鐵路環境振動實時監測分析系統開發*

劉慶杰 孫茂棠 雷曉燕

(華東交通大學鐵路環境振動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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鐵路環境振動實時監測分析系統開發*

劉慶杰 孫茂棠 雷曉燕

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

基于LabVIEW平臺及NI(美國國家儀器公司)相關硬件設備CompactRIO 9075、NI 9234等,開發了鐵路環境振動實時監測分析系統。該系統實現了振動加速度數據采集與1/3倍頻程和Z振級實時分析、數據傳送、監控中心實時顯示、數據儲存及共享等基本功能。1/3倍頻程頻譜分析和Z振級是振動檢測中的重要項目,本系統利用LabVIEW程序和相關硬件設備采集加速度的同時,將采集數據實時轉換為1/3倍頻程譜和Z振級并實時顯示。通過將本監測分析系統與德國DIC24數據采集儀采集的振動加速度對比,驗證了本系統的可靠性。

鐵路； 實時監測; 環境振動; 1/3倍頻程; Z振級

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

列車通過城市區時所致環境振動一般不會造成建筑破壞[1],這一結論也是以往對其影響重視不夠的原因。然而,隨著運營線路不斷增多,鐵路對周圍環境的影響如今已成為越來越突出的環境和社會問題。國內專家對鐵路環境振動已進行了大量的研究,目前環境振動研究中多以1～80 Hz范圍作為振動研究和評價的范圍[2]。本文利用LabVIEW軟件實現了振動加速度數據采集和對1～80 Hz的1/3倍頻程頻譜與Z振級實時在線分析。

LabVIEW是由美國國家儀器公司(National Instruments,簡為NI)創立的一個功能強大而又靈活的儀器和分析軟件開發工具。它是一種圖形化的編程語言,用于快速創建靈活的、可升級的測試、測量和控制應用程序。其最大的優點是可以方便快捷地開發自定制的測試系統,并可以把用戶的一些算法寫入到系統當中。

本系統通過NI 9234等前端設備采集實時數據,利用LabVIEW編寫的軟件和網絡技術對監測數據進行傳輸、顯示及分析和儲存。

1 鐵路環境振動評價指標

1.1 1/3倍頻程頻譜分析

對振動信號的測量與分析是控制振動的前提條件,其中1/3倍頻程頻譜分析是振動檢測中重要的測量項目[3]。

1.2 Z振級頻譜分析

大量研究結果表明,全身振動或局部振動對人體的影響與人的年齡、性別、體質、健康狀況以及所處的環境等都有著復雜的關系,振動強度、頻譜、振動方向以及振動的暴露時間都會導致人對振動的主觀感覺不同,因此很難完整地描繪振動對人體的影響。振動對結構及人體的影響本質上是振動的能量轉換,不同的振動研究目的適用的評價振動的物理量也不應一樣。在各專業領域內,往往采用不同的振動評價指標來評價不同特征的振動。基于振動環境與勞動保護的考慮,不同國家的環境振動標準在選取評價振動強度的指標時,大多采用振動加速度級和振動速度級[4-5]。

實際的環境振動是多個頻率成分的復合振動,對于一個包含多種頻率成分的復雜振動信號,通常采用能量級作為評價量,具體為振動加速度級或振級,振級計算見式(1)。鐵路環境振動噪聲評價中選用鉛垂Z振級LVz,即根據ISO 2631/1—1997中規定的全身Z向振動不同頻率計權因子修正后得到的振動加速度級,單位dB。

(1)

式中：

a0——基準加速度值,取a0=1×10-6;

aw——頻率計權加速度有效值,其具體計算公式如公式(2)所示。

(2)

式中:

ci——對應1/3頻段的計權因子;

awi——第i個1/3頻段中心頻率處的振動加速度有效值。

采用如下方法計算:

(3)

式中：

f1,f2——是1/3頻段的上下限頻率,Hz;

G(f)——譜密度函數。

因此,選取1/3倍頻程頻譜分析和Z振級頻譜分析作為鐵路環境實時監測分析系統的評價指標。

2 實時監測分析系統原理及構成

2.1 實時監測分析系統原理

振動加速度計粘貼在鋼軌軌底上,采用NI 9234模塊采集鋼軌振動加速度,將采集信號通過電纜線傳輸至NI 9075 CompactRIO機箱的I/O(輸入/輸出)模塊,然后通過編寫的FPGA(現場可編程門陣列)程序傳輸至FPGA,實時控制器通過RT(實時)程序讀取FPGA中的數據然后通過網絡流的方式與上位機交互并將數據傳輸至上位機,在上位機上進行實時顯示、儲存和進行相應的分析,其監測分析系統原理如圖1所示。

圖1 實時監測系統原理圖

2.2 實時監測系統構成

2.2.1 上位機

上位機為實時監測分析系統的核心部分,可以顯示用戶界面(包括參數輸入控件、通道選擇、波形圖表顯示等),通過網絡流方式與RT終端進行數據和信息交互,進行數據儲存和分析,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時控制器和FPGA上去。

2.2.2 CompactRIO(RT)系統終端

RT終端由控制器和機箱兩部分組成,可以采用掃描和FPGA編程模式,本系統中采用FPGA編程模式。機箱中的FPGA直接和每個I/O模塊相連,可高速訪問I/O電路并靈活實現定時、觸發和同步等功能。控制器能夠可靠而準確地執行LabVIEW實時應用程序、提供多速率控制、進程執行跟蹤、數據存儲、與外部設備通信等功能。因為每個I/O模塊直連FPGA,而非通過總線,所以與其他工業控制器相比,CompactRIO幾乎沒有控制系統的響應延遲。

2.2.3 C系列采集模塊

NI 9234,為4通道C系列動態信號采集模塊,是為聲音和振動應用而設計的高精度數據采集設備,能針對配備NI Compact DAQ或NI CompactRIO系統的集成電路壓電式(IEPE)與非集成電路壓電式(IEPE)傳感器進行高精度測量。NI 9234模塊參數見表1。

表1 NI 9234模塊參數

2.2.4 加速度傳感器

加速度傳感器采用美國壓電有限公司生產的PCB PIEZOTRONICS 333B32 系列產品,和我國地震局生產的941B型超低頻測振儀。

3 實時監測分析系統應用

3.1 數據采集

CompatRIO機箱采用FPGA編程模式,因此要實現數據采集功能,需要分別編寫FPGA程序、RT和上位機三個程序:

(1) FPGA程序。在FPGA程序中,可以對模塊采樣率和輸入配置等進行設置,直接讀取I/O模塊各通道數據并寫入FIFO(對列)。

(2) RT程序。RT程序用來讀取FPGA程序上的FIFO數據并傳輸至上位機。

(3) 上位機程序。上位機程序以命令流的方式與RT端進行交互,在此交互過程中完成了UI-RT和RT-UI兩個命令流的建立和共享變量的連接。上位機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 上位機建立命令流和調用共享變量程序框圖

通過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,點擊連接控件,即可實現UI-RT端的交互。在前面板用戶顯示界面,點擊用戶界面上的任意控件和修改輸入控件的輸入參數即可實現UI端信息向RT端的傳遞并對采集進行控制，以及實現RT端將采集數據實時傳輸至UI端并實時顯示的功能。

3.2 數據分析

3.2.1 1/3倍頻程頻譜分析

利用LabVIEW的Sound and Vibration模塊對采集到的信號進行處理分析得到1/3倍頻程頻譜圖。圖3a)中svx_Force identical t0.vi將輸入波形轉換為電壓信號;圖3b)中SVL Scale Voltage to EU.vi將電壓信號轉換為包含通道信息(如作為波形的屬性的以m/s2為單位和靈敏度系數設置)縮放波形信號,經過通道索引,得到單通道縮放信號。此時的原信號波形圖基準線偏離零值線,如圖4a)所示。對原始波形信號選用圖3c)中WA Detrend vi處理,消除基準漂移,并且其波形圖基準線與零值線一致,如圖4b)所示。最后經過圖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 采集信號零漂處理前后圖

圖5 用戶界面1/3倍頻程頻譜圖

3.2.2 Z振級分析

Z振級同樣是利用LabVIEW中的Sound and Vibration模塊對采集的振動信號處理分析得到的。在對采集信號進行轉換和調零處理后,利用圖6a)中的人體振動加權濾波器SVT Human Vibration Weighting Filter(Fixed Rates).vi濾波后返回一個基于信號和加權輸入規格的加權信號。對加權信號進行1/3倍頻程分析;然后利用圖6b)中SVT Octave Spectrum Conversion.vi進行SVT的倍頻程頻譜轉換,即可得到與1/3倍頻帶相關的分貝和對應的頻率。圖7為實時監測時Z振級圖。

圖6 Z振級分析部分程序圖

圖7 實時Z振級圖

4 實時監測分析系統試驗驗證

將本套CompactRIO采集分析系統,應用于華東交通大學鐵路環境振動與噪聲教育部工程研究中心縮尺軌道模型上(見圖8)上。縮尺軌道模型的參數見表2。

通過與德國Head公司生產的 DIC24數據采集儀采集的振動加速度做對比,驗證本系統的可靠性。分別將兩個PCB PIEZOTRONICS 333B32系列振動傳感器并排粘貼于軌底坡處和將兩個941B型振動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

由于實驗室條件有限,縮尺模型上小車由人工推動行駛,行駛速度為10 km/h左右,分別用CompactRIO系統和DIC24數據采集儀同時采集小車行駛時產生的振動加速度,用PCB PIEZOTRONICS 333B32 系列產品和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加速度

圖11 941 B型傳感器采集軌枕邊處振動加速度

對CompactRIO系統和DIC24數據采集儀采集的數據進行分析,通過對兩種采集方法采集的加速度進行1/3倍頻程頻譜分析和最大值、最小值及均方根值對比,表3中列出了圖10中第2、3、7、8四個輪位經過采集點時采集到的加速度最大值、最小值及均方根值。

對圖10中兩組數據分別進行1/3倍頻程頻譜分析,對比結果如圖12所示。

表3 幅值統計對比表 m/s2

圖12 1/3倍頻程頻譜分析結果

從表3和圖12可以看出,采用CompactRIO系統采集到的加速度數據與DIC24數據采集儀采集到的加速度數據能夠吻合,驗證了本套CompactRIO系統采集方法的正確性與采集結果的準確性和可靠性。

5 儲存

為便于日后查詢歷史數據,在本系統中設計了數據存儲記錄模塊。存儲記錄模塊采用TDMS(一種二進制記錄文件)文件格式。TDMS文件兼顧了高速、易存取和方便等多種優勢的二進制記錄文件,并且在存儲數據時,可以設置文件記錄一定量的數據后自動生成一個新文件以及通道等屬性的設置。

6 結語

該鐵路環境振動實時監測分析系統實現了對鐵路環境振動進行實時監測分析,并可對監測結果進行儲存和統計處理,人機交互界面生動美觀,操作簡單。并且通過將本套系統與德國DIC24數據采集儀采集的數據進行對比,驗證了本套系統的可靠性與準確性并且能夠采集到1～80 Hz范圍振動信號,供相關專業人員對鐵路引起的振動對周圍環境產生的影響進行研究和評價。

[1] HAO H,ANG T C,SHEN J.Building vibration to traffie-indueed ground motion[J].Building and Environment,2001,36(3):321.

[2] 守田榮.振動篇—公害防止技術[M].盧賢昭譯北京:化學工業出版社,1988.

[3] 沈秋霞,姚青,陳淑敏,等.1/3倍頻程頻譜分析系統的數字化設計與實現[J].工業控制計算機,2008,21(10):75.

[4] 康波.地鐵上方建筑物振動及二次噪聲輻射分析[D].成都:西南交通大學.2011.

[5] 張祎.地鐵環境振動實測及傳播規律研究[D].北京:北京工業大學.2006.

[6] 涂勤明，雷曉燕，毛順茂.南昌地鐵環繞振動預測分析[J].城市軌道交通研究，2014(10)：30.

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

*國家自然科學基金項目(U1134107、E080704);江西省普通本科高校科技落地計劃項目

U 211.3； X 85

10.16037/j.1007-869x.2016.05.012

2014-11-09)