繆 軍 上海鐵路局上海鐵路站場(chǎng)調(diào)速技術(shù)中心有限公司

隨著軌道交通建設(shè)的迅速發(fā)展，擋車器在軌道交通安全系統(tǒng)中的應(yīng)用已越來越廣泛，這對(duì)線路終點(diǎn)安全防護(hù)產(chǎn)品的質(zhì)量提出了更高的要求。因?yàn)樗母黜?xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)的優(yōu)劣直接影響著軌道交通建設(shè)投資和作用效率和作用安全，另外大量的擋車器制動(dòng)部件產(chǎn)品出廠檢驗(yàn)和新型擋車器產(chǎn)品的科研開發(fā)已都受到一定程度的制約，為此如何去開發(fā)一種高精度、高效率、多功能測(cè)試系統(tǒng)已顯得尤為迫切和重要。目前國內(nèi)外擋車器產(chǎn)品測(cè)試系統(tǒng)主要問題有：

(1)測(cè)試成本高，需要專門的鐵路專用線、推送機(jī)車、配重車、等專用測(cè)試線路和機(jī)車車輛。

(2)測(cè)試效率低，絕大部分時(shí)間用于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和等待中，不能滿足擋車器產(chǎn)品批量檢驗(yàn)需要。

(3)測(cè)試精度低，受天氣、溫度、環(huán)境等對(duì)測(cè)試系統(tǒng)和傳感器的影響，又因撞擊測(cè)試重復(fù)性也差，都將會(huì)降低檢測(cè)精度，影響檢測(cè)結(jié)果。

(4)測(cè)試功能少，較難做擋車器核心部件，制動(dòng)摩擦塊及液壓緩沖器的性能試驗(yàn)和壽命試驗(yàn)，測(cè)試系統(tǒng)功能擴(kuò)展性也較差。

(5)測(cè)試自動(dòng)化差，軟件操作比較專一、也比較復(fù)雜，智能判斷少。

鑒于上述諸多問題，經(jīng)過認(rèn)真的分析、思考和創(chuàng)新，上海鐵路站場(chǎng)調(diào)速技術(shù)中心有限公司成功開發(fā)了一套軌道交通擋車器模擬試驗(yàn)臺(tái)多功能測(cè)試系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的特點(diǎn)、主要功能及技術(shù)指標(biāo)

1.1 室內(nèi)模擬試驗(yàn)臺(tái)的特點(diǎn)

擋車器模擬試驗(yàn)臺(tái)是通過卷揚(yáng)機(jī)將撞擊小車（最大重量10 t）牽引至某一高度，自由下滑至水平線（即撞擊小車所具有的勢(shì)能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能），當(dāng)撞擊制動(dòng)摩擦塊時(shí)，制動(dòng)摩擦塊滑行一定的距離，經(jīng)過測(cè)試系統(tǒng)的作業(yè)，即可測(cè)試出制動(dòng)摩擦塊的制動(dòng)力和位移；當(dāng)撞擊液壓緩沖器時(shí)，液壓緩沖器具有一定的壓縮行程，測(cè)試出液壓緩沖器的最大吸收動(dòng)能和最大允許撞擊力。從而測(cè)出制動(dòng)摩擦塊和液壓緩沖器的機(jī)械性能。試驗(yàn)臺(tái)最大的特點(diǎn)是在室內(nèi)運(yùn)行，而且可以取代鐵路軌道車、配重車和鐵路專用線等多種傳統(tǒng)檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行擋車器產(chǎn)品的主要性能和整體壽命試驗(yàn)的檢測(cè)，能較好地確保檢測(cè)的精度和提高效率，是擋車器產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)和新產(chǎn)品開發(fā)的重要設(shè)備。

1.2 新型多功能檢測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)

(1)該系統(tǒng)應(yīng)用于擋車器模擬試驗(yàn)臺(tái)，相比于傳統(tǒng)的測(cè)試方法可提高極大測(cè)試效率，并且也可以大幅度地降低測(cè)試成本。

(2)由于系統(tǒng)有初值自檢測(cè)功能，試驗(yàn)撞擊小車沿著軌道軌道溜放能減少隨機(jī)誤差幅值，再輔以軟件的合理采樣和數(shù)字智能過濾技術(shù)，所以本測(cè)試系統(tǒng)能提供較高的測(cè)試精度，足以滿足各類型擋車器制動(dòng)部件的性能檢測(cè)需要。

(3)軟件及硬件都具有較強(qiáng)的互換性。對(duì)于外部設(shè)備如顯示器、打印機(jī)等具有設(shè)備無關(guān)性，即插即用的特點(diǎn)。

(4)良好的交互式圖形界面便于人機(jī)對(duì)話與操作，在不要求操作者具有專業(yè)知識(shí)的同時(shí)，增加了動(dòng)態(tài)導(dǎo)航功能，對(duì)于操作中的失誤及系統(tǒng)出現(xiàn)的故障，可以提供大量的反饋信息，并能根據(jù)實(shí)際情況提供相應(yīng)處理意見。

(5)本測(cè)試系統(tǒng)不僅具有自動(dòng)判別的功能，而且應(yīng)用了二組光電開關(guān)為一組光電開關(guān)測(cè)速，這從根本上消除了二組光電開關(guān)之間信號(hào)翻轉(zhuǎn)不可能同步的缺陷，極大地提高了測(cè)速精度，降低了測(cè)試成本。

1.3 檢測(cè)系統(tǒng)的主要功能

(1)該系統(tǒng)能對(duì)目前軌道交通擋車器制動(dòng)單元的制動(dòng)力、制動(dòng)功、減速度、制動(dòng)距離等關(guān)鍵技術(shù)性能指標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)試。

(2)可測(cè)試具有特殊功能制動(dòng)單元的一些附加性能特點(diǎn)。

(3)能進(jìn)行制動(dòng)單元的疲勞壽命試驗(yàn)，從而方便得出更全面的測(cè)試數(shù)據(jù)，它為擋車器科研開發(fā)工作提供了重要的基礎(chǔ)性研究平臺(tái)。

(4)把制動(dòng)單元的反力信號(hào)、位移信號(hào)及時(shí)間信號(hào)以圖表或數(shù)據(jù)的形式給出，便于動(dòng)態(tài)分析。

(5)可測(cè)試全系統(tǒng)的相關(guān)儀器設(shè)備狀態(tài)，對(duì)不正常的儀器設(shè)備能及時(shí)給予反饋信息和處理方法。

(6)可對(duì)系統(tǒng)的外部參數(shù)，如擋車器制動(dòng)單元的距離測(cè)速傳感器的位置、壓力傳感器、位移傳感器的校正系數(shù)隨時(shí)進(jìn)行更正。

(7)具有實(shí)用的測(cè)試日志功能、原始數(shù)據(jù)自動(dòng)壓縮功能，便于測(cè)試溯源及測(cè)試記錄的管理。

(8)強(qiáng)大的在線幫助隨時(shí)解除操作者的煩惱。

(9)系統(tǒng)均采用屏蔽、接地方式，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

1.4 技術(shù)指標(biāo)

(1)A/D最大采樣頻率： 100 kHz

(2)制動(dòng)力測(cè)試系統(tǒng)精度： 1%

(3)位移測(cè)試系統(tǒng)精度： 1%

(4)系統(tǒng)時(shí)鐘精度： 0.01級(jí)以上

(5)速度測(cè)試系統(tǒng)精度： 0.5%

(6)系統(tǒng)不確定度： 1%

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理及構(gòu)成

2.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用Intel奔騰4 2.4GCPU作為測(cè)試系統(tǒng)的核心，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析處理，以PCI總線的光隔離型的高速12位A/D轉(zhuǎn)換板為電壓信號(hào)的精密測(cè)量和轉(zhuǎn)換。圖1為制動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)硬件框圖，主要的硬件組成和工作原理是：試驗(yàn)小車溜放，撞擊在測(cè)試單元上，作用壓力傳感器、位移傳感器產(chǎn)生的信號(hào)，由應(yīng)變儀進(jìn)行濾波、放大后，經(jīng)接口板進(jìn)入A／D模數(shù)轉(zhuǎn)換板，由自己開發(fā)的專用測(cè)試軟件測(cè)出壓力、位移的實(shí)時(shí)變化值。光電踏板信號(hào)經(jīng)接口、模數(shù)轉(zhuǎn)換板直接進(jìn)入計(jì)算機(jī)，再有計(jì)算機(jī)根據(jù)程序要求截取主板時(shí)鐘，計(jì)算出制動(dòng)運(yùn)行的速度。最終完成各測(cè)試項(xiàng)目的計(jì)算機(jī)檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理，經(jīng)打印輸出設(shè)備輸出測(cè)試結(jié)果。

圖1 擋車器測(cè)試系統(tǒng)硬件框圖

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本軟件主要有A／D轉(zhuǎn)換程序、數(shù)據(jù)采集程序、濾波程序、顯示程序、系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備狀態(tài)測(cè)試程序、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置程序、數(shù)據(jù)處理程序、打印程序及打印預(yù)覽程序等組成。

2.2.1 開發(fā)工具的選擇

Lab VIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言。傳統(tǒng)文本編程語言根據(jù)語句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，而Lab VIEW 則采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流向決定了VI及函數(shù)的執(zhí)行順序。VI指虛擬儀器，是Lab VIEW 的程序模塊。Lab VIEW提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器（如示波器、萬用表）類似的控件，可用來方便地創(chuàng)建用戶界面。因此本軟件采用Lab VIEW作為主要開發(fā)工具。考慮到程序?qū)τ布讓拥目刂?，測(cè)試系統(tǒng)對(duì)采樣等采用windows數(shù)據(jù)庫編譯成動(dòng)態(tài)連接庫方式進(jìn)行調(diào)用，從而優(yōu)化了程序的結(jié)構(gòu)。

2.2.2 采樣率的保證

系統(tǒng)采樣必須保證采樣定理的要求，即采樣頻率應(yīng)大于信號(hào)包含最大頻率的二倍。但DOS環(huán)境下的中斷處理方法在Windows環(huán)境下并不支持，為此我們?cè)敿?xì)分析了Windows的消息響應(yīng)機(jī)制，系統(tǒng)管理設(shè)備內(nèi)核。我們發(fā)現(xiàn)，Windows系統(tǒng)是通過設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序來處理異步事件 (如keyboard.dry負(fù)責(zé)處理鍵盤事件)。于是，我們參照設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序編寫了響應(yīng)外設(shè)異步事件的程序，然后將其轉(zhuǎn)化為消息發(fā)往相應(yīng)的處理程序。同時(shí)，外設(shè)異步事件隨時(shí)都能發(fā)生，也為提高內(nèi)存的利用率，所以應(yīng)把響應(yīng)外設(shè)異步事件的程序用動(dòng)態(tài)連接庫DLL的形式。

2.2.3 減小運(yùn)算誤差的算法

程序進(jìn)行數(shù)字計(jì)算時(shí)，兩個(gè)數(shù)值相近的數(shù)相減，可能會(huì)造成有效數(shù)字的嚴(yán)重丟失。因此在實(shí)際計(jì)算時(shí)要盡量避免，以減小舍入誤差的影響，提高測(cè)試精度。為此，我們將制動(dòng)功積分公式由原來的

其中：N------采樣總點(diǎn)數(shù)Fn------第n個(gè)采樣點(diǎn)的反力值Sn------第n個(gè)采樣點(diǎn)的位移值

2.2.4 數(shù)字濾波的算法

由于測(cè)試信號(hào)中的噪音和隨機(jī)干擾不可避免，除了傳感器應(yīng)變儀自身的濾波功能外，為了提高測(cè)量結(jié)果的精度，我們另設(shè)計(jì)了軟件數(shù)字濾波程序。所謂數(shù)字濾波，即通過一定的計(jì)算程序，對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行平滑處理，提高其有效信號(hào)，消除減少各種干擾和噪音，以保證測(cè)試系統(tǒng)的可靠性。數(shù)字濾波的方法常用的有算術(shù)平均值濾波、滑動(dòng)算術(shù)平均值濾波，超值濾波、RC低通濾波等。我們采用滑動(dòng)算術(shù)平均值濾波，借助隊(duì)列的數(shù)據(jù)形式，消除了信號(hào)中的"毛刺"，隨機(jī)干擾也減小了。

2.2.5 軟件主要菜單模塊的功能

本軟件操作部分主要有系統(tǒng)登錄模塊、檢測(cè)基本信息設(shè)定模塊、檢測(cè)標(biāo)定值的設(shè)定模塊、檢測(cè)初值的采集和檢查模塊、擋車器檢測(cè)模塊、檢測(cè)圖形顯示處理模塊、檢測(cè)記錄報(bào)表的查看和打印模塊、檢測(cè)圖形的查看打印模塊、檢測(cè)數(shù)據(jù)的查看打印模塊、檢測(cè)概況的查看打印模塊、檢測(cè)記錄和數(shù)據(jù)的壓縮模塊等十一大模塊組成。它們主要的功能有：

系統(tǒng)登錄--是擋車器檢測(cè)系統(tǒng)啟動(dòng)后的第一步，它起到對(duì)系統(tǒng)安全訪問的控制，只有獲得使用權(quán)限的用戶才可以順利通過系統(tǒng)登錄的安全檢查獲得使用此系統(tǒng)的權(quán)利。

檢測(cè)基本信息設(shè)定--是每批檢測(cè)產(chǎn)品檢測(cè)基本信息錄入的過程，它主要包括擋車器型號(hào)、送檢單位、安裝高度、當(dāng)天氣溫、天氣情況及測(cè)試記錄名等信息設(shè)定。輸入均采用下拉列表框選擇和系統(tǒng)自動(dòng)生成相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)。

檢測(cè)標(biāo)定值的設(shè)定--系統(tǒng)在開始使用前必不可少的一步，它對(duì)檢測(cè)值的準(zhǔn)確性有著直接關(guān)系。

檢測(cè)初值的采集和檢查--用數(shù)字和圖形的方式提醒用戶對(duì)檢測(cè)采樣初值正確性以及檢測(cè)儀器異常與否等作出檢查與判斷。

擋車器檢測(cè)--即對(duì)車輛行駛方向和速度以及擋車器制動(dòng)力、位移等實(shí)時(shí)性能參數(shù)的測(cè)試，從而得出其制動(dòng)功、阻力功、臨界速度及誤差等關(guān)鍵指標(biāo)，以檢查是否與設(shè)計(jì)效果相吻合，來決定擋車器質(zhì)量性能。

檢測(cè)圖形顯示和打印處理--主要是指檢測(cè)完成后的檢測(cè)值的圖形顯示及數(shù)據(jù)的查看、保存和打?。ㄈ鐖D2所示）。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)制動(dòng)功測(cè)試運(yùn)行圖

檢測(cè)記錄報(bào)表的查看和打印--為將每批歷史檢測(cè)記錄進(jìn)行綜合顯示查看，分批打印存檔提供方便，是本軟件實(shí)用價(jià)值的體現(xiàn)。

檢測(cè)數(shù)據(jù)的查看打印--可以分別根據(jù)用戶需要顯示用戶要查看的指定一個(gè)或多個(gè)輪對(duì)的檢測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，用戶通過此數(shù)據(jù)的查看，可以找出每個(gè)輪對(duì)的數(shù)據(jù)、性能變化的細(xì)微情況，從而對(duì)其分析，加以利用（如圖3所示）。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)制動(dòng)功測(cè)試打印

檢測(cè)概況的查看打印--是為了向用戶統(tǒng)計(jì)和顯示自前一次數(shù)據(jù)庫清空后，擋車器檢測(cè)的批次情況，自動(dòng)生成檢測(cè)概況報(bào)表，用于對(duì)一定時(shí)間段中檢測(cè)批次情況的總結(jié)。

檢測(cè)記錄和數(shù)據(jù)的壓縮--可以更好地保存檢測(cè)歷史數(shù)據(jù)，節(jié)省硬盤空間，方便管理。由系統(tǒng)退出時(shí)自動(dòng)完成。

幫助--用于用戶學(xué)習(xí)和使用過程中的在線幫助，以便用戶高效快捷的掌握系統(tǒng)。

3 軌道交通擋車器模擬試驗(yàn)臺(tái)多功能測(cè)試系統(tǒng)發(fā)展與前景

軌道交通擋車器模擬試驗(yàn)臺(tái)多功能測(cè)試系統(tǒng)的研制成功，標(biāo)志著無論從擋車器的檢測(cè)場(chǎng)所、檢測(cè)方法、檢測(cè)精度及檢測(cè)效率上都發(fā)生了質(zhì)的變化，在車輛—軌道—擋車器系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究技術(shù)方面填補(bǔ)了此項(xiàng)空白。也是上海鐵路站場(chǎng)調(diào)速技術(shù)中心有限公司科技人員辛勤耕耘的結(jié)果。經(jīng)過多次的運(yùn)用試驗(yàn)，實(shí)踐證明，它從根本上消除了天氣、溫度、環(huán)境等對(duì)測(cè)試系統(tǒng)和傳感器的影響，極大地提高了測(cè)試精度和效率，降低了測(cè)試成本，完全取代了擋車器檢測(cè)的鐵路專用線及軌道車、配重車、守車等檢測(cè)設(shè)備，在擋車器調(diào)速設(shè)備的產(chǎn)品檢測(cè)及新產(chǎn)品開發(fā)和提高產(chǎn)品檢測(cè)質(zhì)量方面都發(fā)揮了重要的作用。由此我們有理由相信擋車器室內(nèi)模擬試驗(yàn)臺(tái)新型多功能測(cè)試系統(tǒng)有著廣泛的推廣應(yīng)用前景，它的應(yīng)用必將為鐵路調(diào)速產(chǎn)品進(jìn)一步發(fā)展和創(chuàng)新奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)，同時(shí)在其它相關(guān)測(cè)試領(lǐng)域里也必將產(chǎn)生極其深遠(yuǎn)的意義。