铁路环境振动实时监测分析系统开发*

刘庆杰 孙茂棠 雷晓燕

(华东交通大学铁路环境振动与噪声教育部工程研究中心,330013,南昌∥ 第一作者,讲师)



铁路环境振动实时监测分析系统开发*

刘庆杰 孙茂棠 雷晓燕

(华东交通大学铁路环境振动与噪声教育部工程研究中心,330013,南昌∥ 第一作者,讲师)

基于LabVIEW平台及NI(美国国家仪器公司)相关硬件设备CompactRIO 9075、NI 9234等,开发了铁路环境振动实时监测分析系统。该系统实现了振动加速度数据采集与1/3倍频程和Z振级实时分析、数据传送、监控中心实时显示、数据储存及共享等基本功能。1/3倍频程频谱分析和Z振级是振动检测中的重要项目,本系统利用LabVIEW程序和相关硬件设备采集加速度的同时,将采集数据实时转换为1/3倍频程谱和Z振级并实时显示。通过将本监测分析系统与德国DIC24数据采集仪采集的振动加速度对比,验证了本系统的可靠性。

铁路； 实时监测; 环境振动; 1/3倍频程; Z振级

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

列车通过城市区时所致环境振动一般不会造成建筑破坏[1],这一结论也是以往对其影响重视不够的原因。然而,随着运营线路不断增多,铁路对周围环境的影响如今已成为越来越突出的环境和社会问题。国内专家对铁路环境振动已进行了大量的研究,目前环境振动研究中多以1～80 Hz范围作为振动研究和评价的范围[2]。本文利用LabVIEW软件实现了振动加速度数据采集和对1～80 Hz的1/3倍频程频谱与Z振级实时在线分析。

LabVIEW是由美国国家仪器公司(National Instruments,简为NI)创立的一个功能强大而又灵活的仪器和分析软件开发工具。它是一种图形化的编程语言,用于快速创建灵活的、可升级的测试、测量和控制应用程序。其最大的优点是可以方便快捷地开发自定制的测试系统,并可以把用户的一些算法写入到系统当中。

本系统通过NI 9234等前端设备采集实时数据,利用LabVIEW编写的软件和网络技术对监测数据进行传输、显示及分析和储存。

1 铁路环境振动评价指标

1.1 1/3倍频程频谱分析

对振动信号的测量与分析是控制振动的前提条件,其中1/3倍频程频谱分析是振动检测中重要的测量项目[3]。

1.2 Z振级频谱分析

大量研究结果表明,全身振动或局部振动对人体的影响与人的年龄、性别、体质、健康状况以及所处的环境等都有着复杂的关系,振动强度、频谱、振动方向以及振动的暴露时间都会导致人对振动的主观感觉不同,因此很难完整地描绘振动对人体的影响。振动对结构及人体的影响本质上是振动的能量转换,不同的振动研究目的适用的评价振动的物理量也不应一样。在各专业领域内,往往采用不同的振动评价指标来评价不同特征的振动。基于振动环境与劳动保护的考虑,不同国家的环境振动标准在选取评价振动强度的指标时,大多采用振动加速度级和振动速度级[4-5]。

实际的环境振动是多个频率成分的复合振动,对于一个包含多种频率成分的复杂振动信号,通常采用能量级作为评价量,具体为振动加速度级或振级,振级计算见式(1)。铁路环境振动噪声评价中选用铅垂Z振级LVz,即根据ISO 2631/1—1997中规定的全身Z向振动不同频率计权因子修正后得到的振动加速度级,单位dB。

(1)

式中：

a0——基准加速度值,取a0=1×10-6;

aw——频率计权加速度有效值,其具体计算公式如公式(2)所示。

(2)

式中:

ci——对应1/3频段的计权因子;

awi——第i个1/3频段中心频率处的振动加速度有效值。

采用如下方法计算:

(3)

式中：

f1,f2——是1/3频段的上下限频率,Hz;

G(f)——谱密度函数。

因此,选取1/3倍频程频谱分析和Z振级频谱分析作为铁路环境实时监测分析系统的评价指标。

2 实时监测分析系统原理及构成

2.1 实时监测分析系统原理

振动加速度计粘贴在钢轨轨底上,采用NI 9234模块采集钢轨振动加速度,将采集信号通过电缆线传输至NI 9075 CompactRIO机箱的I/O(输入/输出)模块,然后通过编写的FPGA(现场可编程门阵列)程序传输至FPGA,实时控制器通过RT(实时)程序读取FPGA中的数据然后通过网络流的方式与上位机交互并将数据传输至上位机,在上位机上进行实时显示、储存和进行相应的分析,其监测分析系统原理如图1所示。

图1 实时监测系统原理图

2.2 实时监测系统构成

2.2.1 上位机

上位机为实时监测分析系统的核心部分,可以显示用户界面(包括参数输入控件、通道选择、波形图表显示等),通过网络流方式与RT终端进行数据和信息交互,进行数据储存和分析,完成所有的程序编程和利用LabVIEW Real-Time模块将各种程序下载到实时控制器和FPGA上去。

2.2.2 CompactRIO(RT)系统终端

RT终端由控制器和机箱两部分组成,可以采用扫描和FPGA编程模式,本系统中采用FPGA编程模式。机箱中的FPGA直接和每个I/O模块相连,可高速访问I/O电路并灵活实现定时、触发和同步等功能。控制器能够可靠而准确地执行LabVIEW实时应用程序、提供多速率控制、进程执行跟踪、数据存储、与外部设备通信等功能。因为每个I/O模块直连FPGA,而非通过总线,所以与其他工业控制器相比,CompactRIO几乎没有控制系统的响应延迟。

2.2.3 C系列采集模块

NI 9234,为4通道C系列动态信号采集模块,是为声音和振动应用而设计的高精度数据采集设备,能针对配备NI Compact DAQ或NI CompactRIO系统的集成电路压电式(IEPE)与非集成电路压电式(IEPE)传感器进行高精度测量。NI 9234模块参数见表1。

表1 NI 9234模块参数

2.2.4 加速度传感器

加速度传感器采用美国压电有限公司生产的PCB PIEZOTRONICS 333B32 系列产品,和我国地震局生产的941B型超低频测振仪。

3 实时监测分析系统应用

3.1 数据采集

CompatRIO机箱采用FPGA编程模式,因此要实现数据采集功能,需要分别编写FPGA程序、RT和上位机三个程序:

(1) FPGA程序。在FPGA程序中,可以对模块采样率和输入配置等进行设置,直接读取I/O模块各通道数据并写入FIFO(对列)。

(2) RT程序。RT程序用来读取FPGA程序上的FIFO数据并传输至上位机。

(3) 上位机程序。上位机程序以命令流的方式与RT端进行交互,在此交互过程中完成了UI-RT和RT-UI两个命令流的建立和共享变量的连接。上位机建立命令流和共享变量连接部分程序框图如图2所示。

图2 上位机建立命令流和调用共享变量程序框图

通过UI-RT命令流,在前面板中的控制器地址输入控件中输入RT端的IP地址,点击连接控件,即可实现UI-RT端的交互。在前面板用户显示界面,点击用户界面上的任意控件和修改输入控件的输入参数即可实现UI端信息向RT端的传递并对采集进行控制，以及实现RT端将采集数据实时传输至UI端并实时显示的功能。

3.2 数据分析

3.2.1 1/3倍频程频谱分析

利用LabVIEW的Sound and Vibration模块对采集到的信号进行处理分析得到1/3倍频程频谱图。图3a)中svx_Force identical t0.vi将输入波形转换为电压信号;图3b)中SVL Scale Voltage to EU.vi将电压信号转换为包含通道信息(如作为波形的属性的以m/s2为单位和灵敏度系数设置)缩放波形信号,经过通道索引,得到单通道缩放信号。此时的原信号波形图基准线偏离零值线,如图4a)所示。对原始波形信号选用图3c)中WA Detrend vi处理,消除基准漂移,并且其波形图基准线与零值线一致,如图4b)所示。最后经过图3d)中SVT Fractional-octave Analysis.vi,选取1/3 octave分析,得到1/3倍频程频谱图,如图5所示。

图3 1/3倍频程频谱分析程序框图

图4 采集信号零漂处理前后图

图5 用户界面1/3倍频程频谱图

3.2.2 Z振级分析

Z振级同样是利用LabVIEW中的Sound and Vibration模块对采集的振动信号处理分析得到的。在对采集信号进行转换和调零处理后,利用图6a)中的人体振动加权滤波器SVT Human Vibration Weighting Filter(Fixed Rates).vi滤波后返回一个基于信号和加权输入规格的加权信号。对加权信号进行1/3倍频程分析;然后利用图6b)中SVT Octave Spectrum Conversion.vi进行SVT的倍频程频谱转换,即可得到与1/3倍频带相关的分贝和对应的频率。图7为实时监测时Z振级图。

图6 Z振级分析部分程序图

图7 实时Z振级图

4 实时监测分析系统试验验证

将本套CompactRIO采集分析系统,应用于华东交通大学铁路环境振动与噪声教育部工程研究中心缩尺轨道模型上(见图8)上。缩尺轨道模型的参数见表2。

通过与德国Head公司生产的 DIC24数据采集仪采集的振动加速度做对比,验证本系统的可靠性。分别将两个PCB PIEZOTRONICS 333B32系列振动传感器并排粘贴于轨底坡处和将两个941B型振动传感器放置在轨枕边,如图8和图9所示。

图8 缩尺轨道模型

图9 333B32粘贴位置

表2 941B加速度传感器参数

由于实验室条件有限,缩尺模型上小车由人工推动行驶,行驶速度为10 km/h左右,分别用CompactRIO系统和DIC24数据采集仪同时采集小车行驶时产生的振动加速度,用PCB PIEZOTRONICS 333B32 系列产品和941B型传感器采集的钢轨轨底坡处和轨枕边处加速度波形曲线图如图10和图11所示。

图10 333B32传感器采集轨底坡的振动加速度

图11 941 B型传感器采集轨枕边处振动加速度

对CompactRIO系统和DIC24数据采集仪采集的数据进行分析,通过对两种采集方法采集的加速度进行1/3倍频程频谱分析和最大值、最小值及均方根值对比,表3中列出了图10中第2、3、7、8四个轮位经过采集点时采集到的加速度最大值、最小值及均方根值。

对图10中两组数据分别进行1/3倍频程频谱分析,对比结果如图12所示。

表3 幅值统计对比表 m/s2

图12 1/3倍频程频谱分析结果

从表3和图12可以看出,采用CompactRIO系统采集到的加速度数据与DIC24数据采集仪采集到的加速度数据能够吻合,验证了本套CompactRIO系统采集方法的正确性与采集结果的准确性和可靠性。

5 储存

为便于日后查询历史数据,在本系统中设计了数据存储记录模块。存储记录模块采用TDMS(一种二进制记录文件)文件格式。TDMS文件兼顾了高速、易存取和方便等多种优势的二进制记录文件,并且在存储数据时,可以设置文件记录一定量的数据后自动生成一个新文件以及通道等属性的设置。

6 结语

该铁路环境振动实时监测分析系统实现了对铁路环境振动进行实时监测分析,并可对监测结果进行储存和统计处理,人机交互界面生动美观,操作简单。并且通过将本套系统与德国DIC24数据采集仪采集的数据进行对比,验证了本套系统的可靠性与准确性并且能够采集到1～80 Hz范围振动信号,供相关专业人员对铁路引起的振动对周围环境产生的影响进行研究和评价。

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

[2] 守田荣.振动篇—公害防止技术[M].卢贤昭译北京:化学工业出版社,1988.

[3] 沈秋霞,姚青,陈淑敏,等.1/3倍频程频谱分析系统的数字化设计与实现[J].工业控制计算机,2008,21(10):75.

[4] 康波.地铁上方建筑物振动及二次噪声辐射分析[D].成都:西南交通大学.2011.

[5] 张祎.地铁环境振动实测及传播规律研究[D].北京:北京工业大学.2006.

[6] 涂勤明，雷晓燕，毛顺茂.南昌地铁环绕振动预测分析[J].城市轨道交通研究，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

*国家自然科学基金项目(U1134107、E080704);江西省普通本科高校科技落地计划项目

U 211.3； X 85

10.16037/j.1007-869x.2016.05.012

2014-11-09)