基于LabVIEW的列車平穩性測量

成金娜 周勁松

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

關鍵詞：地鐵；LabVIEW；生產-消費者模式；Sperling指數；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也分別制定了相應的鐵路標準[1]，用于平穩性指標的判別。國內高校和科研院所，在舒適度與平穩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操作系統的鐵道平穩性測試系統[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性指標儀，采用DSP技術實時計算平穩性指標。通過分析國內研究可以發現，早期舒適性與平穩性測試儀以虛擬儀器為計算核心，以計算機為載體，可以滿足數據分析與處理的要求，但靈活性不足，體積稍顯龐大。隨著科技的發展和LabVIEW軟件的蓬勃發展，基于LabVIEW設計平穩性測量系統，靈活性好，便于攜帶，穩定性高，成本低。該系統可進行加速度的檢測與評價，實時監控列車運行及平穩性狀態。

1 測量平穩性設計原理

整個測試系統包括振動加速度測量模塊、數據采集處理模塊及地面數據處理模塊。測試系統的核心部分是數據采集和處理裝置，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、顯示平穩性指標，主要實現以下幾方面功能。①數據采集功能，系統可以隨時采集振動加速度信息，然后在系統前面板進行顯示；②數據處理功能，對振動數據進行頻譜分析，快速傅里葉變換，轉變成平穩性指標；③存儲功能，把所采集的振動數據和每個時間段平穩性指標存儲起來。分析流程如圖1所示。

圖1 分析流程圖

通過生產-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。生產者/消費者設計模式采用隊列數據存儲方式。隊列能很好地消除競爭狀態關系，并實現數據的同步傳輸，還具有數據緩沖區，可存儲多份數據并保證數據不會丟失或被覆蓋[7]。隊列數據存儲實際是開辟一個緩存區，依據先進先出的原則，保證生產循環中產生的數據通過隊列的方式順利傳遞到消費者循環中，從而實現生產者循環與消費者循環之間的通信[8]。在該設計中建立生產-消費者模式，將數據采集和數據處理分配給兩個并行循環完成，在生產者循環中完成加速度的測量，消費者循環中完成感覺濾波器設計、數據處理及傅里葉變換。LabVIEW中的生產模式程序框圖如圖2所示，消費者程序框圖如圖3所示，前面板圖如圖4所示。該設計進行加速度實時記錄與測量，并實時給出相應的平穩性指標Sperling指數。測量車輛運行時的垂向或橫向振動，并顯示出相應Sperling指標，用以評價車輛運行平穩性。

圖2 LabVIEW生產模式圖

4 垂向平穩性測試

垂向數據采集后，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