李亮亮，李文正，孫曉濤

(1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；2.中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031)

我國(guó)鐵路事業(yè)的發(fā)展日新月異，高速動(dòng)車組的運(yùn)營(yíng)速度不斷提升，與此同時(shí)，對(duì)高速動(dòng)車組運(yùn)營(yíng)安全的要求也越來(lái)越高；由于轉(zhuǎn)向架自身屬性以及自激振蕩等原因，高速動(dòng)車組列車蛇行運(yùn)動(dòng)普遍存在，橫向等幅振動(dòng)加劇會(huì)造成車體橫向失穩(wěn),影響列車運(yùn)行的穩(wěn)定性，甚至造成非常嚴(yán)重的安全事故。動(dòng)車組失穩(wěn)檢測(cè)的設(shè)計(jì)尤為重要，本文研究基于ARM和FPGA架構(gòu)嵌入式平臺(tái)的動(dòng)車組實(shí)時(shí)失穩(wěn)檢測(cè)裝置，通過(guò)設(shè)置在轉(zhuǎn)向架上的失穩(wěn)加速度傳感器采集橫向和垂向振動(dòng)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)算法計(jì)算振動(dòng)的加速度值來(lái)實(shí)現(xiàn)失穩(wěn)預(yù)警和報(bào)警，通過(guò)車體下的平穩(wěn)傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛平穩(wěn)性的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，經(jīng)綜合診斷后向車輛輸出橫向、垂向平穩(wěn)性值以及縱向沖動(dòng)評(píng)價(jià)結(jié)果。

1 ARM+FPGA架構(gòu)的嵌入式平臺(tái)

高速動(dòng)車組列車失穩(wěn)檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)具有實(shí)時(shí)性、快速性特點(diǎn)，需要有健康的數(shù)據(jù)管理和全面的故障診斷系統(tǒng)，在迭代過(guò)程中，增加了以太網(wǎng)數(shù)據(jù)落地等新功能，需要對(duì)較大數(shù)據(jù)量進(jìn)行處理，并且采用12通道并行采樣，這就要求主控芯片能實(shí)現(xiàn)高速的多通道數(shù)據(jù)采集和大量數(shù)據(jù)的緩存[1]。傳統(tǒng)應(yīng)用的Cortex M系列單片機(jī)不論采樣外設(shè)接口還是數(shù)據(jù)處理速度，對(duì)于失穩(wěn)檢測(cè)系統(tǒng)模擬信號(hào)的高速多通道并行采樣和高時(shí)序精度要求上，已逐漸無(wú)法滿足。

本文設(shè)計(jì)的失穩(wěn)檢測(cè)系統(tǒng)采用ARM+FPGA的架構(gòu)。其中ARM采用AM3358芯片，內(nèi)核為Cortex-A8高端架構(gòu)，最高運(yùn)行主頻可達(dá)1 GHz；設(shè)有2 GB的DDR3內(nèi)存，可以滿足失穩(wěn)檢測(cè)系統(tǒng)預(yù)警和報(bào)警算法的大數(shù)據(jù)計(jì)算；設(shè)有4 GB的NAND存儲(chǔ)器，具有百兆工業(yè)以太網(wǎng)接口，方便系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)維護(hù)和調(diào)試；預(yù)留了設(shè)備地址識(shí)別口和UART維護(hù)接口，方便系統(tǒng)的裝車維護(hù)[2]；設(shè)有1路USB接口，該接口可作為數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)下載的接口。FPGA采用Spartan-6芯片，具有可編程的系統(tǒng)集成，可以實(shí)現(xiàn)時(shí)域信號(hào)的快速傅里葉變換，得到頻域數(shù)據(jù)；具有高系統(tǒng)性能，高達(dá)8個(gè)低功耗的3.2 Gb/s串行收發(fā)器，總功耗低；具有1.2 V和1.0 V的內(nèi)核電壓選項(xiàng)，可滿足轉(zhuǎn)向架和車體振動(dòng)數(shù)據(jù)的高速采集以及高時(shí)序精度要求。

ARM與FPGA之間采用GPMC總線進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互，ARM芯片可以把FPGA當(dāng)作外部SDRAM來(lái)進(jìn)行通信，通過(guò)地址總線、數(shù)據(jù)總線、讀寫控制線以及片選線相連[3]，可以通過(guò)GPMC總線向FPGA寫入讀寫操作指令，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和傳輸功能，并增加CRC16校驗(yàn)確保數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確性。ARM+FPGA架構(gòu)功能框圖如圖1所示。

圖1 ARM+FPGA架構(gòu)功能框圖

2 失穩(wěn)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 體系結(jié)構(gòu)

在高速動(dòng)車組列車上，每節(jié)車廂安裝一個(gè)失穩(wěn)檢測(cè)系統(tǒng)主機(jī)(BIDS)配備2個(gè)失穩(wěn)檢測(cè)傳感器(AS)和2個(gè)平穩(wěn)性檢測(cè)傳感器(PS)，失穩(wěn)檢測(cè)傳感器安裝在轉(zhuǎn)向架上，平穩(wěn)性檢測(cè)傳感器安裝在車體上，失穩(wěn)檢測(cè)系統(tǒng)主機(jī)具有MVB總線和列車以太網(wǎng)通信接口，可以與列車控制和管理系統(tǒng)(TCMS)進(jìn)行通信，將失穩(wěn)監(jiān)測(cè)信息實(shí)時(shí)上傳，并迅速通過(guò)TCMS將相關(guān)的故障信息傳輸至司機(jī)室的顯示屏，告知司機(jī)當(dāng)前發(fā)生的故障[4]。失穩(wěn)檢測(cè)系統(tǒng)在動(dòng)車組列車上的具體分布如圖2所示。

圖2 失穩(wěn)檢測(cè)系統(tǒng)分布示意圖

2.2 失穩(wěn)檢測(cè)系統(tǒng)

失穩(wěn)檢測(cè)系統(tǒng)主要由失穩(wěn)檢測(cè)傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集與處理模塊、濾波模塊、綜合診斷模塊以及網(wǎng)絡(luò)通信模塊組成，如圖3所示。通過(guò)失穩(wěn)檢測(cè)傳感器采集失穩(wěn)加速度信號(hào)，加速度信號(hào)經(jīng)硬件調(diào)理電路、硬件濾波電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換，成為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)失穩(wěn)預(yù)警、報(bào)警邏輯判斷進(jìn)行綜合診斷[5]；通過(guò)平穩(wěn)性檢測(cè)傳感器采集平穩(wěn)加速度信號(hào)，經(jīng)過(guò)綜合診斷后得到平穩(wěn)性評(píng)估值，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通信模塊將綜合診斷信息上傳列車級(jí)網(wǎng)絡(luò)[6]。

2.2.1 失穩(wěn)檢測(cè)傳感器模塊

失穩(wěn)檢測(cè)傳感器模塊安裝在列車轉(zhuǎn)向架上，采用電流式加速度傳感器，功能是實(shí)時(shí)高速地采集動(dòng)車組列車轉(zhuǎn)向架的橫向振動(dòng)信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，傳至數(shù)據(jù)采集與處理模塊。

2.2.2 數(shù)據(jù)采集處理模塊

將失穩(wěn)檢測(cè)傳感器采集的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)硬件調(diào)理電路和硬件濾波電路處理后通過(guò)16位模擬信號(hào)采集芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳至FPGA，F(xiàn)PGA將處理好的振動(dòng)數(shù)據(jù)根據(jù)內(nèi)部協(xié)議放入FIFO緩存，通過(guò)GPMC總線傳至ARM進(jìn)行綜合診斷操作。

2.2.3 濾波模塊

設(shè)計(jì)了FIR帶通濾波器，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)采集的信號(hào)在0.5～10 Hz進(jìn)行帶通濾波，濾掉其他頻帶的噪聲干擾，將采集到的有效數(shù)字信號(hào)輸入算法診斷模塊，提升對(duì)轉(zhuǎn)向架失穩(wěn)檢測(cè)的準(zhǔn)確度[7]。

2.2.4 綜合診斷模塊

綜合診斷模塊將采集的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行消除趨勢(shì)值、帶通濾波等預(yù)處理操作；將預(yù)處理后的信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析、頻域分析特征提取以及模式識(shí)別的處理[8]；對(duì)列車橫向穩(wěn)定性進(jìn)行綜合評(píng)估，得到列車運(yùn)行穩(wěn)定性的預(yù)警和報(bào)警狀態(tài)；同時(shí)系統(tǒng)具有自診斷功能，可實(shí)時(shí)對(duì)自身各模塊功能進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)故障模塊給出故障提示。

圖3 失穩(wěn)檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2.5 網(wǎng)絡(luò)通信模塊

網(wǎng)絡(luò)通信模塊由網(wǎng)絡(luò)交互模塊和并口模塊組成，主要功能是將列車穩(wěn)定性綜合診斷狀態(tài)上傳至列車控制端[9]，并通過(guò)列車網(wǎng)絡(luò)獲取列車基本信息。

圖4為失穩(wěn)檢測(cè)流程圖。

圖4 失穩(wěn)檢測(cè)流程圖

平穩(wěn)性評(píng)估作為輔助功能，將平穩(wěn)性評(píng)估值上傳列車網(wǎng)絡(luò)用作車體平穩(wěn)性參考，其處理流程如圖5所示。

圖5 平穩(wěn)性評(píng)估流程圖

3 仿真測(cè)試與應(yīng)用分析

3.1 失穩(wěn)檢測(cè)仿真測(cè)試

失穩(wěn)檢測(cè)仿真測(cè)試依據(jù)GB/T 5599—2019標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行[10]，在0.5～10 Hz對(duì)傳感器采集信號(hào)進(jìn)行帶通濾波，動(dòng)車構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度峰值10 min內(nèi)3次超過(guò)5 m/s2時(shí)判定為失穩(wěn)預(yù)警；在0.5～10 Hz對(duì)傳感器采集信號(hào)進(jìn)行帶通濾波，橫向振動(dòng)加速度峰值連續(xù)振動(dòng)10次以上達(dá)到或超過(guò)8 m/s2時(shí)判定為失穩(wěn)報(bào)警。

采用信號(hào)發(fā)生器模擬加速度傳感器輸入信號(hào)進(jìn)行系統(tǒng)的測(cè)試，根據(jù)橫向失穩(wěn)預(yù)警和報(bào)警判斷標(biāo)準(zhǔn)，采用信號(hào)發(fā)生器輸出對(duì)應(yīng)幅度加速度值為5.2 m/s2的正弦信號(hào)作為傳感器采集信號(hào)傳入系統(tǒng)，頻率為1 Hz。試驗(yàn)表明，在輸入信號(hào)的加速度值3次超過(guò)5 m/s2時(shí)，報(bào)出失穩(wěn)預(yù)警，如圖6所示。采用信號(hào)發(fā)生器輸出對(duì)應(yīng)幅度加速度值為10 m/s2的正弦信號(hào)，頻率為1 Hz。試驗(yàn)表明，在輸入加速度信號(hào)10次超過(guò)8 m/s2時(shí)，報(bào)出失穩(wěn)報(bào)警，如圖7所示。

圖6 失穩(wěn)預(yù)警分析

圖7 失穩(wěn)報(bào)警分析

仿真測(cè)試表明，本文設(shè)計(jì)的基于振動(dòng)信號(hào)實(shí)時(shí)采集和處理的失穩(wěn)檢測(cè)系統(tǒng)可以滿足GB/T 5599—2019標(biāo)準(zhǔn)要求，給定滿足預(yù)警和報(bào)警的輸入信號(hào)，經(jīng)過(guò)算法處理后對(duì)應(yīng)預(yù)警和報(bào)警的標(biāo)志位置1，可以實(shí)時(shí)和準(zhǔn)確地報(bào)出失穩(wěn)預(yù)警和報(bào)警狀態(tài)。

3.2 應(yīng)用案例分析

圖8為2021年3月27日某動(dòng)車組載客運(yùn)營(yíng)中的真實(shí)數(shù)據(jù)，該動(dòng)車組列車裝有上述失穩(wěn)檢測(cè)系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)工作人員反饋于2021年3月27日17時(shí)48分列車司機(jī)控制臺(tái)主顯示屏報(bào)出07車一位端轉(zhuǎn)向架失穩(wěn)預(yù)警，分析故障時(shí)刻數(shù)據(jù)，在20 s內(nèi)出現(xiàn)3次超過(guò)失穩(wěn)預(yù)警閾值的振動(dòng)數(shù)據(jù)，預(yù)警時(shí)存在振動(dòng)強(qiáng)度較大的情況，后續(xù)維護(hù)人員根據(jù)失穩(wěn)檢測(cè)系統(tǒng)報(bào)出信息，對(duì)07車一位端轉(zhuǎn)向架進(jìn)行檢查和動(dòng)力學(xué)參數(shù)調(diào)整，之后跟蹤分析運(yùn)營(yíng)記錄數(shù)據(jù)，該動(dòng)車組列車運(yùn)行平穩(wěn)。

圖8 某動(dòng)車組載客運(yùn)營(yíng)的真實(shí)數(shù)據(jù)分析

通過(guò)實(shí)際應(yīng)用案例可以看出，失穩(wěn)檢測(cè)系統(tǒng)可以通過(guò)傳感器采集列車運(yùn)行中轉(zhuǎn)向架振動(dòng)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)動(dòng)車組運(yùn)行狀態(tài)，在轉(zhuǎn)向架存在異常振動(dòng)時(shí)可以預(yù)先針對(duì)異常情況實(shí)時(shí)預(yù)警和報(bào)警，通過(guò)對(duì)列車運(yùn)行失穩(wěn)的預(yù)判來(lái)避免事故的發(fā)生，保障行車安全，檢修人員可以根據(jù)故障提示有針對(duì)性地了解運(yùn)營(yíng)車輛的轉(zhuǎn)向架性能。

4 結(jié)論

基于ARM與FPGA架構(gòu)的嵌入式平臺(tái)具有高速模擬信號(hào)采集、快速模數(shù)轉(zhuǎn)換、實(shí)時(shí)信號(hào)處理等功能，具有多種外設(shè)通信接口，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能定制，可以實(shí)時(shí)快速地進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域分析、頻域分析、特征提取以及模式識(shí)別的處理，結(jié)合列車網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)設(shè)計(jì)了動(dòng)車組失穩(wěn)檢測(cè)系統(tǒng)，可對(duì)高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架動(dòng)力學(xué)性能做出基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的準(zhǔn)確評(píng)估，便于檢修人員有針對(duì)性地了解運(yùn)營(yíng)車輛的轉(zhuǎn)向架性能，并提出科學(xué)的改進(jìn)和調(diào)整建議，促進(jìn)動(dòng)車組應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展。