列车纵向冲击问题初探
摘 要：针对列车的纵向冲击及“倒棒”评价等级的原则，提出了基于动态平衡零点的数据采集方案，分析了数据记录的合理格式，设计了整套的软硬件方案。依据上层的数据分析，进行振动图像恢复，给出了列车运行期间的整体评价。
关键词：动态平衡零点；数据记录；舒适度
绪论：
随着我国铁路上机车的不断提速，列车运行的状态也越来越受到人们的关注。人们在对列车提出方便、快捷等要求的同时，也对列车的乘坐环境及舒适性提出了更高的要求。列车在加速、减速过程中的纵向冲击的大小，不仅影响到旅客乘坐的舒适性，也是考核司机驾驶水平的重要根据之一。目前铁路上对纵向冲击的检测根据的是“倒棒”的原则。这种检测方法直观、简便，从定性的角度给出了纵向冲击的大概等级。但是，这种直观的观测方法，缺乏振动的具体数据，无法进行更详细的分析和比较。也没有一定的量化标准。如何准确的获取列车在加减速过程中的纵向冲击，并给出一定的量化标准来考核司机驾驶水平的高低，以及建立冲击对旅客乘坐的舒适度之间的数学模型并给出一定的评价，成为目前一个重要的课题。本文针对列车的纵向冲击问题，在信号的采集、存储、评价标准，以及上层的数据管理等方面提出了一系列的探讨方案。
一、 系统的总体设计
冲击检测仪的设计是上位机数据分析和管理的基础。关系到整个系统的可靠性和准确性。因而系统的硬件设计是系统的关键问题之所在。为此，经过详细的分析和筛选，特设计了如下的系统结构框图：
AduC812微转换器是冲击检测仪的核心。它的内部集成了完整的8052内核，带有一个8通道的12位逐次逼近的ADC。转换时间仅为5us，带有内部校准特性。基准电压可以是片内的2.5V，也可以是外部基准。还带有256字节的SRAM，8KB的闪速/电擦除程序存储器。它的并行端口用于总线形式，最大可扩展16MB的外部数据存储器。同时还带有标准的UART接口。内部自带的看门狗定时器WDT可提供从16ms 到256ms的预定标时间范围。它的数据采集电路自身不需要8031过多的干涉，因而与分立方式的AD转换和微控制器相比，效率更高。
列车纵向冲击的加速度不大，且频响也较低，选用型号为LC0701-3的加速度传感器。它的量程为±5g，频响为DC-600Hz。传感器的电压输出与其灵敏度、电源电压、被测加速度成正比。传感器的输出电缆上由于有压降，所以长度一般不能随意改变。因此，在选择适中的长度后，重新对传感器进行了标定。此外，随着电源电压的降低，输出电压也将减少。为此，特设计了稳压电路来保证传感器供电的稳定性（稳定性在0.1%左右）。
低通滤波是信号采集的关键所在。如何去掉干扰信号，准确的采集到需要的振动信号，是这个系统设计的一个难点。在前向通道采用了双重滤波技术。考虑到振动冲击信号的频率，设计的有源低通滤波器的截止频率达到了80Hz。无缘滤波器的截止频率也在60Hz以下。同时，为了保证通道切换是产生的瞬间冲击，通道口还采用了一个简单的抗混叠滤波器，通过容量为2pF的取样电容来提供电荷，消除冲击，保证输入信号的稳定性。
实时时钟RTC内部带有EEPROM，用于保存传感器的系统信息和某些参数。存储器的接入速度高达70ns，容量为2MB。完全可以保证了整个运行中的数据记录。
二、 动态平衡零点及信息记录方案
1、 数据记录方案
列车在运行过程中的纵向冲击一般可以分成两种。一种是过轨道交接处、道岔时候的频繁冲击；一种是行走过程中的加、减速带来的瞬间冲击（包括启动和停车）。这两种纵向冲击的幅度、频率、完全不同。再加上微小振动带来的干扰信号，给采集带来了很大的困难。为此，特设计一套分段分频的采集方法来记录数据。依据动态的平衡零点，辅以一定的带宽作为滤波门限。带宽以内的数据认为是微小干扰，不予以记录。超过门限的数据认为是一次振动的开始，以固定的频率采集，直到振动结束。同时内部采用了软件长度滤波的方法，将小的干扰信号滤去。这种数据记录方法方案不仅可以恢复列车振动情况，而且大大降低了采集的数据量，同时也为上层的数据分析奠定了基础。
2、 动态平衡零点
列车在运行过程中，存在着微小的波动，使得传感器的电压基准受到影
响。其平衡零点随着列车的波动也随即变化，导致我们测量数据的存在较大的偏差。为了解决这个问题，设计了一种动态采集零点的方案，如下图所示：
在SRAM中开辟一个存储段，用来保存每次AD转换的采样 值。N此采样求平均，作为当前一次时刻的平均值。下一次采样值先与当前平均值比较，判断振动是否开始、或者有效以及振动的结束。然后替代前面的一个采样值，依次向前替代。即新的测量结果放在队尾，丢弃对首的数据。这样在测量队列重始终有N个“最新”的振动信息来记入平均值。这种算法的实质是滑动平均值滤波。用滑动平均值滤波来实现动态平衡零点标准，可以大大消除列车运行中随即振动的影响，削弱了干扰信号，提高了测量的精度。
三、软件结构设计：
系统的软件主要有两个部分：底层数据采集、过滤；上层的分析、处理和图像显示。底层部分的程序结构可分为以下几个模块：初始化，采集模块，滤波模块，中断模块，通讯模块，存储模块。
下面的程序是AD变换过程中判断各个标志位的循环程序，依据标志位执行不同的功能。
AD_CIR: ……………………….
Select1: JB KEY，Select2 终止采集
CLR EA 关中断
CLR LED 灯 亮
AJMP $
Select 2: JNB VALID, Select3 数据有效
……………………….. 数据分析处理
AJMP AD_CIR
Select 3: JNB AD_END, Select4 一次振动结束
…………………………… 数据存储
SETB BEGIN_AD 准备开始下一次振动
AJMP AD_CIR
Select 4: JNB ALL_FILLED,SEL5 存贮器满
CLR EA
CALL PAGE_INIT 结束采
AJMP $
Select 5: NOP
AJMP AD_CIR 回到主循环
对于上层的数据管理而言，任务不是很大。通过串信口接收数据，将原始数据写入文件保留，并装入数据库以备查询。在图像上显示出运行过程中的振动图形。被给出评价。拟采用Visual Basic 开发管理平台，数据库采用的是Access 2000。下面给出的是上层管理系统的数据查询和振动恢复的图示。
图3 数据管理示意图
四、振动分析与评价
对于采集来的数据，如何根据加速度的大小得到振动的评价，以及那个方面作为考核司机驾驶水平的依据，并提出舒适度的评价，目前还没有一定的标准。有以下几种方案可供选择：
1、 以整个运行过程中的所有加速度数据中的最大值作为评价依据；
2、 以每次振动为一组找出其中的最大值在整个运行过程中作分类统计；
3、 以每次振动为一组，找出最大值和所有数据的均方根；
4、 以时间为单位，计算这段时间内的最大值，最小值，均方根；
从实际的角度来看，不能只单单从最大值的角度来评价振动冲击的大小。因为列车在运行工程中振动情况非常的复杂，不能保证毫无干扰，单一的大小很难具有说服力。为此，倾向于采用能量的角度来评价。第3种方案以每次振动的能量作为一个标准，统计整个运行期间的冲击能量分布，来评价司机操作水平的高低。第4种方案则是以在同一段时间内，振动冲击能量的大小分布作为参考准则。这两种方案都有一定的科学性，故在数据库中分别给出了两种不同的评价方案。
同时数据库中也根据采集得到的数据，进行了振动情况恢复。一时间为横坐标，振动的加速度大小为纵坐标，画出列出运行期间的振动曲线。下面的图示是根据振动的图象分析后得出的频谱关系图。
