包立麒 王佳寧

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軌道車輛橫向穩(wěn)定性與平穩(wěn)性判別安卓APP的實(shí)現(xiàn)

包立麒1王佳寧2

1.上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院，上海 200335 2.上海工程技術(shù)大學(xué)電子電氣工程學(xué)院，上海 200335

軌道車輛運(yùn)行的平穩(wěn)性是評價其運(yùn)行品質(zhì)的重要指標(biāo)。課題根據(jù)我國軌道車輛平穩(wěn)性評定標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)了評定軌道車輛平穩(wěn)性的手機(jī)應(yīng)用，使乘客易于獲取所乘軌道車輛的平穩(wěn)性參考信息。軟件選擇了使用安卓系統(tǒng)的智能手機(jī)作為載體，硬件層面利用了智能手機(jī)內(nèi)部集成的加速度傳感器，陀螺儀等傳感器進(jìn)行加速度信號采集，監(jiān)測程序采用Java語言開發(fā)。

軌道車輛；平穩(wěn)性；加速度傳感器；安卓

引言

智能手機(jī)具有高普及率，優(yōu)秀的運(yùn)算性能且集成多種傳感器的特點(diǎn)。人們在生活中已習(xí)慣于借助智能手機(jī)獲取各種資訊，例如天氣，地理位置，空氣質(zhì)量等。軌道車輛作為常見交通工具，其運(yùn)行平穩(wěn)性、舒適度與人的生活息息相關(guān)[1]。本文設(shè)計(jì)與開發(fā)了運(yùn)行于使用安卓系統(tǒng)的智能手機(jī)，利用其集成的多種傳感器及處理性能計(jì)算車輛運(yùn)行平穩(wěn)性量化標(biāo)準(zhǔn)，為乘客提供參考信息，引起乘客對列車運(yùn)行平穩(wěn)性的關(guān)注并提高軌道車輛相關(guān)信息的普及性。

Sperling平穩(wěn)性指標(biāo)在我國鐵路有長期的非正式的應(yīng)用[1]。本課題采用的1985年發(fā)布的GB5599鐵道車輛動力學(xué)性能評定標(biāo)準(zhǔn)中，平穩(wěn)性評價標(biāo)準(zhǔn)基本與sperling指標(biāo)相同[2]。此評價指標(biāo)根據(jù)頻率將不同段的加速度波形分組，根據(jù)其不同頻率加權(quán)計(jì)算平穩(wěn)性并疊加以計(jì)算整個波形的平穩(wěn)性指標(biāo)。

軟件層面上，程序運(yùn)行于智能手機(jī)廣泛使用的安卓系統(tǒng)，采用Java語言編寫。使用快速傅里葉變換算法（FFT）處理數(shù)據(jù)采集得到的橫向與垂向加速度離散信號以將其轉(zhuǎn)換到頻域并根據(jù)指標(biāo)設(shè)計(jì)算法量化計(jì)算平穩(wěn)性。

1 基礎(chǔ)理論

1.1 設(shè)計(jì)方案

1.1.1 程序架構(gòu)

程序通過SensorManager類實(shí)現(xiàn)對硬件部分的調(diào)用，使用手機(jī)內(nèi)置的加速度傳感器設(shè)備完成橫向與垂向振動數(shù)據(jù)采集。通過程序處理得到合適長度的實(shí)時橫向，垂向加速度信號序列后，使用快速傅里葉變換（FFT）算法將信號轉(zhuǎn)換到頻域，并按照GB5599-1985鐵道車輛動力學(xué)性能評定推薦的平穩(wěn)性指標(biāo)計(jì)算方法進(jìn)行平穩(wěn)性計(jì)算，并根據(jù)此平穩(wěn)性指標(biāo)給出實(shí)時的平穩(wěn)性評定。平穩(wěn)性評定的結(jié)果通過友好簡潔的軟件界面顯示。為了直觀展示實(shí)時數(shù)據(jù)與計(jì)算得出的橫向、垂向的平穩(wěn)性指標(biāo)，在程序街面上繪制了加速度波形圖，快速傅里葉變換波形圖，指標(biāo)數(shù)據(jù)柱形圖。

系統(tǒng)的總體框架示意圖如圖1。

圖1

1.2 硬件及軟件支持

1.2.1 Android系統(tǒng)與Java語言

Android系統(tǒng)是一種廣泛使用于移動設(shè)備的操作系統(tǒng)。 Java語言是一種可以撰寫跨平臺應(yīng)用程序的面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語言，Android應(yīng)用常使用Java語言編寫，本應(yīng)用基于Android系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，使用Java語言進(jìn)行編寫。

1.2.2 線性加速度傳感器

線性加速度傳感器（linear acceleration sensor）在每個采樣時刻返回x,y,z三軸的加速度數(shù)值。對于加速度傳感器與線性加速度傳感器在同一軸向上給出的值，理論上滿足如下關(guān)系：

加速度=重力+線性加速度[3]。

線性加速度傳感器的數(shù)據(jù)并非直接由物理傳感器給出，它需要加速度傳感器，方向傳感器與陀螺儀的數(shù)據(jù)，經(jīng)過計(jì)算得出。

1.3 評價標(biāo)準(zhǔn)

1.3.1 平穩(wěn)性指標(biāo)

GB 5599—1985鐵道車輛動力學(xué)性能評定規(guī)定，客車運(yùn)行平穩(wěn)性（旅客乘坐的舒適性）分別按平穩(wěn)性指標(biāo)和平均最大振動加速度評定?？蛙囘\(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)按以下公式計(jì)算。

式中：Ｗ為平穩(wěn)性指標(biāo)；A為振動加速度，g；f為振動頻率，Hz；F（f）為頻率修正系數(shù)（列于表1、表3）。

表1 橫向振動平穩(wěn)性頻率修正系數(shù)

表2 橫向振動平穩(wěn)性等級

表3 垂向振動平穩(wěn)性頻率修正系數(shù)

表4 垂向振動平穩(wěn)性等級

GB 5599—1985根據(jù)以上公式求平穩(wěn)性指標(biāo)W，并根據(jù)表2、表4進(jìn)行平穩(wěn)性等級評定。

2 硬件調(diào)用及算法邏輯

2.1 傳感器

2.1.1 SensorManager類與線性加速度傳感器

SensorManager類（android hardware SensorManager）是所有傳感器的一個綜合管理類，包括了傳感器的種類、采樣率、精準(zhǔn)度等。開發(fā)者可以通過這個類訪問設(shè)備上的各種傳感器。本應(yīng)用需要來自加速度傳感器的實(shí)時數(shù)據(jù)。在Android系統(tǒng)中，提供給程序開發(fā)者使用的幾種傳感器類型中包含有線性加速度傳感器Sensor.TYPE_LINEAR_ACCELERATION。可以通過實(shí)例化SensorManager對象與線性加速度傳感器的一個Sensor實(shí)例并注冊監(jiān)聽器，實(shí)現(xiàn)調(diào)用硬件，采集傳感器數(shù)據(jù)。

2.1.2 采樣率

根據(jù)奈奎斯特采樣定理，在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換過程中，當(dāng)采樣頻率大于信號中最高頻率的2倍時，采樣之后的數(shù)字信號完整保留原始信號中的信息。在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般采樣頻率為信號最高頻率的5～10倍。

Android系統(tǒng)提供了幾種常用的采樣頻率枚舉。其中枚舉型SensorManager.SENSOR_DELAY_GAME符合本文中應(yīng)用所需要的采樣率要求，采樣間隔為20000微秒，即頻率50 Hz，故采用此枚舉型注冊監(jiān)聽器[3]。

2.2 數(shù)據(jù)采集與處理

2.2.1 采樣序列與排序

FFT算法在采樣序列長度為2的N次方時有更快的處理速度。運(yùn)算精度與消耗時間隨序列長度增加，因此需要選擇合適的序列長度。程序選擇每次將長度為256的離散序列進(jìn)行FFT處理。對傳感器每單一軸向返回的數(shù)據(jù)，使用如下邏輯儲存：

聲明數(shù)組a[256]作為儲存數(shù)組，初始化時將數(shù)組元素置零，等待新采集的信號數(shù)據(jù)的存入，如圖2。

圖2

設(shè)開始信號采集時t=0，每一采樣時刻采集一個信號dt，按順序依次存入a[0]～a[255]。t=k時刻數(shù)組a中存儲情況如圖3所示。

圖3

當(dāng)采集的數(shù)據(jù)個數(shù)超過數(shù)組的大小256，繼續(xù)使用數(shù)組a存儲新數(shù)據(jù)，從a[0]開始重新覆蓋寫入新數(shù)值。此時會將數(shù)組中存儲時間最久的數(shù)組元素中的內(nèi)容覆蓋。此時情況如圖4所示。

圖4

此時數(shù)組a中存有離當(dāng)前采樣時刻最近的256次采樣數(shù)據(jù)。若將其按照時間順序重新排序，形成的數(shù)組b存儲排序?qū)⑷鐖D5所示。

圖5

當(dāng)計(jì)算平穩(wěn)性指標(biāo)時，執(zhí)行排序操作，對數(shù)組b進(jìn)行快速傅里葉變換處理。

2.2.2 計(jì)算平穩(wěn)性指標(biāo)

快速傅里葉正變換將一個線性加速度離散序列轉(zhuǎn)化為離散傅里葉系數(shù)序列。離散傅里葉系數(shù)序列可以轉(zhuǎn)化為對應(yīng)頻率子波的振幅值。對于實(shí)序列，將離散傅里葉系數(shù)乘以系數(shù)2/N，即可得到對應(yīng)頻率的振幅。

3 代碼實(shí)現(xiàn)

3.1 算法

3.1.1 FFT

對于有限長序列，離散傅里葉變換（discrete Fourier transform）把信號從時域變換到頻域以研究信號的頻譜結(jié)構(gòu)。在實(shí)際應(yīng)用中通常采用高效計(jì)算DFT的方法，快速傅里葉變換（fast Fourier transform）[4]。

3.2.2 JFFTPACK

本文中使用的FFT計(jì)算采用了JFFTPACK。FFTPACK是快速傅里葉變換的一個計(jì)算機(jī)語言算法實(shí)現(xiàn)，可以對周期序列及其他對稱序列進(jìn)行快速傅里葉變換。它可以進(jìn)行實(shí)序列、復(fù)數(shù)序列等序列的快速傅里葉變換。JFFTPACK是其Java語言實(shí)現(xiàn)的開源算法包[5]。

3.2 數(shù)據(jù)采集與處理

3.1.1 數(shù)據(jù)采集、存儲與排序

實(shí)例化SensorManager對象與名為lasensor的線性加速度傳感器Sensor對象并注冊監(jiān)聽器，實(shí)現(xiàn)調(diào)用硬件，采集傳感器數(shù)據(jù)。枚舉型SensorManager. SENSOR_DELAY_GAME設(shè)定了傳感器的采樣頻率為50 Hz。實(shí)現(xiàn)了接收傳感器返回值并儲存在數(shù)組的功能。

3.1.2 指標(biāo)W計(jì)算

使用一個Java函數(shù)實(shí)現(xiàn)計(jì)算指標(biāo)W。變量frequency為程序選用的采樣頻率，fs2數(shù)組為離散傅里葉系數(shù)序列。變量i為數(shù)組序號，i*c為i對應(yīng)的子波頻率。根據(jù)表1與表3中的公式分組加權(quán)計(jì)算指標(biāo)W后返回單精度浮點(diǎn)型變量。

4 App前端UI開發(fā)與軟件功能

4.1 界面

4.1.1 繪圖

本安卓應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了將軌道車輛運(yùn)行的平穩(wěn)性以一確定指標(biāo)量化，并根據(jù)此指標(biāo)評價列車運(yùn)行狀況，以直觀的數(shù)據(jù)、波形圖、柱形圖反饋給用戶。（見圖6）

圖6

以加速度值為縱軸，其序號為橫軸繪制加速度波形圖，能直觀的展示當(dāng)前振動波形的強(qiáng)烈程度與時域上的特性。將經(jīng)過FFT以及歸一化處理后得到的振幅序列作為縱軸，其序號為橫軸繪制頻譜圖像，能直觀的展示當(dāng)前振動波形的不同頻率成分及其大小。經(jīng)過計(jì)算后，指標(biāo)W對應(yīng)的評定等級由程序展示于屏幕上。在街面上繪制柱形圖及其顏色直觀表示其程度。

4.1.2 刷新頻率選擇

程序的繪圖刷新頻率獨(dú)立于采樣頻率。過高的繪圖頻率將消耗硬件性能，而過低時會使軟件有延遲感，影響用戶體驗(yàn)。本程序設(shè)定每采樣16次將加速度序列進(jìn)行FFT并重新繪圖與更新數(shù)據(jù)顯示。

4.2 使用

4.2.1 方向

線性加速度傳感器獲取空間坐標(biāo)系的x,y,z三個分量的線性加速度。對應(yīng)于手機(jī)，將手機(jī)平放于水平面，z軸垂直于手機(jī)屏幕所在平面，x軸重合于屏幕水平方向，y軸重合于屏幕豎直方向向上，坐標(biāo)原點(diǎn)位于屏幕左下角。令手機(jī)屏幕水平方向與車輛水平方向平行，此時傳感器給出正確的數(shù)值以供計(jì)算。[6]

4.2.2 延遲

程序中FFT計(jì)算需要大小為256的數(shù)組，因此理論上一次變換需要從5.12s前到最近一次采樣時刻的256個采樣點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。盡管指標(biāo)W的更新間隔相對而言很短，它并不表示實(shí)時的運(yùn)行平穩(wěn)性，而是約5.12s內(nèi)的車輛運(yùn)行平穩(wěn)性情況[6]。

5 結(jié)論

軌道車輛作為一種使用率高的交通工具，其運(yùn)行品質(zhì)對乘客的舒適度與體驗(yàn)有著重要意義。本安卓應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了將軌道車輛運(yùn)行的平穩(wěn)性以確定的平穩(wěn)性指標(biāo)W量化，并根據(jù)此指標(biāo)評價列車運(yùn)行狀況，為乘客提供直觀易懂的參考信息。本應(yīng)用在提高乘客對軌道車輛乘坐體驗(yàn)的關(guān)注度與普及軌道車輛相關(guān)知識方面有一定意義。

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Android Application of Evaluating Lateral Stability of Rail Vehicle

Bao Liqi1WangJianing2

1.Shanghai University of Engineering Science, School of Urban Rail Transit、Rail Transit Signal and Control，200335 Shanghai 2.Shanghai University of Engineering Science,School of Electrical and Electronic Engineering、Automation，200335 Shanghai

The stability of the rail vehicle is an important index to evaluate the quality of the operation. According to the criteria of stability assessment of railway vehicles in China, the mobile phone application is developed to evaluate the stability of the rail vehicles, which makes it easy for the passengers to obtain the reference information of the stability of the passenger rail vehicles. The software layer using intelligent mobile phone with Android as a carrier. The hardware layer acquire acceleration signal by using integrated acceleration sensor and gyro sensor in intelligent mobile phone. The monitoring system is developed by Java.

Rail vehicle; Stability; Acceleration sensor;Android

HJ84.K

A

1009-6434（2016）10-0131-04

包立麒（1995—），男，漢族，籍貫（精確到市）為江蘇省淮安市，學(xué)歷本科，研究方向?yàn)檐壍澜煌ㄐ盘柵c控制。