基于ARM的高速列車平穩(wěn)性在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

楊玉春，蘇燕辰，伍川輝，張 兵

（1.西南交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，成都 610031；2.西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點實驗室，成都 610031）

近年來，隨著列車運行速度的提高及鐵路網(wǎng)絡(luò)密度的增大，高速列車成為了大多數(shù)旅客的出行交通首選[1]。旅客對列車的要求除了安全、快捷和經(jīng)濟，同時也對列車舒適性和平穩(wěn)性提出了新的需求。研究表明：振動是影響列車運行舒適性的主要因素，對此通常用平穩(wěn)性指標(biāo)來定量評定列車振動對舒適度的影響。車輛振動包括隨機產(chǎn)生的橫向、垂向和縱向3個方向的振動和旋轉(zhuǎn)加速度橫擺、縱擺振動，有周期性和并發(fā)性等特點[2]，應(yīng)長時間對列車平穩(wěn)性進行在線監(jiān)測。當(dāng)前國內(nèi)高校和科研院所，在列車平穩(wěn)性測試儀方面也曾做了很多嘗試，中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司研發(fā)出基于DSP的三維加速度及平穩(wěn)性測試儀[3]，西南交通大學(xué)從虛擬儀器、DSP和基于軟核的SOPC的角度出發(fā)，研發(fā)出平穩(wěn)性評價系統(tǒng)[4-6]，同濟大學(xué)研發(fā)出基于LabVIEW平穩(wěn)性測試系統(tǒng)[7]。目前，國內(nèi)研發(fā)出的平穩(wěn)性測試儀都存在局限性，以虛擬儀器和PC為核心，研發(fā)出分布式測試系統(tǒng)，這一類系統(tǒng)集成度不高，不便在線實時監(jiān)控；用DSP研發(fā)出的測試儀，由于DSP外圍資源有限，常常需要外擴資源；用SOPC研發(fā)出的測試儀成本較高。本課題采用外圍資源豐富、成本較低、數(shù)字處理能力強的STM32F407為核心處理器，選用3向加速度傳感器采集列車橫向、垂向和縱向的振動加速度信號[8]，其中，主要用橫向和垂向的加速度信號來計算平穩(wěn)性指標(biāo)，縱向加速度信號用于沖動計算，參照平穩(wěn)性評價標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 5599-1985鐵道車輛動力學(xué)性能評定和試驗鑒定規(guī)范》[9]設(shè)計出平穩(wěn)性相關(guān)算法，以STM32F407為主控芯片自主研發(fā)出適用高速列車車載批量使用的平穩(wěn)性在線監(jiān)測系統(tǒng)。

1 平穩(wěn)性監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體方案

平穩(wěn)性監(jiān)測裝置完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲等主要功能。（1）通過安裝在車體下的兩只加速度傳感器實時監(jiān)測列車在運行過程中的橫向、垂向和縱向振動信號；（2）本課題傳感器采用抗干擾性強的電流型加速度傳感器，故主機需要將得到電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，以便后續(xù)采樣；（3）為滿足采樣定理，實現(xiàn)信號不失真還原，信號需經(jīng)過抗混疊硬件濾波；（4）濾波后STM32控制A/D采樣，并通過相應(yīng)算法完成平穩(wěn)性計算，若平穩(wěn)性值超出預(yù)設(shè)的報警閾值，則主機給出報警信息，且將報警信息通過MVB總線上傳TCMS；（5）STM32控制FLASH存儲系統(tǒng)采集的原始數(shù)據(jù)和特征數(shù)據(jù)（橫向和垂向平穩(wěn)值、報警信息等），以便事后工況復(fù)現(xiàn)；（6）上位機端PTU軟件用于對主機的參數(shù)配置、工況監(jiān)測和軟件設(shè)計等功能，系統(tǒng)總體方案，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體方案

1.2 硬件設(shè)計

本系統(tǒng)選用STM32F407作為數(shù)據(jù)采集和底層硬件驅(qū)動板的主控芯片[10]，其外圍模塊包括：最小系統(tǒng)、A/D采集、NAND-Flash存儲、USB接口、MVB與TCMS通信等模塊。STM32F407控制A/D按一定頻率采集加速度信號，將特征數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)存儲到NAND-Flash。此外，通過MVB模塊（DO13）完成主機與TCMS通信，將報警信息上傳至司機室。監(jiān)測系統(tǒng)硬件框圖，如圖2所示。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)硬件框圖

（1）STM32F407：平穩(wěn)性計算工作量較大，且需進行浮點運算，故本系統(tǒng)選用高性能且支持浮點型運算的處理器STM32F407作為核心處理器。STM32F407芯片處理器基于ARM Cottex-M4內(nèi)核，集成FPU和DSP指令，支持浮點運算。使用新內(nèi)核的Thumb-2指令集，設(shè)計人員可以把代碼容量降低45%，幾乎把應(yīng)用軟件所需內(nèi)存容量降低了一半[11]。

（2）濾波電路：A/D采樣頻率設(shè)為256 Hz，為了滿足奈奎斯特采樣定理（fs≥2fmax），實現(xiàn)信號不失真還原，故截止頻率設(shè)為100 Hz低通濾波，濾波電路采用由集成運放和電阻電容組成的有源低通濾波器[12]。集成運放選用低功耗高精度單運放AD8031，濾波器類型選擇兩階巴特沃斯低通濾波[13]。

（3）A/D采集： 每臺監(jiān)測主機采集兩只3通道的傳感器信號，也即主機需同時采集6個通道的信號，故選用8通道16 bit逐次逼近型轉(zhuǎn)換芯片AD7606，該芯片具備高精度、高性能、低功耗、集成度高等特點，內(nèi)置了低噪聲高阻抗的信號輸入調(diào)理放大器，其片內(nèi)自帶的二階抗混疊濾波器，可以極大地改善信噪比性能，減少誤碼，提高抗混疊抑制能力[14]。并且，只需簡單的外圍電路就可實現(xiàn)采樣。

（4）數(shù)據(jù)存儲：本系統(tǒng)需在線監(jiān)測列車平穩(wěn)性，主機需要存儲原始數(shù)據(jù)和特征數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)量較大，而STM32F407本身自帶的RAM不能完成數(shù)據(jù)存儲任務(wù)，需要外擴數(shù)據(jù)存儲芯片，本系統(tǒng)選用MT29F4G08ABBDAHC存儲芯片，外擴512 MB（4 GB）存儲容量，完成數(shù)據(jù)存儲任務(wù)。

（5）MVB通信：機車通過 MVB 總線實現(xiàn)機車內(nèi)部各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)交換 從而實現(xiàn)對機車安全高效的控制[15]，本監(jiān)測系統(tǒng)通過MVB總線接收來自TCMS的列車速度、時間等數(shù)據(jù)或者發(fā)送平穩(wěn)值、平穩(wěn)報警信息、系統(tǒng)自檢信息等數(shù)據(jù)給TCMS。MVB通信模塊選用專用MVB通信模塊D013，STM32F407和DO13模塊之間通過串口通信，處理器將報警數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給D013模塊，D013收到數(shù)據(jù)后，自動進行協(xié)議填充，再發(fā)送給TCMS，進而發(fā)送到司機室。

2 平穩(wěn)性監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 列車平穩(wěn)性評價

根據(jù)文獻[9]，平穩(wěn)性指標(biāo)主要是對列車橫向和垂向的振動信號進行綜合評估，2個方向的平穩(wěn)性指標(biāo)單獨計算，橫向和垂向互不影響，但是2個方向的計算方法是一樣的。平穩(wěn)性指標(biāo)評估方法考慮人體對不同頻率成分的敏感程度，故引入頻率修正系數(shù)，提高了評估精度，平穩(wěn)性指標(biāo)W，即

式中：W—平穩(wěn)性指標(biāo)；A—振動加速度幅值，單位g；f—振動頻率，單位：Hz；F(f)—頻率修正系數(shù)，頻率修正系數(shù)，如表1所示。

式（1）是計算單一頻率等幅振動的平穩(wěn)性值，但是列車真實振動是隨機振動，振動信號頻率成分較多，故需要將測得的加速度信號進行FFT時頻域變換，分解為多個單一頻率分量。根據(jù)文獻[9]列車平穩(wěn)性指標(biāo)計算頻率范圍為0.5 Hz～40 Hz，振動信號經(jīng)過FFT變換，獲得0.5 Hz～40 Hz（以0.5 Hz為間隔）頻率范圍內(nèi)各頻率分量信號，然后計算各頻率分量的平穩(wěn)值W，最后將各單一頻率信號的W值進行加權(quán)處理[5]，求得最終的平穩(wěn)性指標(biāo)W，即

式（3）中：Ai—加速度信號各單一頻率；fi—對應(yīng)的加速度平均幅值。

依據(jù)式（3）計算出各頻率分量的平穩(wěn)性值，將式（3）計算結(jié)果帶入式（2）計算出列車最終的平穩(wěn)性值，對應(yīng)平穩(wěn)性指標(biāo)和等級評定，如表2所示。

表2 平穩(wěn)性指標(biāo)和等級評定表[16]

本次設(shè)計將平穩(wěn)性報警閾值設(shè)定為：客室平穩(wěn)性指標(biāo)：W≤2.5，司機室平穩(wěn)性指標(biāo)：W≤2.75，若平穩(wěn)指標(biāo)高于2.5（客室）或2.75（司機室）則產(chǎn)生報警信息，并將報警信息上傳TCMS。

2.2 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)算法軟件設(shè)計均是按照文獻[9]進行設(shè)計，采樣頻率設(shè)為256 Hz，每2 s進行一次FFT變換，得出各頻率分量（0.5 Hz～40 Hz）加速度幅值，為了使數(shù)據(jù)更平滑，系統(tǒng)每20 s計算一次各頻率分量加速度平均幅值，根據(jù)式（3）計算得出各頻率分量平穩(wěn)性指標(biāo)，根據(jù)式（2）計算得出一個最終的列車平穩(wěn)性指標(biāo)，若平穩(wěn)值超閾值，則產(chǎn)生報警，并將報警信息通過MVB上傳TCMS，此外Flash會存儲特征數(shù)據(jù)和報警信息。軟件算法流程,如圖3所示。

3 實驗測試

3.1 傳感器選型及安裝

本系統(tǒng)需采集列車車體橫向、垂向和縱向振動信號，正常情況下列車車體各個方向的振動加速度值均小于1 g，而且其特性頻率一般都在10 Hz以內(nèi)[5]，本系統(tǒng)選用抗干擾性強的電流型傳感器（ICP），測量范圍為0～20 m/s2，測頻范圍為0～100 Hz，采集的振動信號為4 mA～20 mA范圍的電流信號。

根據(jù)文獻[9]的規(guī)定，平穩(wěn)傳感器安裝在距 1、2 位心盤（轉(zhuǎn)向架正上方地板位置）一側(cè) 1 m 的車體地板面上，安裝位置，如圖4所示。

圖3 軟件算法流程圖

圖4 傳感器安裝位置

3.2 測試結(jié)果

為了驗證本系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，將本監(jiān)測系統(tǒng)裝載到唐山某線某車上，獲得列車車體振動數(shù)據(jù)，本次車輛線路實驗車輛運行速度約60 km/h～100 km/h。在此截取部分振動數(shù)據(jù)展示如下，車體橫向振動信號如圖5所示，垂向振動信號如圖6所示。車體橫向和垂向振動信號幅值均較小，低于0.1 m/s2。

圖5 車體橫向振動信號

監(jiān)測主機在線監(jiān)測得到列車平穩(wěn)性指標(biāo)，另外將主機中存儲的列車車體振動數(shù)據(jù)導(dǎo)入到計算機，利用MATLAB軟件計算列車的平穩(wěn)性指標(biāo)，監(jiān)測系統(tǒng)和MATLAB兩者計算結(jié)果對比情況見圖7（橫向平穩(wěn)值）、圖8（垂向平穩(wěn)值），由于是2 s出一個平穩(wěn)值，圖中橫坐標(biāo)為第N個2 s，縱坐標(biāo)為平穩(wěn)值。表3給出了設(shè)備和MATLAB計算結(jié)果的具體數(shù)值。

圖6 車體垂向振動信號

圖7 設(shè)備和MATLAB橫向平穩(wěn)值計算結(jié)果

圖8 設(shè)備和MATLAB垂向平穩(wěn)值計算結(jié)果

3.3 結(jié)果分析

由圖7、圖8可知，監(jiān)測系統(tǒng)和計算機得出的平穩(wěn)性值相對比較接近，曲線走勢一致，設(shè)備計算的平穩(wěn)值普遍比MATLAB計算的值偏小，但誤差小于8%，由表3可知，動車組列車在實驗過程中車體橫向和垂向平穩(wěn)性值均小于2.5，平穩(wěn)等級都為“優(yōu)”，在第1等級，列車運行非常平穩(wěn)，由上可知，監(jiān)測主機和MATLAB計算得出的結(jié)果是一致的。由此可說明，本課題研發(fā)的平穩(wěn)性在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測列車平穩(wěn)性是準(zhǔn)確可行的。經(jīng)過實車測試和數(shù)據(jù)分析，可得出以下結(jié)論：

表3 監(jiān)測系統(tǒng)測量和MATLAB計算的平穩(wěn)性比較

（1）動車組列車運行過程中車體的低頻振動信號占主要成分，其對平穩(wěn)性指標(biāo)的影響較大；

（2）列車運行速度越大，相應(yīng)的平穩(wěn)性指標(biāo)就越大，列車平穩(wěn)性越差；

（3）平穩(wěn)性指標(biāo)反映的是列車運行品質(zhì)，本系統(tǒng)可作為列車運行質(zhì)量非常有效的檢查手段，對于隱藏的故障風(fēng)險也有一定的預(yù)警作用。

4 結(jié)束語

本監(jiān)測系統(tǒng)采用3向加速度傳感器對高速列車橫向、垂向和縱向振動信號進行實時在線采集，經(jīng)過電流電壓轉(zhuǎn)換、抗混疊濾波、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換等過程，以STM32F407為核心處理器，實時計算列車平穩(wěn)性，完成平穩(wěn)性計算和分析，得出列車平穩(wěn)性值和報警信息，并將報警信息通過MVB上傳到列車TCMS，進而傳入司機室。此外對監(jiān)測過程中原始數(shù)據(jù)和特征數(shù)據(jù)進行存儲，方便后期維護。通過實車測試，將監(jiān)測系統(tǒng)得出的平穩(wěn)性指標(biāo)和計算機得出的平穩(wěn)性指標(biāo)進行對比，驗證本系統(tǒng)的正確性，誤差在8%以內(nèi)，符合工程測量要求。本系統(tǒng)已通過某主機廠審核，并且已經(jīng)在多條線路動車組列車上批量安裝。