列车舒适度和平稳性检测仪的设计与实现

柳晓静，王培培，林建辉

（1.西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川 成都 610031；2.常州西南交通大学轨道交通研究院，江苏 常州 213100）

0 引 言

国内高校和科研院所在舒适度与平稳性测试仪的研制方面取得了突出的成绩。西南交通大学[1-5]从虚拟仪器、单片机、DSP处理器和基于软核的SOPC处理器的角度，对测试仪进行了研究；北方交通大学[6-7]以ARM处理器为平台，通过嵌入式Linux操作系统，对测试仪进行了探讨；铁道科学研究院[8]的三维加速度及平稳性指标仪，采用DSP技术实时计算平稳性指标，通过内置计数器及GPS提供准确速度信息；另外，武汉理工大学[9-11]、浙江理工大学[12]等高校也对此进行了深入的研究。通过国内的研究可以发现，早期的舒适度与平稳性测试仪多以虚拟仪器技术为核心，以个人计算机为载体，可以满足数据分析与处理的要求，但灵活性不足，体积稍显庞大。随着半导体工业的发展，以DSP处理器和ARM处理器为核心的解决方案开始出现，DSP处理器以其强大的数据处理能力和高运行速度，可以做到数据的实时处理，但在人机接口和控制方面略显不足；而ARM处理器则与之相反，人机接口丰富但数据处理能力不足。为了克服以上缺点，该检测仪采用基于EPC-8000系列工控机主板的嵌入式SoC智能平台，利用其资源丰富、接口齐全、功耗低、可靠性高等优点，省去了一大部分的硬件设计；其软件采用Linux操作系统，在保证实时性的同时，加强了人机界面的设计。

1 检测仪的硬件结构

检测仪的硬件构架如图1所示。在检测过程中，传感器检测列车车体垂、横、纵3个方向的振动加速度，通过PCM-8208BS高速模拟量输入卡传入EPC-8000I-L工控机主板进行计算和分析，得到列车车体的实时舒适度与平稳性指标值，并根据UIC513《铁路车辆内旅客振动舒适性评价准则》和GB5595-1985《铁道车辆动力学性能评定和实验鉴定规范》[13]进行等级判断，最后将加速度的实时曲线及数值、舒适度和平稳性的指标值及等级实时地输出到液晶屏上。另外，测试仪还具有原始数据和实时运算结果的保存、与计算机通信等功能。

图1 检测仪硬件结构

1.1 加速度传感器

正常情况下列车车体各个方向的振动加速度值都小于1g，而且特性频率一般都在10Hz左右，因此检测仪采用ZW9609A-2型号的IC应变三向加速度传感器，其频响范围为DC-2500Hz，量程为±2g，输出电压信号为0～5V。

1.2 PCM-8208BS高速模拟量输入卡

该输入卡具有16路单端输入通道，能够对3路模拟信号同时进行采集，并通过PC/104总线接口传送到主板中。输入量程从±0.625V，±1.25V，±2.5V，±5V和±10 V可选，可以通过设置分频系数来分配48 Hz的采样频率。

1.3 EPC-8000I-L嵌入式工控机主板

其CPU采用高性能的XScale处理器PXA270，工作频率104～520MHz，具有256MB大容量NAND Flash存储器、2MB BootLoader NOR Flash和64MB SDRAM存储器，拥有1个CF卡接口、1路10/100M以太网接口、1路USB HOST接口和5个RS232串口。

1.4 EPC-8000液晶套件

该部分包括 MAA084DVC05、199.5mm×149mm×11.5 mm、8.4″的液晶屏，四线电阻式触摸屏，逆变器和相关的线。

2 检测仪的软件设计

2.1 信号处理

由于在列车运行过程中进行振动检测存在许多干扰，因此需要对振动加速度信号data[N]（N为采样点数）进行滤波。首先利用式（1）和式（2）进行均值滤波，来减弱直流分量的干扰。

式中：mean——采样点数为N的一组振动加速度信号data[N]的均值；

data′[i]——加速度信号data[i]均值滤波反

对应的值，i=1，2，3，…，N。

列车车体有效的振动信号一般在10 Hz左右，因此在计算舒适度时，对高频干扰信号采用40Hz巴特沃斯低通滤波器[14-15]分别对三路振动信号进行滤波。归一化10阶巴特沃斯滤波器系统函数为

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

利用低通滤波器反归一化关系式为

式中：νc——截止频率。

2.2 铁路车辆乘坐舒适度和平稳性评价

UIC513标准中指出了铁路车辆乘坐舒适性的评估方法：每隔5s进行加权有效值的计算，5min期限内对这些有效值进行统计分析得出平均乘坐舒适性指数和等级。本检测仪采用简化式（5）进行平均乘坐舒适度指标的计算，根据计算结果划分列车综合舒适度等级。

式中：NMV——用简化方法计算的舒适度指标值；——分别表示每5 s进行对地板横、纵、垂3向加速度进行加权有效值的计算结果；

95——5 min期限内分别对60个有效值进行

统计，计算95%置信概率对应的有效值。

GB 5595-1985标准推荐在计算平稳性指标时，对于车体加速度的频谱分析取20 s，以2 s为一段，对每段的采样点进行快速傅里叶变换得频谱，最终频谱图为10段频谱图的均值。根据该频谱利用平稳性计算式（6）和式（7）得出平稳性指标，进而划分列车平稳性等级。

式中：Wi——振动波形进行频谱分析后在频率为fi时的平稳性指标值；

Ai——频率为fi时的振动加速度幅值；

F（fi）——频率为fi时的频率修正系数；

W——合成平稳性指标值；

n——选定频率范围内振动波形进行频谱分组的组数。

2.3 检测仪人机界面的设计

检测仪使用Monta Vista Real time Linux操作系统，基于GTK+1.2进行GUI编程。GTK（GIMP Toolkit）是一套用于创建图形用户界面的工具包，利用GTK+进行检测仪的人机界面设计如图2。

图2 检测仪的人机界面图

人机界面包括3大部分：菜单栏、绘图区、数值及状态显示区。菜单栏中有“Save”、“Setting”、“Start”、“Pause”“Help”、“Quit”6 个按钮，分别用于保存原始数据、设置参数、启动程序、暂停程序、显示帮助信息、退出程序；绘图区用于实时显示三向加速度的曲线；数值与状态显示区用于实时显示三向加速度值、舒适度和平稳性的指标及等级。

2.4 检测仪的算法设计

根据UIC513标准和GB 5595-1985，每5s计算一次加速的加权有效值，每2 s计算一次频谱，因此系统需要以10 s为时间间隔周期循环进行，即系统保存的原始采样数据以10s为周期进行更新。另外，检测仪采样频率1000Hz，PCM-8208BS的输入端采用使能半满中断，即工控主板的输入缓冲区每512ms接收来自PCM-8208BS FIFO寄存器的512个加速度数据。因此主程序以512ms为周期循环运行，为了保证系统的实时性，把平稳性和舒适度的运算程序拆分成20个子程序分散到每一个主循环中进行。对与每个主循环执行以下操作：从输入缓冲区读取一次原始数据存入全局数组中，绘制4次加速度曲线、进行一次数据保存和一次运算。主循环流程图如图3所示。

图3 主循环流程图

表1 检测仪/计算机计算的舒适度值比较

表2 检测仪/计算机计算所得的横向平稳性值比较

表3 检测仪/计算机计算所得的垂向平稳性值比较

该算法极大地提高了运算的实时性，实现了每5 s刷新一次舒适度的指标和等级，每2 s刷新一次平稳性的指标和等级，每128ms刷新一次三向加速度曲线和数值。

3 实验结果

为了验证检测仪所显示测试值的准确性，将检测仪检测得到的列车车体原始振动加速度信号传输到计算机中，利用Matlab软件计算，得到列车的舒适度和平稳性的计算值。两种方法计算出的列车舒适度列于表1中，横向平稳性列于表2中，垂向平稳性列于表3中。

4 结束语

由表格数据比较说明，两种方法得出的评定结果是一致的，测试仪能够非常准确地计算列车的舒适度和平稳性，达到实时检测的效果，其准确度达到0.001；此外，设备具有丰富的人机界面和较小的体积，使得检测更方便、快捷、直观。该检测仪已对其软件设计部分申请发明专利，并收到专利申请受理通知书。

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