地鐵隧道振動源強在線監測及數據統計分析

陸靜 單濤濤

（上海申通地鐵集團有限公司技術中心，上海 201103）

地鐵運行引起的振動和噪聲已成為國際公認的七大環境公害之一［1］。該問題逐漸成為環境影響評價中的關鍵因素。對振動源強的研究可提高環境振動影響預測評價結果的準確性和有效性。

杜蘊慧等［2］通過研究發現，振動源強的取值在實際工作中仍存在許多問題亟待解決，并提出相關建議。侯建鑫等［3］對北京市和其他城市地鐵環境振動現狀進行大規模實測，總結出北京市地鐵振動源強及傳播特性，提出地鐵振動影響范圍及地鐵埋深的建議。張凌等［4］對南昌地鐵1 號線隧道振動源強進行測試，分析了隧道壁不同高度對振動源強及鋼彈簧浮置板減振量評價的影響。

地鐵列車運行誘發振動是由車輛輪對和鋼軌的相互作用引起的。振動源強的影響因素包括列車參數、軌道結構參數、隧道參數、周圍土體阻抗等。不同型號列車的車體、轉向架和簧下質量分布不同，列車速度不同，鋼軌不平順和粗糙程度不同，軌道結構阻抗和隧道-土層阻抗特性，都會影響地鐵列車振動源強的時域和頻率特性［5］。所以對地鐵振動源強的監測應按照不同邊界條件分類進行，在地鐵運行期間，天窗時間布置測量儀器均需要一定的技術經驗積累和安全保障。目前對地鐵振動的測試多為短時臨時測試。伴隨車輛和軌道線路狀態隨時間的變化，振動源強特性也會不斷變化，所以對振動源強的長期監測非常必要。

本文基于NI cRIO 硬件和SystemLink 軟件架構，搭建分布式監測系統對上海地鐵某線路隧道振動源強進行長期在線監測。采用不同頻率計權曲線對監測振源振動加速度進行振級計算和統計分析，為地鐵環境振動影響預測評價中的源強研究和在線監測系統的規劃設計提供參考。

1 監測系統概述

1.1 系統總體需求

監測系統的部署需要綜合考慮軌道交通的現場環境，確保其長期安全穩定地運行。采集終端獲取傳感器的數據后對數據作運算和處理，比如觸發判斷、濾波、特征值計算、文件存儲、網絡通信等工作，從而快速得到有用信息，降低網絡傳輸和中央處理單元的負擔。采集終端可以獲取軌道狀態監測所需的各種信息，連接多種傳感器，并具有很好的擴展性，為后期增加功能留有空間。監測設備應易于部署和維護，且有較高的性價比。

1.2 系統架構

該系統基于National Instruments 公司提供的軟硬件平臺而開發，其中位于軌旁測點處的采集終端基于CompactRIO 嵌入式平臺搭建，核心數據庫系統基于SystemLink 產品搭建。系統具備了長期可靠、便于擴展維護、邊緣計算結合集中處理、數據存儲完整性和分享開放性等特點，系統架構如圖1所示。

圖1 系統架構

采集終端的核心是CompactRIO，它負責傳感器供電、信號采集和處理、接入Internet把數據傳回服務器。同時考慮到現場的使用環境，選擇具有一定防護等級的機箱封裝，并對外提供電源和信號接口。

1.3 軟件構架

采集終端統一的軟件架構可以使上位機能通過一致的接口與其交互命令、狀態和數據，方便用戶使用；也可以極大地提高代碼的重用性，使所有終端使用同一套代碼。不同的終端僅在FPGA 程序和配置文件信息上有所區別，方便開發人員維護代碼。

基于CompactRIO 的CPU 和FPGA 雙處理器的架構，軟件也分為FPGA 模塊和實時模塊兩部分。根據FPGA 和實時控制器的處理特性不同，模塊控制和數據采集的任務放置在FPGA 上，同時把門限觸發的判斷工作也放在FPGA上。

實時控制器有操作系統和CPU，數據處理、文件記錄、網絡通信、狀態記錄等工作放在實時控制器上編程實現。軟件的功能模塊組成如圖2所示。

圖2 系統軟件功能模塊組成

設備加電后會讀取配置文件，載入采集任務的參數，包括靈敏度、采樣率、觸發條件等，同時啟動日志、網絡通信等線程任務。

啟動采集任務，在指定通道上實時判決觸發條件。一旦滿足觸發條件，文件開始記錄，記錄包含觸發前10 s 已經放在內存緩沖里的信息，到觸發后30 s文件記錄停止。在記錄過程中，計算采集物理量的特征值。特征值會寫入文件，并寫入SystemLink 服務器的Tag中。文件生成后上傳至SystemLink服務器。

用戶可以隨時使用遠程數據查看工具連接采集終端，查看實時采集數據。必要時可以使用主動軟件觸發控制采集終端記錄數據，上傳至SystemLink 服務器。

1.4 現場安裝與調試

選擇上海某線路區間進行振源在線監測，該線路車輛為國標A 型車，通過速度為勻速60 km∕h，軌道結構形式為某特殊減振軌道。該監測設備采用無人值守智能化采集系統，根據預設置程序自動判斷、自動采集、自動儲存信號，不會對行車信號造成干擾。

數據采集設備和傳感器及連接的通信線纜安裝須牢固，安裝后設備不得侵限。圖3 為儀器設備箱在隧道壁的安裝位置，采集設備均在設備限界之外，距離宜大于0.5 m。采集箱的尺寸為30 cm × 40 cm ×20 cm，厚度為20 cm，安裝于電纜支架下方，軌頂面上方1.5 m 左右管片中部，并結合現場適當調整。安裝固定方式為膨脹螺栓，并配有專用鑰匙開關，安裝完成后工作狀態為牢固鎖閉。傳感器安裝在金屬質量塊上（圖4），質量塊粘貼在隧道壁上，且與隧道壁接觸面完全貼合。

圖3 采集箱安裝位置

圖4 隧道壁振動源強測點

2 數據采集和統計分析

該系統安全正常運行，采集得到通過測試斷面的全部列車誘發的隧道壁振動信號。對測得的隧道壁振動加速度信號進行頻譜分析和振級計算。列車通過時，隧道壁振動加速度典型樣本時程曲線見圖5（a），1∕3倍頻程頻率分布曲線見圖5（b）。

圖5 隧道壁振動典型時程曲線及1∕3倍頻程頻率分布

選取某一天的監測數據進行全樣本分析，通過車輛樣本總數為258。振源最大振級的分布見圖6。

圖6 振源最大振級分布

表1 振源最大振級VLzmax統計 dB

國際標準化組織在1985 年的規范ISO 2631?1 中提出W頻率計權曲線［6］；在1997 年重新修訂了ISO 2631?1，提出了新的計權Wk曲線［7］。目前我國同時采用這兩種計權曲線進行振級的計算，其中沿用W曲線的標準有GB 10070—88《城市區域環境振動標準》和HJ 453—2018《環境影響評價技術導則 城市軌道交通》。采用Wk曲線進行鉛垂向Z振級計算的標準有JGJ∕T 170—2009《城市軌道交通引起建筑物振動與二次輻射噪聲限值及其測量方法標準》。為了評價不同頻率計權曲線對地鐵振源振級計算的影響，采用兩種不同計權曲線對振源振動進行計算［8］。圖7 為振級差值箱線圖。

圖7 振級差值箱線圖

從圖7 可知，振級差中位數為3.17 dB，箱子兩側的虛線長度近似相等，總體分布呈現對稱性。對當天的監測數據進行全樣本分析得到，對于同一振動源采用新的頻率計權后，振級增加2.69～3.68 dB，振級的加權平均增加量約為3.2 dB。

為研究振源振動特性隨時間的變化規律，并考慮每天不同時段振源振級的分布情況，每隔1 個月選擇1 d 的測試數據進行分析。統計得到高峰、平峰各時段的多次列車通過時振源最大振級的平均值，表1列出了振源最大振級的分布情況，可見振級量值約為71 dB。

3 結論與建議

本文介紹了地鐵振動源強監測系統的設計、部署和運行實踐，初步驗證了基于NI CompactRIO 和SystemLink 設計的監測系統，從功能和性能上可以滿足軌道交通振源監測的現場部署需求，同時具有很好的可靠性、擴展性。

在文中監測點位邊界條件下，振源振級量值約為71 dB。對于同一振動源振動監測，與采用W計權曲線相比，Wk計權振級平均增加量約為3.2 dB。

對地鐵振動振源特性的長期監測，需要考慮不同邊界條件的影響。有必要建立振源數據庫，為環境影響評價中的振動預測提供數據支撐和科學依據。