地铁列车加减速度动态采集与特征分析

随着我国城市化进程的不断推进，地铁作为有效缓解城市交通的主要方式备受关注。地铁列车的运行有如下几个特点: ( 1) “快启快停”，即地铁列车运行间隔短，频繁启停是地铁列车运行的主要特点之一; ( 2) 小曲线半径，由于运行线路的实际情况，往往地铁线路具有大坡道、小曲线特点。鉴于上述特点，地铁列车在运行过程中，对其运行平稳性指标有较大影响。因此研究列车牵引、制动的加减速度特征有利于分析列车动力学参数，同时便于寻找线路、列车之间的良好匹配。

1 无线数采系统原理
1． 1 无线传输方式选择
常用的无线传输方式包括红外、超声波、无线电波等，红外和超声波都有穿透性差、方向性强、传输距离短等缺点，不能满足项目需求，而无线电波可以克服前两种传输方式的不足，是该项目传输的理想选择。
常用的无线电波传输方式有 GPRS、GSM、WIFI、ZigBee 等，它们的性能特点如表 1 所示。GPRS 和 GSM 对系统资源要求较高，并且需要向服务商支付服务费用; WIFI 主要适用于 Web 和视频，使用成本相对较高; 蓝牙传输距离较短，不能满足需求; ZigBee 是专为小型局域网制定的，主要用于工业控制、无线传感器网络等，而且具有低成本、高可靠性等优点。综合成本、可靠性等因素，采用 ZigBee技术最能满足运行列车中动态采集信息的传输。

1． 2 系统工作原理
系统由多个无线数据采集模块、传感器、收发器以及处理中心计算机组成。在列车上需要进行监测的地方安装有传感器与无线收发器。传感器用于采集加速度信号，进行本地数字化后通过无线收发器发出，置于中间的无线收发器 2 处于主节点工作模式，并将各无线收发器传过来的信号通过有线方式传输给处理中心计算机。
无线收发器工作过程中，通过通讯协议避免其他无线收发器信息的干扰，图 1 所示为无线数据采集模块功能图。主要包括: MCU 作为控制中心、加速度传感器及信号处理电路、电源管理模块、内存单元EEPROM、无线 ZigBee 路由模块以及配置接口等。

2 无线数采系统软硬件构成
2． 1 硬件设备及人机界面
该文采用同济大学铁道与城市轨道交通研究院课题组研制的无线数采系统，图 2 所示为系统硬件实物及软件人机界面。

2． 2 软件流程
系统开发环境基于 WinAVR －20090313 和 AVRStudio4． 17，软件设计采用嵌入式 C 语言设计，在 PC上进行交叉编译，然后使用 Atmel 官方推出的JTAGICE mkII 仿真工具下载到 MCU 上调试。由于采用 C 语言设计，程序结构清晰，可读性好，便于维护。
为了提高运行的可靠性，系统启用 WDT 监视定时器，在规定时间内若 MCU 没有刷新 WDT 寄存器，则 WDT 溢出，产生复位信号，引导 MCU 重新执行。依靠 WDT 功能，MCU 在恶劣的工业场所里大大提高了可靠性和可用性。
系统工作流程如图 3 所示。

3 采集实例与分析
通过 2 个无线监测模块分别监测地铁运行过程中 3 个方向的加速度变化，以及车厢温度参数变化。2 个无线监测模块之间采用数据透明传输方式进行通讯，其中一个作为主站与笔记本电脑通过串口进行数据交换，笔记本电脑对 2 个节点监测的数据进行实时显示、存贮，以便进行后续分析。
图 4、图 5 为试验结果。其中图 4 所示为列车运行 15 个车站的列车牵引、制动加速度变化曲线。图 5 所示为列车经过第 4、5 个车站区间的牵引、制动加速度变化曲线。
由图 4、图 5 可知:
( 1) 列车运行过程的最大加速度为 1．1 m/s2，最大减速度为 0．6 m/s2;
( 2) 在每个区间( 两站之间) 的牵引、制动控制模式基本一致，主要表现为“恒力矩牵引 － 惰行 － 变力矩牵引 －小级位制动 －惰行( 牵引) －制动 －停车”;
( 3) 在一个牵引、制动周期内，出现了牵引制动交替控制现象，交替频率为 3 ～4 次，交替频率越高，对乘客舒适度影响越大。
通过地铁运行过程中相关参数的监测，可以方便地进行列车运行状态评估，如纵向冲动、垂向模态、列车运行舒适度，列车牵引制动性能变化等参数，为列车运行参数及动力学参数优化调整提供参考。

4 小结
鉴于地铁列车运行过程中呈现的“快启快停”、小曲线半径以及坡道变化明显等特点，研究运行过程中列车的加减速度特征有重要意义。基于无线传感方式动态采集列车加减速度适应性强，容易操作。采用同济大学研制的无线加速度动态采集系统对地铁进行了实地测量，搜集了 15 个典型车站运行期间的列车运行加减速度变化，基本掌握了其变化规律和数据特征，在此基础上可以方便地进行列车运行状态评估，如纵向冲动、垂向模态、列车运行舒适度，列车牵引制动性能变化等参数，为列车运行参数及动力学参数优化调整提供参考。