1 引言
    列車在運(yùn)行過(guò)程中，若發(fā)生折角塞門誤關(guān)(簡(jiǎn)稱折關(guān)，主要由人為故意破壞非正常關(guān)閉折角塞門或者折角塞門由于長(zhǎng)久工作而自然損壞兩方面原因造成)，在列車需要制動(dòng)時(shí)，使空氣制動(dòng)功能受到影響，制動(dòng)力下降，嚴(yán)重時(shí)將造成列車冒進(jìn)、追尾等事故。因此，列車“折關(guān)”是鐵路安全運(yùn)行中存在的重要問(wèn)題之一。鐵道部1988年已將防止折角塞門關(guān)閉造成事故問(wèn)題列為鐵路安全的重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目。目前對(duì)列車折關(guān)檢測(cè)主要是根據(jù)對(duì)列車管內(nèi)氣壓數(shù)據(jù)的采樣，然后與正常情況下的數(shù)據(jù)對(duì)比計(jì)算獲得折關(guān)與否以及折關(guān)的具體位置?；诖嗽硌邪l(fā)成的檢測(cè)裝置大致有三類： (1)列車尾部安全裝置，(2)列車折關(guān)檢測(cè)報(bào)警記錄裝置(列車管貫通狀態(tài)檢測(cè)儀)， (3)列車制動(dòng)主管漏泄檢測(cè)儀。本文介紹的系統(tǒng)設(shè)計(jì)是基于列車折關(guān)檢測(cè)報(bào)警記錄裝置原理。

2 檢測(cè)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)
    檢測(cè)系統(tǒng)電路包括信號(hào)調(diào)理板、單片機(jī)電路、濾波放大電路、A／D轉(zhuǎn)換電路、顯示電路等，如圖1所示。單片機(jī)是系統(tǒng)的核心，它控制A／D轉(zhuǎn)換器采樣經(jīng)濾波放大后的壓力、差壓信號(hào)并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，按照一定的算法規(guī)則處理后，得到代表列車管貫通狀態(tài)的具體值并送顯示電路。

2．1 濾波放大電路
    裝置檢測(cè)盒送出的壓力P是0mA～20mA信號(hào)，差壓。DP是10±10mA信號(hào)，這種電流源信號(hào)對(duì)激勵(lì)電壓的變化不敏感，長(zhǎng)導(dǎo)線傳輸也不會(huì)因電壓降或感應(yīng)噪聲產(chǎn)生誤差。由于列車運(yùn)行時(shí)現(xiàn)場(chǎng)條件惡劣且干擾嚴(yán)重，加之?dāng)U散硅壓阻傳感器本身對(duì)聲壓及其它雜散干擾較為敏感，傳感器送給主機(jī)的兩個(gè)信號(hào)分別經(jīng)過(guò)兩個(gè)低通濾波器，使信號(hào)質(zhì)量得到提高，該低通濾波器采用MAX291，它是一個(gè)8級(jí)巴特沃斯低通濾波器，為了防止信號(hào)過(guò)載使濾波器失效和損壞，兩輸入信號(hào)均加有硬件過(guò)載保護(hù)電路。放大部分由LMl24及外圍元件組成，它將P和DP分別放大到10V和5V+5V，供A／D轉(zhuǎn)換使用。圖2是壓力P信號(hào)的慮波放大電路原理圖，可調(diào)比較電平是在定壓5kg和6kg二種情況下，為截取信號(hào)的有用變化分量進(jìn)行充分放大而設(shè)置的。
2．2 A／D轉(zhuǎn)換電路
    A／D轉(zhuǎn)換過(guò)程中，每隔時(shí)間T對(duì)輸入的連續(xù)信號(hào)進(jìn)行采樣，采樣后的數(shù)據(jù)在時(shí)間上是離散的，然后經(jīng)過(guò)量化(即編碼)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)。在A／D轉(zhuǎn)換器中，采用四舍五入的取整量化方式。毫無(wú)疑問(wèn)，量化會(huì)使信號(hào)失真，給系統(tǒng)帶來(lái)量化誤差，影響系統(tǒng)的精度和過(guò)程平滑。為了減少量化誤差對(duì)系統(tǒng)精度和平滑性的影響，應(yīng)該正確地選用A／D轉(zhuǎn)換器。
    當(dāng)監(jiān)測(cè)列車管中氣體的壓力、差壓變化時(shí)，需要同時(shí)對(duì)兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，為了提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和測(cè)量精度，采用了12位高速A／D轉(zhuǎn)換器MAXl96來(lái)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并用MAX624l做基準(zhǔn)。經(jīng)前向處理后的P和DP信號(hào)分別送到MAXl96的CH0和CHl，在89C5l的控制下完成A／D轉(zhuǎn)換。圖3為A／D轉(zhuǎn)換電路連接圖。

2．3 顯示電路
    裝置的顯示采用MAX7219驅(qū)動(dòng)LED顯示器。它與微處理器的連接簡(jiǎn)單，可以與微處理器任意三個(gè)端口連接。如圖4所示為微處理器與MAX7219的一種連接方式。

    MAX7219是一種高集成化的串行輸入／輸出的共陰極LED顯示驅(qū)動(dòng)器。每片可驅(qū)動(dòng)8位7段加小數(shù)點(diǎn)的共陰極數(shù)碼管，可以多片級(jí)聯(lián)，只需將上一片的DOUT連接下一片的DIN即可，CLK和LOAD線全部公用，連在一起。在多片級(jí)聯(lián)時(shí)，對(duì)MAX7219的操作指令要注意LOAD信號(hào)的起止點(diǎn)，操作開(kāi)始時(shí)，LOAD下降為低電平，按照每片MAX7219兩個(gè)字節(jié)，如果有N片，則發(fā)送2N個(gè)字節(jié)后，LOAD上升為高電平。還需注意的是，先發(fā)送的指令將到達(dá)級(jí)聯(lián)的最后一片。MAX7219內(nèi)部設(shè)有掃描電路，除了更新顯示數(shù)據(jù)時(shí)從單片機(jī)接收數(shù)據(jù)外，平時(shí)獨(dú)立工作，極大地節(jié)省了MCU有限的運(yùn)行時(shí)間和程序資源。

3 折關(guān)檢測(cè)算法研究
3．1 數(shù)據(jù)分析及選擇
    列車折關(guān)故障檢測(cè)系統(tǒng)由于是一個(gè)存在各種非理想因素的復(fù)雜系統(tǒng)，檢測(cè)所測(cè)得的信號(hào)帶有很大的隨機(jī)性，其特征往往只能從統(tǒng)計(jì)意義上予以描述。在這里，傳統(tǒng)的濾波方法不可能將無(wú)用信號(hào)從測(cè)量數(shù)據(jù)中分離出來(lái)，為了獲取可信度較高的有用數(shù)字信息，采用從數(shù)據(jù)系列中提取逼近真值數(shù)據(jù)的軟件算法，由于這種軟件濾波具有較強(qiáng)的自適應(yīng)性，其效果往往是硬件濾波電路所達(dá)不到的。
    對(duì)于n次等精度數(shù)據(jù)采集，存在著系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和因突發(fā)干擾引起的疏失誤差，這都將使采集的數(shù)據(jù)偏離真值。此時(shí)，可用剔除m個(gè)誤差數(shù)據(jù)后的n—m個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值y作為測(cè)量結(jié)果的真值。

   
    式中yi為第i次的系統(tǒng)參數(shù)測(cè)量值。
    這種用有限次測(cè)量序列的算術(shù)平均值來(lái)代替真值y的做法，應(yīng)用了算術(shù)平均值原理。N的取值由系統(tǒng)特性決定并遵從貝賽爾均方根誤差公式：

   
    此式不但說(shuō)明了用算術(shù)平均值代替真值其殘余誤差的平方和ε為最小，而且也說(shuō)明了采樣次數(shù)n增加λ值降低。但由于的規(guī)律減少，故λ的降低速率比n—m要慢得多，當(dāng)n—m>10后，λ降低的效果很不明顯。另外，考慮到當(dāng)n過(guò)大時(shí)，等精度測(cè)量的條件已不存在。所以，n—m=4～10較為合適，該檢測(cè)裝置根據(jù)測(cè)量精度要求及運(yùn)算速度等因素考慮取值為8，該軟件濾波方法對(duì)提高檢測(cè)裝置的測(cè)量準(zhǔn)確度十分有效。
3．2 折關(guān)故障診斷方法
    由于列車管的總耗氣量Q與減壓量△P、車輛數(shù)n、由泄漏引起的耗氣量Q2均為非線性關(guān)系，但是相同車輛數(shù)時(shí)Q與△P的關(guān)系及同一△P下Q與n的關(guān)系可以用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后擬合出符合測(cè)量誤差要求的曲線關(guān)系。對(duì)于Q2，則存在較大的隨機(jī)性，因此要求檢測(cè)管壓的精度最好高于允許的20kPa誤差。
    列車出發(fā)前如果能檢測(cè)到緩解時(shí)對(duì)應(yīng)于△P的Q，運(yùn)行中若有折角塞門誤關(guān)或泄漏，則實(shí)測(cè)的Q3比Q小或者大，因此可以通過(guò)測(cè)流量的方法進(jìn)行診斷。但考慮到實(shí)際情況，測(cè)Q的方案并不可靠，因?yàn)樵跈C(jī)車列車管處安裝射流流量傳感器施工上不方便，另外測(cè)量Q值的一致性較差，容易受到其他因素的干擾。相比較而言，制動(dòng)管中壓力P的測(cè)量受各種因素的影響較小且易于獲得，因此本系統(tǒng)采用檢測(cè)管壓并結(jié)合充氣時(shí)間判斷是否有誤關(guān)或泄漏故障。
    編組已定的列車出車前經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)獲取對(duì)應(yīng)于不同減壓量△P時(shí)，根據(jù)多次試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算出允許的最大充氣時(shí)間和最少時(shí)間，就可以通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)緩解工況時(shí)列車管中由某壓力升至略低于定壓時(shí)所用的時(shí)間來(lái)判斷是否發(fā)生折角塞門誤關(guān)故障以及泄漏故障，折角塞門誤關(guān)故障診斷流程如圖5所示。

4 結(jié)語(yǔ)
    通過(guò)樣機(jī)裝車在株洲機(jī)務(wù)段試運(yùn)行，本裝置系統(tǒng)能較理想檢測(cè)出列車折關(guān)故障，檢測(cè)出的折關(guān)位置誤差在三輛之內(nèi)，基本滿足運(yùn)行需求。為了提高檢測(cè)精度，需要進(jìn)一步收集數(shù)據(jù)，進(jìn)行多次試驗(yàn)，充分掌握影響列車制動(dòng)各因素(如列車管氣路泄漏，氣溫、氣流速度等)，用于完善數(shù)學(xué)模型。