地铁车辆加速度特性检测装置研制与应用

陈明奎　吴江　陈钢

摘 要：为更好地研究地铁车辆牵引及制动工况下的加速度特性，开发了一种便携式的地铁车辆加速度检测装置。装置硬件以加速度传感器和多普勒测速雷达为核心，通过直接采集获取加速度信号和速度信号。装置软件利用微积分原理，计算获得冲击信号和牵引/制动距离信号，并对地铁车辆加速度特性的多个相关信号进行综合演算、显示、分析。通过在长沙地铁6号线的实际应用表明，该装置稳定可靠，对后续深入分析地铁车辆的加速度特性及改善列车牵引及制动的控制算法具有非常重要的意义。

关键词：地铁车辆 加速度 检测装置 冲击 LabVIEW

0 引言

随着地铁车辆技术的不断发展，需要对车辆加速度及相关信号量进行深入分析[1-2]。在相关的文献中[3-6]，研究了车辆在垂向或横向的振动加速度特性，而在车辆行驶过程中，纵向加速度直接影响乘客乘坐的舒适度，如何量化地铁车辆在牵引或制动过程产生的冲击（加速度对时间求导所得数值），从而提高列车乘坐舒适度，以及如何掌控列车在牵引或制动过程中速度、制动力以及制动距离之间的关系，从而通过优化设计来有效保证车辆运行中尤其是制动过程的安全可靠，这些都是地铁车辆系统调试过程中需要解决的问题，而地铁车辆加速度特性检测装置正是为解决上述问题而研发设计。

1 加速度特性检测装置硬件构成

加速度特性采集装置的硬件构成如图1所示。装置硬件主要由多普勒测速雷达（DRS05a）、加速度传感器、信号采集盒和PC机组成。信号采集盒包含AC/DC电源模块、信号调理模块、信号采集模块。

图1 加速度检测装置工作原理

多普勒测速雷达（DRS05a）主要是用来测量列车的速度，输出的信号为PWM波；它含一个RS485串行接口和一个OC脉冲输出，便于系统进一步处理。它们之间是相互电隔离的，并与输入电压、模拟组件、数字组件和外壳相互电隔离。开启电源后信号处理器会自动运行。

测试雷达的输出信号是一种脉冲信号，测速范围为0km/h ～600km/h。脉冲输出在集电极开路模式下的频率输出的扫描率为1：1。双线RS485接口是一个可进行软件配置的电隔离串行接口，其最大数据传输率为1MBit/s，可以通过该接口输出速度、方向、状态等信息。

加速度传感器（3711B112G）是用于测量地铁车辆的加速度信息，测量量程为2g，频率从0Hz～1000Hz，该型号传感器能提供高频过载保护。加速度传感器的输出是单轴单端的激励信号。加速度传感器的供电电源为DC24V。

信号采集盒其内部包含AC/DC电源模块、信号转换模块、信号采集模块。电源模块主要是从外部接入AC220V电源，经过转换，为测速雷达及加速度传感器提供DC24V工作电源。

信号转换模块、信号采集模块共同完成对速度脉冲信号和加速度传感器信号的转换和采集，并将结果传输至PC机。

信号转换模块内部电路主要包括：数字信号转换电路和模拟信号转换电路，其硬件框图如图2所示。数字转换电路包括8个通道，它可以将来自测速雷达的DC24V脉冲信号转换成DC5V的脉冲信号送至信号采集盒进行脉冲计数，电路中使用光耦将输入端的信号与输出端的信号进行电气隔离，隔离等级达到5000V。模拟信号转换电路包括电压转换电路和电流转换电路，共实现16个转换通道。其中电压转换电路主要是将外部的高电压（±30V）转换成标准的±10V的电压信号，再送至信号采集盒，来自加速度传感器的模拟信号就是通过该电路进行信号采集的。

PC机主要是用来安装人机交互软件，将接收到的信号进行各种计算、显示、存储、回放等，同时，能将操作指令传输给信号采集盒，进行设备的启停等操作。

2 加速度特性检测装置软件开发

加速度特性检测装置软件系统使用图形化编程软件LabVIEW编写[7-8]，实现人机交互友好的用户界面，该软件安装在PC上，PC机通过USB 接口与信号采集盒进行数据和指令的交互。该软件可实现实时采集、显示、数据存储、数据回放等功能，软件流程图如图3所示。

进入软件后，用户可通过菜单选择进入采集模式，也可选择数据回放。参数标定时，需分别设定传感器系数及数据滤波参数。数据采集时，上位机软件连续读取采集模块数据，拟合加速度曲线后显示于动态窗口，直至系统停止采集，采集所得数据可按默认存储路径、文件名、文件格式保存至系统硬盘。数据回放时，由用户选定历史数据文件进行回调显示。

信号采集与显示、数据的存储、数据回放三个部分是加速度特性检测装置软件核心功能。下面对其编程进行详细介绍。

在信号采集之前需要通过创建、设置、开始等步骤，配置好采集参数，采集到的信号直接送给波形图显示，为保证人机交互界面显示效果，每秒钟显示刷新2次。其中加速度及冲击信号（即加速度对时间求导所得数值）的计算及显示的程序框图如图4所示。

根据加速度传感器输出电压与加速度及重力的关系可计算出加速度值，冲击信号是当前的加速度值减上一次的值再除以dt（△t）得到。

上图中只给出了加速度及冲击信号的计算及显示设计方法，其它物理量的计算及显示的编程方法类似，只要将计算后的信号与现有信号合成再送至波形图即可。

由于速度信号是PWM波，所以速度的采集方式有所不同，它需要利用软件计数器进行采集，如图5所示。

为了方便对采集的数据进行回放和分析，须将数据进行存储，通常情况下，数据都是以文件的形式存储在计算机硬盘中。先设置好文件的存储路径，并根据当前的系统时间自动生成文件名，文件以TDMS格式进行存储，例如：*.tdms。数据存储的程序框图如图6所示。

对于文件数据的回放读取操作，可通过软件菜单实现。利用对话框的形式，显示当前文件夹下的所有TDMS文件，采用的读取方式是一次性读出所选文件的所有数据。数据读取的程序框图如图7所示。

3 加速度特性检测装置的应用

为检验加速度特性检测装置的功能，该装置在长沙地铁6号线的调试中进行了现场应用，实际测量了车辆的加速度信号、速度信号等。

3.1 检测装置的安装使用

加速度特性检测装置安装示意如图8所示，其中多普勒测速雷达（DRS05a）用螺栓固定于列车的车架底部，测速雷达与铁轨轨面垂直距离保持1000mm左右，并且需要保证测速雷达的信号发射面与接收面和轨面之间无障碍物；加速度传感器（3711B112G）固定在车厢内立柱扶手上，需保持传感器的正面与列车运行方向保持一致，安装时尽量让加速度传感器与固定的立柱扶手之间为刚性连接，以保证加速度测量的准确性；同时，信号采集盒与PC机放置于地铁车厢内，便于人员操作。

3.2 数据分析

最高速80km/h测试的工况如下：地铁车辆从速度为零开始启动，并满手柄牵引，使其速度达到80km/h，在此速度工况下惰行5秒时间，然后开始满手柄制动，使地铁车辆速度从80km/h制动到速度为零。通过该装置详细记录了此过程的各项数据。

软件界面中，加速度信号和冲击信号共用左侧的Y1轴坐标，速度和行驶距离共用右侧的Y2轴坐标。在图9中，分析图中数值，可以观测到，在启动后的第5秒钟左右，正向加速度出现一个最大值，即1.116m/s2，此时对应的地铁车辆速度为8.651m/s（参见第1条时间线）。

在启动后的第33秒钟左右，加速度基本为0（参见第2条时间线），对应的最高速度值为81.078m/s，且从速度信号曲线能观测到地铁车辆保持惰行工况运行了约5秒钟时间。

在车辆启动及制动过程中，出现了3个较大的冲击信号，第1个较大的冲击信号出现在启动后的2.6秒左右，此时的冲击值为0.733 m/s3（参见第3条时间线）；第二个冲击较大的信号出现在开始制动时，时间约为36.6秒，冲击值为-0.538 m/s3（参见第4条时间线）；第三个较大的冲击信号值出现在停车制动时，时间约为56.3秒，冲击值为0.577 m/s3（参见第5条时间线）。根据《城市轨道交通车辆电空制动系统通用技术规范（ CZJS-T 005-2015）》相关规定，地铁车辆启动、制动运行过程中，为保证旅客乘坐的舒适性，列车纵向冲击率不能大于0.75 m/s3，从实测的数值看，长沙地铁6号线的冲击信号性能是满足要求的。

以上仅对加速度相关的信号量进行了初步的分析和介绍，通过该检测装置还可以进一步分析空气制动和电制动的匹配情况，由于不是本文的重点，因此不在此赘述。

4 结语

本文介绍了一种用于地铁车辆加速度特性检测装置，该装置能快速有效的测量与计算速度、加速度、冲击、制动距离等车辆运行的重要参数，且软件操作简单，功能全面。通过在长沙地铁6号线上的应用验证，它能大大提高地铁车辆现场调试的效率，节约调试的成本，更重要的是为列车牵引和制动系统的性能改进及质量提升提供了重要的参考依据。

基金项目：湖南信息学院校级科研项目基金（项目编号：XXY022YB03）。

参考文献：

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[3]邱荣华，詹璐，赵扬，王福田.基于车体振动加速度的北京地铁轨道状态管理研究[J]. 都市快轨交通，2020，33（4）：28-31.

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[7]阮奇桢.我和LabVIEW[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2009.

[8]杨乐平，李海涛，赵勇，等.LabVIEW高级程序设计[M]. 北京：清华大学出版社，2004.