，計(jì)算出前后轉(zhuǎn)向架的重量后即可得出整車(chē)重量，達(dá)到計(jì)量的目的。本文主要針對(duì)轉(zhuǎn)向架計(jì)量方式，對(duì)動(dòng)態(tài)電子軌道衡的數(shù)據(jù)波形特點(diǎn)及識(shí)別分析進(jìn)行說(shuō)明。

1 轉(zhuǎn)向架計(jì)量波形數(shù)據(jù)的特點(diǎn)

1.1 車(chē)輛過(guò)衡波形介紹 我國(guó)現(xiàn)行的動(dòng)態(tài)電子軌道衡從受力方式分有斷軌軌道衡、不斷軌軌道衡；從臺(tái)面組合形式上分有單臺(tái)面、雙臺(tái)面、多臺(tái)面形式；從計(jì)量方式上分有軸計(jì)量，轉(zhuǎn)向架計(jì)量和整車(chē)計(jì)量。受力方式、臺(tái)面組合形式及計(jì)量方式的不同都會(huì)導(dǎo)致過(guò)衡軌道衡波形不同［2］。

由于我國(guó)現(xiàn)階段使用的國(guó)產(chǎn)貨車(chē)的型號(hào)、規(guī)格不盡相同，轉(zhuǎn)向架軸距長(zhǎng)度也不一樣。我國(guó)現(xiàn)行的轉(zhuǎn)向架軸距，根據(jù)生產(chǎn)廠(chǎng)家制造規(guī)格不同有1 575 mm，1 600 mm，1 700 mm，1 720 mm，1 750 mm 不等［3］。這些車(chē)輛在不同車(chē)速下過(guò)衡時(shí)，便產(chǎn)生各種過(guò)衡波形，形成軌道衡波形的多樣性。

傳感器信號(hào)經(jīng)放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換，形成數(shù)字信號(hào)后送入計(jì)算機(jī)，得到波形數(shù)據(jù)。理想狀態(tài)下，轉(zhuǎn)向架計(jì)量方式列車(chē)過(guò)衡波形，如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)向架計(jì)量方式下的理想過(guò)衡波形

圖1中左半部分表示列車(chē)前轉(zhuǎn)向架過(guò)衡，ue段波形代表轉(zhuǎn)向架第1根軸上衡，uf段代表第1根軸下衡，ue+f代表2根軸都在衡上。同理，后半部分代表后轉(zhuǎn)向架過(guò)衡波形，及后1輛車(chē)與前車(chē)過(guò)渡過(guò)衡的過(guò)程。ub+c代表前車(chē)后轉(zhuǎn)向架第2根軸與后車(chē)前轉(zhuǎn)向架第1根軸同在衡上的過(guò)程。uc段代表前車(chē)已完全過(guò)衡，只有后車(chē)前架第1根軸在衡上的過(guò)程。

1.2 實(shí)際過(guò)衡波形特點(diǎn)及原因 實(shí)際列車(chē)過(guò)衡波形并非如圖1所示，而是有一定斜度，波形也并非平坦。實(shí)際過(guò)衡波形如圖2所示。

圖2 軌道衡實(shí)際過(guò)衡波形（轉(zhuǎn)向架計(jì)量方式）

通過(guò)對(duì)軌道衡波形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其特點(diǎn)主要包括5個(gè)方面。

1.2.1 波形包含軸重信息 由于車(chē)輛重量跟質(zhì)量的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，車(chē)輛車(chē)軸重量顯示在波形中即為一段段波形的變化。如圖中b，d，f段波形各代表車(chē)輛軸重信息。車(chē)輛載重通過(guò)相應(yīng)數(shù)學(xué)運(yùn)算即可求得，即通過(guò)對(duì)a，e段波形作求和等處理后，可得車(chē)輛載重。

1.2.2 幅值差距大 由于車(chē)輛重量相差很大，最重的可以超過(guò)100 t，最輕的則不到20 t，故分配到每根軸上的重量就大不一樣。因此，體現(xiàn)在波形上的幅值相差就很大，如圖中f，g段波形。

1.2.3 時(shí)間軸相差大 過(guò)衡時(shí)車(chē)輛速度相差很大，最低5 km/h，最高80 km/h。因此，同一列車(chē)過(guò)衡后，波形在時(shí)間軸上相差很大，波形上表示為某段波形的持續(xù)長(zhǎng)度，如c段波形。對(duì)于同一列車(chē)，由于c段波形對(duì)應(yīng)的車(chē)輛長(zhǎng)度一定，所以不同速度下，列車(chē)通過(guò)的時(shí)間就不同，對(duì)應(yīng)到波形c的長(zhǎng)度便大不相同。

1.2.4 干擾復(fù)雜 由于車(chē)輛運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的橫向擺動(dòng)及垂向振動(dòng)，乃至車(chē)輪表面擦傷引起的沖擊振動(dòng)，均會(huì)使波形數(shù)據(jù)受到干擾，產(chǎn)生虛假輪重信號(hào)，造成識(shí)別錯(cuò)誤。如圖中各段波形的振動(dòng)變化。

1.2.5 電磁干擾大 由于傳感器信號(hào)調(diào)理電路的放大倍數(shù)很大，不可避免地會(huì)受到各種電磁信號(hào)的干擾。這些干擾信號(hào)可通過(guò)電源引入工頻干擾，通電鋼軌引入牽引供電回流電磁干擾，這些干擾也會(huì)給波形的正確識(shí)別帶來(lái)很大困難，體現(xiàn)在圖中即對(duì)應(yīng)某段波形的跳動(dòng)變化。

2 差分識(shí)別算法

2.1 物理識(shí)別方法 通過(guò)對(duì)過(guò)衡波形的分析得知，軌道衡車(chē)軸上下衡在波形上體現(xiàn)在波形的上升和下降。波形中上升沿和下降沿的斜率代表貨車(chē)通過(guò)的速度。速度越快，波形上升（下降）的斜率越陡，且這期間數(shù)據(jù)變化范圍很大。因此，利用此段波形的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)軸的上下衡進(jìn)行判斷。

在列車(chē)勻速或低速通過(guò)測(cè)量區(qū)，車(chē)軸在平穩(wěn)過(guò)渡到下一根車(chē)軸上（下）衡期間，其波形數(shù)據(jù)范圍變化不大，而在車(chē)軸上下衡的過(guò)渡過(guò)程中，波形數(shù)據(jù)變化非常大。針對(duì)這一特點(diǎn)，利用其大的波動(dòng)范圍對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差分識(shí)別車(chē)軸。由于定義車(chē)軸上下衡是在波形數(shù)據(jù)急劇上升或下降后又快速平緩的時(shí)刻點(diǎn)，因此，可通過(guò)以下方法進(jìn)行判別。首先，定義一個(gè)閾值，進(jìn)行數(shù)據(jù)差分結(jié)果判斷，差分結(jié)果跟閾值進(jìn)行比較，只有在有限個(gè)數(shù)據(jù)連續(xù)都滿(mǎn)足閾值條件后，才繼續(xù)進(jìn)行下一步判斷。隨后若另有有限個(gè)差分結(jié)果都小于閾值，則可認(rèn)為車(chē)軸上下衡。

2.2 軟件差分算法 依據(jù)軌道衡數(shù)據(jù)波形的形成特點(diǎn)及測(cè)量原理，可以通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)軌道衡車(chē)軸的識(shí)別分析并顯示，以得到過(guò)衡車(chē)輛的基本信息。為了準(zhǔn)確識(shí)別車(chē)輛的車(chē)軸信息，基于上述判斷方法，本文采用一種差分算法，以N個(gè)數(shù)據(jù)為一個(gè)比較單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛車(chē)軸上下衡的判斷［4］。

所有數(shù)據(jù)存放在變量X中，X的取值范圍為0

若Xi+1-Xi>M，則i+1；否則i=0；

若 i>N/2，則 i=0，k=1；

若k=1，且Xj+1-Xj

若 j>N/2；則 k=0，j=0；axle=1；則標(biāo)記 XN/2作為一根車(chē)軸的識(shí)別點(diǎn)。

若上述條件有一不滿(mǎn)足，則退出后續(xù)判別，進(jìn)行下一組數(shù)據(jù)判別。

式中Xi表示X中第i個(gè)數(shù)據(jù)；axle=1表示作為一根車(chē)軸上衡；Xj表示在滿(mǎn)足i>N/2時(shí)取的以后的數(shù)據(jù)點(diǎn)。同理

若Xi+1-Xi<-M，則i+1；否則i=0；

若 i>N/2，則 i=0，k=1；

若k=1，且Xj+1-Xj>-M，則j+1；否則j=0；

若 j>N/2；則 k=0，j=0；axle=1；則標(biāo)記 XN/2作為一根車(chē)軸的識(shí)別點(diǎn)。

若上述條件有一不滿(mǎn)足，則退出后續(xù)判別，進(jìn)行下一組數(shù)據(jù)判別。

式中Xj表示在滿(mǎn)足i>N/2時(shí)取的以后的數(shù)據(jù)點(diǎn)；axle=1表示作為一根車(chē)軸下衡。

在上述算法中，若計(jì)數(shù)變量的值超過(guò)了N，則進(jìn)行下一個(gè)比較單元的判別。

2.3 算法步驟及流程圖 差分算法主要包括差值計(jì)算、閾值判斷、個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)等環(huán)節(jié)。具體算法步驟如下：

第1步：將采集到的數(shù)據(jù)文件讀入程序。

第2步：以N個(gè)數(shù)據(jù)為一個(gè)比較單元，將其內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行差分運(yùn)算。

第3步：每次得到的差值與設(shè)定閾值進(jìn)行比較。若大于閾值，跳到第4步，否則跳到第8步。

第4步：滿(mǎn)足大于閾值的差值做1計(jì)數(shù)。并判斷計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)是否超過(guò)N/2，若超過(guò)，則跳到第5步，否則跳到第8步。

第5步：再次判斷差值與設(shè)定閾值的關(guān)系。若小于閾值，則跳到第6步，否則跳到第8步。

第6步：若后續(xù)差值小于閾值則加1計(jì)數(shù)，并判斷計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)是否超過(guò)N/2，若超過(guò)則跳到第7步，否則跳到第8步。

第7步：得出結(jié)果，判定為軸存在點(diǎn)。

第8步：取下一點(diǎn)。

通過(guò)上述分析，程序判別的流程可用圖3表示。

圖3 判軸流程示意圖

程序執(zhí)行過(guò)程中，若有一個(gè)條件不滿(mǎn)足，則進(jìn)行下一數(shù)據(jù)的判斷。必須同時(shí)滿(mǎn)足判別條件才能被認(rèn)為是車(chē)軸識(shí)別點(diǎn)。若計(jì)數(shù)變量個(gè)數(shù)超過(guò)N，則進(jìn)行另一組數(shù)據(jù)的判別。

3 實(shí)例驗(yàn)證

3.1 差分運(yùn)算 以4軸車(chē)輛轉(zhuǎn)向架計(jì)量方式為例，對(duì)上述差分算法進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證。取M=500，N=10，對(duì)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行一步差分運(yùn)算，其結(jié)果如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)一步差分效果圖

圖中上方代表某段實(shí)際過(guò)車(chē)波形，下方代表對(duì)應(yīng)此波形的一步差分結(jié)果。

3.2 車(chē)軸識(shí)別 按照文中給出的差分算法，通過(guò)VC6.0編程軟件進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)軸的判別分析。經(jīng)過(guò)差值計(jì)算、閾值判斷、個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)等環(huán)節(jié)后，軟件識(shí)別結(jié)果如圖5所示。

圖5 車(chē)輛車(chē)軸識(shí)別效果圖

圖中每條豎線(xiàn)段代表一車(chē)輛車(chē)軸上衡或下衡的信息狀態(tài)，圖中波形上升變化后識(shí)別出的結(jié)果即代表一根軸上衡，下降變化后的波形識(shí)別出的結(jié)果代表一根軸下衡。

3.3 人工與軟件識(shí)別對(duì)比 為驗(yàn)證此算法的有效性，根據(jù)物理識(shí)別與軟件算法思想，隨機(jī)挑選20個(gè)數(shù)據(jù)文件，進(jìn)行人工識(shí)別與軟件識(shí)別對(duì)比驗(yàn)證，結(jié)果見(jiàn)表1所示。通過(guò)表中可知，該算法具有較高的識(shí)別效果，在車(chē)軸過(guò)衡期間對(duì)數(shù)據(jù)產(chǎn)生的干擾有效地進(jìn)行了排除，使其能準(zhǔn)確識(shí)別。但仍存在個(gè)別識(shí)別錯(cuò)誤現(xiàn)象（人工和軟件識(shí)別結(jié)果不匹配），如車(chē)軸虛判及漏判，通過(guò)觀(guān)察判別錯(cuò)誤所在數(shù)據(jù)文件波形可知，這是由于車(chē)速過(guò)快，采樣率太低引起的，若車(chē)速控制在30 km/h以?xún)?nèi)，此算法可達(dá)到較高的識(shí)別精度。

通過(guò)以上方法可以得出，識(shí)別出一根車(chē)軸只有通過(guò)觀(guān)察軌道衡數(shù)據(jù)先急劇變化（增大或減小），再緩慢變化，才可以作為一根軸的判斷依據(jù)。不能同時(shí)滿(mǎn)足這2個(gè)條件的數(shù)據(jù)點(diǎn)，都不是真正的車(chē)軸上下衡點(diǎn)，而可能只是外界引起的波動(dòng)較大的干擾點(diǎn)。

3.4 車(chē)重計(jì)算 若想準(zhǔn)確表示出每根車(chē)軸的軸重，則可通過(guò)軟件編程，對(duì)每段平緩上下衡波形記錄其起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)，對(duì)期間的所有數(shù)據(jù)求取平均值［5］，相鄰兩軸的波形做差，就可得到每根軸的重量，進(jìn)而求出各轉(zhuǎn)向架的重量，將兩轉(zhuǎn)向架求和即得整車(chē)重量。由車(chē)軸軸重和載貨車(chē)輛重量的比例系數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系，就可以近似得到貨車(chē)的載重情況。

表1 人工識(shí)別與軟件識(shí)別結(jié)果對(duì)比圖

4 結(jié)束語(yǔ)

上述通過(guò)介紹轉(zhuǎn)向架計(jì)量方式下軌道衡數(shù)據(jù)波形的特點(diǎn)及形式多樣性，根據(jù)波形及數(shù)據(jù)特點(diǎn)，采用差分算法對(duì)車(chē)軸進(jìn)行軟件識(shí)別，通過(guò)理論分析與實(shí)際算法編程實(shí)現(xiàn)，較好地實(shí)現(xiàn)了車(chē)軸的識(shí)別，達(dá)到了車(chē)軸識(shí)別的目的，有助于得出各轉(zhuǎn)向架的重量，進(jìn)而求得車(chē)輛載重。該算法通用性好，對(duì)其它數(shù)據(jù)也達(dá)到了較好的識(shí)別效果。針對(duì)外界因素及自身引起的強(qiáng)烈干擾［6］，此算法有效地進(jìn)行了濾除，但針對(duì)仍存在個(gè)別誤判的現(xiàn)象，還需進(jìn)行進(jìn)一步研究。

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