CN109693679A - 一种列车运行品质的监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种列车运行品质的监测系统，首先，通过设置于列车的转向架的第一加速度传感器，采集转向架的横向振动加速度以监测转向架的横向摆动情况；和通过设置于列车的车体的第二加速度传感器，采集三向振动加速度以监测车体的横向、纵向和垂向这三个方向的振动情况；然后，再通过同时与第一加速度传感器和第二加速度传感器连接控制主机，对第一输出信号和第二输出信号进行分析处理，并输出对应的处理结果以反映列车当前的稳定性。应用本监测系统，每一节车厢可以少安装一个控制主机，不仅降低了控制主机的采购成本，还减少了安装监测系统的施工成本，也节省了列车空间和减轻了列车负荷。因此，本监测系统能够降低监测列车稳定性的成本。

Description

一种列车运行品质的监测系统
技术领域
本发明涉及轨道交通领域，特别涉及一种列车运行品质的监测系统。
背景技术
为了提升列车运行品质，需要对列车的稳定性进行实时监测。而且，列车的稳定性主要取决于失稳指标(转向架的横向振动加速度)是否正常和与平稳度指标(车体的横向、纵向及垂向的振动加速度)对应的平稳等级。
在现有技术中，为了对列车失稳指标和平稳度指标进行实时监测，需要在为列车的每一节车厢安装失稳监测系统的同时，再另外为列车的每一节车厢安装一套平稳性监测系统。但是，由于目前的失稳监测系统包括了采集转向架的横向加速度信号的传感器和对应的控制主机，平稳性监测系统包括了采集车体的横向、纵向及垂向的振动加速度信号的传感器和对应的控制主机。所以，在应用现有技术实现对列车的稳定性进行监测的时候，需要为列车的每一节车厢均安装两套不同的监测系统，而且，由于每一套监测系统均具有一个独立于另一套监测系统的控制主机，所以在为列车安装这两套监测系统时，需要为每一节车厢均安装两个独立的控制主机，不仅增加了购买控制主机的费用，还增加了安装监测系统的施工成本，甚至，还由于控制主机的安装条件较为复杂，如需要将控制主机安装于利于散热的位置或为控制主机专门配备散热装置等，占用了列车的空间、增大了列车的负荷。
因此，如何降低对列车的稳定性进行监测的成本是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种列车运行品质的监测系统，应用本监测系统能够降低对列车的稳定性进行监测的成本。
为了解决上述技术问题，本发明提供的一种列车运行品质的监测系统包括：
设置于列车的转向架，用于采集所述转向架的横向振动加速度的第一加速度传感器；
设置于所述列车的车体，用于采集所述车体的横向、纵向和垂向振动加速度的第二加速度传感器；
同时与所述第一加速度传感器和所述第二加速度传感器连接，用于对所述第一加速度传感器的第一输出信号和所述第二加速度传感器的第二输出信号进行分析处理，并输出对应处理结果的控制主机。
优选地，所述检测系统还包括存储器；
所述存储器与所述控制主机连接，用于存储所述处理结果。
优选地，所述控制主机具体包括与列车控制系统连接的通信接口以向所述列车控制系统输出与所述处理结果对应的电平信号。
优选地所述控制主机还包括与提示装置连接的I/O接口以向所述提示装置输出与所述处理结果对应的控制信号。
优选地，所述提示装置具体为指示灯。
优选地，所述控制主机具体包括：
同时与所述第一加速度传感器和所述第二加速度传感器连接，用于获取所述第一输出信号和所述第二输出信号的采样电路；
与所述采样电路连接，用于对所述采样电路的输出信号进行带通滤波处理的滤波电路；
与所述滤波电路连接，用于对所述滤波电路的输出信号进行分析处理，并输出所述处理结果的处理器。
优选地，所述第一输出信号和所述第二输出信号为模拟量信号，则所述采样电路还包括变换电路；
所述变换电路用于将所述模拟量信号转化为数字量信号。
优选地，所述第一加速度传感器和所述第二加速度传感器均为数字式加速度传感器。
优选地，所述处理器具体为单片机K60。
优选地，所述第一加速度传感器的个数为4个，所述第二加速度传感器的个数为2个。
本发明提供的列车运行品质的监测系统，首先，通过设置于列车的转向架的第一加速度传感器，采集转向架的横向振动加速度以监测转向架相对于轨道方向的横向摆动情况；和通过设置于列车的车体的第二加速度传感器，采集三向振动加速度以监测车体的横向、纵向和垂向这三个方向的振动情况；然后，再通过同时与第一加速度传感器和第二加速度传感器连接控制主机，对第一输出信号和第二输出信号进行分析处理，并输出与转向架相对于轨道方向的横向摆动情况和车体的横向、纵向和垂向的振动情况相对应的处理结果以反映列车当前的稳定性。由此可见，本监测系统仅利用一个控制主机便实现了对一节车厢的转向架相对于轨道方向的横向摆动情况和车体的横向和垂向的振动情况的监测，相比于现有技术中，分别为列车的每一节车厢安装包含有两个独立控制主机的两个监测系统，应用本发明提供的监测系统，每一节车厢可以少安装一个控制主机，不仅降低了控制主机的采购成本，还减少了安装监测系统的施工成本，也节省了列车空间和减轻了列车负荷。因此，本监测系统能够降低监测列车稳定性的成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1为本发明实施例提供的一种列车运行品质的监测系统的结构图；
图2为本发明实施例提供的另一种列车运行品质的监测系统的结构图；
图3为本发明实施例提供的另一种列车运行品质的监测系统的结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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付出创造性劳动的前提下，所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护范围。
本发明的目的是提供一种列车运行品质的监测系统，应用本监测系统能够降低对列车的稳定性进行监测的成本。
为了使本领域的技术人员更好的理解本发明技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1为本发明实施例提供的一种列车运行品质的监测系统的结构图。如图1所示，本监测系统包括：
设置于列车的转向架，用于采集转向架的横向振动加速度的第一加速度传感器10。
设置于列车的车体，用于采集车体的横向、纵向和垂向振动加速度的第二加速度传感器11。
同时与第一加速度传感器10和第二加速度传感器11连接，用于对第一加速度传感器10的第一输出信号和第二加速度传感器11的第二输出信号进行分析处理，并输出对应处理结果的控制主机12。
其中，转向架和车体均为组成列车车厢的部件，车体用于承载设备及乘客，通过减振器安装于作为列车行走部分的转向架上。
在列车运行过程中，一旦列车出现横向失稳现象，其运行品质及安全性会极大地降低，列车失稳运动不仅会导致轮轨间强烈的相互作用，将对线路造成严重损坏，还极有可能引发列车脱轨事故。因此，本监测系统可以通过安装于转向架的第一加速度传感器10实时监测转向架的横向振动加速度是否连续多次达到或超过临界值，以判定列车是否发生失稳。而且，为了采集到更为准确的转向架横向振动加速度，优选地，第一加速度传感器10只对特定频段(如2Hz-10Hz)内的转向架横向振动加速度进行单方向采集。由于第一加速度传感器10用于采集转向架的横向加速度，所以第一加速度传感器10使用单轴加速度传感器即可，当然，第一加速度传感器10使用其它类型的加速度传感器也不会影响本实施例的实现。
另外，由于列车运行时的平稳度直接影响着乘客的乘坐舒适度，所以，本监测系统可以通过安装于列车的车体的第二加速度传感器11实时监测车体的横向、纵向和垂向振动加速度，以确定列车当前的平稳等级。而且，为了采集到更为准确的车体的横向、纵向和垂向振动加速度，优选地，第二加速度传感器11只对特定频段(如0.5Hz-40Hz)内的车体三向振动加速度进行采集。由于第二加速度传感器11用于采集车体的横向、纵向和垂向加速度，所以第二加速度传感器11优选使用三轴加速度传感器，当然，也可以使用三个单轴加速度传感器分别采集车体的横向、纵向和垂向加速度，第二加速度传感器11的选型并不会影响本实施例的实现。
控制主机12同时与第一加速度传感器10和第二加速度传感器11连接，接收第一加速度传感器10和第二加速传感器11输出的第一输出信号和第二输出信号，并通过对第一输出信号进行分析计算得到失稳指标，和按照不同的频率点分解第二输出信号，对各个频点的加速度值分别进行加权计算综合后，得到车体在各方向的平稳度指标，即得到车体的横向冲动指标、纵向冲动指标和垂向冲动指标。控制主机12在得到失稳指标和平稳度指标后，可以将失稳指标和平稳度指标作为处理结果输出，例如，可以将失稳指标和平稳度指标直接输出至列车控制系统，也可以将失稳指标和平稳度指标分别通过声音输出，还可以将失稳指标和平稳度指标分别通过灯光输出，本发明不做限定。
由此可见，本发明提供的列车运行品质的监测系统，首先，通过设置于列车的转向架的第一加速度传感器，采集转向架的横向振动加速度以监测转向架相对于轨道方向的横向摆动情况；和通过设置于列车的车体的第二加速度传感器，采集三向振动加速度以监测车体的横向、纵向和垂向这三个方向的振动情况；然后，再通过同时与第一加速度传感器和第二加速度传感器连接控制主机，对第一输出信号和第二输出信号进行分析处理，并输出与转向架相对于轨道方向的横向摆动情况和车体的横向、纵向和垂向的振动情况相对应的处理结果以反映列车当前的稳定性。由此可见，本监测系统仅利用一个控制主机便实现了对一节车厢的转向架相对于轨道方向的横向摆动情况和车体的横向和垂向的振动情况的监测，相比于现有技术中，分别为列车的每一节车厢安装包含有两个独立控制主机的两个监测系统，应用本发明提供的监测系统，每一节车厢可以少安装一个控制主机，不仅降低了控制主机的采购成本，还减少了安装监测系统的施工成本，也节省了列车空间和减轻了列车负荷。因此，本监测系统能够降低监测列车稳定性的成本。
另外，现有技术中采用两套不同监测系统对列车的稳定性进行监测，在对两套不同监测系统进行检修和维护时，需要使用两种不同的检修工具及软件，造成监测系统的维护成本较高。而如果应用本发明的监测系统，则可以在能够监测列车稳定性的同时，仅使用一种检修工具及软件对本监测系统进行检修和维护，能够有效降低监测系统的维护成本。例如，可以通过PC机在和以太网连接后，运行tNetrol-CB5稳定性检测软件对本监测系统进行检修和维护。
在具体实施中，如果监测系统中第一加速度传感器10和第二加速度传感器11设置的越多，最终获得的失稳指标和平稳度指标也就越精确，但是相应地成本也会提升。综合考虑成本和精确度这两方面的因素，作为一种优选地实施方式，检测系统中包含的第一加速度传感器10的个数为4个，第二加速度传感器11的个数为2个。
图2为本发明实施例提供的另一种列车运行品质的监测系统的结构图。在具体应用中，为了提升列车的运行品质，需要对列车运行过程中产生的失稳数据(控制主机12依据第一输出信号获得的失稳指标)和平稳数据(控住主机12依据第二输出信号获得的平稳度指标)进行大数据分析，这就需要将列车运行时，控制主机12实时获得的处理结果存储起来以供相关人员参考。因此，如图2所示，作为一种优选地实施方式，在图1的基础上，监测系统还包括存储器20，存储器20与控制主机12连接，用于存储处理结果。
在列车的运行过程中，如果可以直接将控制主机12的处理结果输出至列车的控制系统，列车的控制系统就可以依据处理结果进行相应的操作，从而达到实时调节列车的状态，提升列车的运行品质的目的。因此，作为一种优选地实施方方式，控制主机12具体包括与列车控制系统连接的通信接口以向列车控制系统输出与处理结果对应的电平信号。该电平信号可以触发列车控制系统进行与列车当前的运行品质相应的操作。其中，控制主机12通过通信接口与列车控制系统的连接，可以是有线通信连接，也可以是无线通信连接。
当然，可以理解的是，也可以直接将控制主机12的处理结果输出至提示装置，如指示灯、显示屏、蜂鸣器等，使得相关工作人员能够根据提示装置的不同工作状态确定列车的当前运行品质，以采取相应的措施提升列车的运行品质。因此，作为一种优选地实施方式，控制主机12还包括与提示装置连接的I/O接口以向提示装置输出与处理结果对应的控制信号。该控制信号可以控制提示装置工作在与列车当前的运行品质相对应的工作状态。
作为一种优选地实施方式，提示装置具体为指示灯。
图3为本发明实施例提供的另一种列车运行品质的监测系统的结构图。在具体应用中，第一加速度传感器10和第二加速度传感器11输出的第一输出信号和第二输出信号均为原始信号，通过处理器可能无法进行直接处理，而且，就算第一输出信号和第二输出信号均可以由处理器直接进行处理，但第一输出信号和第二输出信号一定是包含有干扰信号的，因此，如果想要通过控制主机12依据第一输出信号和第二输出信号得出准确的处理结果，仍需要对第一输出信号和第二输出信号进行去干扰处理。因此，如图3所示，作为一种优选地实施方式，在上述任一实施例的基础上，控制主机12具体包括：
同时与第一加速度传感器10和第二加速度传感器11连接，用于获取第一输出信号和第二输出信号的采样电路30。
与采样电路30连接，用于对采样电路30的输出信号进行带通滤波处理的滤波电路31。
与滤波电路31连接，用于对滤波电路31的输出信号进行分析处理，并输出处理结果的处理器32。
其中，采样电路30的输出信号包括与第一输出信号对应的第一采样信号，和与第二输出信号对应的第二采样信号。
滤波电路31对接收到的第一采样信号和第二采样信号分别进行带通滤波处理，以滤除第一采样信号和第二采样信号中的干扰信号。其中，干扰信号包括无用信号，即特定频率外的采样信号。特定频率可以预先设置，且第一采样信号对应的特定频率与第二采样信号对应特定频率可以不同。例如，可以将第一采样信号对应的特定频率设置为2-10Hz，将第二采样信号对应的特定频率设置为0.5-40Hz。滤波电路31的输出信号包括与第一采样信号对应的第一有效信号，和与第二采样信号对应的第二有效信号。
第一有效信号和第二有效信号通过处理器32的不同输入端与处理32连接，处理器32通过识别输入端实现对第一有效信号和第二有效信号的识别，以对第一有效信号和第二有效信号按照不同的分析处理规则进行分析处理。
对于第一有效信号而言，处理器32可以基于预设的幅值大小和波数进行判断，如果第一有效信号的幅值连续大于预设幅值的波数大于预设波数，则判断为列车发生失稳现象，并输出列车失稳的处理结果。具体地，假设预设的幅值为20m/s2，失稳波数为10，则对第一有效信号的具体处理过程为：先测算出第一有效信号的双向振幅(即峰-峰值)，当双向振幅超过20m/s2时，开始计数双向振幅超过20m/s2的波数，并且，如果计数波数超过10个，则判定为转向架发生了失稳。此外，还可以预先设置解除失稳波数，并在判定为转向架发生失稳后继续统计双向振幅持续小于预设幅值的波数，如果双向振幅持续小于预设幅值的波数超过预设的解除失稳波数，则可以判定为转向架失稳解除。当然，可以理解的是，上述设置的预设幅值和波数均为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，并不代表预设幅值只能为20m/s2或预设波数只能为10个，在具体应用中，只需要沿用同样的失稳监测计算方法即可，预设幅值和预设波数可以根据具体应用对象和环境而设置，并不固定。
对于第二有效信号而言，处理器32可以依据预设的评判条件评定反应列车当前运行品质的平稳等级。具体地，可以通过公式计算出平稳度指标，其中，A为第二有效信号的振动加速度，f为第二有效信号的振动频率，可以通过对第二有效信号进行快速傅里叶变换FFT，将第二有效信号从时域转换到频域后采集获得，F(f)为频率修正系数。频率修正系数的具体取值可参见表1，表1为频率修正系数与平路的对应表。
表1
在通过上述方法计算出平稳度指标之后，可按照表2确定与列车的当前运行品质对应的平稳等级，表2为平稳度指标与平稳等级对应表。
表2
当然，可以理解的是，利用上述计算平稳度指标和确定平稳等级的方法对第二有效信号进行处理，得到处理结果是为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，并不代表只能利用上述计算平稳度指标和确定平稳等级的方法对第二有效信号进行处理。在具体应用中，只要能够得到反映列车当前的运行品质的处理结果，也可以使用其它方法对第二有效信号进行处理。
如果为了降低监测系统的成本，第一加速度传感器10和第二加速传感器11选用的不是数字式加速度传感器，那么第一输出信号和第二输出信号均为模拟量信号，经采样电路30和滤波电路31后，输出的第一有效信号和第二有效信号也为模拟量信号，而处理器可以处理的信号为数字量信号。因此，作为一种优选地实施方式，如果第一输出信号和第二输出信号为模拟量信号，则采样电路30还包括变换电路；变换电路用于将模拟量信号转化为数字量信号。
为了简化监测系统的电路，作为一种优选地实施方式，第一加速度传感器10和第二加速度传感器11均为数字式加速度传感器。其中，数字式加速度传感器可以将采集到的加速度信号输出为数字量信号，所以第一输出信号和第二输出信号均为数字量信号，控制主机12可以直接对第一输出信号和第二输出信号进行分析处理，而无需再设置专门的变换电路用于模数转换。
为了进一步降低监测系统的成本，控制主机12可以选用可编程逻辑器件加通用处理器架构(如单片机K60)。因此，作为一种优选地实施方式，处理器具体为单片机K60。当然，在确保性能指标的前提下，还可以选用DSP或其它通用处理器、以及可编程逻辑器件(如FPGA、CPLD等)。
另外，本发明提供的监测系统作为一套完整的系统，还包括一些除上述实施例提供的一些其它辅助模块，例如电源模块等，本发明不再赘述。
以上对本发明所提供的一种列车运行品质的监测系统进行了详细介绍。说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或者操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或者操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列的要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (10)

1.一种列车运行品质的监测系统，其特征在于，包括：
设置于列车的转向架，用于采集所述转向架的横向振动加速度的第一加速度传感器；
设置于所述列车的车体，用于采集所述车体的横向、纵向和垂向振动加速度的第二加速度传感器；
同时与所述第一加速度传感器和所述第二加速度传感器连接，用于对所述第一加速度传感器的第一输出信号和所述第二加速度传感器的第二输出信号进行分析处理，并输出对应处理结果的控制主机。
2.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于，还包括存储器；
所述存储器与所述控制主机连接，用于存储所述处理结果。
3.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于，所述控制主机具体包括与列车控制系统连接的通信接口以向所述列车控制系统输出与所述处理结果对应的电平信号。
4.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于，所述控制主机还包括与提示装置连接的I/O接口以向所述提示装置输出与所述处理结果对应的控制信号。
5.根据权利要求4所述的监测系统，其特征在于，所述提示装置具体为指示灯。
6.根据权利要求1-5任一项所述的监测系统，其特征在于，所述控制主机具体包括：
同时与所述第一加速度传感器和所述第二加速度传感器连接，用于获取所述第一输出信号和所述第二输出信号的采样电路；
与所述采样电路连接，用于对所述采样电路的输出信号进行带通滤波处理的滤波电路；
与所述滤波电路连接，用于对所述滤波电路的输出信号进行分析处理，并输出所述处理结果的处理器。
7.根据权利要求6所述的监测系统，其特征在于，所述第一输出信号和所述第二输出信号为模拟量信号，则所述采样电路还包括变换电路；
所述变换电路用于将所述模拟量信号转化为数字量信号。
8.根据权利要求6所述的监测系统，其特征在于，所述第一加速度传感器和所述第二加速度传感器均为数字式加速度传感器。
9.根据权利要求6所述的监测系统，其特征在于，所述处理器具体为单片机K60。
10.根据权利要求6所述的监测系统，其特征在于，所述第一加速度传感器的个数为4个，所述第二加速度传感器的个数为2个。
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