[发明专利]一种用于高速列车失稳检测中振动信号的滤波装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及高速列车技术领域，尤其涉及一种用于高速列车失稳检测中振动信号的滤波装置及方法。

背景技术

随着高速铁路发展，高速列车车辆对动力学性能要求也越来越高，如何保障车辆高速运行状态下的运动稳定性，也成为了影响列车安全运行的重要问题。为了保证轨道车辆的运行安全，通常需要对车辆相对轨道方向横向运动的稳定性进行检测，以尽早发现诸如蛇行失稳等危险运动情况。一旦车辆系统出现失稳现象，其运行品质将急剧恶化，运行的平稳性也将大大降低，蛇行失稳会导致轮轨间强烈的相互作用，造成对线路的严重危害，甚至会引发脱轨事故。目前对高速列车横向失稳的判定，一般均采用加速度传感器测量车辆转向架的振动情况并对其进行分析，识别出特征信号后再进行判别。一种典型的应用如：监测指定频段（2Hz~10Hz）内转向架横向振动加速度幅值，并计算其峰-峰值，当该参数持续10次以上达到或超过临界值（如2.0g）后，则判定列车发生了横向失稳。

由于车辆运动受车辆自身特性、线路条件、轮轨接触状况等多个因素影响，振动信号具有宽频段、多频混叠、存在大量激励干扰等特点，因而为了满足控制实时性要求，高速列车上中对于失稳的检测中必须对非特征频段信号进行滤除。目前常用的滤波手段包括硬件滤波、软件滤波以及软硬件结合的复合滤波等，各类滤波手段具体如下所示：

（1）硬件模拟滤波

采用硬件模拟滤波方式时，产生的延时很小（毫秒级以下），适用于现场环境实时控制。以CRH380A型车装备的某型转向架失稳检测装置为例，其滤波处理就是采用硬件电路完成，信号处理流程如图1所示，由传感器检测的振动信号经过信号采样后，经过5级硬件滤波电路进行滤波，这些硬件滤波电路是由运算放大器及阻容元件等构成。

但该类方式存在以下缺陷：

1）电路规模受到PCB大小限制，无法实现高阶（256阶以上）滤波，且精度低、效果差；如上述CRH380A型车的检测装置精度为10%；

2）由于单级效果差，一般需要采用多级滤波级联处理，导致电路结构复杂，需要计算和匹配的参数多、设计和调试难度大；

3）模拟电子器件在使用过程中易受环境因素影响，长时间工作后将产生参数漂移，精度变差，需定期进行校准。

（2）软件数字滤波

采用软件方式构建数字滤波器时，可以很容易地实现高阶（如1024阶）滤波效果，获得良好的幅-频特性和高精度；而且程序编制上可以利用一些既有函数和算法，降低了开发难度，参数修改和调试都很方便，滤波效果不受环境和时间因素影响。在实验室对信号进行研究分析时，由于不需要考虑信号处理的实时性，一般均采用此种方式，借助高主频计算机和繁复的滤波算法，以获得尽量精确的滤波效果。

但该类方式存在以下问题：

1）由于软件滤波是通过数学计算来实现的，因而滤波效果与计算量有关，要获得优良的滤波效果需要进行海量计算，必须要借助性能强大的处理器；

2）FIR（Finite impact Response，有限长冲激响应）滤波存在一个受滤波阶数、信号采样率影响的延时t，它无法通过优化软件来缩减；且当滤波阶数提高时，这个延时会同步增加，影响实时性。

3）单次采样模式下无法提高信号的信噪比，因而在对低信噪比信号进行处理时会造成有效信号的失真。

（3）复合滤波

为满足现场应用要求，往往将以上两种方式组合起来使用，构成复合滤波系统。该类滤波方式虽然能够在系统响应与精度方面获得某种平衡，但这种方式并不能完全消除两种方式的弊端，而且会使系统变得更为复杂，不易于操作实现。

综上所述，目前的滤波方式无论采用哪种类型，都是基于传感器电量信号进行处理，需构建专门的处理电路或处理软件，受到供电、发热、体积等因素制约，且无法避免响应慢、精度差、系统复杂等缺陷，难以满足高速列车现场实时检测需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种能够满足高速列车失稳检测需求的用于高速列车失稳检测中振动信号的滤波装置及方法，实现结构简单、所需成本低、易于实现、滤波精度高且系统响应快。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：