徐 棟

（廣西工學(xué)院 電子信息與控制工程系，碩士研究生，廣西 柳州 545006）

動(dòng)態(tài)軌道衡是一種對行進(jìn)中的貨車進(jìn)行動(dòng)態(tài)稱量的計(jì)量設(shè)備。它通過重力傳感器感應(yīng)通過秤臺的貨車重量并轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的電信號，再經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號［1］。這種信號包含了大量關(guān)于貨車的信息，如過衡速度、距離、車型、軸重、輪重等，通過分析這些數(shù)據(jù)就可以得到有關(guān)車輛行駛方向、速度、車輛重量、偏載等信息，可見準(zhǔn)確分析波形數(shù)據(jù)對準(zhǔn)確稱量具有十分重要的意義。由于軌道衡的波形數(shù)據(jù)不僅與軌道衡的結(jié)構(gòu)形式、臺面參數(shù)有關(guān)，還與車輛本身的軸距、重量、過衡速度、輪對是否有擦傷等因素有關(guān)，并與現(xiàn)場的各種電磁干擾因素有關(guān)。因此，實(shí)際的波形數(shù)據(jù)形狀很復(fù)雜，給準(zhǔn)確識別帶來較大困難。轉(zhuǎn)向架計(jì)量方式具有測區(qū)長，精度高、外圍有基礎(chǔ)受震動(dòng)性小等特點(diǎn)，通過識別波形，計(jì)算出前后轉(zhuǎn)向架的重量后即可得出整車重量，達(dá)到計(jì)量的目的。本文主要針對轉(zhuǎn)向架計(jì)量方式，對動(dòng)態(tài)電子軌道衡的數(shù)據(jù)波形特點(diǎn)及識別分析進(jìn)行說明。

1 轉(zhuǎn)向架計(jì)量波形數(shù)據(jù)的特點(diǎn)

1.1 車輛過衡波形介紹 我國現(xiàn)行的動(dòng)態(tài)電子軌道衡從受力方式分有斷軌軌道衡、不斷軌軌道衡；從臺面組合形式上分有單臺面、雙臺面、多臺面形式；從計(jì)量方式上分有軸計(jì)量，轉(zhuǎn)向架計(jì)量和整車計(jì)量。受力方式、臺面組合形式及計(jì)量方式的不同都會導(dǎo)致過衡軌道衡波形不同［2］。

由于我國現(xiàn)階段使用的國產(chǎn)貨車的型號、規(guī)格不盡相同，轉(zhuǎn)向架軸距長度也不一樣。我國現(xiàn)行的轉(zhuǎn)向架軸距，根據(jù)生產(chǎn)廠家制造規(guī)格不同有1 575 mm，1 600 mm，1 700 mm，1 720 mm，1 750 mm 不等［3］。這些車輛在不同車速下過衡時(shí)，便產(chǎn)生各種過衡波形，形成軌道衡波形的多樣性。

傳感器信號經(jīng)放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換，形成數(shù)字信號后送入計(jì)算機(jī)，得到波形數(shù)據(jù)。理想狀態(tài)下，轉(zhuǎn)向架計(jì)量方式列車過衡波形，如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)向架計(jì)量方式下的理想過衡波形

圖1中左半部分表示列車前轉(zhuǎn)向架過衡，ue段波形代表轉(zhuǎn)向架第1根軸上衡，uf段代表第1根軸下衡，ue+f代表2根軸都在衡上。同理，后半部分代表后轉(zhuǎn)向架過衡波形，及后1輛車與前車過渡過衡的過程。ub+c代表前車后轉(zhuǎn)向架第2根軸與后車前轉(zhuǎn)向架第1根軸同在衡上的過程。uc段代表前車已完全過衡，只有后車前架第1根軸在衡上的過程。

1.2 實(shí)際過衡波形特點(diǎn)及原因 實(shí)際列車過衡波形并非如圖1所示，而是有一定斜度，波形也并非平坦。實(shí)際過衡波形如圖2所示。

圖2 軌道衡實(shí)際過衡波形（轉(zhuǎn)向架計(jì)量方式）

通過對軌道衡波形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其特點(diǎn)主要包括5個(gè)方面。

1.2.1 波形包含軸重信息 由于車輛重量跟質(zhì)量的一一對應(yīng)關(guān)系，車輛車軸重量顯示在波形中即為一段段波形的變化。如圖中b，d，f段波形各代表車輛軸重信息。車輛載重通過相應(yīng)數(shù)學(xué)運(yùn)算即可求得，即通過對a，e段波形作求和等處理后，可得車輛載重。

1.2.2 幅值差距大 由于車輛重量相差很大，最重的可以超過100 t，最輕的則不到20 t，故分配到每根軸上的重量就大不一樣。因此，體現(xiàn)在波形上的幅值相差就很大，如圖中f，g段波形。

1.2.3 時(shí)間軸相差大 過衡時(shí)車輛速度相差很大，最低5 km/h，最高80 km/h。因此，同一列車過衡后，波形在時(shí)間軸上相差很大，波形上表示為某段波形的持續(xù)長度，如c段波形。對于同一列車，由于c段波形對應(yīng)的車輛長度一定，所以不同速度下，列車通過的時(shí)間就不同，對應(yīng)到波形c的長度便大不相同。

1.2.4 干擾復(fù)雜 由于車輛運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的橫向擺動(dòng)及垂向振動(dòng)，乃至車輪表面擦傷引起的沖擊振動(dòng)，均會使波形數(shù)據(jù)受到干擾，產(chǎn)生虛假輪重信號，造成識別錯(cuò)誤。如圖中各段波形的振動(dòng)變化。

1.2.5 電磁干擾大 由于傳感器信號調(diào)理電路的放大倍數(shù)很大，不可避免地會受到各種電磁信號的干擾。這些干擾信號可通過電源引入工頻干擾，通電鋼軌引入牽引供電回流電磁干擾，這些干擾也會給波形的正確識別帶來很大困難，體現(xiàn)在圖中即對應(yīng)某段波形的跳動(dòng)變化。

2 差分識別算法

2.1 物理識別方法 通過對過衡波形的分析得知，軌道衡車軸上下衡在波形上體現(xiàn)在波形的上升和下降。波形中上升沿和下降沿的斜率代表貨車通過的速度。速度越快，波形上升（下降）的斜率越陡，且這期間數(shù)據(jù)變化范圍很大。因此，利用此段波形的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)對車軸的上下衡進(jìn)行判斷。

在列車勻速或低速通過測量區(qū)，車軸在平穩(wěn)過渡到下一根車軸上（下）衡期間，其波形數(shù)據(jù)范圍變化不大，而在車軸上下衡的過渡過程中，波形數(shù)據(jù)變化非常大。針對這一特點(diǎn)，利用其大的波動(dòng)范圍對數(shù)據(jù)進(jìn)行差分識別車軸。由于定義車軸上下衡是在波形數(shù)據(jù)急劇上升或下降后又快速平緩的時(shí)刻點(diǎn)，因此，可通過以下方法進(jìn)行判別。首先，定義一個(gè)閾值，進(jìn)行數(shù)據(jù)差分結(jié)果判斷，差分結(jié)果跟閾值進(jìn)行比較，只有在有限個(gè)數(shù)據(jù)連續(xù)都滿足閾值條件后，才繼續(xù)進(jìn)行下一步判斷。隨后若另有有限個(gè)差分結(jié)果都小于閾值，則可認(rèn)為車軸上下衡。

2.2 軟件差分算法 依據(jù)軌道衡數(shù)據(jù)波形的形成特點(diǎn)及測量原理，可以通過軟件編程實(shí)現(xiàn)軌道衡車軸的識別分析并顯示，以得到過衡車輛的基本信息。為了準(zhǔn)確識別車輛的車軸信息，基于上述判斷方法，本文采用一種差分算法，以N個(gè)數(shù)據(jù)為一個(gè)比較單元，實(shí)現(xiàn)對車輛車軸上下衡的判斷［4］。

所有數(shù)據(jù)存放在變量X中，X的取值范圍為0

若Xi+1-Xi>M，則i+1；否則i=0；

若 i>N/2，則 i=0，k=1；

若k=1，且Xj+1-Xj

若 j>N/2；則 k=0，j=0；axle=1；則標(biāo)記 XN/2作為一根車軸的識別點(diǎn)。

若上述條件有一不滿足，則退出后續(xù)判別，進(jìn)行下一組數(shù)據(jù)判別。

式中Xi表示X中第i個(gè)數(shù)據(jù)；axle=1表示作為一根車軸上衡；Xj表示在滿足i>N/2時(shí)取的以后的數(shù)據(jù)點(diǎn)。同理

若Xi+1-Xi<-M，則i+1；否則i=0；

若 i>N/2，則 i=0，k=1；

若k=1，且Xj+1-Xj>-M，則j+1；否則j=0；

若 j>N/2；則 k=0，j=0；axle=1；則標(biāo)記 XN/2作為一根車軸的識別點(diǎn)。

若上述條件有一不滿足，則退出后續(xù)判別，進(jìn)行下一組數(shù)據(jù)判別。

式中Xj表示在滿足i>N/2時(shí)取的以后的數(shù)據(jù)點(diǎn)；axle=1表示作為一根車軸下衡。

在上述算法中，若計(jì)數(shù)變量的值超過了N，則進(jìn)行下一個(gè)比較單元的判別。

2.3 算法步驟及流程圖 差分算法主要包括差值計(jì)算、閾值判斷、個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)等環(huán)節(jié)。具體算法步驟如下：

第1步：將采集到的數(shù)據(jù)文件讀入程序。

第2步：以N個(gè)數(shù)據(jù)為一個(gè)比較單元，將其內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行差分運(yùn)算。

第3步：每次得到的差值與設(shè)定閾值進(jìn)行比較。若大于閾值，跳到第4步，否則跳到第8步。

第4步：滿足大于閾值的差值做1計(jì)數(shù)。并判斷計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)是否超過N/2，若超過，則跳到第5步，否則跳到第8步。

第5步：再次判斷差值與設(shè)定閾值的關(guān)系。若小于閾值，則跳到第6步，否則跳到第8步。

第6步：若后續(xù)差值小于閾值則加1計(jì)數(shù)，并判斷計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)是否超過N/2，若超過則跳到第7步，否則跳到第8步。

第7步：得出結(jié)果，判定為軸存在點(diǎn)。

第8步：取下一點(diǎn)。

通過上述分析，程序判別的流程可用圖3表示。

圖3 判軸流程示意圖

程序執(zhí)行過程中，若有一個(gè)條件不滿足，則進(jìn)行下一數(shù)據(jù)的判斷。必須同時(shí)滿足判別條件才能被認(rèn)為是車軸識別點(diǎn)。若計(jì)數(shù)變量個(gè)數(shù)超過N，則進(jìn)行另一組數(shù)據(jù)的判別。

3 實(shí)例驗(yàn)證

3.1 差分運(yùn)算 以4軸車輛轉(zhuǎn)向架計(jì)量方式為例，對上述差分算法進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證。取M=500，N=10，對數(shù)據(jù)文件進(jìn)行一步差分運(yùn)算，其結(jié)果如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)一步差分效果圖

圖中上方代表某段實(shí)際過車波形，下方代表對應(yīng)此波形的一步差分結(jié)果。

3.2 車軸識別 按照文中給出的差分算法，通過VC6.0編程軟件進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)對車軸的判別分析。經(jīng)過差值計(jì)算、閾值判斷、個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)等環(huán)節(jié)后，軟件識別結(jié)果如圖5所示。

圖5 車輛車軸識別效果圖

圖中每條豎線段代表一車輛車軸上衡或下衡的信息狀態(tài)，圖中波形上升變化后識別出的結(jié)果即代表一根軸上衡，下降變化后的波形識別出的結(jié)果代表一根軸下衡。

3.3 人工與軟件識別對比 為驗(yàn)證此算法的有效性，根據(jù)物理識別與軟件算法思想，隨機(jī)挑選20個(gè)數(shù)據(jù)文件，進(jìn)行人工識別與軟件識別對比驗(yàn)證，結(jié)果見表1所示。通過表中可知，該算法具有較高的識別效果，在車軸過衡期間對數(shù)據(jù)產(chǎn)生的干擾有效地進(jìn)行了排除，使其能準(zhǔn)確識別。但仍存在個(gè)別識別錯(cuò)誤現(xiàn)象（人工和軟件識別結(jié)果不匹配），如車軸虛判及漏判，通過觀察判別錯(cuò)誤所在數(shù)據(jù)文件波形可知，這是由于車速過快，采樣率太低引起的，若車速控制在30 km/h以內(nèi)，此算法可達(dá)到較高的識別精度。

通過以上方法可以得出，識別出一根車軸只有通過觀察軌道衡數(shù)據(jù)先急劇變化（增大或減小），再緩慢變化，才可以作為一根軸的判斷依據(jù)。不能同時(shí)滿足這2個(gè)條件的數(shù)據(jù)點(diǎn)，都不是真正的車軸上下衡點(diǎn)，而可能只是外界引起的波動(dòng)較大的干擾點(diǎn)。

3.4 車重計(jì)算 若想準(zhǔn)確表示出每根車軸的軸重，則可通過軟件編程，對每段平緩上下衡波形記錄其起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)，對期間的所有數(shù)據(jù)求取平均值［5］，相鄰兩軸的波形做差，就可得到每根軸的重量，進(jìn)而求出各轉(zhuǎn)向架的重量，將兩轉(zhuǎn)向架求和即得整車重量。由車軸軸重和載貨車輛重量的比例系數(shù)對應(yīng)關(guān)系，就可以近似得到貨車的載重情況。

表1 人工識別與軟件識別結(jié)果對比圖

4 結(jié)束語

上述通過介紹轉(zhuǎn)向架計(jì)量方式下軌道衡數(shù)據(jù)波形的特點(diǎn)及形式多樣性，根據(jù)波形及數(shù)據(jù)特點(diǎn)，采用差分算法對車軸進(jìn)行軟件識別，通過理論分析與實(shí)際算法編程實(shí)現(xiàn)，較好地實(shí)現(xiàn)了車軸的識別，達(dá)到了車軸識別的目的，有助于得出各轉(zhuǎn)向架的重量，進(jìn)而求得車輛載重。該算法通用性好，對其它數(shù)據(jù)也達(dá)到了較好的識別效果。針對外界因素及自身引起的強(qiáng)烈干擾［6］，此算法有效地進(jìn)行了濾除，但針對仍存在個(gè)別誤判的現(xiàn)象，還需進(jìn)行進(jìn)一步研究。

［1］趙德永.動(dòng)態(tài)軌道衡系統(tǒng)的波形分析［J］.鐵道技術(shù)監(jiān)督，2007.5：43～45

［2］金祚康.軌道衡［M］.北京：中國計(jì)量出版社，1992

［3］葛立美.國產(chǎn)鐵路貨車［M］.北京：中國鐵道出版社，1997

［4］劉春輝，徐健飛.Visual C++程序設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)筆記［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2008.

［5］張玉英.動(dòng)態(tài)電子軌道衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.大連：大連理工大學(xué)，2008

［6］張紅.列車超偏載動(dòng)態(tài)檢測信號分析與處理方法研究［D］.長沙：中南大學(xué)，2004