1、摆式列车信号检测系统的研究及体会摘 要：摆式列车是近十几年来迅速发展起来的现代铁路新技术，随着铁路提速的发展需求和各国大环境的影响，摆式列车已成为当前世界上发展高速的捷径和主流，其信号检测系统显得尤为关键和重要。常用的信号检测方式有三种，本文着重倾向于研究第三种陀螺仪检测系统加加速度传感器补偿方式，并详细分析了该方式的优越性。最后谈了几点自己在研究过程中的体会。 关键词：摆式列车；信号检测系统；信号处理程序；体会 0 引言 摆式列车是一种车体转弯时可以侧向摆动的列车。摆式列车能够在普通路轨上的弯曲路段高速驶过而无需减速。摆式列车供乘客乘座的车体在转弯时可以侧向摆动。当车辆向左转时，车体向左倾摆
2、，让重力抵销向右推的离心力。摆式列车可在极舒适和安全条件下，行驶到每小时250 公里。在列车提速的当今历史中，用于既有线的摆式列车和用于新建高速线的高速列车必将并驾齐驱，相辅相成。它拥有顶级的旅途舒适度、环境影响最小、使用上灵活、高效能和绝对安全的刹车系统等优点。 1 摆式列车基本原理 机车车辆在通过曲线时会产生离心力，大小与质量及速度的平方成正比，与曲线半径的大小成反比。为了降低离心力，通常采用的办法是设置外轨超高。在有超高的曲线上，车体向内侧倾斜，使离心加速度被重力加速度的横向分量抵消一部分。离心加速度可用下式表示： 式中： R曲线半径 h外轨超高 L轨距 超高的大小是根据曲线半径和列车通
3、过的速度来确定的，考虑到列车运行的安全性，一般在客货混跑的线路上，超高是根据货车的平均运行速度来确定的。由于客车的平均运行速度远大于货车的平均运行速度，因此超高的大小对于客车是远远不够的。为了改变这种状况，可以使列车进入曲线时车体向轨道超高的方向再倾摆一定的角度。这实际上相当增加了外轨的有效超高，从而增大了重力加速度的横向分量，抵消了更多的离心加速度，因此可以提高客车通过曲线的速度，这就是摆式列车的基本工作原理。这种车体可以相对轨道平面纵向轴转动的列车就称为摆式列车。 使车体倾摆的方式有两种：一种是靠车辆在通过曲线时的离心力作用，使车体绕其摆心转动，没有外加的动力，这种倾摆的方式称为被动摆。与
4、之相对应的，用外加的动力使车体倾摆的方式则称为主动摆。从倾摆角度看，一般被动摆的最大角度不超过 3.5，而主动摆的摆角一般都可达到 810。由摆式列车的工作原理可知，车体倾摆的角度越大，则曲线通过的速度提高越多。由于被动摆提速不多，因此极少被采用。为了尽可能地提高摆式列车的速度，应采用主动摆。根据欧洲等国家的应用经验，采用主动摆可使列车速度提高 30%左右。根据我国的实际情况，摆式列车的研制应采用主动摆方式。 2 信号检测系统原理 对于主动摆式列车，为了控制列车体的倾摆方向和角度大小，必需采用检测系统及时获得有关的线路参数。根据信号的检测方式来看，常用的有三种：加速度传感器检测系统、陀螺仪检测
5、系统、陀螺仪检测系统加加速度传感器补偿。采用加速度传感器输出的剩余离心加速度信号是一种比较简单的方法，但由于混有线路的随机干扰，必须有较好的滤波装置，另外线路的曲线半径和超高无法测出。用陀螺仪只能测出线路超高的大小。采用陀螺仪检测系统附加加速度传感器补偿则既可测出超高的大小，又可测出未平衡加速度，从而可以推算出曲线半径的大小。目前世界上的摆式列车均采用这三种方式，而更多的是采用陀螺仪检测系统加加速度传感器补偿的方式。 第三种信号检测方式属于实时采集模式，即直接采集列车的剩余离心加速度来控制车体的倾摆角，这种方式可适用于任何线路。由于车辆系统是复杂的多刚体系统，自由度数目多，列车在运行过程中在横
6、向存在着多种运动形式的组合，在弯道上既有所须的横向离心加速度信号，又有列车本身的横向振动、侧滚及摇头等运动引起的信号。因此在加速度传感器所测出的信号当中，包含了各种随机振动的信息，如图 1，如果用它直接作为控制信息对伺服倾摆系统进行控制，必然会引起车体倾摆机构的误动作，造成车体也会随机振动，甚至失控，恶化了舒适性和安全性。因此必须对剩余离心加速度进行滤波才能作为倾摆控制信号。但滤波会造成信号延迟，如图 2。由于车辆本身几个主要振型的固有频率在110 赫兹的范围内，要获得稳定的波形，截止频率要在 0.51Hz 之间，信号延迟约为 0.81 秒。为了补偿滤波延时，可在头车（机车）转向架上安装速率陀
7、螺仪，检测线路的外轨超高的变化，由此判断是否进入缓和曲线，从而触发客车预先倾摆，补偿滤波信号的延时。但陀螺仪测得的信号不仅包含了外轨超高的变化率信号，而且包含了轨道不平顺、列车通过时轨缝冲击、路基变形等多种因素的影响，因此要除去噪声才能获得平滑的波形，以准确确定其稳定的上升（下降）沿作为触发信号。 3 信号处理程序简介 信号处理程序是根据已测得的线路试验数据进行实时仿真，即每采样一个数据就处理一个数据后输出。子函数 loaddata（fp）载入采样数据，并进行采样率转换，将 256Hz 的采样信号每 8 个平均变为 32Hz 采样信号后作为数字滤波器的输入，以适应较低的通信频率的要求。子函数I
8、IRfil（fp）是一个截止频率为 0.5Hz 的 IIR 滤波器，可对超高变化率信号进行滤波，并得到倾摆角发信号；也可对剩余离心加速度进行滤波，作为车体倾摆控制信号输出。子函数 burg（prex，fp）是用伯格法对滤波后的信号进行两步预测，可以在一定程度上补偿信号滤波造成的延时。主程序调用以上各子函数并将输出结果存盘。 （程序代码在此从略。 ） 4 体会和总结 通过对摆式列车信号检测系统的研究工作，体会颇多，主要有以下几点： 1）掌握几种常用的工具软件对提高工作效率很重要。摆式列车线路试验有大量的数据要处理，如果用高级语言编程，不仅工作量极大，而且缺乏灵活性。使用惠普数据采集系统进行多通道
9、数据同步采样，以及用 Origin 软件进行数据处理，会使工作简单方便许多。Origin 软件可以方便地对信号（数据）进行数据运算、滤波、频谱分析和数据可视化，因此可以大大提高信号处理的效率。在信号的实时仿真计算中，采用Matlab 高级语言及其信号处理和小波工具箱，可以方便地实现和验证各种算法的有效性和可靠性，找到最佳方法后再把算法用 C 语言进行开发，可少走很多弯路，提高编程效率和程序的鲁棒性。 2）独立探索的精神和认真细致的工作态度对研究工作成果具有定性的帮助作用。比如：在已有的研究资料中，一般认为加速度信号可经过0.51Hz 滤波后作为倾摆控制信号。但在线路试验数据中发现这个结论是不可
10、靠的，在状况比较差的线路，可能存在长波病害，即采集的信号中有低于 0.5Hz 的成分，经过 0.51Hz 滤波后的信号就不能直接作为倾摆控制信号，需要与其它信号进行综合处理。在研究工作中对他人结论的引用要非常慎重，引用之前要进行验证；对所设计的算法必须进行充分的测试，不能认为对某一段信号有效就认为算法可以通过，因为任何的微小疏忽都是将来实车运行的重大隐患，必须认真对待。 3）要不断学习新理论、补充新知识。新理论往往蕴含着解决实际问题的新方法。小波理论用于信号处理就是一个例子。通过尝试发现，用小波来处理信号比之传统的滤波和谱分析方法具有更大的优势。 中国是世界铁路大国之一，铁路客运的潜力还亟待开
11、发。提高旅客列车运行速度、缩短旅行时间是当今提高铁路在运输市场竞争力最为有效的手段之一。采用摆式列车在既有线路上，特别是在中国的西部和东南地区提高运行速度，必将带来良好的经济效益和社会效益。 参考文献： 1 季令，叶玉玲.高速铁路与摆式列车M北京：中国铁道出版社，2001. 2 李芾.国外摆式列车发展和运用概况J.西南交通大学学报， 2000.35 （6）：569575. 3 李芾.摆式列车及其相关技术研究.电力机车技术，2002，1. 4 王雪梅，倪文波，李芾.基于陀螺平台的摆式列车线路信息检测系统研究J.中国铁道科学，2004，1. 5 王雪梅，倪文波，李芾，林建辉.摆式列车线路检测信号的动态自适应滤波研究J.中国铁道科学，2005，5. 6 李世.铁路既有线路提速的有利选择摆式列车J .铁道工程学报， 2001（3）： 1215. 7 我国自主研制的摆式列车问世火车提速通过弯道有了新车型J.交通运输系统工程与信息，2003，3（4）：52.
