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1、(10)申请公布号 CN 102519739 A (43)申请公布日 2012.06.27 CN 102519739 A *CN102519739A* (21)申请号 201110418340.2 (22)申请日 2011.12.14 G01M 17/08(2006.01) (71)申请人 林建辉 地址 610000 四川省成都市金牛区群星路 13 号 7 栋 3 单元 10 号 (72)发明人 林建辉 刘璐 冯艳波 刘晓静 王迎科 易彩 (74)专利代理机构 常州市维益专利事务所 32211 代理人 路接洲 (54) 发明名称 列车舒适度和平稳性检测仪及其检测方法 (57) 摘要 本发明涉及。
2、一种便携式列车舒适度和平稳性 检测仪， 利用传感器检测列车车体垂、 横、 纵 3 个 方向的振动加速度， 通过 PCM-8208BS 高速模拟量 输入卡传入 EPC-8000I-L 工控机主板进行计算和 分析， 得到列车车体的实时舒适度与平稳性指标 值， 并根据 UIC513铁路车辆内旅客振动舒适性 评价准则 和 GB5595-85铁道车辆动力学性能评 定和实验鉴定规范 进行等级判断， 最后将加速度 的实时曲线及数值、 舒适度和平稳性的指标值及 等级实时地输出到液晶屏上。本发明不仅能够实 时地准确测量并显示列车的舒适度和平稳性， 而 且还具有人机界面丰富、 稳定性好、 使用方便等特 点。 (5。
3、1)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 6 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 6 页 附图 3 页 1/1 页 2 1. 一种列车舒适度和平稳性检测仪， 其特征在于 ： 包括工控机主板， 所述的工控机主 板上设置有USB接口以及LCD接口， 工控机主板通过以太网接口与计算机相连接 ； 所述的工 控机主板的输入端连接有高速模拟量输入卡， 输出端通过 LCD 接口连接液晶套件 ； 所述的 高速模拟量输入卡的输入信号由与之连接的滤波器提供， 所述的滤波器的输入端连接加速 度传感器。 2. 如权利要求 1 所述的列车舒适度。
4、和平稳性检测仪， 其特征在于 ： 所述的加速度传感 器包括列车车体垂、 横、 纵三个方向上的加速度传感器。 3. 如权利要求 1 所述的列车舒适度和平稳性检测仪， 其特征在于 ： 所述的高速模拟量 输入卡具有16路单端输入通道， 并通过PC/104总线接口连接工控机主板 ； 其内置一个5级 可调的可编程增益放大器。 4. 一种列车舒适度和平稳性检测仪的检测方法， 其特征在于包括以下步骤 ： 1) 通过计算列车车体在一段时间内垂、 横、 纵 3 个方向振动加速度的加权有效值的综 合值， 得到列车车体综合乘坐舒适度指标值和等级 ； 2) 将测得的加速度按频率分组， 计算每个频率段中不同加速度的平稳。
5、性指标值， 然 后对各个频率段的平稳性指标值进行加权处理， 得到列车的横向、 垂向平稳性指标值和等 级 ； 3) 利用设计的图形用户界面， 实时显示三向加速度曲线及数值、 舒适度和平稳性的指 标值及等级 ； 4) 把检测仪采集到的原始振动加速度信号传输给计算机进行检验计算， 将计算结果和 检测仪的检测结果进行对比分析得出。 5. 如权利要求 4 所述的列车舒适度和平稳性检测仪的检测方法， 其特征在于 ： 所述的 检测仪的平稳性指标和等级的刷新频率是 0.5Hz、 舒适度指标和等级的刷新频率是 0.2Hz、 三向加速度值的刷新频率是 1.9531Hz、 三向加速度曲线的刷新频率是 7.8125H。
6、z。 权 利 要 求 书 CN 102519739 A 2 1/6 页 3 列车舒适度和平稳性检测仪及其检测方法 技术领域 0001 本发明涉及车辆的运行动力测验， 尤其是一种列车舒适度和平稳性检测仪及其检 测方法。 背景技术 0002 国内高校和科研院所在舒适度和平稳性测试仪的研制方面取得了突出的成绩。 西 南交通大学从虚拟仪器、 单片机、 DSP 处理器和基于软核的 SOPC 处理器的角度， 对测试仪进 行了研究 ； 北方交通大学以 ARM 处理器为平台， 通过嵌入式 Linux 操作系统， 对测试仪进行 了探讨 ； 铁道科学研究院的三维加速度及平稳性指标仪， 采用 DSP 技术实时计算平。
7、稳性指 标， 通过内置计数器及 GPS 提供准确速度信息 ； 另外， 武汉理工大学、 浙江理工大学等高校 也对此进行了深入的研究。通过国内的研究可以发现， 早期的舒适度与平稳性测试仪多以 虚拟仪器技术为核心， 以个人计算机为载体， 可以满足数据分析与处理的要求， 但灵活性不 足， 体积稍显庞大。随着半导体工业的发展， 以 DSP 处理器和 ARM 处理器为核心的解决方案 开始出现， DSP 处理器以其强大数据处理能力和高运行速度， 可以做到数据的实时处理， 但 在人机接口和控制方面略显不足， 而 ARM 处理器则与之相反， 人机接口丰富而数据处理能 力不足。 发明内容 0003 本发明要解决的。
8、技术问题是 ： 提出一种能够准确测量并实时显示列车的舒适度和 平稳性的检测仪及其检测方法。 0004 本发明所采用的技术方案为 ： 一种列车舒适度和平稳性检测仪， 包括工控机主板， 所述的工控机主板上设置有 USB 接口以及 LCD 接口， 工控机主板通过以太网接口与计算机 相连接 ； 所述的工控机主板的输入端连接有高速模拟量输入卡， 输出端通过 LCD 接口连接 液晶套件 ； 所述的高速模拟量输入卡的输入信号由与之连接的 2 阶有源滤波器提供， 所述 的 2 阶有源滤波器的输入端连接加速度传感器。所述的加速度传感器包括列车车体垂、 横、 纵三个方向上的加速度传感器。正常情况下列车车体各个方向。
9、的振动加速度值都小于 1g， 而且特性频率一般都在 10Hz 以内， 因此检测仪采用 ZW9609A-2 型号的 IC 应变 3 向加速度 传感器， 其频响范围为 DC-2500Hz， 测量范围为 2g， 输出电压信号为 0 5V。 0005 本发明所述的高速模拟量输入卡完全遵守 PC/104 总线规范， 具有 16 路单端输入 通道， 因此能够对 3 路模拟信号同时进行采集， 并通过 PC/104 总线接口传送到主板中。内 置一个 5 级可调的可编程增益放大器 (PGA)， 每个通道可以独立设置增益， 输入量程从 10V 到采样速率可均匀分配给使能的通道， 还可设置分频系数以降低采样速率。P。
10、CM-8208BS 为 16 位卡， 共有 4 个只读寄存器和 4 个只写寄存器， 内置 1K 深度的 FIFO， 可使能满中断、 半满 中断、 空中断。所有输入端口都具备过压保护功能。具备耐压 2500VDC 的隔离保护。 0006 同时本发明还提供了一种列车舒适度和平稳性检测仪的检测方法， 包括以下步 骤 ： 说 明 书 CN 102519739 A 3 2/6 页 4 0007 1) 通过计算列车车体在一段时间内垂、 横、 纵 3 个方向振动加速度的加权有效值 的综合值， 得到列车车体综合乘坐舒适度指标值和等级 ； 0008 2) 将测得的加速度按频率分组， 计算每个频率段中不同加速度的。
11、平稳性指标值， 然后对各个频率段的平稳性指标值进行加权处理， 得到列车的横向、 垂向平稳性指标值和 等级 ； 0009 3) 利用设计的图形用户界面， 实时显示三向加速度曲线及数值、 舒适度和平稳性 的指标值及等级 ； 0010 4) 把检测仪采集到的原始振动加速度信号传输给计算机进行检验计算， 将计算结 果和检测仪的检测结果进行对比分析， 验证检测仪的准确性。 0011 所述的检测仪的平稳性指标和等级的刷新频率是 0.5Hz、 舒适度指标和等级的 刷新频率是 0.2Hz、 三向加速度值的刷新频率是 1.9531Hz、 三向加速度曲线的刷新频率是 7.8125Hz。 0012 在检测过程中， 。
12、传感器检测列车车体垂、 横、 纵 3 个方向的振动加速度， 通过 PCM-8208BS 高速模拟量输入卡传入 EPC-8000I-L 工控机主板进行计算和分析， 得到列车车 体的实时舒适度与平稳性指标值， 并根据 UIC513 铁路车辆内旅客振动舒适性评价准则 和 GB5595-85铁道车辆动力学性能评定和实验鉴定规范 进行等级判断， 最后将加速度的实 时曲线及数值、 舒适度和平稳性的指标值及等级实时地输出到液晶屏上。 另外， 测试仪还具 有原始数据和实时运算结果的保存、 与计算机通讯等功能。 0013 本发明的有益效果是 ： 本发明所述的硬件采用基于 EPC-8000 系列工控机主板的 嵌入。
13、式 SoC 智能平台， 利用其资源丰富、 接口齐全、 功耗低、 可靠性高的特点省去了一大部 分的硬件设计 ； 软件采用 Linux 操作系统， 在保证实时性的同时， 加强了人机界面的设计， 使得测试仪不仅能够实时地准确测量并显示列车的舒适度和平稳性， 而且还具有丰富的人 机界面、 高稳定性、 方便使用等特点。 附图说明 0014 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。 0015 图 1 是本发明的硬件结构示意框图 ； 0016 图 2 是本发明的主循环流程图 ； 0017 图 3 是本发明的运算分解图。 具体实施方式 0018 现在结合附图和优选实施例对本发明作进一步详细的说明。 这些附图均。
14、为简化的 示意图， 仅以示意方式说明本发明的基本结构， 因此其仅显示与本发明有关的构成。 0019 一种列车舒适度和平稳性检测仪， 其硬件构架如图 1 所示。在检测过程中， 传感器 检测列车车体垂、 横、 纵 3 个方向的振动加速度， 通过 PCM-8208BS 高速模拟量输入卡传入 EPC-8000I-L 工控机主板进行计算和分析， 得到列车车体的实时舒适度与平稳性指标值， 并 根据 UIC513铁路车辆内旅客振动舒适性评价准则 和 GB5595-85铁道车辆动力学性能 评定和实验鉴定规范 进行等级判断， 最后将加速度的实时曲线及数值、 舒适度和平稳性的 指标值及等级实时地输出到液晶屏上。另。
15、外， 测试仪还具有原始数据和实时运算结果的保 说 明 书 CN 102519739 A 4 3/6 页 5 存、 与计算机通讯等功能。 0020 加速度传感器。正常情况下列车车体各个方向的振动加速度值都小于 1g， 而且特 性频率一般都在 10Hz 以内， 因此检测仪采用 ZW9609A-2 型号的 IC 应变 3 向加速度传感器， 其频响范围为 DC-2500Hz， 测量范围为 2g， 输出电压信号为 0 5V。 0021 PCM-8208BS 高速模拟量输入卡。它完全遵守 PC/104 总线规范， 具有 16 路单端输 入通道， 因此能够对3路模拟信号同时进行采集， 并通过PC/104总线。
16、接口传送到主板中。 内 置一个 5 级可调的可编程增益放大器 (PGA)， 每个通道可以独立设置增益， 输入量程从 10V 到采样速率可均匀分配给使能的通道， 还可设置分频系数以降低采样速率。PCM-8208BS 为 16 位卡， 共有 4 个只读寄存器和 4 个只写寄存器， 内置 1K 深度的 FIFO， 可使能满中断、 半满 中断、 空中断。所有输入端口都具备过压保护功能。具备耐压 2500VDC 的隔离保护。 0022 EPC-8000I-L PC/104 嵌入式工控机主板。其 CPU 采用高性能的 XScale 处理器 PXA270， 工作频率104MHz520MHz， 具有256MB。
17、大容量NAND Flash存储器、 2MB BootLoader NOR Flash 和 64MB SDRAM 存储器， 拥有 1 个 CF 卡接口、 1 路 10/100M 以太网接口、 1 路 USB HOST 接口和 5 个 RS232 串口， 并支持 DSTN 和 TFT 液晶屏显示， 最大分辨率可达 800600。 0023 EPC-8000 液晶套件。包括 MAA084DVC05， 199.5x149x11.5mm， 8.4的液晶屏、 四线 电阻式触摸屏、 逆变器和相关的线。 0024 由于在列车运行过程中进行振动检测存在许多干扰， 因此需要对振动加速度信号 dataN(N 为采样。
18、点数 ) 进行滤波。首先利用公式 (1) 和 (2) 进行均值滤波， 来减弱直流分 量的干扰。 0025 datai datai-mean (2) 0026 列车车体有效的振动信号一般低于 10Hz， 因此对于高频干扰信号， 采用 40Hz 巴特 沃斯低通滤波器分别对三路振动信号进行滤波。归一化 10 阶巴特沃斯滤波器系统函数如 式 (3) ： 0027 0028 低通滤波器反归一化关系式 (4) ： 0029 0030 UIC513 标准中指出了铁路车辆乘坐舒适性的评估方法 ： 每隔 5 秒钟进行加权有效 值的计算， 5分钟期限内对这些有效值进行统计分析得出平均乘坐舒适性指数和等级。 该检 。
19、测仪采用简化公式 (5) 进行平均乘坐舒适度指标的计算， 并利用表 1 划分列车综合舒适度 等级。 0031 说 明 书 CN 102519739 A 5 4/6 页 6 0032 其中分别表示每 5s 进行对地板横、 纵、 垂三向加速度进行 加权有效值的计算结果， 95 则表示 5 分钟期限内分别对 60 个有效值进行统计， 计算含有百 分比波动值的有效值。 0033 表 1 列车综合舒适度等级划分表 0034 0035 GB5595-85 标准推荐在计算平稳性指标时， 对于车体加速度的频谱分析取 20s， 以 2s 为一段， 对每段的采样点进行快速傅里叶变换得频谱， 最终频谱图为 10 段。
20、频谱图的均 值， 根据该频谱利用平稳性计算公式 (6) 和 (7) 得出平稳性指标。 0036 和 0037 式中， n 为选定频率范围内振动波形进行频谱分组的组数 ； 为振动波形进行频谱 分组后在频率为时的振动加速度幅值 ； F(f) 为频率修正系数， 取值列于表 2 中。 0038 表 2 频率修正系数 0039 0040 利用计算出来的指标值和客运列车平稳性划分等级表 3 即可得到列车平稳性等 级。 0041 表 3 客车运行平稳性等级 0042 0043 该检测仪使用MontaVista Realtime Linux操作系统， 基于GTK+1.2进行进行GUI 编程。GTK(GIMP 。
21、Toolkit) 是一套用于创建图形用户界面的工具包。GTK 最初是 GIMP 的专 用开发库， 后来发展为Linux下开发图形界面的应用程序的主流开发工具之一。 GTK实质上 是一个面向对象的应用程序接口 (API)。GTK+ 是 GTK 的新版本， 采用 C 语言开发， 设计上灵 活运用了面向对象 (OOD) 思想， 在消息机制上采用了信号机制。 0044 对于绘图模块 ： 采用 GTK 双缓冲技术， 该技术并不直接在屏幕上显示影像， 而是在 说 明 书 CN 102519739 A 6 5/6 页 7 内存中开辟一片背景缓冲区， 在缓冲区中对影像更新、 修改后再显示。但是仅用双缓冲技 术。
22、只能解决闪烁问题， 绘图效率还是不高。为节约绘图时间， 把绘图过程中分为两个部分， 即 ： 动态部分与静态部分。静态是不随时间变化的部分比如网格线、 坐标等 ； 动态部分是指 随时间实时变化的部分比如加速度曲线、 结算结果等。 由此可见， 我们只要实时刷新动态部 分， 没必要对静态重绘。为实现这一思路， 我们在静态内存里开辟一个空间存放 pixmap， 把 静态部分放在里面， 等我们要重绘的时候， 直接从内存拷贝过来， 然后动态部分在静态上绘 图。由于内存拷贝是很快的， 所以这种方案既节省时间又能减轻系统负担。绘图区用于实 时显示三向加速度曲线， 每 128ms 刷新一次。数值与状态显示区每 。
23、512ms 刷新一次三向加 速度值， 每5s刷新一次综合舒适度指标值及等级， 每2s刷新一次横向和垂向平稳性的指标 值及等级。 0045 根据 UIC513 标准和 GB5595-85 标准， 每 5s 计算一次加速的加权有效值， 每 2s 计 算一次频谱， 因此系统需要以 10s 为时间间隔周期循环进行， 即系统保存的原始采样数据 以 10s 为周期进行更新。另外， PCM-8208BS 的输入端采用使能半满中断， 即工控主板的输 入缓冲区每 512ms 接收来自 PCM-8208BS FIFO 寄存器的 512 个加速度数据。因此主程序以 512ms 为周期循环运行， 为了保证系统的实时性。
24、， 把平稳性和舒适度的运算程序拆分成 20 个子程序分散到每一个主循环中进行。对与每个主循环执行以下操作 ： 从输入缓冲区读取 一次原始数据存入全局数组中， 绘制 4 次加速度曲线、 进行一次数据保存和一次运算。如图 2 所示。 0046 如果采用传统的方法处理， 每5分钟得到一个舒适度指标， 每20s得到一个平稳性 指标， 在实时性方面性能较差。经研究， 该系统采用自主设计的循环运算法， 达到每 5s 计 算一次舒适度， 每 2s 计算一次平稳性。为达到和以 512ms 为周期的主循环相协调， 均衡分 配系统整个运行过程中的资源的目的， 把该系统平稳性和舒适度的算法拆分成 20 个独立 的模。
25、块， 即把以 20 个 512ms 为一个大循环的运算分散到 20 个 512ms 的小循环中运行， 见 图 3 解析。同时利用全局变量实现数据模块的独立性 ： originalxNUM， originalyNUM， originalzNUM 分别存储垂、 横、 纵三个方向上 20 个 512ms 的数据， 即 ： NUM 20x512 ； cxdataCNUM， cydataCNUM， czdataCNUM 分别存储 10 个 512ms 的数据用于舒适度的计 算 (RDCxyz) ； sydataSNUM， szdataSNUM， 分别存储 4 个 512ms 的数据用于平稳性的计 算 (。
26、RDSz， RDSy)。对于舒适度以 5.12s 为周期得到垂、 横、 纵三个方向各一个加速度的加权 有效值， 分别存入 statisticsx60、 statisticsy60、 statisticsz60 中 (Cx， Cy， Cz) ； 对于平稳性， 每 2.048s 得到垂向和纵向的一个加速度频谱存入到 fspectrumzN10 和 fspectrumyN10 中 (Sy， Sz)。以上这些数据均利用循环覆盖的方法不断更新， 实现了每 5.12s 刷新一次舒适度指标值 (C)， 每 2.048s 刷新一次平稳性指标值 (Sy， Sz)。( 注 ： SRC， SRSy， SRSz 分别。
27、为保存舒适度以及纵向和垂向平稳性的指标值 ； PPCxy ： 对横向和纵向的舒 适度数据进行均值滤波和 40Hz 低通滤波， 把这两个运算模块提取出来主要是为了均衡运 算时间。) 0047 为了验证检测仪的准确性， 将检测仪检测得到的列车车体原始振动加速度信号传 输到计算机中， 利用 MATLAB 软件计算列车的舒适度和平稳性。两种方法计算出的列车舒适 度列于表 4 中， 横向平稳性列于表 5 中， 垂向平稳性列于表 6 中。 0048 表 4 ： 检测仪 / 计算机计算所得的综合舒适度测试值 / 计算值比较 说 明 书 CN 102519739 A 7 6/6 页 8 0049 0050 表。
28、 5 检测仪 / 计算机计算所得的横向平稳性测试值 / 计算值比较 0051 0052 表 6 检测仪 / 计算机计算所得的垂向平稳性测试值 / 计算值比较 0053 0054 由以上表格数据比较说明两种方法得出的评定结果是一致的， 测试仪能够非常准 确地计算列车的舒适度和平稳性， 达到实时检测的效果， 其精度达到 0.001 ； 设备具有丰富 的人际界面和较小的体积， 使得检测更方便、 快捷、 直观。 0055 以上说明书中描述的只是本发明的具体实施方式， 各种举例说明不对本发明的实 质内容构成限制， 所属技术领域的普通技术人员在阅读了说明书后可以对以前所述的具体 实施方式做修改或变形， 而不背离发明的实质和范围。 说 明 书 CN 102519739 A 8 1/3 页 9 图 1 说 明 书 附 图 CN 102519739 A 9 2/3 页 10 图 2 说 明 书 附 图 CN 102519739 A 10 3/3 页 11 图 3 说 明 书 附 图 CN 102519739 A 11 。