CN102519739A - 列车舒适度和平稳性检测仪及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种便携式列车舒适度和平稳性检测仪，利用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GB5595-85《铁道车辆动力学性能评定和实验鉴定规范》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。本发明不仅能够实时地准确测量并显示列车的舒适度和平稳性，而且还具有人机界面丰富、稳定性好、使用方便等特点。

Description

列车舒适度和平稳性检测仪及其检测方法

技术领域

本发明涉及车辆的运行动力测验，尤其是一种列车舒适度和平稳性检测仪及其检测方法。

背景技术

国内高校和科研院所在舒适度和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、浙江理工大学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，人机接口丰富而数据处理能力不足。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提出一种能够准确测量并实时显示列车的舒适度和平稳性的检测仪及其检测方法。

本发明所采用的技术方案为：一种列车舒适度和平稳性检测仪，包括工控机主板，所述的工控机主板上设置有USB接口以及LCD接口，工控机主板通过以太网接口与计算机相连接；所述的工控机主板的输入端连接有高速模拟量输入卡，输出端通过LCD接口连接液晶套件；所述的高速模拟量输入卡的输入信号由与之连接的2阶有源滤波器提供，所述的2阶有源滤波器的输入端连接加速度传感器。所述的加速度传感器包括列车车体垂、横、纵三个方向上的加速度传感器。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以内，因此检测仪采用ZW9609A-2型号的IC应变3向加速度传感器，其频响范围为DC-2500Hz，测量范围为2g，输出电压信号为0～5V。

本发明所述的高速模拟量输入卡完全遵守PC/104总线规范，具有16路单端输入通道，因此能够对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。内置一个5级可调的可编程增益放大器(PGA)，每个通道可以独立设置增益，输入量程从10V到采样速率可均匀分配给使能的通道，还可设置分频系数以降低采样速率。PCM-8208BS为16位卡，共有4个只读寄存器和4个只写寄存器，内置1K深度的FIFO，可使能满中断、半满中断、空中断。所有输入端口都具备过压保护功能。具备耐压2500VDC的隔离保护。

同时本发明还提供了一种列车舒适度和平稳性检测仪的检测方法，包括以下步骤：

1)通过计算列车车体在一段时间内垂、横、纵3个方向振动加速度的加权有效值的综合值，得到列车车体综合乘坐舒适度指标值和等级；

2)将测得的加速度按频率分组，计算每个频率段中不同加速度的平稳性指标值，然后对各个频率段的平稳性指标值进行加权处理，得到列车的横向、垂向平稳性指标值和等级；

3)利用设计的图形用户界面，实时显示三向加速度曲线及数值、舒适度和平稳性的指标值及等级；

4)把检测仪采集到的原始振动加速度信号传输给计算机进行检验计算，将计算结果和检测仪的检测结果进行对比分析，验证检测仪的准确性。

所述的检测仪的平稳性指标和等级的刷新频率是0.5Hz、舒适度指标和等级的刷新频率是0.2Hz、三向加速度值的刷新频率是1.9531Hz、三向加速度曲线的刷新频率是7.8125Hz。

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GB5595-85《铁道车辆动力学性能评定和实验鉴定规范》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、与计算机通讯等功能。

本发明的有益效果是：本发明所述的硬件采用基于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、可靠性高的特点省去了一大部分的硬件设计；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，使得测试仪不仅能够实时地准确测量并显示列车的舒适度和平稳性，而且还具有丰富的人机界面、高稳定性、方便使用等特点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的硬件结构示意框图；

图2是本发明的主循环流程图；

图3是本发明的运算分解图。

具体实施方式

现在结合附图和优选实施例对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

一种列车舒适度和平稳性检测仪，其硬件构架如图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GB5595-85《铁道车辆动力学性能评定和实验鉴定规范》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、与计算机通讯等功能。

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以内，因此检测仪采用ZW9609A-2型号的IC应变3向加速度传感器，其频响范围为DC-2500Hz，测量范围为2g，输出电压信号为0～5V。

PCM-8208BS高速模拟量输入卡。它完全遵守PC/104总线规范，具有16路单端输入通道，因此能够对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。内置一个5级可调的可编程增益放大器(PGA)，每个通道可以独立设置增益，输入量程从10V到采样速率可均匀分配给使能的通道，还可设置分频系数以降低采样速率。PCM-8208BS为16位卡，共有4个只读寄存器和4个只写寄存器，内置1K深度的FIFO，可使能满中断、半满中断、空中断。所有输入端口都具备过压保护功能。具备耐压2500VDC的隔离保护。

EPC-8000I-L PC/104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104MHz～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，并支持DSTN和TFT液晶屏显示，最大分辨率可达800600。

EPC-8000液晶套件。包括MAA084DVC05，199.5x149x11.5mm，8.4″的液晶屏、四线电阻式触摸屏、逆变器和相关的线。

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。首先利用公式(1)和(2)进行均值滤波，来减弱直流分量的干扰。

$\mathrm{mean}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{data}\left[i\right]---\left(1\right)$ data[i]＝data[i]-mean    (2)

列车车体有效的振动信号一般低于10Hz，因此对于高频干扰信号，采用40Hz巴特沃斯低通滤波器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如式(3)： $\mathrm{Ha}\left(s\right)=$

$\frac{1}{(1+0.313s+s^2)(1+0.908s+s^2)(1+1.414s+s^2)(1+1.782s+s^2)(1+1.975s+s^2)}---\left(3\right)$

低通滤波器反归一化关系式(4)：

$s=\frac{s}{2\mathrm{\π}{v}_c}---\left(4\right)$

UIC513标准中指出了铁路车辆乘坐舒适性的评估方法：每隔5秒钟进行加权有效值的计算，5分钟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。该检测仪采用简化公式(5)进行平均乘坐舒适度指标的计算，并利用表1划分列车综合舒适度等级。

$N_{\mathrm{MV}}=6\sqrt{{\left(a_{\mathrm{XP}95}^{W_d}\right)}^2+{\left(a_{\mathrm{YP}95}^{W_d}\right)}^2+{\left(a_{\mathrm{ZP}95}^{\mathrm{Wb}}\right)}^2}---\left(5\right)$

其中

分别表示每5s进行对地板横、纵、垂三向加速度进行加权有效值的计算结果，95则表示5分钟期限内分别对60个有效值进行统计，计算含有百分比波动值的有效值。

表1列车综合舒适度等级划分表

GB5595-85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20s，以2s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公式(6)和(7)得出平稳性指标。

$W_i=7.08\sqrt[10]{\frac{A_i^3}{f_i}F\left(f_i\right)}---\left(6\right)$ 和 $W=\sqrt[10]{\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{W}_i^{10}}---\left(7\right)$

式中，n为选定频率范围内振动波形进行频谱分组的组数；为振动波形进行频谱分组后在频率为时的振动加速度幅值；F(f)为频率修正系数，取值列于表2中。

表2频率修正系数

利用计算出来的指标值和客运列车平稳性划分等级表3即可得到列车平稳性等级。

表3客车运行平稳性等级

该检测仪使用MontaVista Realtime Linux操作系统，基于GTK+1.2进行进行GUI编程。GTK(GIMP Toolkit)是一套用于创建图形用户界面的工具包。GTK最初是GIMP的专用开发库，后来发展为Linux下开发图形界面的应用程序的主流开发工具之一。GTK实质上是一个面向对象的应用程序接口(API)。GTK+是GTK的新版本，采用C语言开发，设计上灵活运用了面向对象(OOD)思想，在消息机制上采用了信号机制。

对于绘图模块：采用GTK双缓冲技术，该技术并不直接在屏幕上显示影像，而是在内存中开辟一片背景缓冲区，在缓冲区中对影像更新、修改后再显示。但是仅用双缓冲技术只能解决闪烁问题，绘图效率还是不高。为节约绘图时间，把绘图过程中分为两个部分，即：动态部分与静态部分。静态是不随时间变化的部分比如网格线、坐标等；动态部分是指随时间实时变化的部分比如加速度曲线、结算结果等。由此可见，我们只要实时刷新动态部分，没必要对静态重绘。为实现这一思路，我们在静态内存里开辟一个空间存放pixmap，把静态部分放在里面，等我们要重绘的时候，直接从内存拷贝过来，然后动态部分在静态上绘图。由于内存拷贝是很快的，所以这种方案既节省时间又能减轻系统负担。绘图区用于实时显示三向加速度曲线，每128ms刷新一次。数值与状态显示区每512ms刷新一次三向加速度值，每5s刷新一次综合舒适度指标值及等级，每2s刷新一次横向和垂向平稳性的指标值及等级。

根据UIC513标准和GB5595-85标准，每5s计算一次加速的加权有效值，每2s计算一次频谱，因此系统需要以10s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，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。如图2所示。

如果采用传统的方法处理，每5分钟得到一个舒适度指标，每20s得到一个平稳性指标，在实时性方面性能较差。经研究，该系统采用自主设计的循环运算法，达到每5s计算一次舒适度，每2s计算一次平稳性。为达到和以512ms为周期的主循环相协调，均衡分配系统整个运行过程中的资源的目的，把该系统平稳性和舒适度的算法拆分成20个独立的模块，即把以20个512ms为一个大循环的运算分散到20个512ms的小循环中运行，见图3解析。同时利用全局变量实现数据模块的独立性：originalx[NUM]，originaly[NUM]，originalz[NUM]分别存储垂、横、纵三个方向上20个512ms的数据，即：NUM＝20x512；cxdata[CNUM]，cydata[CNUM]，czdata[CNUM]分别存储10个512ms的数据用于舒适度的计算(RDCxyz)；sydata[SNUM]，szdata[SNUM]，分别存储4个512ms的数据用于平稳性的计算(RDSz，RDSy)。对于舒适度以5.12s为周期得到垂、横、纵三个方向各一个加速度的加权有效值，分别存入statisticsx[60]、statisticsy[60]、statisticsz[60]中(Cx，Cy，Cz)；对于平稳性，每2.048s得到垂向和纵向的一个加速度频谱存入到fspectrumz[N][10]和fspectrumy[N][10]中(Sy，Sz)。以上这些数据均利用循环覆盖的方法不断更新，实现了每5.12s刷新一次舒适度指标值(C)，每2.048s刷新一次平稳性指标值(Sy，Sz)。(注：SRC，SRSy，SRSz分别为保存舒适度以及纵向和垂向平稳性的指标值；PPCxy：对横向和纵向的舒适度数据进行均值滤波和40Hz低通滤波，把这两个运算模块提取出来主要是为了均衡运算时间。)

为了验证检测仪的准确性，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软件计算列车的舒适度和平稳性。两种方法计算出的列车舒适度列于表4中，横向平稳性列于表5中，垂向平稳性列于表6中。

表4：检测仪/计算机计算所得的综合舒适度测试值/计算值比较

表5检测仪/计算机计算所得的横向平稳性测试值/计算值比较

表6检测仪/计算机计算所得的垂向平稳性测试值/计算值比较

由以上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，其精度达到0.001；设备具有丰富的人际界面和较小的体积，使得检测更方便、快捷、直观。

以上说明书中描述的只是本发明的具体实施方式，各种举例说明不对本发明的实质内容构成限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了说明书后可以对以前所述的具体实施方式做修改或变形，而不背离发明的实质和范围。

Claims (5)

1.一种列车舒适度和平稳性检测仪，其特征在于：包括工控机主板，所述的工控机主板上设置有USB接口以及LCD接口，工控机主板通过以太网接口与计算机相连接；所述的工控机主板的输入端连接有高速模拟量输入卡，输出端通过LCD接口连接液晶套件；所述的高速模拟量输入卡的输入信号由与之连接的滤波器提供，所述的滤波器的输入端连接加速度传感器。

2.如权利要求1所述的列车舒适度和平稳性检测仪，其特征在于：所述的加速度传感器包括列车车体垂、横、纵三个方向上的加速度传感器。

3.如权利要求1所述的列车舒适度和平稳性检测仪，其特征在于：所述的高速模拟量输入卡具有16路单端输入通道，并通过PC/104总线接口连接工控机主板；其内置一个5级可调的可编程增益放大器。

4.一种列车舒适度和平稳性检测仪的检测方法，其特征在于包括以下步骤：

1)通过计算列车车体在一段时间内垂、横、纵3个方向振动加速度的加权有效值的综合值，得到列车车体综合乘坐舒适度指标值和等级；

2)将测得的加速度按频率分组，计算每个频率段中不同加速度的平稳性指标值，然后对各个频率段的平稳性指标值进行加权处理，得到列车的横向、垂向平稳性指标值和等级；

3)利用设计的图形用户界面，实时显示三向加速度曲线及数值、舒适度和平稳性的指标值及等级；

4)把检测仪采集到的原始振动加速度信号传输给计算机进行检验计算，将计算结果和检测仪的检测结果进行对比分析得出。

5.如权利要求4所述的列车舒适度和平稳性检测仪的检测方法，其特征在于：所述的检测仪的平稳性指标和等级的刷新频率是0.5Hz、舒适度指标和等级的刷新频率是0.2Hz、三向加速度值的刷新频率是1.9531Hz、三向加速度曲线的刷新频率是7.8125Hz。

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