CN112857839A - 用于检测列车冲动程度的设备及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于检测列车冲动程度的设备及方法，该设备在使用时置于列车内的平面上，该设备包括：信息采集模块，其采集列车行驶过程中各时刻的列车自身的姿态数据和在各方向上的加速度；冲动计算模块，其根据各时刻的列车自身的姿态数据和在各方向上的加速度，计算出各个时刻列车在前进方向上的加速度变化值；列车冲动程度量化模块，其基于各个时刻列车在前进方向上加速度变化值，量化当前时刻的列车冲动程度。根据本申请，通过先对列车的姿态进行检测后再进行冲动计算，能准确地通过加速度变化值的计算来量化冲动的程度。

Description

用于检测列车冲动程度的设备及其方法

技术领域

本发明涉及轨道交通车辆技术领域，具体的是，涉及一种用于检测列车冲动程度的设备及用于检测列车冲动程度的方法。

背景技术

为适应我国经济的发展和人民日益提高的生活质量要求，铁路进行了多次大提速，并将继续提速，在提速带来的方便和快捷下，同时也带来了平稳操纵和旅客的乘坐舒适度等问题。列车的冲动，是指列车在调速过程中在较短的时间里因为一个较大的加速度(或者加速度变化率)对列车所造成的影响。从列车运行来看，表现为相邻车辆之间的冲击；从人的感受来讲，类似于在公交车突然加速或者减速时人的身体的剧烈晃动。在列车的启动、刹车和加速时通常会有这种感觉，不过没有公交车上那么明显。

以冲动的方向来分，主要分为纵向冲动和横向冲动。纵向冲动为列车前进方向一致的冲动，是列车的主冲动，一般而言检测的冲动即为纵向冲动。国内传统考核司机的方法是“木棒检测法”，采用密度较大的均匀杂木，制成5根长度相同、截面为正方形但面积不同的木棒，放在底部较为光滑的木盒中，由木板隔为5档，平放在桌面上，格子方向与列车前进的方向一致，测试人员在旁记录。当列车冲动时，木棒会倾倒，倾倒的木棒越粗、倾倒的次数越多，表明冲动越厉害。不同粗细的木棒，代表不同的冲动等级，木棒越粗，代表冲动等级越高。然而，该方法不能量化列车的冲动，只能大致估算范围，同时木棒的倾倒除了纵向冲动的影响外还有其他的因素，不利于判断冲动的程度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一是需要提供一种用于检测列车冲动的设备，实现对列车冲动检测的量化检测，且可以减少姿态变化时其他方向加速度对于列车前进加速度测量的影响。

为了解决上述技术问题，本申请的实施例首先提供了一种用于检测列车冲动程度的设备，该设备在使用时置于列车内的平面上，该设备包括：信息采集模块，其采集列车行驶过程中各时刻的列车自身的姿态数据和在各方向上的加速度，所述方向至少包括列车前进方向；冲动计算模块，其根据各时刻的列车自身的姿态数据和在各方向上的加速度，计算出各个时刻列车在前进方向上的加速度变化值；列车冲动程度量化模块，其基于各个时刻列车在前进方向上的加速度变化值来量化当前时刻的列车冲动程度。

在本申请的一个实施例中，所述信息采集模块包括加速度传感器和陀螺仪。

在本申请的一个实施例中，所述冲动计算模块，其执行如下操作来计算加速度变化值：

基于前一时刻采样得到的列车自身的姿态数据和本时刻采样得到的列车自身的姿态数据，判断原坐标系是否发生变化，所述原坐标系为以前一采样时刻的列车的前进方向、左侧正方向、垂直向上方向为坐标建立的；若原坐标系发生变化，则基于变化前的坐标系来计算所述列车相对的在前进方向的加速度分量与前一时刻的加速度进行差值处理，从而得到列车在前进方向上的冲动数值。

在本申请的一个实施例中，所述冲动计算模块，利用如下表达式来计算加速度变化值j：

j＝Δa/Δt

其中，Δa表示在列车前进方向的本采样时刻和前一采样时刻的加速度分量差值，Δt表示本采样时刻和前一采样时刻的时间间隔。

在本申请的一个实施例中，所述列车冲动程度量化模块，其执行如下操作：将所述加速度变化值与预设的冲动程度标准值进行比对，判断列车冲动程度是否超标。

根据本申请的另一方面，还提供了一种用于检测列车冲动程度的方法，所述方法包括：信息采集步骤，采集列车行驶过程中各时刻的列车自身的姿态数据和在各方向上的加速度，所述方向至少包括列车前进方向；冲动计算步骤，根据各时刻的列车自身的姿态数据和在各方向上的加速度，计算出各个时刻列车在前进方向上的加速度变化值；列车冲动程度量化步骤，基于各个时刻列车在前进方向上的加速度变化值来量化当前时刻的列车冲动程度。

在本申请的一个实施例中，所述冲动计算步骤进一步包括：基于前一时刻采样得到的列车自身的姿态数据和本时刻采样得到的列车自身的姿态数据，判断原坐标系是否发生变化，所述原坐标系为以前一采样时刻的列车的前进方向、左侧正方向、垂直向上方向为坐标建立的；若原坐标系发生变化，则基于变化前的坐标系来计算所述列车相对的在前进方向的加速度分量与前一时刻的前进方向的加速度进行差值处理，从而得到列车在前进方向上的冲动数值。

在本申请的一个实施例中，在所述列车冲动程度量化步骤中，包括：将所述加速度变化值与预设的冲动程度标准值进行比对，判断列车冲动程度是否超标。

在本申请的一个实施例中，根据列车车型来设置冲动程度标准值；或者根据之前针对同一车型或相近车型的测试得到的加速度变化值来设置冲动程度标准值。

根据本申请的另一方面，还提供了一种程序产品，其上存储有可执行如上所述的方法步骤的程序代码。

与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：

根据本申请实施例，通过先对列车的姿态变化进行检测后再进行冲动计算，能准确地通过加速度的计算来量化冲动的程度。另外，本技术方案结合陀螺仪和加速度传感器来采集外部信息，由于他们的体积小，集成后的用于检测列车冲动的设备的体积也很小，便于在机车上安装。而且，在检测列车冲动程度时，由于消除了列车行驶过程中可能由上坡、下坡或转弯带来的加速度影响，因此，冲动检测的准确度较高。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明的技术方案而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构和/或流程来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本申请的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。其中，表达本申请实施例的附图与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，但并不构成对本申请技术方案的限制。

图1为本申请实施例的列车冲动检测设备100的构造示意图。

图2为本申请实施例的用于列车冲动检测设备的列车前进冲动计算方法的流程示意图。

图3为本申请实施例的列车在前进方向的冲动计算方法的原理示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本申请实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

另外，附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

目前，国内进行冲动检测的方法是“木棒检测法”，该方法不能量化列车的冲动，只能大致估算范围，同时木棒的倾倒除了纵向冲动的影响外还有其他的因素，不利于判断冲动的程度。也有一些科研院所通过测算列车运行的加速度来评定列车的冲动，但是大部分都只是检测列车运行的加速度及其变化，对于上坡下坡以及转弯等姿态变化时加速度的影响、转弯的影响没有考虑。

本申请实施例为了解决以上提到的问题，提出了一种用于检测列车冲动的设备及方法(主要是给出了一种列车冲动计算方法)，实现对列车冲动检测的量化。具体来说，先是通过对车辆姿态进行检测后再进行冲动计算，这样能更准确地通过加速度的计算来量化冲动的程度。

图1为本申请实施例的列车冲动检测设备100的构造示意图。下面先参考图1来说明该检测设备的组成和各个功能。

如图1所示，本申请实施例中的列车冲动检测设备100包括信息采集模块110、冲动计算模块120和列车冲动程度量化模块130。信息采集模块110，其采集外部信号，优选地该模块110包含陀螺仪和加速度传感器。冲动计算模块120，其与信息采集模块110连接，用于计算收集到的加速度信号以及姿态数据(此处为方位角)得到当前时刻的列车前进方向的加速度变化值(也称“冲动数值”)。列车冲动程度量化模块130，其与冲动计算模块120连接，根据评估标准和计算得到的当前时刻的列车前进方向的加速度变化值来得到最终冲动程度。

图2为本申请实施例的用于列车冲动检测设备的列车前进冲动计算方法的流程示意图。下面参考图2来信息说明各个步骤。上述各个模块可以执行如下所述的相应步骤，如信息采集模块110、冲动计算模块120和列车冲动程度量化模块130可以分别执行步骤S210、S220和S230。

需要说明的是，在进行列车冲动检测时，要将列车冲动检测设备100静置在列车车厢内的平面上，分别以列车的前进方向、左侧正向方向、垂直向上方向为x、y、z坐标轴，建立右手直角坐标系Oxyz(也称初始坐标系位置)。在放置列车冲动检测设备100时，需要使采集到的方位角数据与该坐标系保持一致性，也就是说其放置状态要保证陀螺仪的三轴方向与该坐标系下的三轴方向保持一致，例如将列车冲动检测设备100的前面朝上，列车冲动检测设备100的左面朝车辆的左向来设置。这样陀螺仪采集到的欧拉角具有一定的参考价值的。

首先，在步骤S210(信息采集步骤)中，采集列车行驶过程中各时刻的列车自身的姿态数据(此处为方位角)和在不同方向上的加速度。

具体来说，在列车启动后，通过陀螺仪和加速度传感器来记录列车行驶过程中各个时刻的方向角和列车加速度。更具体地，采集各个时刻的车辆自身的三个轴方向(x、y、z方向)的欧拉角，而加速度传感器则采集这三轴方向上的加速度。

在步骤S220(冲动计算步骤)中，根据各时刻的列车自身的方位角和在各方向上的加速度，计算出各个时刻列车在前进方向上的加速度变化值。具体来说，就是以上一采样时刻列车运行状态为初始坐标系，根据方向角变化，计算本时刻加速度在初始坐标系下前进方向的加速度分量。

更具体的，在该步骤中，基于前一时刻采样得到的列车自身的姿态数据和本时刻采样得到的列车自身的姿态数据，判断原坐标系是否发生变化，原坐标系为以前一采样时刻的列车的前进方向、左侧正方向、垂直向上方向为坐标建立的。若原坐标系发生变化，则基于变化前的坐标系来计算列车相对的在前进方向的加速度分量，与前一时刻前进方向的加速度进行差值处理，从而得到列车在前进方向上的冲动数值。

在本申请实施例中，初始坐标系主要指上一个计算时刻的坐标系，以对应两次计算时刻之间发生的转弯、上下坡造成的加速度方向不一致。因此，每次获取加速度都根据上次获取加速度和本次获取加速度的姿态变化，来计算在上次获取时坐标系下的加速度分量，然后用新的分量和上次的加速度来计算冲动值(加加速度)

例如，在确定初始坐标系时，初始坐标系是以上一采样时刻列车的前进方向、左侧正向方向、垂直向上方向为坐标轴建立的；根据各时刻的所述设备的方位角变化，结合所述初始坐标系，确定当前时刻的新的坐标系；基于各个时刻的初始坐标系，计算列车在前进方向的加速度分量，与上一采样周期的加速度进行差值处理得到列车在前进方向上的加速度变化数值。

具体的计算步骤如下：

S1：通过加速度传感器采集获取列车运行过程中的第i-1时刻和第i时刻加速度在x轴、y轴、z轴上的数值a_x,i-1，a_y,i-1，a_z,i-1和a_x,i，a_y,i，a_z,i。同时通过陀螺仪采集获取第i-1时刻和第i时刻横滚角速度ω_α,i(x轴的旋转角速度)俯仰角速度ω_β,i(y轴的旋转角速度)偏航角速度ω_γ,i(z轴的旋转角速度)和ω_α,i-1，ω_β,i-1，ω_γ,i-1。

S2：利用角速度的平均值与时间间隔Δt，计算xyz轴上角度的变化，判断是否坐标系发生了变化，三个坐标轴上的角度变化分别是下式的(1)、(2)和(3)：

S3：对最新的x轴加速度进行变换，计算原始坐标系上的加速度差值为下式(4)：

Δa＝a_x，icosβcosγ-a_x，i-1 (4)

S4：可以按照下式(5)来计算冲动数值：

j＝Δa/Δt (5)

根据以上内容，可知该步骤的目的是为了从获取的各个时刻列车行驶加速度中提取在x轴方向(列车前进方向)的加速度a_xi。因列车位移过程中存在姿态变换，因此在提取a_xi时，要根据先确定新的坐标系位置，然后计算出列车在原有前进方向上的加速度a＇_xi，并用新的加速度减去原有的加速度，得出最终实际上列车的加速度a_xi。如图3所示，每隔△t＝1秒钟，计算一次a_xi，分别获取t、t+△t时刻列车的加速度a_xi、a_xi+△t。

在步骤S230(列车冲动程度量化步骤)中，基于各个时刻列车在前进方向上的加速度变化值来量化当前时刻的列车冲动程度。

此步骤的目的就是为了评估冲动程度是否符合设计标准。具体地，将所述加速度变化值与预设的冲动程度标准值进行比对，判断列车冲动程度是否超标。

因加速度的变化越大表示评估得到的冲动程度越严重，计算出加速度的变化值△a＝a_xi-a_xi+△t，|△a|的值即为在该△t＝1s时间段内的加速度变化值。可以根据需要来设置冲动程度的标准S，若是|△a|＞S则表示冲动程度超出标准，不合格，反之，冲动程度符合标准。此标准S根据车型的不同可以加进行调整。例如机车的牵引力和运输运载质量普遍来说比地铁大，可以考虑机车评估标准放宽一些，同时一些特殊车型(如动车、高铁等载客量较大，舒适性要求较高)考虑将评估标准变严格。或者，可以根据检测人员之前针对同一车型，或者相近车型的测试得到的加速度变化值来对评估标准进行修改。

根据以上实施例，可得到本申请利用加速度传感器和陀螺仪采集列车的加速度信号和方位变化信号，并通过建立数学模型，在列车行驶过程中，解算出较为准确的列车行驶加速度。记录列车行驶过程中加速度及列车的方向变化，根据计算出来的加速度变化量来量化冲动的程度。

本发明可以实现在不影响列车运行的情况下，量化评估列车的冲动程度。且该设备可以根据列车的姿态变化修正加速度数值，减少可能存在的转弯或者上下坡导致的计算误差。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器ROM、随机存取存储器RAM、磁碟或光盘等各种可以存储程序代码的介质。

由于本发明的方法描述的是在计算机系统中实现的。本文所述的功能可以实现为存储在非暂时性有形计算机可读介质中的程序指令集合。当以这种方式实现时，该计算机程序包括一组指令，当该组指令由计算机运行时其促使计算机执行能实施上述功能的方法。可编程逻辑可以暂时或永久地安装在非暂时性有形计算机可读介质中，例如只读存储器芯片、计算机存储器、磁盘或其他存储介质。除了以软件来实现之外，本文所述的逻辑可利用分立部件、集成电路、与可编程逻辑设备(诸如，现场可编程门阵列(FPGA)或微处理器)结合使用的可编程逻辑，或者包括它们任意组合的任何其他设备来体现。所有此类实施例旨在落入本发明的范围之内。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的处理步骤，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种用于检测列车冲动程度的设备，其特征在于，该设备在使用时置于列车内的平面上，该设备包括：

信息采集模块，其采集列车行驶过程中各时刻的列车自身的姿态数据和在各方向上的加速度，所述方向至少包括列车前进方向；

冲动计算模块，其根据各时刻的列车自身的姿态数据和在各方向上的加速度计算出各个时刻列车在前进方向上的加速度变化值；

列车冲动程度量化模块，其基于各个时刻列车在前进方向上的加速度变化值来量化当前时刻的列车冲动程度。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，

所述信息采集模块包括加速度传感器和陀螺仪。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述冲动计算模块，其执行如下操作来计算加速度变化值：

基于前一时刻采样得到的列车自身的姿态数据和本时刻采样得到的列车自身的姿态数据，判断原坐标系是否发生变化，所述原坐标系为以前一采样时刻的列车的前进方向、左侧正方向、垂直向上方向为坐标建立的；

若原坐标系发生变化，则基于变化前的坐标系来计算所述列车相对的在前进方向的加速度分量与前一时刻前进方向的加速度进行差值处理，从而得到列车在前进方向上的冲动数值。

4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述冲动计算模块，其利用如下表达式来计算加速度变化值j：

j＝Δa/Δt

其中，Δa表示在列车前进方向的本采样时刻和前一采样时刻的加速度分量差值，Δt表示本采样时刻和前一采样时刻的时间间隔。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的设备，其特征在于，所述列车冲动程度量化模块，其执行如下操作：

将所述加速度变化值与预设的冲动程度标准值进行比对，判断列车冲动程度是否超标。

6.一种用于检测列车冲动程度的方法，其特征在于，所述方法包括：

信息采集步骤，采集列车行驶过程中各时刻的列车自身的姿态数据和在各方向上的加速度，所述方向至少包括列车前进方向；

冲动计算步骤，根据各时刻的列车自身的姿态数据和在各方向上的加速度计算出各个时刻列车在前进方向上的加速度变化值；

列车冲动程度量化步骤，基于各个时刻列车在前进方向上的加速度变化值来量化当前时刻的列车冲动程度。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述冲动计算步骤进一步包括：

基于前一时刻采样得到的列车自身的姿态数据和本时刻采样得到的列车自身的姿态数据，判断原坐标系是否发生变化，所述原坐标系为以前一采样时刻的列车的前进方向、左侧正方向、垂直向上方向为坐标建立的；

若原坐标系发生变化，则基于变化前的坐标系来计算所述列车相对的在前进方向的加速度分量与前一时刻前进方向的加速度进行差值处理，从而得到列车在前进方向上的冲动数值。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述列车冲动程度量化步骤中，包括：

将所述加速度变化值与预设的冲动程度标准值进行比对，判断列车冲动程度是否超标。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，

根据列车车型来设置冲动程度标准值；或者

根据之前针对同一车型或相近车型的测试得到的加速度变化值来设置冲动程度标准值。

10.一种程序产品，其上存储有可执行如权利要求6-9中任一项所述的方法步骤的程序代码。

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