基于ARM與FPGA架構(gòu)的動車組失穩(wěn)檢測技術(shù)研究

李亮亮，李文正，孫曉濤

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；2.中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031)

我國鐵路事業(yè)的發(fā)展日新月異，高速動車組的運營速度不斷提升，與此同時，對高速動車組運營安全的要求也越來越高；由于轉(zhuǎn)向架自身屬性以及自激振蕩等原因，高速動車組列車蛇行運動普遍存在，橫向等幅振動加劇會造成車體橫向失穩(wěn),影響列車運行的穩(wěn)定性，甚至造成非常嚴(yán)重的安全事故。動車組失穩(wěn)檢測的設(shè)計尤為重要，本文研究基于ARM和FPGA架構(gòu)嵌入式平臺的動車組實時失穩(wěn)檢測裝置，通過設(shè)置在轉(zhuǎn)向架上的失穩(wěn)加速度傳感器采集橫向和垂向振動數(shù)據(jù)，經(jīng)過算法計算振動的加速度值來實現(xiàn)失穩(wěn)預(yù)警和報警，通過車體下的平穩(wěn)傳感器實現(xiàn)對車輛平穩(wěn)性的實時監(jiān)測，經(jīng)綜合診斷后向車輛輸出橫向、垂向平穩(wěn)性值以及縱向沖動評價結(jié)果。

1 ARM+FPGA架構(gòu)的嵌入式平臺

高速動車組列車失穩(wěn)檢測系統(tǒng)應(yīng)具有實時性、快速性特點，需要有健康的數(shù)據(jù)管理和全面的故障診斷系統(tǒng)，在迭代過程中，增加了以太網(wǎng)數(shù)據(jù)落地等新功能，需要對較大數(shù)據(jù)量進行處理，并且采用12通道并行采樣，這就要求主控芯片能實現(xiàn)高速的多通道數(shù)據(jù)采集和大量數(shù)據(jù)的緩存[1]。傳統(tǒng)應(yīng)用的Cortex M系列單片機不論采樣外設(shè)接口還是數(shù)據(jù)處理速度，對于失穩(wěn)檢測系統(tǒng)模擬信號的高速多通道并行采樣和高時序精度要求上，已逐漸無法滿足。

本文設(shè)計的失穩(wěn)檢測系統(tǒng)采用ARM+FPGA的架構(gòu)。其中ARM采用AM3358芯片，內(nèi)核為Cortex-A8高端架構(gòu)，最高運行主頻可達(dá)1 GHz；設(shè)有2 GB的DDR3內(nèi)存，可以滿足失穩(wěn)檢測系統(tǒng)預(yù)警和報警算法的大數(shù)據(jù)計算；設(shè)有4 GB的NAND存儲器，具有百兆工業(yè)以太網(wǎng)接口，方便系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)維護和調(diào)試；預(yù)留了設(shè)備地址識別口和UART維護接口，方便系統(tǒng)的裝車維護[2]；設(shè)有1路USB接口，該接口可作為數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)下載的接口。FPGA采用Spartan-6芯片，具有可編程的系統(tǒng)集成，可以實現(xiàn)時域信號的快速傅里葉變換，得到頻域數(shù)據(jù)；具有高系統(tǒng)性能，高達(dá)8個低功耗的3.2 Gb/s串行收發(fā)器，總功耗低；具有1.2 V和1.0 V的內(nèi)核電壓選項，可滿足轉(zhuǎn)向架和車體振動數(shù)據(jù)的高速采集以及高時序精度要求。

ARM與FPGA之間采用GPMC總線進行數(shù)據(jù)的交互，ARM芯片可以把FPGA當(dāng)作外部SDRAM來進行通信，通過地址總線、數(shù)據(jù)總線、讀寫控制線以及片選線相連[3]，可以通過GPMC總線向FPGA寫入讀寫操作指令，實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和傳輸功能，并增加CRC16校驗確保數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確性。ARM+FPGA架構(gòu)功能框圖如圖1所示。

圖1 ARM+FPGA架構(gòu)功能框圖

2 失穩(wěn)檢測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 體系結(jié)構(gòu)

在高速動車組列車上，每節(jié)車廂安裝一個失穩(wěn)檢測系統(tǒng)主機(BIDS)配備2個失穩(wěn)檢測傳感器(AS)和2個平穩(wěn)性檢測傳感器(PS)，失穩(wěn)檢測傳感器安裝在轉(zhuǎn)向架上，平穩(wěn)性檢測傳感器安裝在車體上，失穩(wěn)檢測系統(tǒng)主機具有MVB總線和列車以太網(wǎng)通信接口，可以與列車控制和管理系統(tǒng)(TCMS)進行通信，將失穩(wěn)監(jiān)測信息實時上傳，并迅速通過TCMS將相關(guān)的故障信息傳輸至司機室的顯示屏，告知司機當(dāng)前發(fā)生的故障[4]。失穩(wěn)檢測系統(tǒng)在動車組列車上的具體分布如圖2所示。

圖2 失穩(wěn)檢測系統(tǒng)分布示意圖

2.2 失穩(wěn)檢測系統(tǒng)

失穩(wěn)檢測系統(tǒng)主要由失穩(wěn)檢測傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集與處理模塊、濾波模塊、綜合診斷模塊以及網(wǎng)絡(luò)通信模塊組成，如圖3所示。通過失穩(wěn)檢測傳感器采集失穩(wěn)加速度信號，加速度信號經(jīng)硬件調(diào)理電路、硬件濾波電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換，成為數(shù)字信號，經(jīng)過失穩(wěn)預(yù)警、報警邏輯判斷進行綜合診斷[5]；通過平穩(wěn)性檢測傳感器采集平穩(wěn)加速度信號，經(jīng)過綜合診斷后得到平穩(wěn)性評估值，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通信模塊將綜合診斷信息上傳列車級網(wǎng)絡(luò)[6]。

2.2.1 失穩(wěn)檢測傳感器模塊

失穩(wěn)檢測傳感器模塊安裝在列車轉(zhuǎn)向架上，采用電流式加速度傳感器，功能是實時高速地采集動車組列車轉(zhuǎn)向架的橫向振動信號，并將其轉(zhuǎn)換為電信號，傳至數(shù)據(jù)采集與處理模塊。

2.2.2 數(shù)據(jù)采集處理模塊

將失穩(wěn)檢測傳感器采集的模擬信號經(jīng)過硬件調(diào)理電路和硬件濾波電路處理后通過16位模擬信號采集芯片進行數(shù)據(jù)采集，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳至FPGA，F(xiàn)PGA將處理好的振動數(shù)據(jù)根據(jù)內(nèi)部協(xié)議放入FIFO緩存，通過GPMC總線傳至ARM進行綜合診斷操作。

2.2.3 濾波模塊

設(shè)計了FIR帶通濾波器，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，對采集的信號在0.5～10 Hz進行帶通濾波，濾掉其他頻帶的噪聲干擾，將采集到的有效數(shù)字信號輸入算法診斷模塊，提升對轉(zhuǎn)向架失穩(wěn)檢測的準(zhǔn)確度[7]。

2.2.4 綜合診斷模塊

綜合診斷模塊將采集的數(shù)字信號進行消除趨勢值、帶通濾波等預(yù)處理操作；將預(yù)處理后的信號進行時域分析、頻域分析特征提取以及模式識別的處理[8]；對列車橫向穩(wěn)定性進行綜合評估，得到列車運行穩(wěn)定性的預(yù)警和報警狀態(tài)；同時系統(tǒng)具有自診斷功能，可實時對自身各模塊功能進行檢測，并對故障模塊給出故障提示。

圖3 失穩(wěn)檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2.5 網(wǎng)絡(luò)通信模塊

網(wǎng)絡(luò)通信模塊由網(wǎng)絡(luò)交互模塊和并口模塊組成，主要功能是將列車穩(wěn)定性綜合診斷狀態(tài)上傳至列車控制端[9]，并通過列車網(wǎng)絡(luò)獲取列車基本信息。

圖4為失穩(wěn)檢測流程圖。

圖4 失穩(wěn)檢測流程圖

平穩(wěn)性評估作為輔助功能，將平穩(wěn)性評估值上傳列車網(wǎng)絡(luò)用作車體平穩(wěn)性參考，其處理流程如圖5所示。

圖5 平穩(wěn)性評估流程圖

3 仿真測試與應(yīng)用分析

3.1 失穩(wěn)檢測仿真測試

失穩(wěn)檢測仿真測試依據(jù)GB/T 5599—2019標(biāo)準(zhǔn)進行[10]，在0.5～10 Hz對傳感器采集信號進行帶通濾波，動車構(gòu)架橫向振動加速度峰值10 min內(nèi)3次超過5 m/s2時判定為失穩(wěn)預(yù)警；在0.5～10 Hz對傳感器采集信號進行帶通濾波，橫向振動加速度峰值連續(xù)振動10次以上達(dá)到或超過8 m/s2時判定為失穩(wěn)報警。

采用信號發(fā)生器模擬加速度傳感器輸入信號進行系統(tǒng)的測試，根據(jù)橫向失穩(wěn)預(yù)警和報警判斷標(biāo)準(zhǔn)，采用信號發(fā)生器輸出對應(yīng)幅度加速度值為5.2 m/s2的正弦信號作為傳感器采集信號傳入系統(tǒng)，頻率為1 Hz。試驗表明，在輸入信號的加速度值3次超過5 m/s2時，報出失穩(wěn)預(yù)警，如圖6所示。采用信號發(fā)生器輸出對應(yīng)幅度加速度值為10 m/s2的正弦信號，頻率為1 Hz。試驗表明，在輸入加速度信號10次超過8 m/s2時，報出失穩(wěn)報警，如圖7所示。

圖6 失穩(wěn)預(yù)警分析

圖7 失穩(wěn)報警分析

仿真測試表明，本文設(shè)計的基于振動信號實時采集和處理的失穩(wěn)檢測系統(tǒng)可以滿足GB/T 5599—2019標(biāo)準(zhǔn)要求，給定滿足預(yù)警和報警的輸入信號，經(jīng)過算法處理后對應(yīng)預(yù)警和報警的標(biāo)志位置1，可以實時和準(zhǔn)確地報出失穩(wěn)預(yù)警和報警狀態(tài)。

3.2 應(yīng)用案例分析

圖8為2021年3月27日某動車組載客運營中的真實數(shù)據(jù)，該動車組列車裝有上述失穩(wěn)檢測系統(tǒng)。現(xiàn)場工作人員反饋于2021年3月27日17時48分列車司機控制臺主顯示屏報出07車一位端轉(zhuǎn)向架失穩(wěn)預(yù)警，分析故障時刻數(shù)據(jù)，在20 s內(nèi)出現(xiàn)3次超過失穩(wěn)預(yù)警閾值的振動數(shù)據(jù)，預(yù)警時存在振動強度較大的情況，后續(xù)維護人員根據(jù)失穩(wěn)檢測系統(tǒng)報出信息，對07車一位端轉(zhuǎn)向架進行檢查和動力學(xué)參數(shù)調(diào)整，之后跟蹤分析運營記錄數(shù)據(jù)，該動車組列車運行平穩(wěn)。

圖8 某動車組載客運營的真實數(shù)據(jù)分析

通過實際應(yīng)用案例可以看出，失穩(wěn)檢測系統(tǒng)可以通過傳感器采集列車運行中轉(zhuǎn)向架振動數(shù)據(jù)，實時監(jiān)測動車組運行狀態(tài)，在轉(zhuǎn)向架存在異常振動時可以預(yù)先針對異常情況實時預(yù)警和報警，通過對列車運行失穩(wěn)的預(yù)判來避免事故的發(fā)生，保障行車安全，檢修人員可以根據(jù)故障提示有針對性地了解運營車輛的轉(zhuǎn)向架性能。

4 結(jié)論

基于ARM與FPGA架構(gòu)的嵌入式平臺具有高速模擬信號采集、快速模數(shù)轉(zhuǎn)換、實時信號處理等功能，具有多種外設(shè)通信接口，可以實現(xiàn)系統(tǒng)功能定制，可以實時快速地進行振動信號的時域分析、頻域分析、特征提取以及模式識別的處理，結(jié)合列車網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)設(shè)計了動車組失穩(wěn)檢測系統(tǒng)，可對高速動車組轉(zhuǎn)向架動力學(xué)性能做出基于實時數(shù)據(jù)統(tǒng)計的準(zhǔn)確評估，便于檢修人員有針對性地了解運營車輛的轉(zhuǎn)向架性能，并提出科學(xué)的改進和調(diào)整建議，促進動車組應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展。