高速磁浮軌道檢測系統(tǒng)地面處理軟件的設(shè)計

張云洲，吳 峻，李中秀，鄭瑤佳，晁 闖

(1.國防科技大學(xué) 智能科學(xué)學(xué)院，長沙 410073； 2.北京軌道交通技術(shù)裝備集團(tuán)有限公司，長沙 410073)

0 引言

高速磁浮軌道作為一種特殊的直線同步電機的長定子，其幾何線形與電氣特性嚴(yán)重影響著磁浮交通系統(tǒng)的安全運營。對此，高速磁浮軌道檢測系統(tǒng)采用了“搭載在線測量-離線數(shù)據(jù)分析”的方式實現(xiàn)對磁浮軌道狀態(tài)的快速、有效檢測，主要分為軌道不平順檢測、磁場檢測及圖像檢測。不平順檢測的對象為軌道的幾何線形，具體指軌道垂向與導(dǎo)向長波不平順、定子錯牙；磁場檢測的對象為磁浮軌道定子面的電氣特性，具體指定子硅鋼片間短路與繞組相間短路造成的行波磁場異常情況；圖像檢測的對象為軌道定子面環(huán)氧層損傷、繞組線纜下掛及緊固螺栓缺失。1公里的軌道不平順數(shù)據(jù)量為951 kB，磁場數(shù)據(jù)量為2 558 kB，圖片約2 906張，長距離的軌道線路導(dǎo)致單次測量數(shù)據(jù)量巨大，利用Matlab現(xiàn)有程序進(jìn)行處理耗時費力，且不利于非專業(yè)人員進(jìn)行操作，因此需設(shè)計相應(yīng)的地面處理軟件，實現(xiàn)“一鍵式數(shù)據(jù)處理”，并生成相應(yīng)的檢測報表，大大提高軌道檢測的效率[1]。

傳統(tǒng)的文本編程語言如C++、java等基本滿足各種數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的要求，但對非軟件專業(yè)的工程人員而言，這種方式編寫難度大，開發(fā)周期長，后期維護(hù)程序繁瑣[2-3]。LabVIEW圖形化開發(fā)軟件將常見的人機交互按鈕、通訊接口、文件I/O、數(shù)組操作、信號處理、Word/Excel文件操作工具進(jìn)行了封裝，編寫簡單、操作方便，可大大縮短工程軟件的開發(fā)周期[4-5]。同時，LabVIEW中可調(diào)用Matlab Script節(jié)點，對于數(shù)據(jù)處理類軟件的編寫帶來了極大的便利[6]；Python在基于深度學(xué)習(xí)的圖像處理方面具有強大的優(yōu)勢，同時可以對程序進(jìn)行打包，通過LabVIEW直接調(diào)用，互不影響，適合聯(lián)合開發(fā)[7-9]。

本文主要介紹基于LabVIEW、Matlab和Python混合編程的高速磁浮軌道檢測系統(tǒng)地面處理軟件的基本架構(gòu)和各部分的主要功能與技術(shù)要點，提供一種簡單的混合編程方法。

1 地面處理軟件總體設(shè)計

按照檢測對象的不同，高速磁浮軌道檢測系統(tǒng)地面處理軟件主要分為3個模塊：不平順處理模塊、磁場處理模塊和圖像處理模塊，3個模塊的功能相似但互不干擾，各自可獨立運行與維護(hù)。除此之外，該軟件需具備以下優(yōu)點：1)可對軌道檢測設(shè)備導(dǎo)出的數(shù)據(jù)文件直接處理，無需進(jìn)行文件格式轉(zhuǎn)化等繁瑣操作；2)軟件的操作方式需簡單，方便一線工人使用，例如一鍵處理、一鍵打印檢測報表等；3)處理算法參數(shù)調(diào)整部分需設(shè)置相應(yīng)的幫助文檔，方便技術(shù)人員進(jìn)行遠(yuǎn)程指導(dǎo)調(diào)參；4)軌道檢測數(shù)量大，處理時間長，處理過程中需設(shè)計對應(yīng)的進(jìn)程提示窗口或錯誤提示，以免出現(xiàn)死機卻盲目等待的狀況；5)報表需清晰明了地體現(xiàn)檢測結(jié)果，對于軌道異常情況需提供具體的故障種類和位置。

1.1 軟件整體架構(gòu)

設(shè)計的高速磁浮軌道檢測系統(tǒng)地面處理軟件的系統(tǒng)分層結(jié)果如圖1所示。數(shù)據(jù)層是數(shù)據(jù)處理的核心，涉及到軟件的運行效率，其主要負(fù)責(zé)對輸入數(shù)據(jù)的解析、各傳感器數(shù)據(jù)的融合、對用戶操作狀態(tài)的監(jiān)控、處理子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳遞及數(shù)據(jù)的查詢與管理[10]；表示層涉及到人機交互，其主要包括用戶的操作界面、曲線顯示面板、參數(shù)設(shè)置、操作提示及檢測結(jié)果報表[11-12]。

圖1 地面處理系統(tǒng)分層體系結(jié)構(gòu)圖

此外，為方便一線工作管理，增加了用戶注冊與登錄功能。地面處理軟件整體的工作流程如圖2所示。

圖2 軟件工作流程圖

1.2 軌道不平順處理模塊

如圖3所示，高速磁浮軌道檢測地面處理軟件不平順處理模塊需完成的功能包括：多傳感器采集信號的顯示、里程信號與傳感器采樣點的位置匹配、空間濾波、軌道設(shè)計線形干擾(彎道、坡度)的剔除、列車振動干擾剔除、垂向、導(dǎo)向長波不平順特征識別、定子錯牙特征識別、檢測結(jié)果顯示及報表生成。軌道不平順檢測算法由Matlab腳本完成，具體可在Matlab處理軟件中完成程序編寫與調(diào)試，實現(xiàn)對應(yīng)功能后直接遷移至LabVIEW運行。

圖3 不平順處理模塊結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 長定子行波磁場處理模塊

如圖4所示，高速磁浮軌道檢測地面處理軟件磁場處理模塊需完成的功能包括：各磁敏傳感器三軸磁場的顯示、里程信息與磁場信息的匹配、檢測距離波動對磁場檢測結(jié)果干擾的剔除、定子片間短路故障特征識別、檢測結(jié)果顯示及報表生成。軌道長定子磁異常檢測算法同樣由Matlab腳本完成，具體方法同軌道不平順檢測模塊。

圖4 行波磁場處理模塊結(jié)構(gòu)示意圖

1.4 長定子軌道定子面圖像處理模塊

如圖5所示，高速磁浮軌道檢測系統(tǒng)地面處理軟件圖像處理模塊需完成的功能包括：軌道定子面圖像、線纜圖像及螺栓圖像的顯示、圖像與位置信息的匹配、圖像處理結(jié)果的標(biāo)注、報表生成。軌道定子面圖像檢測算法由Python編寫，封裝后通過LabVIEW調(diào)用Windows命令實現(xiàn)LabVIEW與Python的切換。

圖5 圖像處理模塊結(jié)構(gòu)示意圖

2 軟件實現(xiàn)

2.1 軟件界面設(shè)計

高速磁浮軌道檢測系統(tǒng)地面處理軟件的界面如圖6(a)～(f)所示，各處理模塊的界面元素可分為三大類：原始數(shù)據(jù)(圖像)顯示區(qū)域、用戶操作區(qū)域及處理結(jié)果顯示區(qū)域。登陸界面、注冊界面與一般網(wǎng)站功能及使用方法均相同，不再贅述。

圖6 地面處理系統(tǒng)界面設(shè)計

1)原始數(shù)據(jù)顯示區(qū)域主要用到LabVIEW中的波形顯示控件，可進(jìn)行多通道顯示，同時其自帶的圖例與圖形工具選板可完成對信號波形的隱藏/顯示、放大/縮小、移動及游標(biāo)顯示，使用方便，避免了java/C++編程中對鼠標(biāo)動作的監(jiān)控，大大降低了編程難度。

2)用戶操作區(qū)域主要用到文件路徑輸入控件、按鈕、枚舉、文本輸入、文本顯示及進(jìn)度條顯示控件。手動導(dǎo)入需處理的原始數(shù)據(jù)、輸入對應(yīng)名稱、設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，最后點擊開始處理，等待處理完成即可，處理過程無需工人參與，操作簡單不易出錯。圖像處理模塊也只包括路徑選擇與開始處理兩個部分，使用簡單方便。

3)處理結(jié)果顯示區(qū)域主要用到表格控件，其行列自適應(yīng)設(shè)置，顯示格式為字符串類型，可顯示內(nèi)容豐富。不平順處理模塊可顯示左高低、右高低、左導(dǎo)向及右導(dǎo)向不平順異常值即對應(yīng)里程；磁場處理模塊可顯示3種處理算法各自處理結(jié)果，包括磁異常位置信息和磁場異常程度；圖像模塊可直接在圖中標(biāo)明異常位置，同時完成對故障的分類，及具體顯示定子面擦傷、裂紋、脫落、破損、線纜下掛及螺栓缺失。

2.2 混合編程方法

為滿足實際工程需要，結(jié)合LabVIEW、Matlab和Python進(jìn)行混合編程，下面主要介紹以上3種編程語言的具體結(jié)合方法。

2.2.1 Matlab script實現(xiàn)處理算法

除LabVIEW自帶的信號處理及數(shù)學(xué)分析工具外，可采用靈活度更高的Matlab script腳本，通過添加相應(yīng)的輸入輸出、設(shè)置數(shù)據(jù)類型，可將調(diào)試正常的Matlab腳本直接遷移至LabVIEW中運行，如圖7所示。這種運行調(diào)用方式雖然要求軟件運行平臺配置對應(yīng)的Matlab環(huán)境，但是給算法的編寫和后期修改完善帶來了極大的便利。

圖7 Matlab script調(diào)用示意圖

2.2.2 LabVIEW與Python結(jié)合實現(xiàn)子模塊切換

為避免調(diào)用子Vi時的內(nèi)存沖突和前/后面板隱藏切換問題，將各處理子模塊(不平順、磁場、圖像)封裝成可執(zhí)行“.exe”文件，在選擇界面通過執(zhí)行系統(tǒng)命令“Exec.Vi”進(jìn)行調(diào)用[13]，這種調(diào)用方式不受調(diào)用對象類型、文件路徑、文件命名方式(中英文均可)的影響，各模塊間互不干擾，獨立運行。該系統(tǒng)中，不平順模塊和磁場模塊利用LabVIEW進(jìn)行編寫，圖像模塊通過Python實現(xiàn)。同時，該命令可從Vi內(nèi)部執(zhí)行或啟動其他基于Windows的應(yīng)用程序、命令行應(yīng)用程序、(Windows)批處理文件或(macOS和Linux)腳本文件，方便后期采用各種編程工具對該系統(tǒng)的功能進(jìn)行擴展。

本文采用的調(diào)用方法如圖8所示，其中用戶動作由事件結(jié)構(gòu)對界面按鈕值的監(jiān)測實現(xiàn)，當(dāng)某處理模塊執(zhí)行結(jié)束后，可在“select界面”重新進(jìn)行選擇。

圖8 Exec.Vi調(diào)用方法

2.3 軟件基本功能的實現(xiàn)

利用LabVIEW方便快捷的交互設(shè)計功能，實現(xiàn)用戶登錄與注冊、原始數(shù)解析和檢測報表生成。

2.3.1 用戶信息錄入與確認(rèn)

該功能對應(yīng)登陸及注冊界面，判斷邏輯如圖9所示。

圖9 用戶信息確認(rèn)邏輯

利用事件結(jié)構(gòu)，根據(jù)用戶動作進(jìn)入相應(yīng)的環(huán)節(jié)；注冊信息(姓名-工號-密碼)以字符串格式“%s”存儲于本地“registerFile.txt”文件。過程中采用“單按鈕對話框.Vi”進(jìn)行登陸成功/注冊成功/密碼錯誤/工號錯誤等提示。

2.3.2 原始數(shù)據(jù)的解析

不平順單元和磁場單元采用統(tǒng)一的“.txt”數(shù)據(jù)存儲格式，為了適應(yīng)不同類型數(shù)據(jù)長度不一致的問題，采用可變數(shù)據(jù)幀長結(jié)構(gòu)，加入幀類型及數(shù)據(jù)長度的內(nèi)容，格式如下表1所示。圖像模塊直接顯示灰度圖像，不存在原始數(shù)據(jù)解析。數(shù)據(jù)幀類型定義如圖10所示。

表1 數(shù)據(jù)幀格式

圖10 數(shù)據(jù)幀類型定義

根據(jù)該幀格式對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，封裝成如圖11的子Vi，方便調(diào)用。其中，左側(cè)/右側(cè)數(shù)據(jù)為3維數(shù)組格式，分別包括不平順數(shù)據(jù)和磁場數(shù)據(jù)。

圖11 原始數(shù)據(jù)解析Vi

2.3.3 檢測報表的生成

LabVIEW自帶的報表生成模塊包含簡單word/excel Vi，本文使用“Word Easy Text Vi”可實現(xiàn)word中的基本操作-表格，標(biāo)題，插圖，基本符號等[14]。本系統(tǒng)設(shè)計的報表格式如圖12所示，以不平順模塊為例，文件名格式為“時間(2020.01.01)+高速磁浮軌道不平順(磁場、圖像)檢測結(jié)果”。

圖12 不平順檢測模塊報表格式

3 性能評估

利用搭載式高速磁浮軌道檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行測試，基本功能正常。主要從軟件運行所占內(nèi)存、處理速度及Vi節(jié)點來評估軟件的性能。

測試設(shè)備：Intel(R) Core(TM) i5-6300U @2.40 GHz，內(nèi)存8.00 GB，Windows 10，64位操作系統(tǒng)。

表2為登陸模塊(user.Vi)、注冊模塊(register.Vi)、功能選擇模塊(select.Vi),不平順處理模塊(bps.Vi)和磁場處理模塊(mag.Vi)的內(nèi)存使用情況，對照標(biāo)準(zhǔn)為LabVIEW 2020簡單動態(tài)信號分析儀(dsAnalyzer.Vi)范例程序。測試結(jié)果表明，所設(shè)計的高速磁浮軌道檢測系統(tǒng)地面處理軟件內(nèi)存占用情況正常，可在一般的辦公平臺運行。

表2 各模塊內(nèi)存使用情況 kB

表3為關(guān)閉其他軟件的前提下不平順模塊、磁場模塊及圖像模塊離線處理速度的測試結(jié)果，并折算為1 km檢測數(shù)據(jù)的處理時長。測試結(jié)果表明，不平順模塊與磁場模塊處理速度滿足要求，圖像處理模塊受計算機配置影響，處理速度較慢，除從算法層面提升處理速度外，也應(yīng)針對該模塊選擇更高性能的計算平臺。

表3 各模塊處理速度

文本類編程語言的代碼評估指標(biāo)包括代碼長度、復(fù)用代碼占比，而LabVIEW圖形化編程語言一般通過Vi的節(jié)點來評估代碼規(guī)模[15]。測試結(jié)果表明，由于各模塊功能化差異較大，本軟件的代碼復(fù)用性較低。由表4可以看出，只有不平順模塊及磁場模塊存在少量代碼復(fù)用情況，復(fù)用部分為原始數(shù)據(jù)解析、報表打印、處理結(jié)果顯示。

表4 主子Vi代碼量估算及其占比

4 結(jié)束語

提出的基于LabVIEW、Matlab和Python混合編程的高速磁浮軌道檢測系統(tǒng)地面處理軟件可滿足實際工程中大量數(shù)據(jù)離線處理的需求，同時具有如下優(yōu)點：

1)混合編程方式在保證數(shù)據(jù)處理基本功能的前提下大大降低了軟件開發(fā)難度，有效縮短了開發(fā)周期；

2)不平順模塊、磁場模塊及圖像模塊封裝成.exe文件進(jìn)行調(diào)用的方式避免了各模塊間的內(nèi)存沖突，方便調(diào)試，且易于進(jìn)行功能擴展；

3)經(jīng)測試，該軟件運行穩(wěn)定，滿足高速磁浮軌道檢測數(shù)據(jù)的處理要求，其內(nèi)存使用與代碼量合理，但算法仍需進(jìn)一步改進(jìn)，提高圖像模塊的處理速度，提高檢測效率。