基于LabVIEW的列車平穩(wěn)性測量

成金娜 周勁松

摘 要：列車運行平穩(wěn)性是列車品質(zhì)的一個重要評價指標，Sperling指標在國內(nèi)被廣泛用于列車運行品質(zhì)的評價。本文應(yīng)用LabVIEW軟件設(shè)計了感覺濾波器和生產(chǎn)-消費者模式，通過兩個并行循環(huán)完成了地鐵車輛平穩(wěn)性指標Sperling指數(shù)的測量與計算。該模式不僅大幅提高了數(shù)據(jù)的采集與處理效率，也精確測量地鐵車輛的平穩(wěn)性指標，彌補了現(xiàn)有舒適度評價系統(tǒng)的不足，解決了現(xiàn)有檢測儀在使用方便性、數(shù)據(jù)實時記錄、評價科學性方面的問題，對國內(nèi)地鐵運行要求規(guī)范性有一定的使用價值和參考意義。

關(guān)鍵詞：地鐵；LabVIEW；生產(chǎn)-消費者模式；Sperling指數(shù)；感覺濾波器

中圖分類號：U121 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）22-0097-05

Train Stability Measurement Based on Labview

CHENG Jinna ZHOU Jinsong

（Institute of Rail Transit， Tongji University， Shanghai 201804）

Abstract： The smooth running of the train is an important evaluation index of the train quality. The Sperling index is widely used in the evaluation of train operation quality in China. In this paper， the sensor filter and production-consumer model were designed by LabVIEW software. The measurement and calculation of the Sperling index of the stability index of the metro vehicle was completed by two parallel cycles. This mode not only greatly improved the data collection and processing efficiency， but also accurately measured the stationarity index of metro vehicles， made up for the shortcomings of the existing comfort evaluation system， and solved the problems of convenience in use， real-time data recording and scientific evaluation of existing testers， and had certain value and reference significance for the standardization of metro operation requirements in China.

Keywords： subway；LabVIEW；produce-consumer model；Sperling；sensory filter

對于舒適度和平穩(wěn)性的檢測和評價，德國、日本、法國和美國都進行了專門研究，特別是通過大量試驗，制定了適合本國的具體方案，如德國Sperling平穩(wěn)性指標、日本的舒適度曲線和法國的疲勞時間法等。ISO和UIC也分別制定了相應(yīng)的鐵路標準[1]，用于平穩(wěn)性指標的判別。國內(nèi)高校和科研院所，在舒適度與平穩(wěn)性測試儀的研制方面也做出了很多嘗試。北京交通大學研制了基于ARM和嵌入式Linux操作系統(tǒng)的鐵道平穩(wěn)性測試系統(tǒng)[2，3]；西南交通大學[4，5]以虛擬儀器、單片機和DSP處理器對平穩(wěn)性測試儀進行了研究；鐵道部科學研究院[6]研制了三維加速度及平穩(wěn)性指標儀，采用DSP技術(shù)實時計算平穩(wěn)性指標。通過分析國內(nèi)研究可以發(fā)現(xiàn)，早期舒適性與平穩(wěn)性測試儀以虛擬儀器為計算核心，以計算機為載體，可以滿足數(shù)據(jù)分析與處理的要求，但靈活性不足，體積稍顯龐大。隨著科技的發(fā)展和LabVIEW軟件的蓬勃發(fā)展，基于LabVIEW設(shè)計平穩(wěn)性測量系統(tǒng)，靈活性好，便于攜帶，穩(wěn)定性高，成本低。該系統(tǒng)可進行加速度的檢測與評價，實時監(jiān)控列車運行及平穩(wěn)性狀態(tài)。

1 測量平穩(wěn)性設(shè)計原理

整個測試系統(tǒng)包括振動加速度測量模塊、數(shù)據(jù)采集處理模塊及地面數(shù)據(jù)處理模塊。測試系統(tǒng)的核心部分是數(shù)據(jù)采集和處理裝置，其作用是獲得信號并顯示具體振動值，同時進一步進行頻譜分析、顯示平穩(wěn)性指標，主要實現(xiàn)以下幾方面功能。①數(shù)據(jù)采集功能，系統(tǒng)可以隨時采集振動加速度信息，然后在系統(tǒng)前面板進行顯示；②數(shù)據(jù)處理功能，對振動數(shù)據(jù)進行頻譜分析，快速傅里葉變換，轉(zhuǎn)變成平穩(wěn)性指標；③存儲功能，把所采集的振動數(shù)據(jù)和每個時間段平穩(wěn)性指標存儲起來。分析流程如圖1所示。

圖1 分析流程圖

通過生產(chǎn)-消費者模式將測定的振動幅值及Sperling指標讀出，進行下一步分析。生產(chǎn)者/消費者設(shè)計模式采用隊列數(shù)據(jù)存儲方式。隊列能很好地消除競爭狀態(tài)關(guān)系，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步傳輸，還具有數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，可存儲多份數(shù)據(jù)并保證數(shù)據(jù)不會丟失或被覆蓋[7]。隊列數(shù)據(jù)存儲實際是開辟一個緩存區(qū)，依據(jù)先進先出的原則，保證生產(chǎn)循環(huán)中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)通過隊列的方式順利傳遞到消費者循環(huán)中，從而實現(xiàn)生產(chǎn)者循環(huán)與消費者循環(huán)之間的通信[8]。在該設(shè)計中建立生產(chǎn)-消費者模式，將數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理分配給兩個并行循環(huán)完成，在生產(chǎn)者循環(huán)中完成加速度的測量，消費者循環(huán)中完成感覺濾波器設(shè)計、數(shù)據(jù)處理及傅里葉變換。LabVIEW中的生產(chǎn)模式程序框圖如圖2所示，消費者程序框圖如圖3所示，前面板圖如圖4所示。該設(shè)計進行加速度實時記錄與測量，并實時給出相應(yīng)的平穩(wěn)性指標Sperling指數(shù)。測量車輛運行時的垂向或橫向振動，并顯示出相應(yīng)Sperling指標，用以評價車輛運行平穩(wěn)性。

圖2 LabVIEW生產(chǎn)模式圖

4 垂向平穩(wěn)性測試

垂向數(shù)據(jù)采集后，在LabVIEW讀文件中打開，30km/h的測量圖前面板圖如圖9，時域圖如圖10（a），頻域圖如圖10（b）；40km/h時域圖如圖11（a）所示，頻域圖如圖11（b）所示，50km/h時域圖如圖12（a）所示，頻域圖如圖12（b）所示。

圖9 30km/h的測量前面板圖