列車折關(guān)檢測系統(tǒng)分析及數(shù)據(jù)處理算法研究

1 引言
    列車在運行過程中，若發(fā)生折角塞門誤關(guān)(簡稱折關(guān)，主要由人為故意破壞非正常關(guān)閉折角塞門或者折角塞門由于長久工作而自然損壞兩方面原因造成)，在列車需要制動時，使空氣制動功能受到影響，制動力下降，嚴(yán)重時將造成列車冒進(jìn)、追尾等事故。因此，列車“折關(guān)”是鐵路安全運行中存在的重要問題之一。鐵道部1988年已將防止折角塞門關(guān)閉造成事故問題列為鐵路安全的重點攻關(guān)項目。目前對列車折關(guān)檢測主要是根據(jù)對列車管內(nèi)氣壓數(shù)據(jù)的采樣，然后與正常情況下的數(shù)據(jù)對比計算獲得折關(guān)與否以及折關(guān)的具體位置?；诖嗽硌邪l(fā)成的檢測裝置大致有三類： (1)列車尾部安全裝置，(2)列車折關(guān)檢測報警記錄裝置(列車管貫通狀態(tài)檢測儀)， (3)列車制動主管漏泄檢測儀。本文介紹的系統(tǒng)設(shè)計是基于列車折關(guān)檢測報警記錄裝置原理。

2 檢測系統(tǒng)電路設(shè)計
    檢測系統(tǒng)電路包括信號調(diào)理板、單片機(jī)電路、濾波放大電路、A／D轉(zhuǎn)換電路、顯示電路等，如圖1所示。單片機(jī)是系統(tǒng)的核心，它控制A／D轉(zhuǎn)換器采樣經(jīng)濾波放大后的壓力、差壓信號并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，按照一定的算法規(guī)則處理后，得到代表列車管貫通狀態(tài)的具體值并送顯示電路。

2．1 濾波放大電路
    裝置檢測盒送出的壓力P是0mA～20mA信號，差壓。DP是10±10mA信號，這種電流源信號對激勵電壓的變化不敏感，長導(dǎo)線傳輸也不會因電壓降或感應(yīng)噪聲產(chǎn)生誤差。由于列車運行時現(xiàn)場條件惡劣且干擾嚴(yán)重，加之?dāng)U散硅壓阻傳感器本身對聲壓及其它雜散干擾較為敏感，傳感器送給主機(jī)的兩個信號分別經(jīng)過兩個低通濾波器，使信號質(zhì)量得到提高，該低通濾波器采用MAX291，它是一個8級巴特沃斯低通濾波器，為了防止信號過載使濾波器失效和損壞，兩輸入信號均加有硬件過載保護(hù)電路。放大部分由LMl24及外圍元件組成，它將P和DP分別放大到10V和5V+5V，供A／D轉(zhuǎn)換使用。圖2是壓力P信號的慮波放大電路原理圖，可調(diào)比較電平是在定壓5kg和6kg二種情況下，為截取信號的有用變化分量進(jìn)行充分放大而設(shè)置的。
2．2 A／D轉(zhuǎn)換電路
    A／D轉(zhuǎn)換過程中，每隔時間T對輸入的連續(xù)信號進(jìn)行采樣，采樣后的數(shù)據(jù)在時間上是離散的，然后經(jīng)過量化(即編碼)將模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號。在A／D轉(zhuǎn)換器中，采用四舍五入的取整量化方式。毫無疑問，量化會使信號失真，給系統(tǒng)帶來量化誤差，影響系統(tǒng)的精度和過程平滑。為了減少量化誤差對系統(tǒng)精度和平滑性的影響，應(yīng)該正確地選用A／D轉(zhuǎn)換器。
    當(dāng)監(jiān)測列車管中氣體的壓力、差壓變化時，需要同時對兩個信號進(jìn)行實時采集并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，為了提高系統(tǒng)的動態(tài)性能和測量精度，采用了12位高速A／D轉(zhuǎn)換器MAXl96來進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并用MAX624l做基準(zhǔn)。經(jīng)前向處理后的P和DP信號分別送到MAXl96的CH0和CHl，在89C5l的控制下完成A／D轉(zhuǎn)換。圖3為A／D轉(zhuǎn)換電路連接圖。

2．3 顯示電路
    裝置的顯示采用MAX7219驅(qū)動LED顯示器。它與微處理器的連接簡單，可以與微處理器任意三個端口連接。如圖4所示為微處理器與MAX7219的一種連接方式。

    MAX7219是一種高集成化的串行輸入／輸出的共陰極LED顯示驅(qū)動器。每片可驅(qū)動8位7段加小數(shù)點的共陰極數(shù)碼管，可以多片級聯(lián)，只需將上一片的DOUT連接下一片的DIN即可，CLK和LOAD線全部公用，連在一起。在多片級聯(lián)時，對MAX7219的操作指令要注意LOAD信號的起止點，操作開始時，LOAD下降為低電平，按照每片MAX7219兩個字節(jié)，如果有N片，則發(fā)送2N個字節(jié)后，LOAD上升為高電平。還需注意的是，先發(fā)送的指令將到達(dá)級聯(lián)的最后一片。MAX7219內(nèi)部設(shè)有掃描電路，除了更新顯示數(shù)據(jù)時從單片機(jī)接收數(shù)據(jù)外，平時獨立工作，極大地節(jié)省了MCU有限的運行時間和程序資源。

3 折關(guān)檢測算法研究
3．1 數(shù)據(jù)分析及選擇
    列車折關(guān)故障檢測系統(tǒng)由于是一個存在各種非理想因素的復(fù)雜系統(tǒng)，檢測所測得的信號帶有很大的隨機(jī)性，其特征往往只能從統(tǒng)計意義上予以描述。在這里，傳統(tǒng)的濾波方法不可能將無用信號從測量數(shù)據(jù)中分離出來，為了獲取可信度較高的有用數(shù)字信息，采用從數(shù)據(jù)系列中提取逼近真值數(shù)據(jù)的軟件算法，由于這種軟件濾波具有較強(qiáng)的自適應(yīng)性，其效果往往是硬件濾波電路所達(dá)不到的。
    對于n次等精度數(shù)據(jù)采集，存在著系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和因突發(fā)干擾引起的疏失誤差，這都將使采集的數(shù)據(jù)偏離真值。此時，可用剔除m個誤差數(shù)據(jù)后的n—m個測量數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值y作為測量結(jié)果的真值。

   
    式中yi為第i次的系統(tǒng)參數(shù)測量值。
    這種用有限次測量序列的算術(shù)平均值來代替真值y的做法，應(yīng)用了算術(shù)平均值原理。N的取值由系統(tǒng)特性決定并遵從貝賽爾均方根誤差公式：

   
    此式不但說明了用算術(shù)平均值代替真值其殘余誤差的平方和ε為最小，而且也說明了采樣次數(shù)n增加λ值降低。但由于的規(guī)律減少，故λ的降低速率比n—m要慢得多，當(dāng)n—m>10后，λ降低的效果很不明顯。另外，考慮到當(dāng)n過大時，等精度測量的條件已不存在。所以，n—m=4～10較為合適，該檢測裝置根據(jù)測量精度要求及運算速度等因素考慮取值為8，該軟件濾波方法對提高檢測裝置的測量準(zhǔn)確度十分有效。
3．2 折關(guān)故障診斷方法
    由于列車管的總耗氣量Q與減壓量△P、車輛數(shù)n、由泄漏引起的耗氣量Q2均為非線性關(guān)系，但是相同車輛數(shù)時Q與△P的關(guān)系及同一△P下Q與n的關(guān)系可以用實測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后擬合出符合測量誤差要求的曲線關(guān)系。對于Q2，則存在較大的隨機(jī)性，因此要求檢測管壓的精度最好高于允許的20kPa誤差。
    列車出發(fā)前如果能檢測到緩解時對應(yīng)于△P的Q，運行中若有折角塞門誤關(guān)或泄漏，則實測的Q3比Q小或者大，因此可以通過測流量的方法進(jìn)行診斷。但考慮到實際情況，測Q的方案并不可靠，因為在機(jī)車列車管處安裝射流流量傳感器施工上不方便，另外測量Q值的一致性較差，容易受到其他因素的干擾。相比較而言，制動管中壓力P的測量受各種因素的影響較小且易于獲得，因此本系統(tǒng)采用檢測管壓并結(jié)合充氣時間判斷是否有誤關(guān)或泄漏故障。
    編組已定的列車出車前經(jīng)過多次試驗獲取對應(yīng)于不同減壓量△P時，根據(jù)多次試驗結(jié)果計算出允許的最大充氣時間和最少時間，就可以通過實時監(jiān)測緩解工況時列車管中由某壓力升至略低于定壓時所用的時間來判斷是否發(fā)生折角塞門誤關(guān)故障以及泄漏故障，折角塞門誤關(guān)故障診斷流程如圖5所示。

4 結(jié)語
    通過樣機(jī)裝車在株洲機(jī)務(wù)段試運行，本裝置系統(tǒng)能較理想檢測出列車折關(guān)故障，檢測出的折關(guān)位置誤差在三輛之內(nèi)，基本滿足運行需求。為了提高檢測精度，需要進(jìn)一步收集數(shù)據(jù)，進(jìn)行多次試驗，充分掌握影響列車制動各因素(如列車管氣路泄漏，氣溫、氣流速度等)，用于完善數(shù)學(xué)模型。