列車舒適度和平穩性檢測儀的設計與實現

柳曉靜，王培培，林建輝

（1.西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031；2.常州西南交通大學軌道交通研究院，江蘇 常州 213100）

0 引 言

國內高校和科研院所在舒適度與平穩性測試儀的研制方面取得了突出的成績。西南交通大學[1-5]從虛擬儀器、單片機、DSP處理器和基于軟核的SOPC處理器的角度，對測試儀進行了研究；北方交通大學[6-7]以ARM處理器為平臺，通過嵌入式Linux操作系統，對測試儀進行了探討；鐵道科學研究院[8]的三維加速度及平穩性指標儀，采用DSP技術實時計算平穩性指標，通過內置計數器及GPS提供準確速度信息；另外，武漢理工大學[9-11]、浙江理工大學[12]等高校也對此進行了深入的研究。通過國內的研究可以發現，早期的舒適度與平穩性測試儀多以虛擬儀器技術為核心，以個人計算機為載體，可以滿足數據分析與處理的要求，但靈活性不足，體積稍顯龐大。隨著半導體工業的發展，以DSP處理器和ARM處理器為核心的解決方案開始出現，DSP處理器以其強大的數據處理能力和高運行速度，可以做到數據的實時處理，但在人機接口和控制方面略顯不足；而ARM處理器則與之相反，人機接口豐富但數據處理能力不足。為了克服以上缺點，該檢測儀采用基于EPC-8000系列工控機主板的嵌入式SoC智能平臺，利用其資源豐富、接口齊全、功耗低、可靠性高等優點，省去了一大部分的硬件設計；其軟件采用Linux操作系統，在保證實時性的同時，加強了人機界面的設計。

1 檢測儀的硬件結構

檢測儀的硬件構架如圖1所示。在檢測過程中，傳感器檢測列車車體垂、橫、縱3個方向的振動加速度，通過PCM-8208BS高速模擬量輸入卡傳入EPC-8000I-L工控機主板進行計算和分析，得到列車車體的實時舒適度與平穩性指標值，并根據UIC513《鐵路車輛內旅客振動舒適性評價準則》和GB5595-1985《鐵道車輛動力學性能評定和實驗鑒定規范》[13]進行等級判斷，最后將加速度的實時曲線及數值、舒適度和平穩性的指標值及等級實時地輸出到液晶屏上。另外，測試儀還具有原始數據和實時運算結果的保存、與計算機通信等功能。

圖1 檢測儀硬件結構

1.1 加速度傳感器

正常情況下列車車體各個方向的振動加速度值都小于1g，而且特性頻率一般都在10Hz左右，因此檢測儀采用ZW9609A-2型號的IC應變三向加速度傳感器，其頻響范圍為DC-2500Hz，量程為±2g，輸出電壓信號為0～5V。

1.2 PCM-8208BS高速模擬量輸入卡

該輸入卡具有16路單端輸入通道，能夠對3路模擬信號同時進行采集，并通過PC/104總線接口傳送到主板中。輸入量程從±0.625V，±1.25V，±2.5V，±5V和±10 V可選，可以通過設置分頻系數來分配48 Hz的采樣頻率。

1.3 EPC-8000I-L嵌入式工控機主板

其CPU采用高性能的XScale處理器PXA270，工作頻率104～520MHz，具有256MB大容量NAND Flash存儲器、2MB BootLoader NOR Flash和64MB SDRAM存儲器，擁有1個CF卡接口、1路10/100M以太網接口、1路USB HOST接口和5個RS232串口。

1.4 EPC-8000液晶套件

該部分包括 MAA084DVC05、199.5mm×149mm×11.5 mm、8.4″的液晶屏，四線電阻式觸摸屏，逆變器和相關的線。

2 檢測儀的軟件設計

2.1 信號處理

由于在列車運行過程中進行振動檢測存在許多干擾，因此需要對振動加速度信號data[N]（N為采樣點數）進行濾波。首先利用式（1）和式（2）進行均值濾波，來減弱直流分量的干擾。

式中：mean——采樣點數為N的一組振動加速度信號data[N]的均值；

data′[i]——加速度信號data[i]均值濾波反

對應的值，i=1，2，3，…，N。

列車車體有效的振動信號一般在10 Hz左右，因此在計算舒適度時，對高頻干擾信號采用40Hz巴特沃斯低通濾波器[14-15]分別對三路振動信號進行濾波。歸一化10階巴特沃斯濾波器系統函數為

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

利用低通濾波器反歸一化關系式為

式中：νc——截止頻率。

2.2 鐵路車輛乘坐舒適度和平穩性評價

UIC513標準中指出了鐵路車輛乘坐舒適性的評估方法：每隔5s進行加權有效值的計算，5min期限內對這些有效值進行統計分析得出平均乘坐舒適性指數和等級。本檢測儀采用簡化式（5）進行平均乘坐舒適度指標的計算，根據計算結果劃分列車綜合舒適度等級。

式中：NMV——用簡化方法計算的舒適度指標值；——分別表示每5 s進行對地板橫、縱、垂3向加速度進行加權有效值的計算結果；

95——5 min期限內分別對60個有效值進行

統計，計算95%置信概率對應的有效值。

GB 5595-1985標準推薦在計算平穩性指標時，對于車體加速度的頻譜分析取20 s，以2 s為一段，對每段的采樣點進行快速傅里葉變換得頻譜，最終頻譜圖為10段頻譜圖的均值。根據該頻譜利用平穩性計算式（6）和式（7）得出平穩性指標，進而劃分列車平穩性等級。

式中：Wi——振動波形進行頻譜分析后在頻率為fi時的平穩性指標值；

Ai——頻率為fi時的振動加速度幅值；

F（fi）——頻率為fi時的頻率修正系數；

W——合成平穩性指標值；

n——選定頻率范圍內振動波形進行頻譜分組的組數。

2.3 檢測儀人機界面的設計

檢測儀使用Monta Vista Real time Linux操作系統，基于GTK+1.2進行GUI編程。GTK（GIMP Toolkit）是一套用于創建圖形用戶界面的工具包，利用GTK+進行檢測儀的人機界面設計如圖2。

圖2 檢測儀的人機界面圖

人機界面包括3大部分：菜單欄、繪圖區、數值及狀態顯示區。菜單欄中有“Save”、“Setting”、“Start”、“Pause”“Help”、“Quit”6 個按鈕，分別用于保存原始數據、設置參數、啟動程序、暫停程序、顯示幫助信息、退出程序；繪圖區用于實時顯示三向加速度的曲線；數值與狀態顯示區用于實時顯示三向加速度值、舒適度和平穩性的指標及等級。

2.4 檢測儀的算法設計

根據UIC513標準和GB 5595-1985，每5s計算一次加速的加權有效值，每2 s計算一次頻譜，因此系統需要以10 s為時間間隔周期循環進行，即系統保存的原始采樣數據以10s為周期進行更新。另外，檢測儀采樣頻率1000Hz，PCM-8208BS的輸入端采用使能半滿中斷，即工控主板的輸入緩沖區每512ms接收來自PCM-8208BS FIFO寄存器的512個加速度數據。因此主程序以512ms為周期循環運行，為了保證系統的實時性，把平穩性和舒適度的運算程序拆分成20個子程序分散到每一個主循環中進行。對與每個主循環執行以下操作：從輸入緩沖區讀取一次原始數據存入全局數組中，繪制4次加速度曲線、進行一次數據保存和一次運算。主循環流程圖如圖3所示。

圖3 主循環流程圖

表1 檢測儀/計算機計算的舒適度值比較

表2 檢測儀/計算機計算所得的橫向平穩性值比較

表3 檢測儀/計算機計算所得的垂向平穩性值比較

該算法極大地提高了運算的實時性，實現了每5 s刷新一次舒適度的指標和等級，每2 s刷新一次平穩性的指標和等級，每128ms刷新一次三向加速度曲線和數值。

3 實驗結果

為了驗證檢測儀所顯示測試值的準確性，將檢測儀檢測得到的列車車體原始振動加速度信號傳輸到計算機中，利用Matlab軟件計算，得到列車的舒適度和平穩性的計算值。兩種方法計算出的列車舒適度列于表1中，橫向平穩性列于表2中，垂向平穩性列于表3中。

4 結束語

由表格數據比較說明，兩種方法得出的評定結果是一致的，測試儀能夠非常準確地計算列車的舒適度和平穩性，達到實時檢測的效果，其準確度達到0.001；此外，設備具有豐富的人機界面和較小的體積，使得檢測更方便、快捷、直觀。該檢測儀已對其軟件設計部分申請發明專利，并收到專利申請受理通知書。

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