地鐵車輛加速度特性檢測(cè)裝置研制與應(yīng)用

陳明奎　吳江　陳鋼

摘 要：為更好地研究地鐵車輛牽引及制動(dòng)工況下的加速度特性，開發(fā)了一種便攜式的地鐵車輛加速度檢測(cè)裝置。裝置硬件以加速度傳感器和多普勒測(cè)速雷達(dá)為核心，通過(guò)直接采集獲取加速度信號(hào)和速度信號(hào)。裝置軟件利用微積分原理，計(jì)算獲得沖擊信號(hào)和牽引/制動(dòng)距離信號(hào)，并對(duì)地鐵車輛加速度特性的多個(gè)相關(guān)信號(hào)進(jìn)行綜合演算、顯示、分析。通過(guò)在長(zhǎng)沙地鐵6號(hào)線的實(shí)際應(yīng)用表明，該裝置穩(wěn)定可靠，對(duì)后續(xù)深入分析地鐵車輛的加速度特性及改善列車牽引及制動(dòng)的控制算法具有非常重要的意義。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛 加速度 檢測(cè)裝置 沖擊 LabVIEW

0 引言

隨著地鐵車輛技術(shù)的不斷發(fā)展，需要對(duì)車輛加速度及相關(guān)信號(hào)量進(jìn)行深入分析[1-2]。在相關(guān)的文獻(xiàn)中[3-6]，研究了車輛在垂向或橫向的振動(dòng)加速度特性，而在車輛行駛過(guò)程中，縱向加速度直接影響乘客乘坐的舒適度，如何量化地鐵車輛在牽引或制動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生的沖擊（加速度對(duì)時(shí)間求導(dǎo)所得數(shù)值），從而提高列車乘坐舒適度，以及如何掌控列車在牽引或制動(dòng)過(guò)程中速度、制動(dòng)力以及制動(dòng)距離之間的關(guān)系，從而通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)有效保證車輛運(yùn)行中尤其是制動(dòng)過(guò)程的安全可靠，這些都是地鐵車輛系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中需要解決的問(wèn)題，而地鐵車輛加速度特性檢測(cè)裝置正是為解決上述問(wèn)題而研發(fā)設(shè)計(jì)。

1 加速度特性檢測(cè)裝置硬件構(gòu)成

加速度特性采集裝置的硬件構(gòu)成如圖1所示。裝置硬件主要由多普勒測(cè)速雷達(dá)（DRS05a）、加速度傳感器、信號(hào)采集盒和PC機(jī)組成。信號(hào)采集盒包含AC/DC電源模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、信號(hào)采集模塊。

圖1 加速度檢測(cè)裝置工作原理

多普勒測(cè)速雷達(dá)（DRS05a）主要是用來(lái)測(cè)量列車的速度，輸出的信號(hào)為PWM波；它含一個(gè)RS485串行接口和一個(gè)OC脈沖輸出，便于系統(tǒng)進(jìn)一步處理。它們之間是相互電隔離的，并與輸入電壓、模擬組件、數(shù)字組件和外殼相互電隔離。開啟電源后信號(hào)處理器會(huì)自動(dòng)運(yùn)行。

測(cè)試?yán)走_(dá)的輸出信號(hào)是一種脈沖信號(hào)，測(cè)速范圍為0km/h ～600km/h。脈沖輸出在集電極開路模式下的頻率輸出的掃描率為1：1。雙線RS485接口是一個(gè)可進(jìn)行軟件配置的電隔離串行接口，其最大數(shù)據(jù)傳輸率為1MBit/s，可以通過(guò)該接口輸出速度、方向、狀態(tài)等信息。

加速度傳感器（3711B112G）是用于測(cè)量地鐵車輛的加速度信息，測(cè)量量程為2g，頻率從0Hz～1000Hz，該型號(hào)傳感器能提供高頻過(guò)載保護(hù)。加速度傳感器的輸出是單軸單端的激勵(lì)信號(hào)。加速度傳感器的供電電源為DC24V。

信號(hào)采集盒其內(nèi)部包含AC/DC電源模塊、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)采集模塊。電源模塊主要是從外部接入AC220V電源，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換，為測(cè)速雷達(dá)及加速度傳感器提供DC24V工作電源。

信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)采集模塊共同完成對(duì)速度脈沖信號(hào)和加速度傳感器信號(hào)的轉(zhuǎn)換和采集，并將結(jié)果傳輸至PC機(jī)。

信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊內(nèi)部電路主要包括：數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換電路和模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，其硬件框圖如圖2所示。數(shù)字轉(zhuǎn)換電路包括8個(gè)通道，它可以將來(lái)自測(cè)速雷達(dá)的DC24V脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成DC5V的脈沖信號(hào)送至信號(hào)采集盒進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，電路中使用光耦將輸入端的信號(hào)與輸出端的信號(hào)進(jìn)行電氣隔離，隔離等級(jí)達(dá)到5000V。模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換電路包括電壓轉(zhuǎn)換電路和電流轉(zhuǎn)換電路，共實(shí)現(xiàn)16個(gè)轉(zhuǎn)換通道。其中電壓轉(zhuǎn)換電路主要是將外部的高電壓（±30V）轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的±10V的電壓信號(hào)，再送至信號(hào)采集盒，來(lái)自加速度傳感器的模擬信號(hào)就是通過(guò)該電路進(jìn)行信號(hào)采集的。

PC機(jī)主要是用來(lái)安裝人機(jī)交互軟件，將接收到的信號(hào)進(jìn)行各種計(jì)算、顯示、存儲(chǔ)、回放等，同時(shí)，能將操作指令傳輸給信號(hào)采集盒，進(jìn)行設(shè)備的啟停等操作。

2 加速度特性檢測(cè)裝置軟件開發(fā)

加速度特性檢測(cè)裝置軟件系統(tǒng)使用圖形化編程軟件LabVIEW編寫[7-8]，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互友好的用戶界面，該軟件安裝在PC上，PC機(jī)通過(guò)USB 接口與信號(hào)采集盒進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令的交互。該軟件可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集、顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)回放等功能，軟件流程圖如圖3所示。

進(jìn)入軟件后，用戶可通過(guò)菜單選擇進(jìn)入采集模式，也可選擇數(shù)據(jù)回放。參數(shù)標(biāo)定時(shí)，需分別設(shè)定傳感器系數(shù)及數(shù)據(jù)濾波參數(shù)。數(shù)據(jù)采集時(shí)，上位機(jī)軟件連續(xù)讀取采集模塊數(shù)據(jù)，擬合加速度曲線后顯示于動(dòng)態(tài)窗口，直至系統(tǒng)停止采集，采集所得數(shù)據(jù)可按默認(rèn)存儲(chǔ)路徑、文件名、文件格式保存至系統(tǒng)硬盤。數(shù)據(jù)回放時(shí)，由用戶選定歷史數(shù)據(jù)文件進(jìn)行回調(diào)顯示。

信號(hào)采集與顯示、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)回放三個(gè)部分是加速度特性檢測(cè)裝置軟件核心功能。下面對(duì)其編程進(jìn)行詳細(xì)介紹。

在信號(hào)采集之前需要通過(guò)創(chuàng)建、設(shè)置、開始等步驟，配置好采集參數(shù)，采集到的信號(hào)直接送給波形圖顯示，為保證人機(jī)交互界面顯示效果，每秒鐘顯示刷新2次。其中加速度及沖擊信號(hào)（即加速度對(duì)時(shí)間求導(dǎo)所得數(shù)值）的計(jì)算及顯示的程序框圖如圖4所示。

根據(jù)加速度傳感器輸出電壓與加速度及重力的關(guān)系可計(jì)算出加速度值，沖擊信號(hào)是當(dāng)前的加速度值減上一次的值再除以dt（△t）得到。

上圖中只給出了加速度及沖擊信號(hào)的計(jì)算及顯示設(shè)計(jì)方法，其它物理量的計(jì)算及顯示的編程方法類似，只要將計(jì)算后的信號(hào)與現(xiàn)有信號(hào)合成再送至波形圖即可。

由于速度信號(hào)是PWM波，所以速度的采集方式有所不同，它需要利用軟件計(jì)數(shù)器進(jìn)行采集，如圖5所示。

為了方便對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行回放和分析，須將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，通常情況下，數(shù)據(jù)都是以文件的形式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)硬盤中。先設(shè)置好文件的存儲(chǔ)路徑，并根據(jù)當(dāng)前的系統(tǒng)時(shí)間自動(dòng)生成文件名，文件以TDMS格式進(jìn)行存儲(chǔ)，例如：*.tdms。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的程序框圖如圖6所示。

對(duì)于文件數(shù)據(jù)的回放讀取操作，可通過(guò)軟件菜單實(shí)現(xiàn)。利用對(duì)話框的形式，顯示當(dāng)前文件夾下的所有TDMS文件，采用的讀取方式是一次性讀出所選文件的所有數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)讀取的程序框圖如圖7所示。

3 加速度特性檢測(cè)裝置的應(yīng)用

為檢驗(yàn)加速度特性檢測(cè)裝置的功能，該裝置在長(zhǎng)沙地鐵6號(hào)線的調(diào)試中進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，實(shí)際測(cè)量了車輛的加速度信號(hào)、速度信號(hào)等。

3.1 檢測(cè)裝置的安裝使用

加速度特性檢測(cè)裝置安裝示意如圖8所示，其中多普勒測(cè)速雷達(dá)（DRS05a）用螺栓固定于列車的車架底部，測(cè)速雷達(dá)與鐵軌軌面垂直距離保持1000mm左右，并且需要保證測(cè)速雷達(dá)的信號(hào)發(fā)射面與接收面和軌面之間無(wú)障礙物；加速度傳感器（3711B112G）固定在車廂內(nèi)立柱扶手上，需保持傳感器的正面與列車運(yùn)行方向保持一致，安裝時(shí)盡量讓加速度傳感器與固定的立柱扶手之間為剛性連接，以保證加速度測(cè)量的準(zhǔn)確性；同時(shí)，信號(hào)采集盒與PC機(jī)放置于地鐵車廂內(nèi)，便于人員操作。

3.2 數(shù)據(jù)分析

最高速80km/h測(cè)試的工況如下：地鐵車輛從速度為零開始啟動(dòng)，并滿手柄牽引，使其速度達(dá)到80km/h，在此速度工況下惰行5秒時(shí)間，然后開始滿手柄制動(dòng)，使地鐵車輛速度從80km/h制動(dòng)到速度為零。通過(guò)該裝置詳細(xì)記錄了此過(guò)程的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。

軟件界面中，加速度信號(hào)和沖擊信號(hào)共用左側(cè)的Y1軸坐標(biāo)，速度和行駛距離共用右側(cè)的Y2軸坐標(biāo)。在圖9中，分析圖中數(shù)值，可以觀測(cè)到，在啟動(dòng)后的第5秒鐘左右，正向加速度出現(xiàn)一個(gè)最大值，即1.116m/s2，此時(shí)對(duì)應(yīng)的地鐵車輛速度為8.651m/s（參見第1條時(shí)間線）。

在啟動(dòng)后的第33秒鐘左右，加速度基本為0（參見第2條時(shí)間線），對(duì)應(yīng)的最高速度值為81.078m/s，且從速度信號(hào)曲線能觀測(cè)到地鐵車輛保持惰行工況運(yùn)行了約5秒鐘時(shí)間。

在車輛啟動(dòng)及制動(dòng)過(guò)程中，出現(xiàn)了3個(gè)較大的沖擊信號(hào)，第1個(gè)較大的沖擊信號(hào)出現(xiàn)在啟動(dòng)后的2.6秒左右，此時(shí)的沖擊值為0.733 m/s3（參見第3條時(shí)間線）；第二個(gè)沖擊較大的信號(hào)出現(xiàn)在開始制動(dòng)時(shí)，時(shí)間約為36.6秒，沖擊值為-0.538 m/s3（參見第4條時(shí)間線）；第三個(gè)較大的沖擊信號(hào)值出現(xiàn)在停車制動(dòng)時(shí)，時(shí)間約為56.3秒，沖擊值為0.577 m/s3（參見第5條時(shí)間線）。根據(jù)《城市軌道交通車輛電空制動(dòng)系統(tǒng)通用技術(shù)規(guī)范（ CZJS-T 005-2015）》相關(guān)規(guī)定，地鐵車輛啟動(dòng)、制動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中，為保證旅客乘坐的舒適性，列車縱向沖擊率不能大于0.75 m/s3，從實(shí)測(cè)的數(shù)值看，長(zhǎng)沙地鐵6號(hào)線的沖擊信號(hào)性能是滿足要求的。

以上僅對(duì)加速度相關(guān)的信號(hào)量進(jìn)行了初步的分析和介紹，通過(guò)該檢測(cè)裝置還可以進(jìn)一步分析空氣制動(dòng)和電制動(dòng)的匹配情況，由于不是本文的重點(diǎn)，因此不在此贅述。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種用于地鐵車輛加速度特性檢測(cè)裝置，該裝置能快速有效的測(cè)量與計(jì)算速度、加速度、沖擊、制動(dòng)距離等車輛運(yùn)行的重要參數(shù)，且軟件操作簡(jiǎn)單，功能全面。通過(guò)在長(zhǎng)沙地鐵6號(hào)線上的應(yīng)用驗(yàn)證，它能大大提高地鐵車輛現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的效率，節(jié)約調(diào)試的成本，更重要的是為列車牽引和制動(dòng)系統(tǒng)的性能改進(jìn)及質(zhì)量提升提供了重要的參考依據(jù)。

基金項(xiàng)目：湖南信息學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目基金（項(xiàng)目編號(hào)：XXY022YB03）。

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