（机械电子工程专业论文）轨道车辆动态称重数据处理算法研究.pdf

摘要 摘要 车辆动态称重，即车辆在非停车运动状态下的称重。与车辆在停车状态下的静态称 重相比，车辆动态称重的主要特点是节省时间、效率高。动态称重时，车辆以一定速度 通过称重仪，不仅对称重仪的作用时间很短( 一般不到一秒) ，而且作用在称重仪上的力 除真实轴重外，还有许多因素产生的干扰力，如：车速，车辆自身振动、路面激励等。 在各种干扰力的作用下，真实轴重很难被提取出来，给动态称重实现高精度测量造成很 大困难。因此，在外界随机不确定度干扰力作用下如何准确测量真实轴重，就成了动态 轴重测试系统的技术难点和关键。对轨道车辆动态称重所存在的干扰进行分析、整理， 从动态测试系统的整体角度探讨减小或消除这些干扰力影响的措施，将有助于高精度动 态称重技术的进步及测试系统的发展。为了提高轨道车辆动态称重的精度，研究了动态 称重数据处理算法，并应用于便携式动态轨道车辆称重系统，提高轨道车辆动态称重精 度。 本文在便携式机车车辆动态称重仪的基础上，对传感器输出的信号进行数据采集， 实现了双通道的实时数据采集，并根据车速的变化对采样频率进行调节以得到正确的信 号样本，分别应用e m d 方法及r b f 神经网络方法进行动态称重数据处理，并应用到新 型便携式动态轨道车辆称重装置。信号处理结果显示两种方法的处理结果都在误差的允 许范围内，但e m d 方法的精度及稳定性要高于r b f ，故对该称重仪采用e m d 方法做 动态称重系统的软件处理方法。 关键词：轨道车辆；动态称重；数据处理；e m d ；r b f 大连交通大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ew i mo fv e h i c l e s ，w h i c hi st h ew e i g h i n gi nt h en o n - s t o pw e i g h i n gs t a t e a n d c o m p a r e dt ot h es t a t i cw e i g h i n g ，t h em a i nf e a t u r ei s t os a v et i m e ，a n dh i g he f f i c i e n c y w i m ，w h e nv e h i c l e st h r o u g ht h ew e i g h i n gd e v i c ea tac e r t a i ns p e e d ，n o to n l yt h ea c t i o nt i m e i ss h o r tb yw e i g h i n gi n s t r u m e n t ( w i t h i naf e wh u n d r e dm i l l i s e c o n d s ) ，b u ta l s oh a sm a n y i n t e r f e r e n c ef o r c ef a c t o r si na d d i t i o nt ot h er e a lf o r c eo nt h ea x l el o a d ，s u c ha s ： s p e e d ， s e l f - r e s o n a n t ，r o a di n c e n t i v e s ，t h ed r i v i n gf o r c eo fw h e e l s i tc a nb es a i dt h a tt h er e a la x l el o a d f o r c ei s s u b m e r g e di n av a r i e t yo fi n t e r f e r e n c e ，w h i c hm a k eg r e a td i f f i c u l t i e st or e a l i z e h i g h - p r e c i s i o nm e a s u r e m e n to fw i m t h e r e f o r e ，h o wt oa c c u r a t e l ym e a s u r et h er e a la x l el o a d f o r c ew i t ht h ea c t i o no ft h er a n d o mu n c e r t a i n t yi n t e r f e r ef o r c eh a sb e c o m et h et e c h n i c a l d i f f i c u l t i e sa n dt h ek e yo fd y n a m i cl o a dt e s t i n g c o l l a t i n ga n da n a l y z i n gt h ei n t e r f e r e n c eo f t h ew i ms y s t e m ，r e s e a r c h i n gt h em e a s u r e st h a tr e d u c i n go re l i m i n a t i n gt h ei m p a c to ft h e s e d i s t u r b a n c e sf o r c ef r o mt h eo v e r a l la n g l eo fd y n a m i ct e s t i n gs y s t e m ，t h i sw i l lc o n t r i b u t et o h i g h - p r e c i s i o nd y n a m i cw e i g h i n gt e c h n o l o g ya n dt e s ts y s t e md e v e l o p m e n t i no r d e rt o i m p r o v et h ea c c u r a c yo fd y n a m i cw e i g h i n go fv e h i c l e s ，w ep r o p o s ean e wt y p eo fp o r t a b l e v e h i c l ed y n a m i cw e i g h i n gd e v i c e s ，s t u d yt h ew i m d a t a - p r o c e s s i n ga l g o r i t h m s ，a n da p p l yi ti n t h ep o r t a b l ew l m s y s t e mo f r a i lv e h i c l e st oe n h a n c et h ew l m p r e c i s i o no fr a i lv e h i c l e s t h i st h e s i s ，o nt h eb a s i co fp o r t a b l er a i lv e h i c l e sw l mi n s t r u m e n t ，c o l l e c t st h ed a t a w h i c ho u t p u tf r o mt h es e n s o r ，r e a l i z e st h ed u a l - c h a n n e lr e a l t i m ed a t aa c q u i s i t i o n ，a n di n a c c o r d a n c ew i t hc h a n g e so ft h es p e e d ，a d j u s t si t sf r e q u e n c yt oh a v et h ec o r r e c ts a m p l e so ft h e s i g n a l t h i si s s u ea l s or e s e a r c h e 3t h ee m dm e t h o da n dr b f n e u r a ln e t w o r ka p p r o a c ha n d a p p l i e st h e mt ot h ew i ms y s t e mf l o mu s i n gt h ew e i g h i n gd a t a t h es i g n a lp r o c e s s i n gr e s u l t s s h o wt h a tt h er e s u l t so fb o t hm e t h o d sa r ea l l o w e di ne r r o r ，b u tt h ea c c u r a c ya n ds t a b i l i t yo f e m dm e t h o di sh i g h e rt h a nt h er b f ，s oe m di su s e da st h ew i md a t ap r o c e s s i n gm e t h o do f t h ep o r t a b l er a i lv e h i c l e sw e i g h i n gd e v i c e k e yw o r d s ：r a i lv e h i c l e s ；w i m ：d a t ap r o c e s s i n g ：e m d ； r b f 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太整塞通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太整塞通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太整塞通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太董壅通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 、 又。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：幺撕了 日期：m 罗年厂月，弓日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电子信箱： 导师签名：可易阉 日期一年月枷 大连交通大学电话：8 4 1 0 6 5 8 7 大连交通大学研究生学院邮编：1 1 6 0 2 8 y j s b d j t u e d u c n 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太蓬銮通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：纣确与 日期：哆年月弓日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 轨道车辆动态称重的来源及意义 铁路运输因其具有运输能力强，可持续运营，受气候影响小，以及在长距离运输方 面的优势等特点，因此铁路运输在国民经济中占有非常重要的地位。在铁路轨道上对各 种铁路车辆及其装载货物重量进行计量称重的器具称为轨道衡【1 1 。轨道衡广泛应用于工 厂、矿山、冶金、外贸和铁路部门对货车散装货物的称量。随着国民经济的高速发展， 各行业对轨道车辆计量工作提出了快速、准确的更高要求。因此轨道衡器在铁路运输安 全、运费结算以及企业间生产计量和经济核算等方面的应用就更具现实意义。 作为一种重要的计量器具，随着计算机技术、电子测量技术、信号处理技术、自动 控制技术高速发展，轨道衡器的开发和研制也得到了迅速的发展。目前轨道衡设备按称 量方式可分为静态与动态轨道衡两类，静态轨道衡计量静态停于秤体上的列车重量，计 量精度较高，但计量速度受到限制；动态轨道衡可在一定车速限制条件下称量列车重量， 计量速度较高，因此动态轨道衡技术得到了快速发展。传统的静、动态轨道衡需要在专 用线路上修建混凝土道床和基坑、动态引道基础以及机械称量台面等，结构复杂，成本 高，安装周期长，维护量大，计量精度容易受到冲击、振动的影响1 2 1 1 4 l ；最新发展的不 断轨动态电子轨道衡技术取一段钢轨作为称重轨，并在称重轨上加装称重传感器，称重 轨和引轨采用鱼尾板或焊接方式连接。这种轨道衡虽然省去了基坑、整体道床的施工， 安装方便，计量准确度有一定提高，但是仍需在指定场所对钢轨及轨枕进行改动施工【5 1 。 由于我国地域辽阔，气候多变，地理环境复杂，没有安装和不具备安装轨道衡条件 的企业较多；另外，轨道线路上某些装载、计量测试等环境条件特殊的情况下，无法安 装使用固定电子轨道衡。因此，便携式轨道车辆动态称重设备更具有现实意义。 1 2 动态电子轨道衡及其发展 1 2 1 我国动态电子轨道衡及其发展 轨道衡是设置在铁道线路上，用以称量铁路车辆装载的散装货物重量的大型衡器。 轨道衡计量是国民经济中的一项重要的基础性技术工作，是随着工农业生产和铁路运输 的发展、国内外贸易的发展需要而建立和发展的。大多数轨道衡用于在商品交换中称量 散装货物的重量，属于强制检定计量器具。另一些轨道衡计量工厂内工艺流程中的物料 重量、货物列车超载和偏载的情况，少数轨道衡称量铁路机车、车辆的轮重、轴重和整 大连交通大学工学硕十学位论文 车的重量，这些称量设备不涉及贸易往来可视为计量测试设备。一般轨道衡最大称量副 1 0 0 t 。1 5 0 t ，特殊的轨道衡最大称量可达6 0 0 t 1 6 。 早期轨道衡大多数是机械的、静态测量的轨道衡，这类轨道衡的一般工作原理都是 通过杠杆原理，用已知质量的砝码去平衡被测物体的质量。这种质量对质量的比较与地 球的引力无关，因此，此类轨道衡移到不同的地方不必重新校准。但这类轨道衡机械部 分结构庞大、响应慢、效率低。因此，动态轨道衡技术引起了人们的重视。 动态电子轨道衡简称动态轨道衡，是指以微型计算机为中心的对行驶中的铁路车辆 进行自动称量的大型衡器。它有两条最基本的要求：第一是效率，即允许列车以多快的 速度通过衡器：第二是精度，表述了整个衡器系统的准确程度。 6 0 年代中期，我国开始研制动态电子轨道衡，到了7 0 年代末已有化工部第四设计 院、武汉衡器厂、承德自动化计量仪器厂、天水红山材料试验机厂等单位生产，准确度 为0 5 。由于受当时国产传感器和电子元器件质量的制约，初期的动态电子轨道衡计 量性能、稳定性能均不够理想。进入8 0 年代，随着改革开放的深入发展，随着国外先 进的电子技术的引进以及微机技术的飞速发展，我国生产的动态电子轨道衡也在不断的 改进、完善与提高1 7 j 。 在此期间，传感器技术也有了大幅度的提高，无论是进口传感器还是国产传感器技 术都有了突飞猛进的发展。从其技术性能到技术指标均能满足电子轨道衡的计量要求， 它的非线性、重复性、滞后指标，抗侧向力、抗偏载等力学指标，以及高温、低温零点 和有些情况下的温度指标均有了很大的提高，一些防水、防潮传感器也应用于轨道衡的 特殊条件中，克服了符此之前对传感器进行恒温处理装置的弊病，也克服了过去采用挖 式传感器使称体结构庞大而复杂的弊病。在这段时间里，国内动态轨道衡采用的传感器 多为剪应力传感器和高性能的压力( 柱式) 传感器。其中剪应力传感器选用轮辐式、桥式、 悬臂式，这种传感器抗侧向力、抗偏载能力很强，又有较好的温度特性。有的轨道衡采 用了飞利浦p r 6 2 0 1 型柱式传感器和西班牙尤梯尔传感器及日本大和技术生产的柱式传 感器等。为了保证其性能，这些传感器都经过精细的加工、检测和复杂的工艺进行严格 的处理【引。 到了8 0 年代末，我国动态电子轨道衡产品已形成了系列，推出的产品有单台面、 双台面、浅基坑、无基坑微机动态电子轨道衡。 动态电子轨道衡是一种能在铁路车辆不停车、不脱钩的情况下对车辆进行动态连续 称量的现代化动态称量设备。它是一种集微机和传感器于一体的数字式衡器，属于计算 机测控系统，它与传统的杠杆式轨道衡相比具有如下优点： 1 ) 随着微电子技术的发展，计算机价格性能比大幅度下降、计算机成本降低，使系 2 第一章绪论 统总成本降低。 计算机测控系统的体积小、可靠性好、结构简单、安装调试容易。 3 ) 随着计算机的广泛应用和与其兼容的软件系统变得很丰富。计算机测控更便于灵 活高效的进行程序设计和调试，更便于一般工程技术人员掌握和使用。 从技术经济效益来看，动态电子轨道衡的优点也很多。首先，秤体的结构太大的简 化，节省了机械加工的工作量。这不仅简化了安装调试手续，缩短了调试时间。更节减 了基建费用。其次，称重显示器不仅显示物重，而且具有存储、运算，处理等功能，很 容易与生产过程的控制系统相结合，以构成规模更大、自动化程度更高的控制系统。 进入9 0 年代，随着国内电子技术的发展，动态电子轨道衡称重技术日益完善成熟， 人们从实践中摸索，从理论上探讨，冲破传统动态电子轨道衡的技术束缚，广开思路， 大胆创新，研制出不同种类、不同特点的各类动态电子轨道衡，诸如无基础轨道衡、无 秤台轨道街、不断轨轨道街、曲线轨道衡、公路、铁路两用衡等一系列新型动态电子轨 道衡 9 1 。他们充分发挥了计算机软件技术、传感器技术，深入研究了基础沉降强度及动 态称重的影响，深入研究了动态称重的力学模型与数学模型，对动态电子轨道，衡的研究 已经有了质的突破，随之而来出现一批新型的动态电于轨道街【l o 】。 1 22 国外动态电子轨道衡发展现状 与国内相比，国外动态电子轨道衡称量技术发展更为迅速。在1 9 9 0 年，德国多特 蒙德某公司研制成功了一种新型“称重钢轨”。这种新型“称重钢轨”实现了钢轨和轨 道衡的一体化，已在德国铁路安装使用。同时英国也有类似的称为 w e i g h l i n e ”的技 术投入使用。英国w e i g h - - t r o n i x 公司生产的w e i g h l i 衄r a i ls 喇e ( 称重轨式轨道 衡) 实物图如图1 1 所示。 图1 1 称重轨式轨道衡 f i g1 1 l o a d - b e a t i n gr a l l w e i g h b d d g e 麓 大连交通大学t 学硕士学位论文 这种“称重钢轨”结构原理上与国内湘潭无线电厂等研制的g c u 一1 0 0 e 动态电子 轨道衡相似，是一种轴计量式以剪力称重传感器为核心构成的无基坑、无称台车辆称重 系统，结构简单，价格低廉，安装维修方便，能适应不同的线路条件。但是它的称重测 量区长为1 m 左右，称量速度( 即称重时允许列车行驶的速度) 高达7 0 k m h ，而且不计量 时不限速，具有可同时称量轮重、轴重、整车重及自动检测超重、偏载功能等优点，可 作为高速动态超偏载检测设备使用。 目前美国各大衡器制造公司也在加紧研制与“称重钢轨 类似的高速动态电子轨道 衡，这些新型的高速动态电子轨道衡同样可以作为高速动态超偏载检测设备使用。p f i s t e r w a a g e nb i l a n c i a i 公司最新推出的s o l a r 动态电子轨道衡，预期允许列车动态称量速度达 6 0 k m h 。这种轨道衡在原轨道上安装只需数小时就能完成。s c h e n c kp r o c e s s 公司也正在 加紧研制安装便捷的基于轮扫描( w h e e ls c a n ) 技术的m u l t i r a i l 轨道衡。 1 3 轨道衡的分类和结构 1 3 1 按使用状况分类 1 静态称量轨道衡 静态称量轨道衡是指车辆在轨道衡台面上处于静止状态下进行称量，轨道衡所受的 力和力矩处于平衡状态，用于称重静止状态货车载重的轨道衡。因此，线路和车辆状态 对轨道衡影响较小，称量准确度高。分为机械式、机电结合式和电子式等几类。早期的 机械式轨道衡都是静态称量轨道衡。 2 动态称量轨道衡 动态称量是指称量运行中的铁路车辆的重量。动态轨道衡又分断轨和不断轨完全不 同的两种。不断轨轨道衡称量测量区的轨道通过鱼尾板连接铁路轨道，没有独立的承重 台，因此没有过车时导致的冲击振动机械磨损。计量方式以轮轴计量和转向架计量为主。 这里的车辆可以是处在已经编组联挂的列车中，也可以是单独一辆处于溜放中的车辆。 后一种情况是指编组站驼峰线用来称量溜放车辆的动态轨道衡，对于第一种情况下的动 态称量，即用于对联挂车辆进行称量的轨道衡。这种动态轨道衡主要用于各工矿企业进 行商业核算1 1 1 j 。 从力学的角度来看，动态称量是称量系统( 包括被称车辆) 受力未达到平衡之前就进 行称量，由于测量是在列车行动过程中完成的，而计量要求又较高，因此必须考虑到整 个系统的过渡过程误差。现在使用的轨道衡一般都是动态称量轨道衡。 4 第一章绪论 1 3 2 按计量原理分类 1 1 以力矩平衡为计量原理 此类轨道衡的工作原理为杠杆原理，当杠杆系统达到平衡时，就将力的计量转换成 了长度、角度或小砝码的数量等机械计量，其常用的读数装置为游砣式、指针度盘式和 数字显示式。 近年来，随着非电量电测技术的发展和高精度传感器的研究成功，采用电子技术进 行快速、自动称量的全电子秤取代结构复杂、称重速度缓慢的杠杆式轨道衡已成必然的 趋势。 2 ) 以传感器的弹性变形为计量原理 此类轨道衡即所谓的电子轨道衡，它的主要原理是采用了应变式传感器，测量由被 称量车辆重量所引起的传感器的弹性变形，基本原理是把车辆重量转化为电压、电流等 便于测量的电学量，再通过测量这些电学量而得到车辆的重量值【1 2 】。 1 3 3 按计量方式分类 1 1 车计量： 被称量车辆的两个转向架同时位于轨道衡称重台面上进行计量，其轨道衡的台面形 式往往采用双台面或长台面结构。 2 ) 转向架计量： 一次称量一个转向架的重量，累计前后转向架即可得到整车重量。其轨道衡的台面 长度一般在3 6 m - - 4 m 左右。 3 ) 轴计量： 每辆被称车辆分成四次称量，每次称量一个轴，四次累加得到整车重量。其轨道衡 的台面长度一般在1 4 m 左右。 1 4 动态称重技术 车辆动态称重过程中，当车辆接触到秤台后，将产生一个上台冲击振动，并逐渐呈 现出衰减现象。车速越高，车辆轴重信号前部上升段越陡峭，上台冲击振动越大，上升 段终值偏离轴重真实值越远，因此低速的情况下，可以直接将传感器测量值视为轴重值， 但是随着车速升高，测量误差增大，最后将无法满足测量的准确度要求。有些时候会发 现轴重信号的最后一个峰值大于它前面的一个峰值，破坏了上台冲击振动的衰减规律， 产生这种现象的原因是由于车轮离开台面时产生了附加冲击，因此在信号处理时常常需 s 大连交通大学工学硕+ 学位论文 要去掉这种下台冲击的影响。动态称重时，传感器产生的轴重信号伴随有各种干扰，因 此需要采用合适的算法提高测量准确度。 动态称重在目前是比较有挑战性的课题。在过去几十年的动态称重技术研究中，在 如何保持检测精度的前提下提高车辆通过速度一直是各研究机构所致力解决的问题，通 过不懈的努力使动态称重技术已经得到了很大的发展。综述国内外资料，动态称重技术 中常用的算法有以下几种。 ( 1 ) 最大值测量法 最大值测量法就是寻找轴重信号的最大值，利用这个值来近似实际轴重。这种方法 测量准确度不高，尤其对车速有严格的限制。这种方法惟一的优点是算法简单。 ( 2 ) 位移积分法 为解决动态称重问题，在二十世纪八十年代日本学者提出了一种同时或单独测量重 物移动的位移、速度和加速度，然后用直接方法或数值积分方法来求解称重过程的微分 方程以获得力值的方法【1 3 l 。这类方法有些因需同时使用多种不同类型传感器而难以实 现，有些虽然只使用同类传感器，但由于采用积分方法因而准确度较差，且往往只适用 于噪声很小的场合。位移积分法就是这种称重方法的一种沿袭和改进。位移积分法也是 目前国内多个科研单位主要采用的方法。其原理大致是：将称重系统的输出信号对- , b 段位移l 1 沿其长度l 的方向积分，l 1 的两端通过对称重系统各传感器的输出信号进行 比较而定。动态分量在积分区间被平均，使车辆震动造成的干扰影响较小，因此精度相 对也较高，但这需要较长的数据才能保证精度，这也是目前动态称重系统当提高车辆通 过速度时，测量精度无法保证的原因所在1 1 4 l 。 ( 3 ) 经验模分解法( e m d ) 美国n a s a 的h u a n g 提出了一种新的信号处理方法e m d ( e m p i r i c a lm o d e d e c o m p o s i t i o n ) 1 5 l 。该方法认为任何信号都是由不同的固有模式函数i m f ( i n t r i n s i cm o d e f u n c t i o n ) 的合成，因此可以把信号分解成若干阶i m f ，其中频率最低的i m f 表示原始信 号的趋势或均值，其余各阶分量反应了信号的动态特性。e m d 本质上是一种具有自适 应能力的平稳化处理方法，是目前提取数据序列和均值的较好方法。 ( 4 ) 专家系统 专家系统( e x p e r ts y s t e m ) 是一个智能计算机程序系统，其内部含有大量的专家水平的 知识与经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来处理问题1 1 6 1 。也就是说，专 家系统是一个具有大量的专门知识与经验的程序系统，它应用人工智能技术和计算机技 术，根据一个或多个专家提供的知识和经验，进行推理和判断，模拟人类专家的决策过 程，以便解决那些需要人类专家处理的复杂问题，简而言之，专家系统是一种模拟人类 6 第一章绪论 专家解决问题的计算机程序系统。该方法主要是引入知识模型而构成专家系统，即把优 秀称重测力专家的思维过程固化到测量程序中，并与计算机修正程序结合起来，进而提 高计量仪器的测试能力和故障检测能力。 ( 5 ) 参数估计法【1 4 l 【1 7 l 【1 8 l 该方法主要是把动态测量作为一个参数估计和预测问题来处理，即首先根据有关称 重测力系统的先验知识，推导出一个含有未知参数的模型，然后用该模型去拟合称重测 力过程的输出信号，从而获得最小平方误差意义上的参数估计。由于被测重量或力值可 以看成是称重测力过程的终值，因此它们可以用模型参数进行估计或预测。基于参数估 计的系统辨识方法可由极短的轴重信号估计出模型参数和轴重值，而具有较高的准确 度，同时利用适合的辨识算法可以进一步减小速度对测量结果的影响，可以在车辆中速 及较高速的情况下使用此种方法。 ( 6 ) 神经网络1 w j 神经网络是一种有效的非线性函数拟合工具，己经被应用到许多工程问题帆使用 神经网络的方法，可以利用一个动态系统的输入输出数据建立它的输入输出模型，通 过这个模型可以根据该系统的后继输入来预测出我们想求得的对应输出值。该方法主要 是基于并行技术的思想，以神经网络技术为控制核心，采取多因素协调，将检测过程中 对影响称重精度和限制车辆通过速度起主导作用的因素作为训练样本，通过训练获得较 好的网络模型，再根据该模型和网络输入数据得出车重，并期望提高检测精度。 1 5 本课题主要工作 车辆动态称重系统是一种测量行驶中车辆重量的检测系统。随着运输工业生产及商 业贸易的不断发展，车辆动态称重技术发挥着越来越重要的作用。到目前为止，一些用 各种传感原理的车辆动态称重技术己经出现，但在便携性，适用性等方面仍存在一些不 足；同时，车辆动态称重系统产生的轴重信号受到车辆振动、温度、路基特性等多方面 的影响，给信号处理带来了难度。正是基于这些原因，我们对动态称重信号的处理方法 进行研究，力图找到一种合适的便携式车辆动态称重系统。 车辆动态称重系统主要由动态称重传感器、测量电路、信号处理系统和显示系统四 部分组成，如图1 2 所示。车辆动态称重系统一般安装在行车轨道上，当车辆通过动态 称重传感器时，传感器测量出车辆的轴重信号。利用测量电路，将传感器传输过来信号 放大，并经过a d 转换单元将放大后的电信号采样，采样后的数字信号经过信号处理系 统转换成车辆的轮重。在某些测量电路部分还有硬件滤波单元，滤波单元可将车辆经过 大连交通大学工学硕士学位论文 传感器产生的高频噪声以及电路本身的噪声滤除，减小信号处理系统的负担。车辆动态 称重系统再由这些轴重值计算出整车重型刎。 图1 2 车辆动态称重系统组成 f i g 1 2n ec o m p o s i t i o no fv e h m ew i ms y s t e m 本论文主要是对信号处理部分进行研究，主要工作为： 1 动态称重信号的采集与分析。 2 基于e m d 的动态称重信号处理方法研究。 3 基于r b f 神经网络的动态称重信号处理方法研究。 8 第二章动态称重数据的采集与分析 第二章动态称重数据的采集与分析 2 1 数据采集过程 基于虚拟仪器的测试系统典型的硬件结构如图2 1 所示： r 。1r - 1r 1r 1 i传感器卜一叫信号调理器卜一叫数据采集设备卜- 叫 计算机 i - ji 一ji _ ji _ j 图2 1 测试系统的硬件结构 f i g 2 1h a r d w a r es t r u c t u r eo ft e s t i n gs y s t e m 传感器将被测量的温度、压力、位移等各种物理量转换为电量：信号调理器对电信 号进行放大、滤波、隔离等预处理；数据采集设备主要功能是将模拟信号转换为数字信 号，此外一般还有放大、采样保持、多路复用等功能。 在数据采集过程中，来自传感器的模拟量被转换为数字量。模拟信号石o ) 经脉冲序 列采样后，成为时间离散信号石o ) ，再量化以后得到取值也是离散化的数字信号。乃为 采样周期，它的倒数就是采样率。 数据采集是测试系统最主要的基础环节，根据信号的特征和测试目的，模拟信号可 以分为3 类： 1 对于随时间缓慢变化的信号，例如容器的液位、对象的温度等，通常叫做直流 信号。对直流信号一般只需要比较慢的采样频率。 2 对于随时间变化较快的信号，如果需要了解它的波形，则把它作为一个时域信 号来处理。这时候需要比较高的采样频率。例如要检测一个快速的脉冲，采样周期必须 小于脉冲周期。要关心这个脉冲的上升时间的话，那么就应该用更高的采样率。 3 对于随时间变化较快的信号，如果需要了解它的频率成分，则把它作为一个频 域信号来处理。根据“奈奎斯特”理论，要得到准确的频率信息，采样率必须大于信号最 高频率成分的两倍。采样率的一半叫“奈奎斯特 频率。这实际上意味着对于最高频率 的信号成分每一个周期只采样两个数据点，这对于描述信号的波形是远远不够的。工程 实际中一般使用信号最高频率成分4 。1 0 倍的采样率。 9 大连交通大学工学硕十学位论文 2 2 数据采集设备 2 2 1 数据采集设备类型 虚拟仪器是软硬件的结合，而虚拟仪器硬件又是在传统仪表和计算机技术的基础之 上得以发展的。从2 0 世纪8 0 年代开始计算机技术的迅速发展，使其在测试领域中的应 用越来越广泛，传统仪器逐渐以不同的形式与计算机紧密结合在一起，形成了各种形式 的虚拟仪器硬件，满足了工程、科研、教育各个领域的实际需求【2 。目前常用的虚拟仪 器硬件结构有以下的类型【2 2 l ： 1 插卡式的数据采集设备 插卡式的数据采集设备是一种典型的虚拟仪器硬件结构，这种硬件结构配置，可以 满足一般测试的要求，价格能够为大多数用户所接受。 2 分布式数据采集设备 分布式数据采集设备以n i 公司生产的f i l e d p o i n t 和c o m p a c t f i l e d p o i n t 模块为代表， 后者尺寸更小，抗冲击和震动等性能更好。这种数据采集设备可以安装在工业现场被测 试对象附近，通过计算机网络或串口与计算机通讯。 3 v x i 与p x i 设备 v x i 和p x i 虚拟仪器硬件结构可以应用于某些特殊的测试场合和对测试条件要求非 常高的场合。v x i 的结构形式是将信号采集、信号调理等各种模块装入标准机箱，通过 插入计算机的卡与计算机通讯，或将计算机嵌入机箱零插槽。p x i 的结构形式与v x i 基本相同，区别在于总线不同和价格更容易接受。 4 g p i b 或串口设备 以上介绍的虚拟仪器硬件虽然可以完成各种测试系统通用的任务，但是不同的测试 系统特有的任务是由软件来完成的，改变测试任务就需要改变软件。为了有效利用现有 的技术资源和发挥传统仪器的某些优势，我们还可以采用g p i b 或串口形式的虚拟仪器 结构。g p i b ( h p i b 或i e e e 4 8 8 1 卜通用接1 2 1 总线，是计算机与传统仪器的接口，将g p i b 通讯卡插入计算机，再通过g p i b 电缆，实现计算机对传统仪器的控制和访问。串口也 是计算机与传统仪器接口的一种普遍采用的方式，实现对满足一定协议的传统仪器与计 算机的连接。这些与计算机连接的仪器功能是专一、固定的，它们的软件固化在仪器内 部。它们完成测试任务也并不依赖于计算机，只是利用计算机的存储、显示、打印等功 能，或对测试过程加以某些控制。 5 基于计算机的仪器 第二章动态称重数据的采集与分析 基于计算机的仪器也叫模块化仪器，是在一块卡上集成了仪器的全部功能，这个卡 插入计算机。由于模块化仪器的软件运行在计算机上，所以可以更容易的对仪器进行控 制。 2 2 2 数据采集设备的主要指标 1 采样率 采样率( 也称为采样速度或者采样频率) 定义了每秒从连续信号中提取并组成 离散信号的采样个数，它用赫兹( h z ) 来表示。采样频率的倒数被称为采样周期或者 称为采样时间，它是采样之间的时间间隔。对于数据采集设备来讲采样率就是进行 a d 转换的速率，不同的设备具有不同的采样率，进行测试系统设计时应该根据测试信 号的类型选择适当的采样率，盲目提高采样率，会增加测试系统的成本。 2 分辨率 分辨率是描述数据采集设备的精度指标，用模数转换器的数字位数来表示。如果把 数据采集设备的分辨率看作尺子上的刻线，同样长度的尺子刻线越多，测量就越精确。 同样的，数据采集设备模数转换的位数越多，把模拟信号划分的就越细，可以检测到的 信号变化量也就越小。 目前工程上常用的数据采集卡分辨率最低为1 2 位，可以满足一般应用的要求。对 于有较高要求的场合，可以使用1 6 位或2 4 位的数据采集卡。 选择高分辨率的数据采集卡无疑会增加测试成本，但是通过对模数转换器数字位数 的充分利用可以在不增加投资的情况下达到预期的目的。合理使用数据卡的途径有两 个。 1 ) 合理设置设备量程范围 模数转换器可以数字化的最大和最小模拟信号电压值就是设备量程范围。数据采集 卡性能指标给出的分辨率是满量程时的参数。如果实际上被测信号电压幅值达不到满量 程范围，可以通过设置使设备的实际量程范围与信号的电压范围相匹配，这样就充分利 用了设备现有的分辨率。假设有一个3 位数据采集卡，给出量程范围0 1 0 v ，输入一个 0 巧v 的正弦信号。这时如果量程范围设置为0 1 0 v ，则模数转换器8 个数字分段分布 到1 0 v 电压的范围内，可以检测的最小电压为1 2 5v ；若量程范围设置为0 - 5 v ，则模 数转换器的8 个数字分段就分布在5 v 电压的范围内，这时可以检测的最小电压就变为 0 6 2 5 v ，这样既能检测出全部信号，又相当于把设备的分辨率提高了一倍。也有些模拟 输入设备允许用户设置被检测信号的极性，双极性信号的电压范围是从一个负值到一个 大连交通大学下学硕十学位论文 正值( 例如5 5 v ) ，单极性信号的电压范围是从o 到一个正值( 例如0 5 v ) 。为了得到较 小的代码宽度，如果信号是单极的就把设备范围设置为单极。 2 1 合理进行信号极限设置 并不是永远能够通过设备范围的设置来充分利用模拟输入设备的分辨率。有些设备 的范围不允许用户设置，还有时同时监测几个信号，他们的电压范围差别非常大。例如 用一个液压设备对一个物体加载，测量负载变形曲线时，压力变送器的电压信号范 围是0 巧v ，而应变片的电压信号范围只有0 0 5 v 。在设备范围的设置无能为力时，通过 信号的极限设置却总能很好的解决问题。信号极限设置实际上就是单独确定每一个通道 被检测信号的最大值和最小值。准确的极限设置可以让模数转换器使用更多的分段去表 示信号。设置了信号极限就等于设置了信号的增益。但是信号的增益不是无限的，所以 设置过低的极限是没有意义的。 3 其他主要指标 数据采集设备其他主要指标还有： 通道数：目前m 的数据采集卡一般有1 6 通道和6 4 通道，可以根据被测试信号的 数量选择，如果有更多的信号需要测试可以采用多个数据采集卡，或使用多路复用板。 同步采样：如果要分析多个被测试信号的相位关系，则要求有多通道同步采样的功 能。 模拟输出：需要产生模拟信号时，数据采集设备应有模拟输出功能。 数字输入输出：需要对被测试系统进行控制或采集数字信号时，要求数据采集设备 有数字量输入输出的功能。 触发：分模拟触发和数字触发，即在一定条件下采样的功能。 2 - 3 数据采集卡l a b j a c k u l 2 一个典型的数据采集卡的功能由模拟输入、模拟输出、数字v o 、计数器计时器等 组成。 模拟输入是采集卡最基本的功能。它一般由多路开关( m u x ) 、放大器( a m p l i f i e 0 、 采样保持电路( s h ) v a 及模数转换器o c ) 来实现。一个模拟信号通过上述各部分后可以 转化为数字信号。模数转换器的性能和参数直接影响着采集数据的质量，应根据实际测 量所需要的精度来选择合适的模数转换器。 模拟输出通常是为采集系统提供激励信号。输出信号受数模转换器r ( d a c ) 建立时间、 分辨率等因素的影响。建立时间反映了输出信号幅值改变的快慢，例如建立时间短的数 1 2 第二章动态称重数据的采集与分析 模转换器可以提供频率较高的信号。所以应该根据实际需要考虑数模转换器的参数指 标。 l a b j a c ku 1 2 多功能数据采集控制器是一个作为测量和自动化的外围设备，它是一 个u s b 接口的、多功能数据采集控制器，是目前性价比最高的多功能数据采集控制器。 它能提供8 路单端或4 路差分模拟输入端，分辨率为1 2 位。它使计算机轻而易举地和 外部物理世界联系起来，被广泛地应用于测试仪器，工业过程控制，数据监视等各种数 据采集和控制场合。 圈2 2l a b j a c ku 1 2 正面图 f 培2 2 l a b j a c k u l 2 0 u t s i d e v i e w l a b j a c ku 1 2 不需要外部电源，百分之百的软件控制，没有任何跳线或开关，提供 了完整的驱动软件和一些应用软件；另外l a b j a c k u l 2 具有可编程放大器，增益为1 2 ，4 ，5 ，8 ，1 0 ，1 6 或2 0 倍，其在连续读模式下采样速率可达1 2 0 0 赫兹，在短时读 模式下采样速率更可高达8 0 0 0 赫兹；l a b j a e ku 1 2 还支持软硬件定时采样和触发采样， 而且一个u s b 口可以连接8 0 个l a b j a c k 从而组成庞大系统。 2 4 数据采集软件 根据设计的称重仪的工作原理，采取双通道的数据采集，把应变通过传感器转化为 电压信号进行采集，根据火车的运行速度不同设置采样频率。并在l a b v i e w 的基础上 编制程序， j i 面板如图2 3 所示。 j = 连交通大学工学硕+ 学位论文 采i 鹅e 厨r 一 函蕊函函 * i n ；、 2 0 0 k n 圆园圆圃囡 削2 3 基丁虚拟仪器的便携式机下车辆动态称重系统前面扳 f i g2 3 t h e f r o n t p a n e lo f w i ms y s t e m f o r t h ep o r l a b l e v e h i c l e s i n s t t l i m e n t b a s e do n t h e v i r t u a l i n s t m m e n t 双通道数据采集模块的程序框图如图2 4 所示 嘲2 , 4 般通道数据采集模块稚序框幽 f i g2 4 p r o g r a m g r a p ho f d o u b l ec h a n n e l s d a q 一圈一 硼四硼到 第二章动态称重数据的采集与分析 2 5 动态称重数据的分析 动态称重的轨道衡及电子秤一般来说都设计为典型的二阶欠阻尼系统，它的力学模 型如图2 5 所示，由质量所、弹簧恩阻尼器口组成。 戈( 二) 图2 5 二阶力字糸统 f i g 2 5s e c o n d - o r d e rm e c h a n i c a ls y s t e m 设质量所在随时间变化的作用力k ，( f ) 作用下，产生位移石( f ) ，则系统平衡时有： m 窘+ b 鲁+ 救。墨( ( 2 j ) d t ld t ” 由此可得系统的传递函数： g g ) ：b o ) 1 三 ，( f ) ：x g ) r g ) 叫b s 2 + 凰+ k ) ( 2 2 ) 而二阶系统的典型形式为： o ( s ) - 雕2 + 2 融s + 砰) ( 2 3 ) 比较式2 2 与2 3 可知： 系统的无阻尼自振频率鸭- 等，系统的阻尼系数亭一詈去。y ，” zy ，啦 称重时给系统施加的信号相当于是一个阶跃输入信号。设此阶跃信号为单位阶跃。 二阶欠阻尼系统0 亭 1 ，故其时域输出为衰减的振荡过程， 表达式如式2 4 。 x ( f ) 1 - e 一脚丽1 s i n ( + 口) 2 q v