關(guān)鍵詞: 地鐵列車; 加速度; 動態(tài)采集; 特征分析

 

0 引言

      隨著我國城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，地鐵作為有效緩解城市交通的主要方式備受關(guān)注。地鐵列車的運行有如下幾個特點: ( 1) “快啟快停”，即地鐵列車運行間隔短，頻繁啟停是地鐵列車運行的主要特點之一; ( 2) 小曲線半徑，由于運行線路的實際情況，往往地鐵線路具有大坡道、小曲線特點。鑒于上述特點，地鐵列車在運行過程中，對其運行平穩(wěn)性指標(biāo)有較大影響。因此研究列車牽引、制動的加減速度特征有利于分析列車動力學(xué)參數(shù)，同時便于尋找線路、列車之間的良好匹配。

 

1 無線數(shù)采系統(tǒng)原理

1． 1 無線傳輸方式選擇

      常用的無線傳輸方式包括紅外、超聲波、無線電波等，紅外和超聲波都有穿透性差、方向性強、傳輸距離短等缺點，不能滿足項目需求，而無線電波可以克服前兩種傳輸方式的不足，是該項目傳輸?shù)睦硐脒x擇。

      常用的無線電波傳輸方式有 GPRS、GSM、WIFI、ZigBee 等，它們的性能特點如表 1 所示。GPRS 和 GSM 對系統(tǒng)資源要求較高，并且需要向服務(wù)商支付服務(wù)費用; WIFI 主要適用于 Web 和視頻，使用成本相對較高; 藍(lán)牙傳輸距離較短，不能滿足需求; ZigBee 是專為小型局域網(wǎng)制定的，主要用于工業(yè)控制、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等，而且具有低成本、高可靠性等優(yōu)點。綜合成本、可靠性等因素，采用 ZigBee技術(shù)最能滿足運行列車中動態(tài)采集信息的傳輸。

 

 

1． 2 系統(tǒng)工作原理

      系統(tǒng)由多個無線數(shù)據(jù)采集模塊、傳感器、收發(fā)器以及處理中心計算機組成。在列車上需要進(jìn)行監(jiān)測的地方安裝有傳感器與無線收發(fā)器。傳感器用于采集加速度信號，進(jìn)行本地數(shù)字化后通過無線收發(fā)器發(fā)出，置于中間的無線收發(fā)器 2 處于主節(jié)點工作模式，并將各無線收發(fā)器傳過來的信號通過有線方式傳輸給處理中心計算機。

      無線收發(fā)器工作過程中，通過通訊協(xié)議避免其他無線收發(fā)器信息的干擾，圖 1 所示為無線數(shù)據(jù)采集模塊功能圖。主要包括: MCU 作為控制中心、加速度傳感器及信號處理電路、電源管理模塊、內(nèi)存單元EEPROM、無線 ZigBee 路由模塊以及配置接口等。

 

 

 

2 無線數(shù)采系統(tǒng)軟硬件構(gòu)成

2． 1 硬件設(shè)備及人機界面

      該文采用同濟大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院課題組研制的無線數(shù)采系統(tǒng)，圖 2 所示為系統(tǒng)硬件實物及軟件人機界面。

 

 

2． 2 軟件流程

      系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境基于 WinAVR －20090313 和 AVRStudio4． 17，軟件設(shè)計采用嵌入式 C 語言設(shè)計，在 PC上進(jìn)行交叉編譯，然后使用 Atmel 官方推出的JTAGICE mkII 仿真工具下載到 MCU 上調(diào)試。由于采用 C 語言設(shè)計，程序結(jié)構(gòu)清晰，可讀性好，便于維護(hù)。

      為了提高運行的可靠性，系統(tǒng)啟用 WDT 監(jiān)視定時器，在規(guī)定時間內(nèi)若 MCU 沒有刷新 WDT 寄存器，則 WDT 溢出，產(chǎn)生復(fù)位信號，引導(dǎo) MCU 重新執(zhí)行。依靠 WDT 功能，MCU 在惡劣的工業(yè)場所里大大提高了可靠性和可用性。

      系統(tǒng)工作流程如圖 3 所示。

 

 

3 采集實例與分析

      通過 2 個無線監(jiān)測模塊分別監(jiān)測地鐵運行過程中 3 個方向的加速度變化，以及車廂溫度參數(shù)變化。2 個無線監(jiān)測模塊之間采用數(shù)據(jù)透明傳輸方式進(jìn)行通訊，其中一個作為主站與筆記本電腦通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，筆記本電腦對 2 個節(jié)點監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時顯示、存貯，以便進(jìn)行后續(xù)分析。

      圖 4、圖 5 為試驗結(jié)果。其中圖 4 所示為列車運行 15 個車站的列車牽引、制動加速度變化曲線。圖 5 所示為列車經(jīng)過第 4、5 個車站區(qū)間的牽引、制動加速度變化曲線。

      由圖 4、圖 5 可知:

      ( 1) 列車運行過程的最大加速度為 1．1 m/s2，最大減速度為 0．6 m/s2;

      ( 2) 在每個區(qū)間( 兩站之間) 的牽引、制動控制模式基本一致，主要表現(xiàn)為“恒力矩牽引 － 惰行 － 變力矩牽引 －小級位制動 －惰行( 牽引) －制動 －停車”;

      ( 3) 在一個牽引、制動周期內(nèi)，出現(xiàn)了牽引制動交替控制現(xiàn)象，交替頻率為 3 ～4 次，交替頻率越高，對乘客舒適度影響越大。

      通過地鐵運行過程中相關(guān)參數(shù)的監(jiān)測，可以方便地進(jìn)行列車運行狀態(tài)評估，如縱向沖動、垂向模態(tài)、列車運行舒適度，列車牽引制動性能變化等參數(shù)，為列車運行參數(shù)及動力學(xué)參數(shù)優(yōu)化調(diào)整提供參考。

 

 

4 小結(jié)

      鑒于地鐵列車運行過程中呈現(xiàn)的“快啟快停”、小曲線半徑以及坡道變化明顯等特點，研究運行過程中列車的加減速度特征有重要意義。基于無線傳感方式動態(tài)采集列車加減速度適應(yīng)性強，容易操作。采用同濟大學(xué)研制的無線加速度動態(tài)采集系統(tǒng)對地鐵進(jìn)行了實地測量，搜集了 15 個典型車站運行期間的列車運行加減速度變化，基本掌握了其變化規(guī)律和數(shù)據(jù)特征，在此基礎(chǔ)上可以方便地進(jìn)行列車運行狀態(tài)評估，如縱向沖動、垂向模態(tài)、列車運行舒適度，列車牽引制動性能變化等參數(shù)，為列車運行參數(shù)及動力學(xué)參數(shù)優(yōu)化調(diào)整提供參考。