（通信与信息系统专业论文）无人值守全台面动静态轨道衡系统研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 本课题研发了一个全台面动静态轨道衡称重系统。首先分析了国内称重平台 需求，又调研了国内外先进称重技术，最终研发出无人值守全台面动静态称重系 统。满足了轨道衡动静态测量的需求，很好的解决了轨道衡称重效率的问题。 本文主要通过分析影响动态称重系统的因素，根据不同的原因做出了相应的处 理工作。影响因素有：空气阻力、地面形状、地面地质、驾驶员操作水平等，最 重要的是垂直方向的振动。振动的原因是有：1 、由于地面的不平整造成的振动。 2 、火车和轨道耦合产生的振动。通过对全台面动态称重系统的体系化的分析和研 究，该系统可大致分为两部分：硬件系统部分和软件系统部分。硬件系统部分主 要实现数据的采集、环境的监测和提供软件支持；软件系统部分主要负责人机界 面的交互、实时控制和远程通信。硬件系统部分主要有传感器、放大器、a d 转换 器、单片机( a r m 系列) 、射频设备、视频监控设备等组成，实现了数据采集和 数据通信。被测实物对应的模拟信号变量模块、射频车号信息模块、实时监控录 像模块、烟感信号模块、水浸信号模块、门禁信号模块、温度信号模块，都将会 把各自的数据传输给单片机( a r m 系列) ，经单片机分析和处理后再与程控主机 进行通信。有各模块采集到的模拟信号量要经过整流滤波、a d 转换、放大后再由 m a x 2 3 2 将电平信号值转换成单片机可以识别的信号电平。单片机通过预先编制好 的控制程序，实时控制和收集各模块的数据并进行相应的信号处理。a r m 单片机 还要将在相应采样时间段采样的数据及时的传送给程控主机，有其进行更加精确 的分析和计算，最终以良好的人机界面的形式将结果呈现子在操作员得面前。程 控主机可由网线接入i n t e r n e t ，操作员工可以远程通过v p n 网络实现对本地程控主 机的信息交换。不同的操作员对本地的程控主机有不同的操作权限，操作权限有 软件系统实现由超级管理员实现分配，未经授权的人或单位，都不可以访问本地 的程控主机。软件是用v c + + 6 0 编写的，具有诸多的优点。 通过系统在现场的测试和使用情况，本系统极好的达到了预期目标，满足了相 应企业的需求。本系统所测量的数据值得精确度，也是在原来理论范围之内的。 山东大学硕士学位论文 各个模块系统部分的协同分工运转也都是在预期的范围内正常运转，长时间无人 值守的动态称重结果都是在规定的精度范围之内。远程无人监控，也都实时的记 录下各列列车驶过的画面，与此同时并有射频模块采集并记录下各列列车的车号。 基于a r m 的环境监测系统也都正常的运转，将本地的各项环境数据及时的递交给 程控主机，并有程控主机做出及时而正确的运算和逻辑判断。 经过长期的理论分析和环境搭建及测试的结果，最终得出如下的结论：全天候 无人值守动态称重系统极好的解决了静态称重带来的瓶颈问题，该系统平台下搭 建的远程监控也很好的实现现场信息实时录入的功能。可以实现远程访问和管理 及调度本地程控主机的数据库数据和相应的动态资源，实现远程的控制操作，真 正的达到了全天候无人值守动态称重的效果。 2 关键词：全台面动静称重系统，智能监挠均值滤波法，无人值守，车辆身份识别 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，w eh a v er e s e a r c h e daf u l lt a b l es t a t i ca n dd y n a m i c 均i l w a yw e i g h i n g s y s t e m s f i r s t , w ea n a l y z et h ed o m e s t i cd e m a n d s t h e ns u r v e ya d v a n c e dw e i g h i n g t e c h n o l o g y f i n a l l y a nu n a t t e n d e dd y n a m i cr a i l w a yw e i g h i n gs y s t e m sh a sb e e n d e v e l o p e dt om e e ts t a t i ca n dd y n a m i cm e a s u r e m e n tn e e d w ep r o v i d eag o o ds o l u t i o n t ot h ee f f i c i e n c yo f t h ew e i g h i n gp r o b l e m s w ea n a l y z et h ef a c t o r st h a ta f f e c tt h ed y n a m i cw e i g h i n gs y s t e mi nt h i sp a p e r , d e p e n d i n g o nt h er e a s o nf o rm a k i n gt h e a p p r o p r i a t ep r o c e s s i n g f a c t o r sa r e ：a i r r e s i s t a n c e ，g r o u n ds h a p e ，g r o u n dg e o l o g i c a l ，t h el e v e lo fd r i v e r , t h em o s ti m p o r t a n ti s t h ev e r t i c a lv i b r a t i o n a tf i r s t , t h ev i b r a t i o nh a sc a u s e db yt h eu n e v e ns u r f a c e s e c o n d l y ， t h et r a i na n dt r a c kc o u p l e dv i b r a t i o n t h ew h o l et a b l eb yt h es y s t e mo fd y n a m i c w e i g h i n gs y s t e m sa n a l y s i sa n dr e s e a r c h , t h es y s t e mc a nb eb r o a d l yd i v i d e di n t ot w o p a r t s ：h a r d w a r ea n ds o r w a r es y s t e m ss o m ep a r t s s o m eo ft h em a j o rh a r d w a r es y s t e m f o rd a t ac o l l e c t i o n , e n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n ga n ds o f t w a r es u p p o r t ；s o f t w a r es y s t e mi s r e s p o n s i b l ef o rs o m eo ft h em a j o rh u m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c e ，i n t e r a c t i v e ，r e a l - t i m e c o n t r o la n dr e m o t ec o m m u n i c a t i o n s o m eo ft h em a j o rh a r d w a r es y s t e m 谢t l ls e n s o r s ， a m p l i f i e r s ，a dc o n v e r t e r s ，m i c r o c o n t r o l l e r ( a r ms e r i e s ) ，r a d i oe q u i p m e n t , v i d e o s u r v e i l l a n c ee q u i p m e n t , a c h i e v e sad a t aa c q u i s i t i o na n dd a t ac o m m u n i c a t i o n s m e a s u r e d p h y s i c a lv a r i a b l e sc o r r e s p o n d i n ga n a l o gs i g r l a lm o d u l e s ，r fl i c e n s ep l a t en u m b e ro f i n f o r m a t i o nm o d u l e s ，r e a l - t i m ev i d e os u r v e i l l a n c em o d u l e s ，s m o k es i g n a lm o d u l e ， f l o o d i n gs i g m am o d u l e s ，a c c e s sc o n t r o ls i g n a jm o d u l e ，t h et e m p e r a t u r es i g n a lm o d u l e s w i l lh a v ea d d e dt h e i rd a t at ot h em i c r o c o n t r o l l e r ( a r ms e r i e s ) ，t h es i n g l e - c h i pa n a l y s i s a n dp r o c e s s i n g ，t h e nw i t ht h ep r o g r a m - c o n n o l l e dh o s t c o l l e c t e df r o mv a r i o u sm o d u l e s o ft h ea m o u n tt ob er e c t i f i e da n a l o gs i g n a lf i l t e r i n g ，a dc o n v e r t e r , t h e na m p l i f i e db yt h e m a x 2 3 2l e v e ls i g n a lv a l u ew i l lb ec o n v e r t e di n t os i n g l e - c h i pc a ni d e n t i f yt h es i g n a l l e v e l s i n g l e - c h i pp r e - p r o g r a m m e dc o n t r o lp r o c e d u r e st h r o u g hr e a l - t i m ec o n t r o la n d c o l l e c td a t ao fe a c hm o d u l ea n dt h ec o r r e s p o n d i n gs i g n a lp r o c e s s i n g a r ms i n g l e - c h i p m i c r o c o m p u t e ra n di nt h ec o r r e s p o n d i n gp e r i o ds a m p l i n gs a m p l e dd a t ao ft i m e l y t r a n s f e rt ot h ep r o g r a mh o s t , h a v et h em o r ea c c u r a t ea n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o n , t h ef m a l w i t hh u m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c ef o r mw i l ls h o wt h es o ni n t h eo p e r a t o rm u s tf a c e p r o g r a m m e db yt h eh o s tc a b l ea c c e s st oi n t e r a c t , o p e r a t i o n s c a nr e m o t e l yt h r o u g h 3 山东大学硕士学位论文 av p nn e t w o r k so nt h el o c a lh o s to fp r o g r a m - c o n t r o l l e de x c h a n g eo fi n f o r m a t i o n d i f f e r e n to p e r a t o r so nt h el o c a lh o s to ft h ep r o g r a m m e do p e r a t i o n sh a v ed i f f e r e n t p e r m i s s i o n s ，p e r m i s s i o n t o o p e r a t e as o f t w a r e s y s t e m t oa c h i e v et h e s u p e r a d m i n i s t r a t o r st oa s s i g n , a nu n a u t h o r i z e dp e r s o no re n t i “：，n o tt h ep r o g r a m c o n t r o l l e d a c c e s st ot h el o c a lh o s t s o f t w a r ei sw r i t t e ni nv c4 - + 6 0 ，h a sm a n ya d v a n t a g e s t h r o u g ht h es y s t e mi nt h ef i e l do ft e s t i n ga n du s a g e ，t h es y s t e ma c h i e v e da n e x c e l l e n t t a r g e t t om e e tt h e c o r r e s p o n d i n g n e e d so fe n t e r p r i s e s t h e s y s t e m m e a s u r e m e n ta c c u r a c yo ft h ed a t ai sw o r t h , b u ta l s ow i t h i nt h es c o p eo ft h eo n g i r 均d t h e o r yo f p a r t so ft h es y s t e mm o d u l e sr r ea l s oc o - o p e r a t ei nt h ee x p e c t e dd i v i s i o no f l a b o rw i t h i nt h en o r m a lo p e r a t i o nf o ral o n gt i m eu n a t t e n d e dw i mr e s u l t sa 他p r o v i d e d w i t h i nar a n g e r e m o t eu n a t t e n d e dm o n i t o r i n g ，f i l ea l s or e c o r d e di nr e a l - t i m ei m a g e so f t h et r a i n sp a s s i n g ，a n dar fm o d u l ea tt h es a m et i m ec o l l e c ta n dr e c o r dt h el i c e n s ep l a t e n u m b e ro ft h et r a i n s a r m - b a s e de n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n gs y s t e m sa ref u n c t i o n i n g n o r m a l l y ，t h el o c a lt i m eo ft h ee n v i r o n m e n t a ld a t as u b m i t t e dt ot h ep r o g r a m - c o n t r o l l e d h o s t , a n dah o s tp r o g r a m m e dt om a k et i m e l ya n dc o r r e c ta n dl o g i c a lj u d g m e n t s a r e ra l o n gt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt h ee n v i r o n m e n tt ob u i l da n dt e s tr e s u l t s ，a n d u l t i m a t e l yd r a wt h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n ：t h ed y n a m i cw e i g h i n gs y s t e mu n a t t e n d e d a r o u n dt h ec l o c kt os o l v et h es t a t i cw e i g h i n ge x c e l l e n tb o t t l e n e c k sc a u s e dt h es y s t e mt o b u i l dar e m o t em o n i t o r i n gp l a t f o r mt h es i t ei sa l s ov e r yg o o di n f o r m a t i o nt oa c h i e v e r e a l t i m ei n p u tf u n c t i o n a l l o w sr e m o t ea c c e s sa n dm a n a g e m e n ta n ds c h e d u l i n g p r o g r a m c o n t r o l l e dl o c a lh o s td a t a b a s ed a t aa n dt h ec o r r e s p o n d i n gd y n a m i cr e s o u r c e st o a c h i e v er e m o t ec o n t r o lo p e r a t i o n , t h er e a lr e a c h e da na l l w e a t h e ru n a t t e n d e dd y n a m i c w e i g h i n gr e s u l t s k e y w o r d s ：f u l lt a b l es t a t i ca n dd y n a m i cw e i g h i n gs y s t e m ，i n t e l l i g e n tm o n i t o r i n g ， m e a nf i l t e r i n gm e t h o d ，u n a t t e n d e d ，v e h i c l ei d e n t i f i c a t i o n 4 山东大学硕士学位论文 c o n t e n t s c h a p t e r1p r e f a c e 5 1 i p r o j e c to r i g i n 5 】【1 1t h em e a n i n go f s u b j e c ts e l e c t i o n 6 1 1 2t h ep u r p o s eo f s u b j e c ts e l e c t i o n 6 1 2 b a c k g r o u n da n dd e v e l o p m e n tl e v e lo fp r o j e c t 6 1 2 1a b r o a dd e v e l o p m e n t j ：7 1 2 2d o m e s t i cd e v e l o p m e n t 8 1 3r e s e a r c hc o n t e n t s 9 c h a p t e r2 t h e p r i n c i p l ea n a l y s i s 10 2 1t h et r a i nm o t i o nm o d e la n a l y s i s 10 2 2t h e a n a l y s i so f v i b r a t i o nr e a s o n 1 2 2 3s u m m a r y 13 c 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时间内生产线上的生产效率) 和降低“占空比 ( 生产调度时间和生产总时间的比 值) ，这就为轨道衡的发展提出了更高的要求阳1 。在信息科学领域，诸如数字传感 器、嵌入式系统、计算机硬件软件等技术的发展，为轨道衡的高精化、智能化、 自动化奠定了技术基础。轨道衡被誉为行业内的“衡器之王 ，其理由之一是过衡 量大。铁路运输是大宗物料的主要运输工具，其运量和其它运输方式相比占绝对 优势，且具有最大的计量份额。其二，计量效率高。对于动态衡以超过1 0 公里 小时的速度通过秤台进行计量，动态称量2 0 节车皮只用2 分钟，这种高效率是其 它衡器所不可比拟的。其三，动态轨道衡技术含量高，而且跨学科。涉及到铁路 线路和基础设计、机械( 测力机械) 、电气、电子、传感器、称重仪表、计算机智 能系统、通讯、逻辑判断和数学处理方法等技术。轨道衡可分为动态和静态两种 称量方式：静态称重干扰因素少，所以相对动态要准确，但是称重过程耗时长， 需人工监视，运行效率较低；动态称重受到车辆运行中的干扰比较多，就影响了其 准确度，但是其工作效率也就是吞吐量高。根据台面的大小又分为转向架和全台 面称重，全台面又分断轨、不断轨称重。全台面不断轨轨道衡，主要应用于称量精 度要求较高的静态称重嘲。 为了节约成本，提高工作效率，我们拟开发一种动静态两用全台面称重轨道衡， 在生产中可以根据需要选择两种工作模式，既能保证静态称重的精度，又可以实 现效率较高的动态称重。兼容动静态两种称量模式的全台面轨道衡是国内首创。 在实现功能的同时，我们进行了无人值守的设计，这样又进一步节约了生产成本， 在各个磅房无须安排固定的人员，而是设立了一个监控中心，统一集中管理，优 5 山东大学硕士学位论文 化了人员配置。该系统最终在我国某钢铁厂实施运行，通过了国家鉴定。 1 1 1 选择课题的实际意义 在计算机技术迅速发展的今天，将计算机数字称重技术、嵌入式环境监测系统 完美结合用于设计无人值守全台面动静态轨道衡称重系统的研发，已成为一种必 然的趋势。而且它也将会为铁路运输注入一股新鲜的活力，带来意想不到的效益， 同时也为企业的飞速发展提供无限潜力。采用无人值守全台面动静态轨道衡称重 系统，已成为铁路运输科学化和现代化的重要标准旧。 它给企业带来的明显的经济效益和社会效益，主要体现在：极大程度的提高 的称重工作人员的工作效率，大大减少了以往称重流程的繁琐、杂乱和周期长的 弊端。基于无人值守全台面动静态轨道衡称重系统全面自动化，可以减少数据 误入的漏洞，提高系统的安全等级，减少称重开支，增加企业收入。称重的操 作自动化和信息的电子化，全面提高了称重管理水平。 1 1 2 选择课题的目的 随着我国改革开放的不断深入，经济迅速的发展，企业要想谋生存、求发展， 在激烈的市场竞争中处于不败之地，没有现代化的科学管理是不行的，轨道衡称 重管理的全面自动化、信息化则是其中及其重要的部分。为了加快轨道衡称重自 动化的步伐，提高称重业务处理效率，建立无人值守全台面动静态轨道衡称重系 统已变的十分重要。数据的采集、数据的处理、数据的录入是现代化称重系统的 常规基本模式，虽然最近出现了很多新的称重系统，如：基于传感器的静态称重系 统方式。但这些新的系统依然存在很多的不足，数据的采集在实际生产应用中不 仅仅是静态的，而且人工手动的录入会出现很多误操作，不能很好的保证数据的 有效性，客观性。而面对当下企业的迫切的需求，无人值守全台面动静态轨道衡 称重系统无疑是需要轨道衡称重企业的首选口1 。 1 2 动态轨道衡称重系统的背景及发展水平 6 动态称重技术是力学量的动态测量范畴，主要是将动态变化的力学量实时的 山东大学硕士学位论文 转变为电信号并显示出来。其技术的发展也是经过了由简单到复杂、由粗糙到精 密、由机械式到机电结合式再到全电子化、由单一功能到多功能的过程。在机械 称重时代，因为机械系统很难消除称重时的动态过程，所以动态称重几乎是不可 能的。但随着动态信号测试技术的发展，特别是微处理器和计算机技术的发展， 动态称重技术也取得了长足的发展，广泛应用于多种领域，如交通运输中的运动 汽车或者火车的称重技术、冶金工业中生产过程中物料配比称重、邮局信件的动 态称重等嘲。 本文仅涉及用于铁路运输的轨道衡研究。轨道衡技术的发展受到电子技术发 展水平的制约，由分离元件的测量通道到集成的模数( a d ) 转换发展。另外，利 用计算机技术实现了由手工方式到自动化方式的转变。轨道衡的种类繁多，如上 文所述。无人值守的环境监测系统属于数据采集和控制的范畴，其主要是将监测 环境的数据进行采集和处理，可监控磅房的各项环境参数，包括温度、湿度、烟 雾、漏水、门禁、红外线感应、计算机工作情况等。同时，还可以根据预设条件 做出相应的控制操作，实现信息的反馈。该系统还被广泛应用于变电站、机房等 重要位置。 1 2 1 国外无人值守动态称重系统的发展 动态称重的研究起源于美国，2 0 世纪5 0 年代美国开始着手研究车辆在正常行 驶速度下测定车重的动态称重系统；7 0 年代和8 0 年代，嵌人式或外置式道路传感 器进人商业应用；9 0 年代中期动态称重系统( w i m ，或称为不停车车重检测系统) 开始成为美国联邦公路局( f h w a ) 的研究目标。2 0 世纪7 0 年代欧洲各国( 尤其法国 和英国) 也开始开发动态称重系统，并于1 9 9 2 年推荐列入欧盟( e c ) 支持的优先研 究项目( 即“运输科学和技术合作计划 ) 。目前，全世界装备有动态称重系统的 大型车重检查站点中，欧美占有的比例在7 0 以上。其中，美国、德国和日本逐渐 称为世界上电子衡器的三大出口国，其出口额度甚至超过中国同行业的总产值， 这说明我国的电子衡器发展还需要一个较长的过程。 无人值守方面，国外2 0 世纪7 0 年代就已经开始在天气环境监测、军事情报 获取、灾情预警等方面开始研发嘲。尤其是在军事方面，欧美等国的军事竞赛更是 7 山东大学硕士学位论文 异常的突起。一系列比较完善的软硬件系统，也相继的投入到相应的环境使用中， 发挥着它们独特的作用。无人值守系统以其独特的优势，充斥着国外相当广的产 业中，担当者重要的角色。 1 2 2 国内无人值守动态称重系统的发展 国内的动态称重研究开展的比较晚，从八十年代才开始引进和消化吸收国外 的动态称重系统，同时也开始了对动态称重系统的研究，但是，引进的称重系统 大都是国外的已经被替换下来的产品，存在着各种问题，比如速度范围小，传感 器庞大等。随着中国经济的快速发展，动态轨道衡的研究也热了起来。常规动态 轨道衡称重技术已经过关，经过逐步完善己能达到0 5 级、o 2 级的水平，满足了 企业要求计量。 为了适应企业各种复杂工况的需求，我国特种动态轨道衡的技术也在快速发 展，从不同侧面，解决现场各种苛刻条件带来的矛盾，如弯路轨道衡、坡路轨道 衡、无基础轨道衡、不断轨轨道衡、高速轨道衡。其传感器的选择除常规通用的 压式传感器外，又研制了塞入式传感器、垫板式传感器、多种多样轨道式传感器 和轮缘式传感器，以此来适应复杂而又苛刻的现场条件。 近年来，我国的轨道衡的研究，经过不屑的努力已经有了长足的进步，朝着 小型化、集成化、自动化方向发展，但其核心部件数字传感器的质量的提高还要 进一步努力。动态称重系统的硬件发展主要体现在以各类传感器为基础，发展适 应不同用户需要的各种精度和功能的专用称重传感器上，如电容式、压电式、石 英晶体式和光导纤维式称重传感器等，使其响应时间更短，精度更高n 叭。 目前，国内的动态轨道衡产品有很多弱点，主要表现在对称重过程中的干扰 不做深入的分析，对称重信号处理简单，称重精度低，要求称重信号长，导致称 重速度低等。动态称重的软件发展则主要体现在对获得的压力信号数据中噪声进 行更细致的处理，修正其线性要求，使压力信号得到更好的还原。另一方面，由 于实时性要求高，就需要提高算法的快速性，用更少的采样点，取得比较准确的 计算结果。轨道衡动态称重方法可以说是以信号处理为主的一种方法，这也将是 本文研究的重点。首先要对采集过来的信号进行滤波，这就需要选择合适的滤波 8 山东大学硕士学位论文 器过滤白噪声、电器噪声等高频信息，同时还要滤除固有震荡等低频干扰。目前 采用的滤波计量算法有形态滤波( 最大最小值) 、均值滤波，积分滤波器、频域滤 波器、小波滤波器等。我们需要根据实际应用选取一种或者几种合适的滤波器。 无人值守方面，国内相继也引进了许多国外的技术。但是由于很多的因素， 国内发展的状况不是很良好。很多都是采用的国外淘汰的系统框架的设计，这就 需要对设计方案的利弊性进行分析，满足当前的设计需求。 1 3 课题研究内容 本文的研究内容如下： 根据相应企业的需求，对无人值守全台面动静轨道衡称重系统进行整体的分析 和设计。将系统实现分为不同的功能单元。 对系统的硬件系统进行分块分析，选择合适的称重台和控制器及传感器，并在 保证实时性的同时，尽量提高系统的测量精度。 对系统的软件系统进行设计，设计方便快捷的用户界面，并选择合适的滤波算 法来保证系统的精确度。 针对无人值守的要求设计环境监测模块，监测所需要的环境参数，并有一定的 控制功能。 综上所述，本篇论文首先介绍了无人值守称重系统的发展状况，然后是对火 车轨道称重的分析，重点是硬件和软件系统设计，最后进行了实验结果的分析。 针对以上各重点内容中做了分析和说明，并应用图、表、数据等形式展现出来。 山东大学硕士学位论文 第二章火车动态称重原理分析 动态轨道衡的设计需要考虑诸多因素对称量精度的影响。例如：由于火车的 装载量和经过轨道衡时的时速都是变化的，这就必然影响其冲击载荷和随机载荷。 此外，如斜坡、弯道等地面形状都会对轨道衡的精度造成影响【l 。火车在称重的 过程中最好保持规定速度匀速行驶，所以驾驶员操作水平也会影响动态称重的精 度。如果在称体上加速运动或者急刹车，都需要重新测量。有时，大风引起的空 气阻力也会影响测量精度。火车运行的复杂性给动态称重带来诸多的问题，影响 着动态称重的客观性和准确性。 诸多因素导致了火车的复杂性，从而决定了火车动态称重的不确定性和不可 预测性。另外全台面采集的传感器压力波形与现有的断轨动态衡的压力波形有所 区别，在软件数据处理方面须另辟蹊径，而不能完全照搬原来的经验。这些都给 本课题的研究工作带来了相当大的困难和阻力。 2 1 火车运动模型分析 火车作为动态称重的对象，其运动规律是非常复杂的。火车车厢的种类也很多， 如作为车头的机车、各种型号的敞车、平车、油罐车、还有一些鱼雷罐等专用车。 且每一节车厢( 除最后一节车厢外) 均与前后两节车厢由挂钩相连接。在经过轨 道衡时，要对火车的运动状态进行全面分析，那就需要考虑至少二十几个自由度， 其复杂程度就可想而知。因此我们在工程应用中，必须根据具体的需求对车辆的 运动模型进行必要的简化。 在轨道衡动态称重时，火车应尽量保持一个固定的时速( 低于1 5 公里, b 时) 通过轨道衡【1 2 1 ，转向架对平台的作用时间较短( 在几秒以内) 。这时作用在衡器传感 器上的力除了重力外，还有许多因素产生的干扰力。如：车头的驱动力，车速变化 的冲力、车体自身谐振、与前后车厢之间的应力等。真实的重量受到上述因素的 干扰，从而严重影响了动态轨道衡的测量精度。因此，在外界随机不确定干扰力 作用下，如何准确测出真实重量，就成为动态称重测试系统的技术难点和关键 1 0 山东大学硕士学位论文 【1 3 】【1 4 】 火车在经过轨道衡时的运动，从宏观上讲，只是沿着铁轨方向的行驶移动。 而实际上车辆的运动是多方向的，非常复杂。为了简化分析，将其运动在三维坐 标系中分解为前向轴) 滚动、纵向( y 轴) 俯仰运动、垂直方向( z 轴) 旋 转。简化的车辆运动模型如下： 图2 1 简化的车辆运动模型 我们根据这个模型，可以分析出火车车厢在经过轨道衡时，不同作用力对所 采集的数字信号的影响，从而在后处理时进行分析。 前向( x 轴) 滚动，是指在机车牵引下，经过轨道衡时，车厢重量从一个车 轮向另一个车轮转移。在全台面称量中，整车厢全部位于秤台上，由于同轴上的 两轮同时称重，并且是匀速运动，故不会影响传感器信号读数。现实中，理想的 匀速运动显然不存在。实际应用中，只要在经过轨道衡没有明显的加速或者刹车 减速就可以忽略其影响。值得注意的是车厢上轨道衡时会有一个前向的冲击，就 造成了信号波形的变化，也就是造成了一个相对平滑的尖峰，这个尖峰是由前向 滚动摩擦力和称的固有震荡一起造成的，一般比固有震荡的周期要大。这就需要 通过合理的滤波消除其对计量的影响。 俯仰( y 轴) 运动。火车往往是多车厢相联接，俯仰运动表示重量从前车厢 转移到后车厢或反之。由于轮轴及挂钩之间重量的转移，很有可能造成重量的偏 差。此方向上的运动往往受地势的影响，如果是平坦的直道就可以忽略这个因素。 但是在坡道上，前面已过衡的车厢( e p 火车上坡) 上仰，其重量附加到后面称重的车 山东大学硕士学位论文 厢，造成重量读数过大。相反，遇到下坡的情况时则重量读数会偏小。如果必须 轨道衡建立在坡道上，那就必须在信号分析时进行方向性补偿，可以部分解决这 个问题。但如果是处于弯道，其对称重的影响将是非线性的，处理起来就相对困 难。因此，轨道衡的建址的选择也比较重要。 垂直方向( z 轴) 旋转。传感器对水平方向的力并不敏感，我们可以通过调节 轨道衡上的水平约束器( 即水平拉杆) 保持水平，则作用在平台上的力将不会产 生垂直分力而影响传感器测量。 垂直方向( z 轴) 振动。表示垂直方向的上下运动。火车除了给轨道衡以重力 压力外，还会造成固有震荡，虽然可以通过衡器的机械部分调节这个震荡的参数， 但是它是无法避免的，而且其一定会影响称重的精度。最终其体现在信号波形上