CN109000942A - 基于nvh的列车加速及制动阶段ato性能评判系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于NVH的列车加速及制动阶段ATO性能评判系统及方法，所述的系统包括分布式数据采集子站和数据汇总处理中心，所述的分布式数据采集子站包括依次连接的各类传感器、数据采集卡和控制器，所述的数据汇总处理中心包括多通道交换机和服务器站主机，所述的控制器和服务器站主机分别挂接在多通道交换机上，所述的分布式数据采集子站分布在列车各车厢内，并将采集的加速度和音频信号发送给服务器站主机，所述的服务器站主机将接收到的数据进行分析处理得到乘坐舒适度。与现有技术相比，本发明具有多通道、大数据采集能力、全方位监控激励响应(包括振动及噪音)特征及实时评估乘坐舒适度等优点。

Description

基于NVH的列车加速及制动阶段ATO性能评判系统及方法

技术领域

本发明涉及城轨交通技术领域，尤其是涉及一种基于NVH(噪声、振动与声振粗糙度(Noise、Vibration、Harshness)的英文缩写)的列车加速及制动阶段ATO性能评判系统及方法。

背景技术

ATO(列车自动运行系统，Automatic Train Operation，简称ATO)控制列车沿设定的速度—位移曲线行驶，控制车体变加速度提速及降速；由于惯性的存在，车厢内乘客会随之前倾、后仰(俗称点头运动)，站立不稳，严重影响了乘客的乘坐舒适性。为评价ATO系统在加速及制动阶段性能及为优化ATO控制提供依据，需提出一种客观评估乘坐舒适性的方法。

经过检索，中国专利公开号为CN107860594A的专利公布了一种确定高速列车旅客舒适度的方法。首先，建立高速列车27自由度振动模型和人体垂向9自由度模型；然后，以轨道不平顺信号作为输入激励加载到列车振动模型，得到测点处的振动加速度响应；再将振动加速度响应信号作为输入激励输入人体垂向振动模型，进行仿真模拟，得到测点处人体的振动加速度响应和振动程度响应；最后，分析仿真结果，评定乘坐舒适度。但该发明需复杂的参数辨识以建立足够精确的多自由度模型，在实际应用时较难实现；轨道不平顺会影响垂直方向振动响应，但还要考虑列车加减速导致沿列车行行进方向(即纵向)振动响应；另外，仅对振动信号进行检测，未将影响乘坐舒适度的另一重要因素——噪音——纳入考虑，因此不能完整评估乘坐舒适度。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于NVH的列车加速及制动阶段ATO性能评判系统及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于NVH的列车加速及制动阶段ATO性能评判系统，将城轨列车NVH参数作为ATO性能评判的依据，所述的系统包括分布式数据采集子站和数据汇总处理中心，所述的分布式数据采集子站包括依次连接的各类传感器、数据采集卡和控制器，所述的数据汇总处理中心包括多通道交换机和服务器站主机，所述的控制器和服务器站主机分别挂接在多通道交换机上，所述的分布式数据采集子站分布在列车各车厢内，并将采集的加速度和音频信号发送给服务器站主机，所述的服务器站主机将接收到的数据进行分析处理得到乘坐舒适度。

优选地，所述的各类传感器包括加速度传感器和音频传感器，所述的加速度传感器采集加速度信号用以提取振动的特征，所述的音频传感采集音频信号用以提取噪音的特征，综合振动特征及噪音特征即可得列车的NVH参数；

所述的加速度传感器包括三轴加速度传感器和单向加速度传感器，所述的单向加速度传感器设于激励源位置，所述的三向加速度传感器设于车厢内部获取激励响应。

优选地，所述的分布式数据采集子站还包括接插件转接板，所述的控制器为PXI控制器，所述的数据采集卡为PXI数据采集卡，所述的PXI控制器通过PXI总线与PXI数据采集卡连接，所述的PXI数据采集卡通过接插件转接板与各类传感器连接；

PXI控制器运行实时操作系统以满足大量数据采集及处理的要求；PXI控制器上运行的程序，包括数据流管理、滤波、工程量转换、快速傅立叶变换模块，使用这些模块可计算出所有通道信号的特征值。

优选地，所述的数据汇总处理中心还包括供电模块、远程供电使能模块、时钟服务器及KVM，所述的供电模块分别与多通道交换机、服务器站主机、时钟服务器及KVM连接，所述的时钟服务器及KVM分别与服务器站主机连接；

所述的供电模块能就近从列车供电系统获取电能以确保服务器站主机能正常工作，同时配备有不间断电源以减少列车上不稳定供电对该装置的影响；所述的远程供电使能模块使得操作人员在驾驶室即可接通或切断分布式数据采集子站的供电；所述的时钟服务器支持GPS或北斗授时，可为服务器站主机提供精确时间；服务器站主机将本机时间同步至各分布式数据采集子站，从而达到各分布式数据采集子站时间同步的效果；

所述的多通道交换机，一端连接服务器站主机，其他光电接口连接所有分布式数据采集子站，所有分布式数据采集子站发布的数据均通过多通道交换机汇总至服务器站主机；服务器站主机程序的控制指令也通过多通道交换机发送至各分布式数据采集子站。

优选地，所述的多通道交换机为多路多模交换机，支持百兆及千兆以太网，支持20路以上接入，支持光电接口。

优选地，所述的服务器站主机为工作站级别主机，所述的KVM包括键盘、鼠标和显示器，所述的KVM与服务器站主机连接并能访问服务器的资源。

优选地，所述的服务器站主机上运行有用LabVIEW编写的上位机程序，所述的上位机程序主要包括三个后台程序：(1)、监听以太网口，将数据按子站分别存入相应的数据库中，并提供数据库访问接口；(2)、乘坐舒适度计算模块能访问(1)中所述数据库，通过计算得到乘坐舒适度；(3)、提供完整的UI界面供管理员与主机进行交互，观察频谱图，查看乘坐舒适度指标，管理及配置下位机采集任务。

一种所述的基于NVH的列车加速及制动阶段ATO性能评判系统的方法，包括以下步骤：

步骤1、系统上电，所述的服务器站主机程序自检并初始化，转入步骤2；

步骤2、等待管理员输入账号及密码，登录城轨列车乘坐舒适度监控系统后，转入步骤3；

步骤3、分布式数据采集子站被使能供电，分布式数据采集子站进行自检、初始化及时间同步后转入步骤4；

步骤4、等待管理员配置分布式数据采集子站采集任务，下发采集指令后转入步骤5；

步骤5、分布式数据采集子站开始工作；传感器采集到的模拟信号经数据采集卡信号调理及采样电路后，被转化为数字信号被分布式数据采集子站获取，原始数据经过计算生成特征数据；分布式数据采集子站将原始数据及特征数据打上子站标签及时间戳后通过以太网发布到局域网内，转入步骤6；

步骤6、位于同一局域网内的服务器站主机从以太网获取原始数据及特征数据后，按不同子站存储至数据库，转入步骤7；

步骤7、服务器站主机舒适度单元从步骤6中所述数据库中获取数据，并据此换算得到乘坐舒适度。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明的传感器网络通过加速度传感器采集这类信号用以提取振动的特征，还通过音频传感器采集这类信号用以提取噪音的特征，从多维度衡量列车运行舒适度。

2、本发明的供电模块能就近从列车主供电系统获取电能；为减少列车上不稳定供电对数据采集系统的影响，配备有不间断电源。

3、本发明的时钟服务器支持GPS、北斗或IRIG授时，其为服务器站的服务器提供精确时间，服务器站将本机时间同步至各数据采集子站，从而达到各分布式采集子站时间同步的效果。

4、本发明的传感器网络遍布车厢内外各处，能大规模高采样率地获取原始信号。

附图说明

图1为本发明的NVH评判系统结构拓扑图；

图2为本发明的评判系统布置示意图；

图3为本发明的分布式数据采集子站的数据采集程序流程图；

图4为本发明的服务器站主机程序流程图；

图5为本发明的实施例的信号频域图；

图6为本发明的实施例的信号时域图。

其中1为分布式数据采集子站，2为数据汇总处理中心；

11为PXI控制器，12为PXI采集卡，13为各类传感器，131为加速度传感器，132为音频传感器，21为服务器站主机，22为多通道交换机，23为供电模块，24为时钟服务器，25为KVM。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

如图1和图2所示，一种基于NVH的列车加速及制动阶段ATO性能评判系统，将城轨列车NVH参数作为ATO性能评判的依据，所述的系统包括分布式数据采集子站1和数据汇总处理中心2，所述的分布式数据采集子站1包括依次连接的各类传感器13、数据采集卡和控制器，所述的数据汇总处理中心2包括多通道交换机22和服务器站主机21，所述的控制器和服务器站主机分别挂接在多通道交换机上，所述的分布式数据采集子站分布在列车各车厢内，并将采集的加速度和音频信号发送给服务器站主机，所述的服务器站主机将接收到的数据进行分析处理得到乘坐舒适度。

所述的各类传感器13包括加速度传感器131和音频传感器132，所述的加速度传感器采集加速度信号用以提取振动的特征，所述的音频传感采集音频信号用以提取噪音的特征，综合振动特征及噪音特征即可得列车的NVH参数；所述的加速度传感器131包括三轴加速度传感器和单向加速度传感器，所述的单向加速度传感器设于激励源位置，所述的三向加速度传感器设于车厢内部获取激励响应。

所述的分布式数据采集子站1还包括接插件转接板15，所述的控制器为PXI控制器11，所述的数据采集卡为PXI数据采集卡12，所述的PXI控制器11通过PXI总线14与PXI数据采集卡12连接，所述的PXI数据采集卡12通过接插件转接板15与各类传感器13连接；

PXI控制器运行实时操作系统以满足大量数据采集及处理的要求；PXI控制器上运行的程序，包括数据流管理、滤波、工程量转换、快速傅立叶变换模块，使用这些模块可计算出所有通道信号的特征值。

所述的数据汇总处理中心2还包括供电模块23、远程供电使能模块、时钟服务器24及KVM25，所述的供电模块23分别与多通道交换机22、服务器站主机21、时钟服务器24及KVM25连接，所述的时钟服务器24及KVM25分别与服务器站主机连接；

所述的供电模块能就近从列车供电系统获取电能以确保服务器站主机能正常工作，同时配备有不间断电源以减少列车上不稳定供电对该装置的影响；所述的远程供电使能模块使得操作人员在驾驶室即可接通或切断分布式数据采集子站的供电；所述的时钟服务器支持GPS或北斗授时，可为服务器站主机提供精确时间；服务器站主机将本机时间同步至各分布式数据采集子站，从而达到各分布式数据采集子站时间同步的效果；

所述的多通道交换机22，一端连接服务器站主机，其他光电接口连接所有分布式数据采集子站，所有分布式数据采集子站发布的数据均通过多通道交换机汇总至服务器站主机；服务器站主机程序的控制指令也通过多通道交换机发送至各分布式数据采集子站。

所述的多通道交换机22为多路多模交换机，支持百兆及千兆以太网，支持20路以上接入，支持光电接口。

所述的服务器站主机21为工作站级别主机，所述的KVM包括键盘、鼠标和显示器，所述的KVM与服务器站主机连接并能访问服务器的资源。

所述的服务器站主机上运行有用LabVIEW编写的上位机程序，所述的上位机程序主要包括三个后台程序：(1)、监听以太网口，将数据按子站分别存入相应的数据库中，并提供数据库访问接口；(2)、乘坐舒适度计算模块能访问(1)中所述数据库，通过计算得到乘坐舒适度；(3)、提供完整的UI界面供管理员与主机进行交互，观察频谱图，查看乘坐舒适度指标，管理及配置下位机采集任务。

本发明工作流程如下：

步骤1、系统上电，所述的服务器站主机程序自检并初始化，转入步骤2；

步骤2、等待管理员输入账号及密码，登录城轨列车乘坐舒适度监控系统后，转入步骤3；

步骤3、分布式数据采集子站被使能供电，分布式数据采集子站进行自检、初始化及时间同步后转入步骤4；

步骤4、等待管理员配置分布式数据采集子站采集任务，下发采集指令后转入步骤5；

步骤5、分布式数据采集子站开始工作；传感器采集到的模拟信号经数据采集卡信号调理及采样电路后，被转化为数字信号被分布式数据采集子站获取，原始数据经过计算生成特征数据；分布式数据采集子站将原始数据及特征数据打上子站标签及时间戳后通过以太网发布到局域网内，转入步骤6；

步骤6、位于同一局域网内的服务器站主机从以太网获取原始数据及特征数据后，按不同子站存储至数据库，转入步骤7；

步骤7、服务器站主机舒适度单元从步骤6中所述数据库中获取数据，并据此换算得到乘坐舒适度。

基于NVH计算得到的乘坐舒适度指标：

乘坐舒适度由振动及噪音共同决定，不妨分别记作振动舒适度及噪音舒适度。

振动舒适度参考标准《UIC 513-1994铁路车辆乘坐舒适性评估》计算(同一测点振动响应存在两种以上频率成分时)：

其中，

此处W为合成的振动平稳性指标，A_i为振动波形进行频谱分析后在频率为f_i时振动加速度幅值。

噪音舒适度参考标准《GB T 3449-2011声学轨道车辆内部噪声车辆》计算。考虑到车厢内噪音为起伏的不连续噪音，使用噪声能量平均的方法来评价噪音对人的影响，即等效连续(A记权)声级，用L_Aeq表示：

其中，P_A(t)表示瞬时A记权声压；P₀是参考声压。L_Aeq可直接描述噪音舒适度。

如图1和图2所示，所述的各传感器包括加速度传感器阵列及音频传感器阵列；单节车厢内传感器网络所采集的模拟信号经模拟信号调理电路进入数据采集板卡前端，经AD转换为数字信号被高性能坚固控制器获取，经过计算、转换后通过以太网发布；同样的，其他车厢内也将采集到的加速度、音频模拟信号经滤波、AD转换、计算并通过以太网发布。各分布式数据采集子站均挂接在多通道交换机上，#9服务器站主机也挂接在多通道交换机上，这样服务器站主机可访问所有数据子站发布的内容，还可通过交换机向每一台子站下发控制指令。时钟服务器为服务器站主机提供授时脉冲进而是所有分布式子站时间同步。

如图4所示，主机上运行有上位机程序，上位机程序主要有三类后台程序：1、监听以太网接口，将数据按子站分别存入相应的数据库中，并提供数据库访问接口；2、乘坐舒适度计算模块能访问1所述数据库，通过计算得到舒适度级别；3、提供完整的UI界面供管理员与主机进行交互，管理员可管理数据采集任务，可查看加速度及音频信号的频谱图，可查看时域特征值，可查看振动舒适度及噪音舒适度指标，还可进行数据存储及历史数据回放等操作。

针对项目实例，该系统需配置至少1台工作站级别主机、1台时钟服务器、1台高性能交换机、8台分布式数据采集子站(针对A型车挂8节编组)，铺设光纤或超五类双绞屏蔽网线搭建以太网络通路，若干加速度传感器及音频传感器。为实现可靠的数据采集及处理，需编程实现下位机数据采集及上位机数据处理、显示及存储功能，计算舒适度指标。为便于观察信号特性，作频域及时域分析并绘制曲线，如图5和图6所示。

系统布置有应变传感器、位移传感器，为定位噪音振动源提供依据；系统配备有GPS或北斗模块，以获取坐标信息，可绘制列车运行的速度—位移曲线；系统的列车舒适度指标计算还支持GB 5599-85标准。

机械系统的噪声和振动信号的频谱特征都由激励的特征和系统本身的固有特性所决定。因此，机械系统所变现出的噪声信号和振动信号既包含了激励的动力学特征也包含了系统的固有特性。本发明还可利用噪声和振动信号的频谱特征对列车的异常振动和噪声的原因进行诊断。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于NVH的列车加速及制动阶段ATO性能评判系统，将城轨列车NVH参数作为ATO性能评判的依据，其特征在于，所述的系统包括分布式数据采集子站和数据汇总处理中心，所述的分布式数据采集子站包括依次连接的各类传感器、数据采集卡和控制器，所述的数据汇总处理中心包括多通道交换机和服务器站主机，所述的控制器和服务器站主机分别挂接在多通道交换机上，所述的分布式数据采集子站分布在列车各车厢内，并将采集的加速度和音频信号发送给服务器站主机，所述的服务器站主机将接收到的数据进行分析处理得到乘坐舒适度。

2.根据权利要求1所述的一种基于NVH的列车加速及制动阶段ATO性能评判系统，其特征在于，所述的各类传感器包括加速度传感器和音频传感器，所述的加速度传感器采集加速度信号用以提取振动的特征，所述的音频传感采集音频信号用以提取噪音的特征，综合振动特征及噪音特征即可得列车的NVH参数；

所述的加速度传感器包括三轴加速度传感器和单向加速度传感器，所述的单向加速度传感器设于激励源位置，所述的三向加速度传感器设于车厢内部获取激励响应。

3.根据权利要求1所述的一种基于NVH的列车加速及制动阶段ATO性能评判系统，其特征在于，所述的分布式数据采集子站还包括接插件转接板，所述的控制器为PXI控制器，所述的数据采集卡为PXI数据采集卡，所述的PXI控制器通过PXI总线与PXI数据采集卡连接，所述的PXI数据采集卡通过接插件转接板与各类传感器连接；

PXI控制器运行实时操作系统以满足大量数据采集及处理的要求；PXI控制器上运行的程序，包括数据流管理、滤波、工程量转换、快速傅立叶变换模块，使用这些模块可计算出所有通道信号的特征值。

4.根据权利要求1所述的一种基于NVH的列车加速及制动阶段ATO性能评判系统，其特征在于，所述的数据汇总处理中心还包括供电模块、远程供电使能模块、时钟服务器及KVM，所述的供电模块分别与多通道交换机、服务器站主机、时钟服务器及KVM连接，所述的时钟服务器及KVM分别与服务器站主机连接；

所述的供电模块能就近从列车供电系统获取电能以确保服务器站主机能正常工作，同时配备有不间断电源以减少列车上不稳定供电对该装置的影响；所述的远程供电使能模块使得操作人员在驾驶室即可接通或切断分布式数据采集子站的供电；所述的时钟服务器支持GPS或北斗授时，可为服务器站主机提供精确时间；服务器站主机将本机时间同步至各分布式数据采集子站，从而达到各分布式数据采集子站时间同步的效果；

所述的多通道交换机，一端连接服务器站主机，其他光电接口连接所有分布式数据采集子站，所有分布式数据采集子站发布的数据均通过多通道交换机汇总至服务器站主机；服务器站主机程序的控制指令也通过多通道交换机发送至各分布式数据采集子站。

5.根据权利要求4所述的一种基于NVH的列车加速及制动阶段ATO性能评判系统，其特征在于，所述的多通道交换机为多路多模交换机，支持百兆及千兆以太网，支持20路以上接入，支持光电接口。

6.根据权利要求4所述的一种基于NVH的列车加速及制动阶段ATO性能评判系统，其特征在于，所述的服务器站主机为工作站级别主机，所述的KVM包括键盘、鼠标和显示器，所述的KVM与服务器站主机连接并能访问服务器的资源。

7.根据权利要求1所述的一种基于NVH的列车加速及制动阶段ATO性能评判系统，其特征在于，所述的服务器站主机上运行有用LabVIEW编写的上位机程序，所述的上位机程序主要包括三个后台程序：(1)、监听以太网口，将数据按子站分别存入相应的数据库中，并提供数据库访问接口；(2)、乘坐舒适度计算模块能访问(1)中所述数据库，通过计算得到乘坐舒适度；(3)、提供完整的UI界面供管理员与主机进行交互，观察频谱图，查看乘坐舒适度指标，管理及配置下位机采集任务。

8.一种采用权利要求1～7中任一所述的基于NVH的列车加速及制动阶段ATO性能评判系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、系统上电，所述的服务器站主机程序自检并初始化，转入步骤2；

步骤2、等待管理员输入账号及密码，登录城轨列车乘坐舒适度监控系统后，转入步骤3；

步骤3、分布式数据采集子站被使能供电，分布式数据采集子站进行自检、初始化及时间同步后转入步骤4；

步骤4、等待管理员配置分布式数据采集子站采集任务，下发采集指令后转入步骤5；

步骤5、分布式数据采集子站开始工作；传感器采集到的模拟信号经数据采集卡信号调理及采样电路后，被转化为数字信号被分布式数据采集子站获取，原始数据经过计算生成特征数据；分布式数据采集子站将原始数据及特征数据打上子站标签及时间戳后通过以太网发布到局域网内，转入步骤6；

步骤6、位于同一局域网内的服务器站主机从以太网获取原始数据及特征数据后，按不同子站存储至数据库，转入步骤7；

步骤7、服务器站主机舒适度单元从步骤6中所述数据库中获取数据，并据此换算得到乘坐舒适度。