鐵路環(huán)境振動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)開(kāi)發(fā)*

劉慶杰 孫茂棠 雷曉燕

(華東交通大學(xué)鐵路環(huán)境振動(dòng)與噪聲教育部工程研究中心,330013,南昌∥ 第一作者,講師)

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鐵路環(huán)境振動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)開(kāi)發(fā)*

劉慶杰 孫茂棠 雷曉燕

(華東交通大學(xué)鐵路環(huán)境振動(dòng)與噪聲教育部工程研究中心,330013,南昌∥ 第一作者,講師)

基于LabVIEW平臺(tái)及NI(美國(guó)國(guó)家儀器公司)相關(guān)硬件設(shè)備CompactRIO 9075、NI 9234等,開(kāi)發(fā)了鐵路環(huán)境振動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)采集與1/3倍頻程和Z振級(jí)實(shí)時(shí)分析、數(shù)據(jù)傳送、監(jiān)控中心實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存及共享等基本功能。1/3倍頻程頻譜分析和Z振級(jí)是振動(dòng)檢測(cè)中的重要項(xiàng)目,本系統(tǒng)利用LabVIEW程序和相關(guān)硬件設(shè)備采集加速度的同時(shí),將采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換為1/3倍頻程譜和Z振級(jí)并實(shí)時(shí)顯示。通過(guò)將本監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)與德國(guó)DIC24數(shù)據(jù)采集儀采集的振動(dòng)加速度對(duì)比,驗(yàn)證了本系統(tǒng)的可靠性。

鐵路； 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè); 環(huán)境振動(dòng); 1/3倍頻程; Z振級(jí)

Author′s address ME Engineering Research Center of Railway Environment Vibration and Noise,East China Jiaotong University,330013,Nanchang,China

列車(chē)通過(guò)城市區(qū)時(shí)所致環(huán)境振動(dòng)一般不會(huì)造成建筑破壞[1],這一結(jié)論也是以往對(duì)其影響重視不夠的原因。然而,隨著運(yùn)營(yíng)線路不斷增多,鐵路對(duì)周?chē)h(huán)境的影響如今已成為越來(lái)越突出的環(huán)境和社會(huì)問(wèn)題。國(guó)內(nèi)專(zhuān)家對(duì)鐵路環(huán)境振動(dòng)已進(jìn)行了大量的研究,目前環(huán)境振動(dòng)研究中多以1～80 Hz范圍作為振動(dòng)研究和評(píng)價(jià)的范圍[2]。本文利用LabVIEW軟件實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)采集和對(duì)1～80 Hz的1/3倍頻程頻譜與Z振級(jí)實(shí)時(shí)在線分析。

LabVIEW是由美國(guó)國(guó)家儀器公司(National Instruments,簡(jiǎn)為NI)創(chuàng)立的一個(gè)功能強(qiáng)大而又靈活的儀器和分析軟件開(kāi)發(fā)工具。它是一種圖形化的編程語(yǔ)言,用于快速創(chuàng)建靈活的、可升級(jí)的測(cè)試、測(cè)量和控制應(yīng)用程序。其最大的優(yōu)點(diǎn)是可以方便快捷地開(kāi)發(fā)自定制的測(cè)試系統(tǒng),并可以把用戶(hù)的一些算法寫(xiě)入到系統(tǒng)當(dāng)中。

本系統(tǒng)通過(guò)NI 9234等前端設(shè)備采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),利用LabVIEW編寫(xiě)的軟件和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸、顯示及分析和儲(chǔ)存。

1 鐵路環(huán)境振動(dòng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.1 1/3倍頻程頻譜分析

對(duì)振動(dòng)信號(hào)的測(cè)量與分析是控制振動(dòng)的前提條件,其中1/3倍頻程頻譜分析是振動(dòng)檢測(cè)中重要的測(cè)量項(xiàng)目[3]。

1.2 Z振級(jí)頻譜分析

大量研究結(jié)果表明,全身振動(dòng)或局部振動(dòng)對(duì)人體的影響與人的年齡、性別、體質(zhì)、健康狀況以及所處的環(huán)境等都有著復(fù)雜的關(guān)系,振動(dòng)強(qiáng)度、頻譜、振動(dòng)方向以及振動(dòng)的暴露時(shí)間都會(huì)導(dǎo)致人對(duì)振動(dòng)的主觀感覺(jué)不同,因此很難完整地描繪振動(dòng)對(duì)人體的影響。振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)及人體的影響本質(zhì)上是振動(dòng)的能量轉(zhuǎn)換,不同的振動(dòng)研究目的適用的評(píng)價(jià)振動(dòng)的物理量也不應(yīng)一樣。在各專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域內(nèi),往往采用不同的振動(dòng)評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)不同特征的振動(dòng)。基于振動(dòng)環(huán)境與勞動(dòng)保護(hù)的考慮,不同國(guó)家的環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)在選取評(píng)價(jià)振動(dòng)強(qiáng)度的指標(biāo)時(shí),大多采用振動(dòng)加速度級(jí)和振動(dòng)速度級(jí)[4-5]。

實(shí)際的環(huán)境振動(dòng)是多個(gè)頻率成分的復(fù)合振動(dòng),對(duì)于一個(gè)包含多種頻率成分的復(fù)雜振動(dòng)信號(hào),通常采用能量級(jí)作為評(píng)價(jià)量,具體為振動(dòng)加速度級(jí)或振級(jí),振級(jí)計(jì)算見(jiàn)式(1)。鐵路環(huán)境振動(dòng)噪聲評(píng)價(jià)中選用鉛垂Z振級(jí)LVz,即根據(jù)ISO 2631/1—1997中規(guī)定的全身Z向振動(dòng)不同頻率計(jì)權(quán)因子修正后得到的振動(dòng)加速度級(jí),單位dB。

(1)

式中：

a0——基準(zhǔn)加速度值,取a0=1×10-6;

aw——頻率計(jì)權(quán)加速度有效值,其具體計(jì)算公式如公式(2)所示。

(2)

式中:

ci——對(duì)應(yīng)1/3頻段的計(jì)權(quán)因子;

awi——第i個(gè)1/3頻段中心頻率處的振動(dòng)加速度有效值。

采用如下方法計(jì)算:

(3)

式中：

f1,f2——是1/3頻段的上下限頻率,Hz;

G(f)——譜密度函數(shù)。

因此,選取1/3倍頻程頻譜分析和Z振級(jí)頻譜分析作為鐵路環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)原理及構(gòu)成

2.1 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)原理

振動(dòng)加速度計(jì)粘貼在鋼軌軌底上,采用NI 9234模塊采集鋼軌振動(dòng)加速度,將采集信號(hào)通過(guò)電纜線傳輸至NI 9075 CompactRIO機(jī)箱的I/O(輸入/輸出)模塊,然后通過(guò)編寫(xiě)的FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列)程序傳輸至FPGA,實(shí)時(shí)控制器通過(guò)RT(實(shí)時(shí))程序讀取FPGA中的數(shù)據(jù)然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)流的方式與上位機(jī)交互并將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī),在上位機(jī)上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、儲(chǔ)存和進(jìn)行相應(yīng)的分析,其監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理圖

2.2 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

2.2.1 上位機(jī)

上位機(jī)為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)的核心部分,可以顯示用戶(hù)界面(包括參數(shù)輸入控件、通道選擇、波形圖表顯示等),通過(guò)網(wǎng)絡(luò)流方式與RT終端進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息交互,進(jìn)行數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和分析,完成所有的程序編程和利用LabVIEW Real-Time模塊將各種程序下載到實(shí)時(shí)控制器和FPGA上去。

2.2.2 CompactRIO(RT)系統(tǒng)終端

RT終端由控制器和機(jī)箱兩部分組成,可以采用掃描和FPGA編程模式,本系統(tǒng)中采用FPGA編程模式。機(jī)箱中的FPGA直接和每個(gè)I/O模塊相連,可高速訪問(wèn)I/O電路并靈活實(shí)現(xiàn)定時(shí)、觸發(fā)和同步等功能?？刂破髂軌蚩煽慷鴾?zhǔn)確地執(zhí)行LabVIEW實(shí)時(shí)應(yīng)用程序、提供多速率控制、進(jìn)程執(zhí)行跟蹤、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、與外部設(shè)備通信等功能。因?yàn)槊總€(gè)I/O模塊直連FPGA,而非通過(guò)總線,所以與其他工業(yè)控制器相比,CompactRIO幾乎沒(méi)有控制系統(tǒng)的響應(yīng)延遲。

2.2.3 C系列采集模塊

NI 9234,為4通道C系列動(dòng)態(tài)信號(hào)采集模塊,是為聲音和振動(dòng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的高精度數(shù)據(jù)采集設(shè)備,能針對(duì)配備N(xiāo)I Compact DAQ或NI CompactRIO系統(tǒng)的集成電路壓電式(IEPE)與非集成電路壓電式(IEPE)傳感器進(jìn)行高精度測(cè)量。NI 9234模塊參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 NI 9234模塊參數(shù)

2.2.4 加速度傳感器

加速度傳感器采用美國(guó)壓電有限公司生產(chǎn)的PCB PIEZOTRONICS 333B32 系列產(chǎn)品,和我國(guó)地震局生產(chǎn)的941B型超低頻測(cè)振儀。

3 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 數(shù)據(jù)采集

CompatRIO機(jī)箱采用FPGA編程模式,因此要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能,需要分別編寫(xiě)FPGA程序、RT和上位機(jī)三個(gè)程序:

(1) FPGA程序。在FPGA程序中,可以對(duì)模塊采樣率和輸入配置等進(jìn)行設(shè)置,直接讀取I/O模塊各通道數(shù)據(jù)并寫(xiě)入FIFO(對(duì)列)。

(2) RT程序。RT程序用來(lái)讀取FPGA程序上的FIFO數(shù)據(jù)并傳輸至上位機(jī)。

(3) 上位機(jī)程序。上位機(jī)程序以命令流的方式與RT端進(jìn)行交互,在此交互過(guò)程中完成了UI-RT和RT-UI兩個(gè)命令流的建立和共享變量的連接。上位機(jī)建立命令流和共享變量連接部分程序框圖如圖2所示。

圖2 上位機(jī)建立命令流和調(diào)用共享變量程序框圖

通過(guò)UI-RT命令流,在前面板中的控制器地址輸入控件中輸入RT端的IP地址,點(diǎn)擊連接控件,即可實(shí)現(xiàn)UI-RT端的交互。在前面板用戶(hù)顯示界面,點(diǎn)擊用戶(hù)界面上的任意控件和修改輸入控件的輸入?yún)?shù)即可實(shí)現(xiàn)UI端信息向RT端的傳遞并對(duì)采集進(jìn)行控制，以及實(shí)現(xiàn)RT端將采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至UI端并實(shí)時(shí)顯示的功能。

3.2 數(shù)據(jù)分析

3.2.1 1/3倍頻程頻譜分析

利用LabVIEW的Sound and Vibration模塊對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理分析得到1/3倍頻程頻譜圖。圖3a)中svx_Force identical t0.vi將輸入波形轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào);圖3b)中SVL Scale Voltage to EU.vi將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為包含通道信息(如作為波形的屬性的以m/s2為單位和靈敏度系數(shù)設(shè)置)縮放波形信號(hào),經(jīng)過(guò)通道索引,得到單通道縮放信號(hào)。此時(shí)的原信號(hào)波形圖基準(zhǔn)線偏離零值線,如圖4a)所示。對(duì)原始波形信號(hào)選用圖3c)中WA Detrend vi處理,消除基準(zhǔn)漂移,并且其波形圖基準(zhǔn)線與零值線一致,如圖4b)所示。最后經(jīng)過(guò)圖3d)中SVT Fractional-octave Analysis.vi,選取1/3 octave分析,得到1/3倍頻程頻譜圖,如圖5所示。

圖3 1/3倍頻程頻譜分析程序框圖

圖4 采集信號(hào)零漂處理前后圖

圖5 用戶(hù)界面1/3倍頻程頻譜圖

3.2.2 Z振級(jí)分析

Z振級(jí)同樣是利用LabVIEW中的Sound and Vibration模塊對(duì)采集的振動(dòng)信號(hào)處理分析得到的。在對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和調(diào)零處理后,利用圖6a)中的人體振動(dòng)加權(quán)濾波器SVT Human Vibration Weighting Filter(Fixed Rates).vi濾波后返回一個(gè)基于信號(hào)和加權(quán)輸入規(guī)格的加權(quán)信號(hào)。對(duì)加權(quán)信號(hào)進(jìn)行1/3倍頻程分析;然后利用圖6b)中SVT Octave Spectrum Conversion.vi進(jìn)行SVT的倍頻程頻譜轉(zhuǎn)換,即可得到與1/3倍頻帶相關(guān)的分貝和對(duì)應(yīng)的頻率。圖7為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)時(shí)Z振級(jí)圖。

圖6 Z振級(jí)分析部分程序圖

圖7 實(shí)時(shí)Z振級(jí)圖

4 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證

將本套CompactRIO采集分析系統(tǒng),應(yīng)用于華東交通大學(xué)鐵路環(huán)境振動(dòng)與噪聲教育部工程研究中心縮尺軌道模型上(見(jiàn)圖8)上。縮尺軌道模型的參數(shù)見(jiàn)表2。

通過(guò)與德國(guó)Head公司生產(chǎn)的 DIC24數(shù)據(jù)采集儀采集的振動(dòng)加速度做對(duì)比,驗(yàn)證本系統(tǒng)的可靠性。分別將兩個(gè)PCB PIEZOTRONICS 333B32系列振動(dòng)傳感器并排粘貼于軌底坡處和將兩個(gè)941B型振動(dòng)傳感器放置在軌枕邊,如圖8和圖9所示。

圖8 縮尺軌道模型

圖9 333B32粘貼位置

表2 941B加速度傳感器參數(shù)

由于實(shí)驗(yàn)室條件有限,縮尺模型上小車(chē)由人工推動(dòng)行駛,行駛速度為10 km/h左右,分別用CompactRIO系統(tǒng)和DIC24數(shù)據(jù)采集儀同時(shí)采集小車(chē)行駛時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)加速度,用PCB PIEZOTRONICS 333B32 系列產(chǎn)品和941B型傳感器采集的鋼軌軌底坡處和軌枕邊處加速度波形曲線圖如圖10和圖11所示。

圖10 333B32傳感器采集軌底坡的振動(dòng)加速度

圖11 941 B型傳感器采集軌枕邊處振動(dòng)加速度

對(duì)CompactRIO系統(tǒng)和DIC24數(shù)據(jù)采集儀采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,通過(guò)對(duì)兩種采集方法采集的加速度進(jìn)行1/3倍頻程頻譜分析和最大值、最小值及均方根值對(duì)比,表3中列出了圖10中第2、3、7、8四個(gè)輪位經(jīng)過(guò)采集點(diǎn)時(shí)采集到的加速度最大值、最小值及均方根值。

對(duì)圖10中兩組數(shù)據(jù)分別進(jìn)行1/3倍頻程頻譜分析,對(duì)比結(jié)果如圖12所示。

表3 幅值統(tǒng)計(jì)對(duì)比表 m/s2

圖12 1/3倍頻程頻譜分析結(jié)果

從表3和圖12可以看出,采用CompactRIO系統(tǒng)采集到的加速度數(shù)據(jù)與DIC24數(shù)據(jù)采集儀采集到的加速度數(shù)據(jù)能夠吻合,驗(yàn)證了本套CompactRIO系統(tǒng)采集方法的正確性與采集結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

5 儲(chǔ)存

為便于日后查詢(xún)歷史數(shù)據(jù),在本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)記錄模塊。存儲(chǔ)記錄模塊采用TDMS(一種二進(jìn)制記錄文件)文件格式。TDMS文件兼顧了高速、易存取和方便等多種優(yōu)勢(shì)的二進(jìn)制記錄文件,并且在存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí),可以設(shè)置文件記錄一定量的數(shù)據(jù)后自動(dòng)生成一個(gè)新文件以及通道等屬性的設(shè)置。

6 結(jié)語(yǔ)

該鐵路環(huán)境振動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)鐵路環(huán)境振動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析,并可對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行儲(chǔ)存和統(tǒng)計(jì)處理,人機(jī)交互界面生動(dòng)美觀,操作簡(jiǎn)單。并且通過(guò)將本套系統(tǒng)與德國(guó)DIC24數(shù)據(jù)采集儀采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了本套系統(tǒng)的可靠性與準(zhǔn)確性并且能夠采集到1～80 Hz范圍振動(dòng)信號(hào),供相關(guān)專(zhuān)業(yè)人員對(duì)鐵路引起的振動(dòng)對(duì)周?chē)h(huán)境產(chǎn)生的影響進(jìn)行研究和評(píng)價(jià)。

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Development of Real-time Monitoring and Analysis System for Railway Environmental VibrationLIU Qingjie, SUN Maotang, LEI Xiaoyan

Based on LabVIEW platform and NI hardware equipment CompactRIO 9075,NI 9234 and so on, a real-time monitoring and analysis system for rail environmental vibration is developed. This system could realize the fundamental functions like data acquisition of vibration acceleration,1/3 times octave and Z vibration level real-time analysis, data transferring, real-time display, data storage and sharing in control center. Because the 1/3 times octave spectrum and the Z vibration level analysis are important projects in the vibration testing, by using LabVIEW programs and the related acceleration collecting equipment, this system could not only monitor and display the acceleration timely, but also convert the collected acceleration data to 1/3 times octave spectrum and Z vibration level at the same time. Through comparing the collected vibration acceleration from this vibration monitoring and analysis system with German DIC24 data acquisition instrument, the reliability of the system is verified.

railway; real-time monitoring; environmental vibration; 1/3 times octave; Z vibration level

*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(U1134107、E080704);江西省普通本科高?？萍悸涞赜?jì)劃項(xiàng)目

U 211.3； X 85

10.16037/j.1007-869x.2016.05.012

2014-11-09)