列車舒適度和平穩(wěn)性檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

柳曉靜，王培培，林建輝

（1.西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；2.常州西南交通大學(xué)軌道交通研究院，江蘇 常州 213100）

0 引 言

國(guó)內(nèi)高校和科研院所在舒適度與平穩(wěn)性測(cè)試儀的研制方面取得了突出的成績(jī)。西南交通大學(xué)[1-5]從虛擬儀器、單片機(jī)、DSP處理器和基于軟核的SOPC處理器的角度，對(duì)測(cè)試儀進(jìn)行了研究；北方交通大學(xué)[6-7]以ARM處理器為平臺(tái)，通過(guò)嵌入式Linux操作系統(tǒng)，對(duì)測(cè)試儀進(jìn)行了探討；鐵道科學(xué)研究院[8]的三維加速度及平穩(wěn)性指標(biāo)儀，采用DSP技術(shù)實(shí)時(shí)計(jì)算平穩(wěn)性指標(biāo)，通過(guò)內(nèi)置計(jì)數(shù)器及GPS提供準(zhǔn)確速度信息；另外，武漢理工大學(xué)[9-11]、浙江理工大學(xué)[12]等高校也對(duì)此進(jìn)行了深入的研究。通過(guò)國(guó)內(nèi)的研究可以發(fā)現(xiàn)，早期的舒適度與平穩(wěn)性測(cè)試儀多以虛擬儀器技術(shù)為核心，以個(gè)人計(jì)算機(jī)為載體，可以滿足數(shù)據(jù)分析與處理的要求，但靈活性不足，體積稍顯龐大。隨著半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展，以DSP處理器和ARM處理器為核心的解決方案開(kāi)始出現(xiàn)，DSP處理器以其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度，可以做到數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理，但在人機(jī)接口和控制方面略顯不足；而ARM處理器則與之相反，人機(jī)接口豐富但數(shù)據(jù)處理能力不足。為了克服以上缺點(diǎn)，該檢測(cè)儀采用基于EPC-8000系列工控機(jī)主板的嵌入式SoC智能平臺(tái)，利用其資源豐富、接口齊全、功耗低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，省去了一大部分的硬件設(shè)計(jì)；其軟件采用Linux操作系統(tǒng)，在保證實(shí)時(shí)性的同時(shí)，加強(qiáng)了人機(jī)界面的設(shè)計(jì)。

1 檢測(cè)儀的硬件結(jié)構(gòu)

檢測(cè)儀的硬件構(gòu)架如圖1所示。在檢測(cè)過(guò)程中，傳感器檢測(cè)列車車體垂、橫、縱3個(gè)方向的振動(dòng)加速度，通過(guò)PCM-8208BS高速模擬量輸入卡傳入EPC-8000I-L工控機(jī)主板進(jìn)行計(jì)算和分析，得到列車車體的實(shí)時(shí)舒適度與平穩(wěn)性指標(biāo)值，并根據(jù)UIC513《鐵路車輛內(nèi)旅客振動(dòng)舒適性評(píng)價(jià)準(zhǔn)則》和GB5595-1985《鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和實(shí)驗(yàn)鑒定規(guī)范》[13]進(jìn)行等級(jí)判斷，最后將加速度的實(shí)時(shí)曲線及數(shù)值、舒適度和平穩(wěn)性的指標(biāo)值及等級(jí)實(shí)時(shí)地輸出到液晶屏上。另外，測(cè)試儀還具有原始數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)運(yùn)算結(jié)果的保存、與計(jì)算機(jī)通信等功能。

圖1 檢測(cè)儀硬件結(jié)構(gòu)

1.1 加速度傳感器

正常情況下列車車體各個(gè)方向的振動(dòng)加速度值都小于1g，而且特性頻率一般都在10Hz左右，因此檢測(cè)儀采用ZW9609A-2型號(hào)的IC應(yīng)變?nèi)蚣铀俣葌鞲衅?，其頻響范圍為DC-2500Hz，量程為±2g，輸出電壓信號(hào)為0～5V。

1.2 PCM-8208BS高速模擬量輸入卡

該輸入卡具有16路單端輸入通道，能夠?qū)?路模擬信號(hào)同時(shí)進(jìn)行采集，并通過(guò)PC/104總線接口傳送到主板中。輸入量程從±0.625V，±1.25V，±2.5V，±5V和±10 V可選，可以通過(guò)設(shè)置分頻系數(shù)來(lái)分配48 Hz的采樣頻率。

1.3 EPC-8000I-L嵌入式工控機(jī)主板

其CPU采用高性能的XScale處理器PXA270，工作頻率104～520MHz，具有256MB大容量NAND Flash存儲(chǔ)器、2MB BootLoader NOR Flash和64MB SDRAM存儲(chǔ)器，擁有1個(gè)CF卡接口、1路10/100M以太網(wǎng)接口、1路USB HOST接口和5個(gè)RS232串口。

1.4 EPC-8000液晶套件

該部分包括 MAA084DVC05、199.5mm×149mm×11.5 mm、8.4″的液晶屏，四線電阻式觸摸屏，逆變器和相關(guān)的線。

2 檢測(cè)儀的軟件設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)處理

由于在列車運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行振動(dòng)檢測(cè)存在許多干擾，因此需要對(duì)振動(dòng)加速度信號(hào)data[N]（N為采樣點(diǎn)數(shù)）進(jìn)行濾波。首先利用式（1）和式（2）進(jìn)行均值濾波，來(lái)減弱直流分量的干擾。

式中：mean——采樣點(diǎn)數(shù)為N的一組振動(dòng)加速度信號(hào)data[N]的均值；

data′[i]——加速度信號(hào)data[i]均值濾波反

對(duì)應(yīng)的值，i=1，2，3，…，N。

列車車體有效的振動(dòng)信號(hào)一般在10 Hz左右，因此在計(jì)算舒適度時(shí)，對(duì)高頻干擾信號(hào)采用40Hz巴特沃斯低通濾波器[14-15]分別對(duì)三路振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行濾波。歸一化10階巴特沃斯濾波器系統(tǒng)函數(shù)為

式中：a1=0.313；a2=0.908；a3=1.414；a4=1.782；a5=1.795。

利用低通濾波器反歸一化關(guān)系式為

式中：νc——截止頻率。

2.2 鐵路車輛乘坐舒適度和平穩(wěn)性評(píng)價(jià)

UIC513標(biāo)準(zhǔn)中指出了鐵路車輛乘坐舒適性的評(píng)估方法：每隔5s進(jìn)行加權(quán)有效值的計(jì)算，5min期限內(nèi)對(duì)這些有效值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得出平均乘坐舒適性指數(shù)和等級(jí)。本檢測(cè)儀采用簡(jiǎn)化式（5）進(jìn)行平均乘坐舒適度指標(biāo)的計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果劃分列車綜合舒適度等級(jí)。

式中：NMV——用簡(jiǎn)化方法計(jì)算的舒適度指標(biāo)值；——分別表示每5 s進(jìn)行對(duì)地板橫、縱、垂3向加速度進(jìn)行加權(quán)有效值的計(jì)算結(jié)果；

95——5 min期限內(nèi)分別對(duì)60個(gè)有效值進(jìn)行

統(tǒng)計(jì)，計(jì)算95%置信概率對(duì)應(yīng)的有效值。

GB 5595-1985標(biāo)準(zhǔn)推薦在計(jì)算平穩(wěn)性指標(biāo)時(shí)，對(duì)于車體加速度的頻譜分析取20 s，以2 s為一段，對(duì)每段的采樣點(diǎn)進(jìn)行快速傅里葉變換得頻譜，最終頻譜圖為10段頻譜圖的均值。根據(jù)該頻譜利用平穩(wěn)性計(jì)算式（6）和式（7）得出平穩(wěn)性指標(biāo)，進(jìn)而劃分列車平穩(wěn)性等級(jí)。

式中：Wi——振動(dòng)波形進(jìn)行頻譜分析后在頻率為fi時(shí)的平穩(wěn)性指標(biāo)值；

Ai——頻率為fi時(shí)的振動(dòng)加速度幅值；

F（fi）——頻率為fi時(shí)的頻率修正系數(shù)；

W——合成平穩(wěn)性指標(biāo)值；

n——選定頻率范圍內(nèi)振動(dòng)波形進(jìn)行頻譜分組的組數(shù)。

2.3 檢測(cè)儀人機(jī)界面的設(shè)計(jì)

檢測(cè)儀使用Monta Vista Real time Linux操作系統(tǒng)，基于GTK+1.2進(jìn)行GUI編程。GTK（GIMP Toolkit）是一套用于創(chuàng)建圖形用戶界面的工具包，利用GTK+進(jìn)行檢測(cè)儀的人機(jī)界面設(shè)計(jì)如圖2。

圖2 檢測(cè)儀的人機(jī)界面圖

人機(jī)界面包括3大部分：菜單欄、繪圖區(qū)、數(shù)值及狀態(tài)顯示區(qū)。菜單欄中有“Save”、“Setting”、“Start”、“Pause”“Help”、“Quit”6 個(gè)按鈕，分別用于保存原始數(shù)據(jù)、設(shè)置參數(shù)、啟動(dòng)程序、暫停程序、顯示幫助信息、退出程序；繪圖區(qū)用于實(shí)時(shí)顯示三向加速度的曲線；數(shù)值與狀態(tài)顯示區(qū)用于實(shí)時(shí)顯示三向加速度值、舒適度和平穩(wěn)性的指標(biāo)及等級(jí)。

2.4 檢測(cè)儀的算法設(shè)計(jì)

根據(jù)UIC513標(biāo)準(zhǔn)和GB 5595-1985，每5s計(jì)算一次加速的加權(quán)有效值，每2 s計(jì)算一次頻譜，因此系統(tǒng)需要以10 s為時(shí)間間隔周期循環(huán)進(jìn)行，即系統(tǒng)保存的原始采樣數(shù)據(jù)以10s為周期進(jìn)行更新。另外，檢測(cè)儀采樣頻率1000Hz，PCM-8208BS的輸入端采用使能半滿中斷，即工控主板的輸入緩沖區(qū)每512ms接收來(lái)自PCM-8208BS FIFO寄存器的512個(gè)加速度數(shù)據(jù)。因此主程序以512ms為周期循環(huán)運(yùn)行，為了保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，把平穩(wěn)性和舒適度的運(yùn)算程序拆分成20個(gè)子程序分散到每一個(gè)主循環(huán)中進(jìn)行。對(duì)與每個(gè)主循環(huán)執(zhí)行以下操作：從輸入緩沖區(qū)讀取一次原始數(shù)據(jù)存入全局?jǐn)?shù)組中，繪制4次加速度曲線、進(jìn)行一次數(shù)據(jù)保存和一次運(yùn)算。主循環(huán)流程圖如圖3所示。

圖3 主循環(huán)流程圖

表1 檢測(cè)儀/計(jì)算機(jī)計(jì)算的舒適度值比較

表2 檢測(cè)儀/計(jì)算機(jī)計(jì)算所得的橫向平穩(wěn)性值比較

表3 檢測(cè)儀/計(jì)算機(jī)計(jì)算所得的垂向平穩(wěn)性值比較

該算法極大地提高了運(yùn)算的實(shí)時(shí)性，實(shí)現(xiàn)了每5 s刷新一次舒適度的指標(biāo)和等級(jí)，每2 s刷新一次平穩(wěn)性的指標(biāo)和等級(jí)，每128ms刷新一次三向加速度曲線和數(shù)值。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證檢測(cè)儀所顯示測(cè)試值的準(zhǔn)確性，將檢測(cè)儀檢測(cè)得到的列車車體原始振動(dòng)加速度信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，利用Matlab軟件計(jì)算，得到列車的舒適度和平穩(wěn)性的計(jì)算值。兩種方法計(jì)算出的列車舒適度列于表1中，橫向平穩(wěn)性列于表2中，垂向平穩(wěn)性列于表3中。

4 結(jié)束語(yǔ)

由表格數(shù)據(jù)比較說(shuō)明，兩種方法得出的評(píng)定結(jié)果是一致的，測(cè)試儀能夠非常準(zhǔn)確地計(jì)算列車的舒適度和平穩(wěn)性，達(dá)到實(shí)時(shí)檢測(cè)的效果，其準(zhǔn)確度達(dá)到0.001；此外，設(shè)備具有豐富的人機(jī)界面和較小的體積，使得檢測(cè)更方便、快捷、直觀。該檢測(cè)儀已對(duì)其軟件設(shè)計(jì)部分申請(qǐng)發(fā)明專利，并收到專利申請(qǐng)受理通知書。

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