陳明奎　吳江　陳鋼

摘 要：為更好地研究地鐵車輛牽引及制動工況下的加速度特性，開發(fā)了一種便攜式的地鐵車輛加速度檢測裝置。裝置硬件以加速度傳感器和多普勒測速雷達為核心，通過直接采集獲取加速度信號和速度信號。裝置軟件利用微積分原理，計算獲得沖擊信號和牽引/制動距離信號，并對地鐵車輛加速度特性的多個相關信號進行綜合演算、顯示、分析。通過在長沙地鐵6號線的實際應用表明，該裝置穩(wěn)定可靠，對后續(xù)深入分析地鐵車輛的加速度特性及改善列車牽引及制動的控制算法具有非常重要的意義。

關鍵詞：地鐵車輛 加速度 檢測裝置 沖擊 LabVIEW

0 引言

隨著地鐵車輛技術的不斷發(fā)展，需要對車輛加速度及相關信號量進行深入分析[1-2]。在相關的文獻中[3-6]，研究了車輛在垂向或橫向的振動加速度特性，而在車輛行駛過程中，縱向加速度直接影響乘客乘坐的舒適度，如何量化地鐵車輛在牽引或制動過程產生的沖擊（加速度對時間求導所得數值），從而提高列車乘坐舒適度，以及如何掌控列車在牽引或制動過程中速度、制動力以及制動距離之間的關系，從而通過優(yōu)化設計來有效保證車輛運行中尤其是制動過程的安全可靠，這些都是地鐵車輛系統(tǒng)調試過程中需要解決的問題，而地鐵車輛加速度特性檢測裝置正是為解決上述問題而研發(fā)設計。

1 加速度特性檢測裝置硬件構成

加速度特性采集裝置的硬件構成如圖1所示。裝置硬件主要由多普勒測速雷達（DRS05a）、加速度傳感器、信號采集盒和PC機組成。信號采集盒包含AC/DC電源模塊、信號調理模塊、信號采集模塊。

圖1 加速度檢測裝置工作原理

多普勒測速雷達（DRS05a）主要是用來測量列車的速度，輸出的信號為PWM波；它含一個RS485串行接口和一個OC脈沖輸出，便于系統(tǒng)進一步處理。它們之間是相互電隔離的，并與輸入電壓、模擬組件、數字組件和外殼相互電隔離。開啟電源后信號處理器會自動運行。

測試雷達的輸出信號是一種脈沖信號，測速范圍為0km/h ～600km/h。脈沖輸出在集電極開路模式下的頻率輸出的掃描率為1：1。雙線RS485接口是一個可進行軟件配置的電隔離串行接口，其最大數據傳輸率為1MBit/s，可以通過該接口輸出速度、方向、狀態(tài)等信息。

加速度傳感器（3711B112G）是用于測量地鐵車輛的加速度信息，測量量程為2g，頻率從0Hz～1000Hz，該型號傳感器能提供高頻過載保護。加速度傳感器的輸出是單軸單端的激勵信號。加速度傳感器的供電電源為DC24V。

信號采集盒其內部包含AC/DC電源模塊、信號轉換模塊、信號采集模塊。電源模塊主要是從外部接入AC220V電源，經過轉換，為測速雷達及加速度傳感器提供DC24V工作電源。

信號轉換模塊、信號采集模塊共同完成對速度脈沖信號和加速度傳感器信號的轉換和采集，并將結果傳輸至PC機。

信號轉換模塊內部電路主要包括：數字信號轉換電路和模擬信號轉換電路，其硬件框圖如圖2所示。數字轉換電路包括8個通道，它可以將來自測速雷達的DC24V脈沖信號轉換成DC5V的脈沖信號送至信號采集盒進行脈沖計數，電路中使用光耦將輸入端的信號與輸出端的信號進行電氣隔離，隔離等級達到5000V。模擬信號轉換電路包括電壓轉換電路和電流轉換電路，共實現16個轉換通道。其中電壓轉換電路主要是將外部的高電壓（±30V）轉換成標準的±10V的電壓信號，再送至信號采集盒，來自加速度傳感器的模擬信號就是通過該電路進行信號采集的。

PC機主要是用來安裝人機交互軟件，將接收到的信號進行各種計算、顯示、存儲、回放等，同時，能將操作指令傳輸給信號采集盒，進行設備的啟停等操作。

2 加速度特性檢測裝置軟件開發(fā)

加速度特性檢測裝置軟件系統(tǒng)使用圖形化編程軟件LabVIEW編寫[7-8]，實現人機交互友好的用戶界面，該軟件安裝在PC上，PC機通過USB 接口與信號采集盒進行數據和指令的交互。該軟件可實現實時采集、顯示、數據存儲、數據回放等功能，軟件流程圖如圖3所示。

進入軟件后，用戶可通過菜單選擇進入采集模式，也可選擇數據回放。參數標定時，需分別設定傳感器系數及數據濾波參數。數據采集時，上位機軟件連續(xù)讀取采集模塊數據，擬合加速度曲線后顯示于動態(tài)窗口，直至系統(tǒng)停止采集，采集所得數據可按默認存儲路徑、文件名、文件格式保存至系統(tǒng)硬盤。數據回放時，由用戶選定歷史數據文件進行回調顯示。

信號采集與顯示、數據的存儲、數據回放三個部分是加速度特性檢測裝置軟件核心功能。下面對其編程進行詳細介紹。

在信號采集之前需要通過創(chuàng)建、設置、開始等步驟，配置好采集參數，采集到的信號直接送給波形圖顯示，為保證人機交互界面顯示效果，每秒鐘顯示刷新2次。其中加速度及沖擊信號（即加速度對時間求導所得數值）的計算及顯示的程序框圖如圖4所示。

根據加速度傳感器輸出電壓與加速度及重力的關系可計算出加速度值，沖擊信號是當前的加速度值減上一次的值再除以dt（△t）得到。

上圖中只給出了加速度及沖擊信號的計算及顯示設計方法，其它物理量的計算及顯示的編程方法類似，只要將計算后的信號與現有信號合成再送至波形圖即可。

由于速度信號是PWM波，所以速度的采集方式有所不同，它需要利用軟件計數器進行采集，如圖5所示。

為了方便對采集的數據進行回放和分析，須將數據進行存儲，通常情況下，數據都是以文件的形式存儲在計算機硬盤中。先設置好文件的存儲路徑，并根據當前的系統(tǒng)時間自動生成文件名，文件以TDMS格式進行存儲，例如：*.tdms。數據存儲的程序框圖如圖6所示。

對于文件數據的回放讀取操作，可通過軟件菜單實現。利用對話框的形式，顯示當前文件夾下的所有TDMS文件，采用的讀取方式是一次性讀出所選文件的所有數據。數據讀取的程序框圖如圖7所示。

3 加速度特性檢測裝置的應用

為檢驗加速度特性檢測裝置的功能，該裝置在長沙地鐵6號線的調試中進行了現場應用，實際測量了車輛的加速度信號、速度信號等。

3.1 檢測裝置的安裝使用

加速度特性檢測裝置安裝示意如圖8所示，其中多普勒測速雷達（DRS05a）用螺栓固定于列車的車架底部，測速雷達與鐵軌軌面垂直距離保持1000mm左右，并且需要保證測速雷達的信號發(fā)射面與接收面和軌面之間無障礙物；加速度傳感器（3711B112G）固定在車廂內立柱扶手上，需保持傳感器的正面與列車運行方向保持一致，安裝時盡量讓加速度傳感器與固定的立柱扶手之間為剛性連接，以保證加速度測量的準確性；同時，信號采集盒與PC機放置于地鐵車廂內，便于人員操作。

3.2 數據分析

最高速80km/h測試的工況如下：地鐵車輛從速度為零開始啟動，并滿手柄牽引，使其速度達到80km/h，在此速度工況下惰行5秒時間，然后開始滿手柄制動，使地鐵車輛速度從80km/h制動到速度為零。通過該裝置詳細記錄了此過程的各項數據。

軟件界面中，加速度信號和沖擊信號共用左側的Y1軸坐標，速度和行駛距離共用右側的Y2軸坐標。在圖9中，分析圖中數值，可以觀測到，在啟動后的第5秒鐘左右，正向加速度出現一個最大值，即1.116m/s2，此時對應的地鐵車輛速度為8.651m/s（參見第1條時間線）。

在啟動后的第33秒鐘左右，加速度基本為0（參見第2條時間線），對應的最高速度值為81.078m/s，且從速度信號曲線能觀測到地鐵車輛保持惰行工況運行了約5秒鐘時間。

在車輛啟動及制動過程中，出現了3個較大的沖擊信號，第1個較大的沖擊信號出現在啟動后的2.6秒左右，此時的沖擊值為0.733 m/s3（參見第3條時間線）；第二個沖擊較大的信號出現在開始制動時，時間約為36.6秒，沖擊值為-0.538 m/s3（參見第4條時間線）；第三個較大的沖擊信號值出現在停車制動時，時間約為56.3秒，沖擊值為0.577 m/s3（參見第5條時間線）。根據《城市軌道交通車輛電空制動系統(tǒng)通用技術規(guī)范（ CZJS-T 005-2015）》相關規(guī)定，地鐵車輛啟動、制動運行過程中，為保證旅客乘坐的舒適性，列車縱向沖擊率不能大于0.75 m/s3，從實測的數值看，長沙地鐵6號線的沖擊信號性能是滿足要求的。

以上僅對加速度相關的信號量進行了初步的分析和介紹，通過該檢測裝置還可以進一步分析空氣制動和電制動的匹配情況，由于不是本文的重點，因此不在此贅述。

4 結語

本文介紹了一種用于地鐵車輛加速度特性檢測裝置，該裝置能快速有效的測量與計算速度、加速度、沖擊、制動距離等車輛運行的重要參數，且軟件操作簡單，功能全面。通過在長沙地鐵6號線上的應用驗證，它能大大提高地鐵車輛現場調試的效率，節(jié)約調試的成本，更重要的是為列車牽引和制動系統(tǒng)的性能改進及質量提升提供了重要的參考依據。

基金項目：湖南信息學院校級科研項目基金（項目編號：XXY022YB03）。

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