郝保磊 苗 峰 騰萬秀

(1. 中車青島四方車輛研究所有限公司， 266031， 青島；2. 中車長春軌道客車股份有限公司， 130062， 長春//第一作者， 高級工程師)

城市軌道交通列車交付前需要進行整車牽引制動性能型式試驗。其試驗項目繁多，數(shù)據(jù)采集及處理復雜，學科交叉多，專業(yè)性強，是整車最重要、最復雜的型式試驗項目。

目前，國內城市軌道交通列車牽引制動性能試驗大多仍由分系統(tǒng)供應商利用各自系統(tǒng)內部參數(shù)或試驗設備進行[1]，不同系統(tǒng)數(shù)據(jù)不能實現(xiàn)精確同步采集和顯示[2]，難以實施涉及到的各系統(tǒng)配合性能的項目測試，無法獲得各系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)，不具備第三方獨立性。

北京交通大學[1,3]利用美國國家儀器公司的數(shù)據(jù)采集產品，南京理工大學[4-5]等機構基于單片機，開發(fā)的城市軌道交通車輛牽引制動測試系統(tǒng)能夠進行部分牽引、制動項目試驗，但在通道數(shù)目及適應性、采集頻率、數(shù)據(jù)保存、專用算法等方面存在明顯的局限性，不能滿足實車測試需求；中國鐵道科學研究院[6]利用功率分析儀和德國集成測控公司生產的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等設備組成軌道車輛綜合測試系統(tǒng)，能夠進行列車牽引制動性能第三方測試，但設備供電模塊、調理模塊、采集模塊等硬件組成復雜，體積龐大，不便于攜帶，同樣存在多平臺數(shù)據(jù)不能同步、協(xié)同采集等問題，且缺乏牽引制動性能測試專用軟件，不便于使用。

基于以上問題，本文開發(fā)了一套城市軌道交通列車牽引制動性能集成測試平臺，能夠依據(jù)國際電工標準IEC 61133—2006《車輛組裝和運行前的整車試驗規(guī)范》的規(guī)定[7]進行整車牽引制動性能型式試驗，將傳感器測點、車輛硬線、車輛網絡信號等數(shù)據(jù)實現(xiàn)同步采集、處理、保存，將相關專業(yè)算法和觸發(fā)邏輯嵌入集成測試軟件，實現(xiàn)了測試流程和數(shù)據(jù)處理的模塊化、標準化。平臺的集成度高、便攜性高、適應性強，具有靈活的軟硬件擴展性能。

1 硬件設計

城市軌道交通列車牽引制動性能集成測試平臺由數(shù)據(jù)處理終端、牽引采集單元、制動采集單元、多普勒雷達、傳感器組和專用線纜等組成。

數(shù)據(jù)處理終端和牽引采集單元、制動采集單元構成上位機和下位機測試系統(tǒng)。多普勒雷達、傳感器組和原車網絡信號、硬線信號作為采集設備的信號輸入。

平臺總體硬件架構如圖1所示。

數(shù)據(jù)處理終端作為上位機承擔設備調度、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)保存、人機交互等工作。數(shù)據(jù)處理終端采用面向儀器系統(tǒng)的外設部件標準(PXI)總線，包括主控制器、數(shù)據(jù)接口卡、多功能車輛總線(MVB)通信解析卡、控制器局域網絡(CAN)通信解析卡、顯示器、鍵盤等外設組成部分。

主控制器配置主頻2.7 GHz的處理器、固態(tài)硬盤，以及豐富的以太網、RS232/RS485等外設接口，能夠滿足多通道、高采樣率數(shù)據(jù)的實時處理要求。

數(shù)據(jù)接口卡專門針對城市軌道交通列車牽引制動性能測試開發(fā)，具備2個2 Gbit/s光纖接口和1個10 MGbit/s的RS485通信接口。其中，2個光纖接口分別用于連接牽引采集單元和制動采集單元，RS485接口用于連接多普勒雷達輸出信號；數(shù)據(jù)接口卡以現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)芯片為主控芯片，通過光纖接口發(fā)送同步采集時鐘信號給各采集終端，實現(xiàn)所有信號同步采集；另外數(shù)據(jù)接口卡上還預留一路同步信號輸出接口，用于測試平臺與其他通用儀器協(xié)同工作，實現(xiàn)同步采集。

數(shù)據(jù)處理終端內還設置1塊MVB通信解析卡和1塊CAN通信解析卡，將列車網絡信號輸入接入對應通信解析卡，配合軟件和通信協(xié)議配置即可實現(xiàn)原車網絡所有參數(shù)的實時解析，獲取的原車網絡數(shù)據(jù)可以作為測試數(shù)據(jù)的參考或補充。

數(shù)據(jù)處理終端通過自帶顯示屏、觸摸板、鍵盤等外設實現(xiàn)用戶交互操作。整機集成度高，功能強大，便于攜帶。

圖1 測試平臺硬件架構

牽引采集單元和制動采集單元作為測試平臺的下位機，用于接收除多普勒雷達信號和原車網絡信號以外的測試數(shù)據(jù)。

采集單元作為牽引制動性能測試專用信號接入設備，其通道種類、適用傳感器的類型、通道數(shù)量均可確定。為盡量減小試驗現(xiàn)場硬件連接的工作量和誤接幾率，采用傳感器、傳感器線纜、信號輸入通道固定配對使用的設計思路，傳感器通道通過一個多芯航插實現(xiàn)傳感器供電和信號輸出同時接入，采集單元內部根據(jù)各通道適配的傳感器定制傳感器供電、數(shù)據(jù)采集和信號調理電路。使用時根據(jù)采集單元面板上的通道名稱和傳感器線纜航插上的名稱對應插入即可使用，不同種類通道之間通過選用不同的航插芯數(shù)和防錯銷實現(xiàn)區(qū)分，避免因錯插引起的硬件損壞。

牽引采集單元通道設置和信號范圍見表 1。制動采集單元通道設置和信號范圍見表 2。

表1 牽引采集單元通道信息設置和測量范圍

表2 制動采集單元通道設置和測量范圍

牽引采集單元和制動采集單元采用相同的架構搭建，內部包括1塊主控板、7塊8通道傳感器供電采集板、1塊16通道熱電偶采集板、1塊電源板，以上板卡以插板的方式安裝在機箱底部的數(shù)據(jù)背板上。

主控板基于FPGA芯片設計，主控板上的光纖接口接收數(shù)據(jù)處理終端發(fā)出的同步采集信號，通過串行外設接口(SPI)總線和采樣脈沖實現(xiàn)各板卡調度和通信。主控板包含48路數(shù)字量采集功能，數(shù)字量信號通過信號轉接盒接入主控板。其中，40路使用限流光耦電路實現(xiàn)普通數(shù)字量輸入采集，能夠適應不同列車的DC 24 V、DC 110 V等多種控制電壓制式；8路使用差分運放電路調理信號后輸入FPGA芯片進行測頻，實現(xiàn)對軸速傳感器脈沖輸出的頻率測量。主控板在每個采樣周期內將數(shù)據(jù)打包并經8 bit/10 bit編碼后傳輸給數(shù)據(jù)處理終端。主控板的原理框圖如圖 2所示。

圖2 主控板原理框圖

電源板的輸入采用DC 24 V，各通道傳感器所需供電電壓包含DC 12 V、DC±15 V、DC±24 V等多種制式。輸入的DC 24 V電壓經過濾波保護電路后分別進入不同的電壓轉換電源模塊，將輸入電壓轉換成不同電壓制式后通過輸出端濾波保護電路輸出，不同電壓通過數(shù)據(jù)背板提供不同通道的各類傳感器的供電。

傳感器供電采集板負責各傳感器供電、采集、信號調理等，通過數(shù)據(jù)背板電源通道接收各制式電壓輸入，并通過航插和專用線纜給各傳感器供電。傳感器輸出信號通過航插傳入內部各個為不同類型傳感器定制的調理電路進行信號處理，各路信號經過調理后送入模數(shù)轉換電路進行模數(shù)轉換。模數(shù)轉換電路將各通道信號通過背板傳輸?shù)奖嘲宓耐ㄐ趴偩€上完成信號采集功能。傳感器供電采集板原理框圖如圖 3所示。

圖3 傳感器供電采集板原理框圖

研發(fā)的城市軌道交通列車牽引制動性能檢測平臺及連接關系如圖 4所示。檢測平臺各部分硬件根據(jù)需求定制，傳感器、專用連接線纜、通道配對的設計使設備互連簡單，大大減小了試驗現(xiàn)場的連接工作量和誤連接概率。與其他采集設備供電、采集、信號調理功能分別由獨立模塊承擔的方法不同，將以上功能集成在采集單元內部，大大減小了設備的體積，提高了便攜性；所有硬件輕量化設計，配置把手及四角防護元件，便于攜帶和運輸。

另外，采集單元的模塊化設計方案和光纖組網通信方式，使牽引采集單元和制動采集單元可以根據(jù)現(xiàn)場試驗需要靈活攜帶、單獨工作，同時保證測試平臺具備很強的硬件擴展性，可以根據(jù)需求擴展為城市軌道交通列車便攜式綜合測試平臺。

圖4 城市軌道交通列車牽引制動性能集成測試平臺

2 軟件設計

依據(jù)IEC 61133—2006規(guī)定，城市軌道交通列車牽引制動性能型式試驗包括牽引制動系統(tǒng)靜態(tài)試驗、輔助供電系統(tǒng)試驗、啟動和牽引特性試驗、惰行阻力試驗、系統(tǒng)溫升試驗、網壓變化試驗、電氣制動試驗、空氣(液壓)制動試驗、混合制動試驗、空轉滑行試驗、故障運行及救援試驗界面、典型線路圖及能耗試驗等項目。不同試驗項目所需的傳感器類型、計算算法、試驗流程等各不相同，如采用一種軟件交互界面供所有試驗項目使用，則很難將不同試驗的配置信息、專用算法都嵌入軟件界面，導致軟件操作復雜，無法實現(xiàn)各試驗項目的流程化測試以及專業(yè)算法實時數(shù)據(jù)處理。

因此，采用模塊化、定制化的軟件設計思路，通過軟件完成測試所需通用的配置設置后，根據(jù)不同試驗項目的測試需求，定制專用的數(shù)據(jù)采集界面和離線數(shù)據(jù)處理界面，各界面后臺內置針對各項目的專業(yè)算法和運算邏輯，實現(xiàn)測試的流程化、自動化。軟件層次結構如圖 5所示。

用戶通過數(shù)據(jù)處理終端訪問測試軟件，軟件具備用戶管理和權限分級功能，登陸后在主配置界面能夠實現(xiàn)MVB通信協(xié)議配置、CAN通信協(xié)議配置，完成配置后軟件可以根據(jù)協(xié)議實時解析接收到的原車網絡信號并顯示，作為測量信號的參考和補充。用戶還可以將原車硬線和控制指令的邏輯關系輸入軟件，即可實現(xiàn)根據(jù)采集到的硬線信號解析為對應的車輛控制指令，并依據(jù)指令變化觸發(fā)相應的計算算法。

圖5 軟件層次結構

用戶選擇不同的試驗按鈕進入各個試驗項目專用采集界面或離線分析界面，通道配置、界面內容、試驗和處理流程均按照試驗需求定制，結合后臺專用處理算法進行軌道車輛牽引制動性能參數(shù)試驗數(shù)據(jù)采集、結果計算和離線數(shù)據(jù)分析，同時預留通用配置選項供用戶增加個性化試驗通道和處理算法。各試驗界面和離線分析界面在滿足各試驗項目具體需求的前提下，保證總體風格和交互方式一致，降低軟件的學習和使用難度。

一個典型的試驗采集界面如圖 6所示。數(shù)據(jù)文件名設置區(qū)用于設置試驗數(shù)據(jù)儲存名稱，用戶輸入工況名后軟件自動根據(jù)試驗項目、試驗時間、當前用戶等元素創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫文件；流程控制及軟件跳轉菜單用于引導用戶執(zhí)行試驗，首先根據(jù)硬件連接設置試驗通道、采樣率等參數(shù)，然后通過采集、保存等按鈕控制測試平臺執(zhí)行響應操作；接線及計算方法選擇按鈕用于選擇針對該試驗定制的不同算法；數(shù)據(jù)實時顯示區(qū)以曲線、數(shù)值等方式顯示實時數(shù)據(jù)；試驗狀態(tài)及結果顯示區(qū)用于顯示試驗狀態(tài)和試驗結果參數(shù)，配置正確后各參數(shù)均可根據(jù)后臺設置好的算法和信號觸發(fā)邏輯自動計算，計算結果可實時顯示和保存。

圖6 典型的試驗采集界面

由于牽引制動性能試驗所需通道數(shù)多、數(shù)據(jù)量大、算法復雜、同步處理和程序響應要求高，必須設置合理的程序架構才能滿足以上要求。各試驗界面后臺采用3線程并行的事件隊列執(zhí)行結構，程序結構簡化原理見圖 7。

圖7 程序結構簡化原理

圖7中，第1線程為操作響應線程，用于響應用戶交互操作、程序中斷和觸發(fā)專用算法；第2線程為采集和計算線程，完成數(shù)據(jù)接收、解析、顯示、計算等工作；第3線程為數(shù)據(jù)保存線程，完成數(shù)據(jù)打包、數(shù)據(jù)寫入等工作。第1線程和第2線程之間采用事件隊列通信，第1線程響應用戶操作、程序中斷、預設事件中斷后將相應操作事件壓入事件隊列供第2線程執(zhí)行；第2線程和第3線程之間采用帶數(shù)據(jù)事件隊列通信，第2線程將每個采集周期獲得的實時原始數(shù)據(jù)和計算結果壓入數(shù)據(jù)事件隊列，第3線程完成數(shù)據(jù)寫入工作。

采用3線程并行的事件隊列執(zhí)行結構能夠最大限度地利用硬件計算能力，保證所有數(shù)據(jù)和操作均能按照先后順序傳輸和執(zhí)行，避免數(shù)據(jù)丟失和用戶響應丟失。

3 應用驗證

城市軌道交通列車牽引制動性能集成測試平臺生產調試完成后，在牽引制動系統(tǒng)聯(lián)調試驗臺等試驗平臺上完成軟硬件功能驗證，與功率分析儀等通用儀器對比測試驗證測量的準確性。測試平臺送北京航天測試計量測試技術研究所進行校準并取得證書(證書編號：JZ3f2016-10-5042)，平臺所有傳感器均送廣州廣電計量檢測股份有限公司等機構通過了第三方校準和標定并取得證書。

優(yōu)秀傳統(tǒng)文化教育的缺失。調查發(fā)現(xiàn)，大學生對以古建筑為代表的 優(yōu)秀傳統(tǒng)文化有較高的學習興趣，但在校期間缺乏規(guī)范的引導，這直接影響大學生群體對本民族文化的認同和肯定，也就缺少了對民族文化自覺和自信的基礎來源。

測試平臺于2016年8月至9月在某100%低地板有軌電車上進行了應用驗證。被試有軌電車采用液壓制動系統(tǒng)，設計運營速度為70 km/h。

車上布置的測點其所測對象包括：測速雷達，軸速，縱向加速度，牽引變流器輸入側電壓、電流，牽引電機電壓、電流，輔助變流器輸出電壓、電流，各車制動缸、蓄能器壓力，司控器硬線，安全制動、替代制動等指令硬線，列車網絡信號等。

各試驗項目中，從起動加速至目標速度，然后施加混合制動減速至停車的運行過程，涉及牽引系統(tǒng)參數(shù)、制動系統(tǒng)參數(shù)以及各系統(tǒng)配合性能，其涵蓋測點多、流程化測試要求高，具有代表性。

現(xiàn)以額定工況下的一次時速0～70 km加速、施加B7常用制動、停車過程的測試曲線為例，說明測試平臺的測試效果，試驗過程測試曲線如圖8所示。

為了便于說明，圖8中只展示了司控器級位、車速、加速度、電機功率、制動缸壓力等曲線。司控器級位由司控器9根硬線通過軟件配置實時解析得到；車速由多普勒雷達測得；電機功率由牽引電機三相電壓傳感器和三相電流傳感器輸出計算得到；制動缸壓力由壓力傳感器測得。

圖8 0～70 km/h加速、B7制動試驗曲線

根據(jù)測試結果得出整個試驗過程為：在司控器級位由惰行N位轉換為牽引P4位時，列車液壓制動緩解響應時間為1.46 s，同時牽引電機輸出正功牽引車輛加速，單臺牽引最大功率145.6 kW，出現(xiàn)在速度為34.6 km/h處；速度達到68.7 km/h后司控器回惰行N位惰行2.2 s，然后司控器轉為B7級制動位，車輛開始制動；制動指令發(fā)出后因電制動完全發(fā)揮需要時間，1車液壓制動在指令發(fā)出后的0.3 s開始施加，持續(xù)2.1 s后退出，2車液壓制動在指令發(fā)出后的1.5 s開始施加，持續(xù)0.4 s后退出；電制動功率在制動指令發(fā)出2.7 s后達到最大值-283.8 kW；之后列車在電制動作用下持續(xù)減速，速度降為3.8 km/h時電制動退出，完成電液制動轉換直至車輛完全停止。試驗過程自動測得的測試結果見表 3。

表3 試驗測試結果

利用城市軌道交通列車牽引制動性能集成測試平臺按照IEC 61133—2006規(guī)定的試驗項目和方法，完成了整車牽引制動系統(tǒng)的各項靜態(tài)和動態(tài)型式試驗，實現(xiàn)了牽引制動系統(tǒng)參數(shù)同步采集和回放，以及制動距離、功率等試驗參數(shù)的自動計算。

另外，測試平臺的應用積累了大量的牽引制動系統(tǒng)同步測試的原始數(shù)據(jù)，在牽引制動系統(tǒng)調試、產品性能提升、問題分析等方面也發(fā)揮了重要的參考和指導作用。

4 結語

針對目前缺少城市軌道交通車輛牽引制動系統(tǒng)型式試驗同步集成便攜測試設備的現(xiàn)狀，研發(fā)了城市軌道交通車輛牽引制動性能集成測試軟硬件平臺，介紹了測試平臺的硬件組成及工作原理，描述了集成測試軟件的架構和功能。利用測試平臺在某有軌電車上進行了牽引制動性能型式試驗，驗證測試平臺的實際應用效果。

研發(fā)的城市軌道交通車輛牽引制動性能集成測試平臺具有以下優(yōu)點：

(1) 能滿足城市軌道交通列車牽引制動型式試驗測試需求，操作流程自動化，硬件集成度高，便于攜帶，并預留了硬件擴展接口；

(2) 對牽引系統(tǒng)參數(shù)、制動系統(tǒng)參數(shù)、車輛信號硬線指令信號和原車網絡信號能實現(xiàn)同步采集、解析、處理保存，以及參數(shù)離線同步再現(xiàn)；

(3) 配備了硬線跳變自動觸發(fā)計時等算法，其計算功能豐富，軟件多種數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式，完全自主開發(fā)，具備良好的人機交互性和二次開發(fā)性。

下一步將利用該測試平臺在各種地鐵、有軌電車等城市軌道交通列車上進行牽引制動性能型式試驗，以進一步驗證和優(yōu)化系統(tǒng)功能。