成金娜 周勁松

摘 要：列車運(yùn)行平穩(wěn)性是列車品質(zhì)的一個(gè)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，Sperling指標(biāo)在國(guó)內(nèi)被廣泛用于列車運(yùn)行品質(zhì)的評(píng)價(jià)。本文應(yīng)用LabVIEW軟件設(shè)計(jì)了感覺(jué)濾波器和生產(chǎn)-消費(fèi)者模式，通過(guò)兩個(gè)并行循環(huán)完成了地鐵車輛平穩(wěn)性指標(biāo)Sperling指數(shù)的測(cè)量與計(jì)算。該模式不僅大幅提高了數(shù)據(jù)的采集與處理效率，也精確測(cè)量地鐵車輛的平穩(wěn)性指標(biāo)，彌補(bǔ)了現(xiàn)有舒適度評(píng)價(jià)系統(tǒng)的不足，解決了現(xiàn)有檢測(cè)儀在使用方便性、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄、評(píng)價(jià)科學(xué)性方面的問(wèn)題，對(duì)國(guó)內(nèi)地鐵運(yùn)行要求規(guī)范性有一定的使用價(jià)值和參考意義。

關(guān)鍵詞：地鐵；LabVIEW；生產(chǎn)-消費(fèi)者模式；Sperling指數(shù)；感覺(jué)濾波器

中圖分類號(hào)：U121 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(duì)于舒適度和平穩(wěn)性的檢測(cè)和評(píng)價(jià)，德國(guó)、日本、法國(guó)和美國(guó)都進(jìn)行了專門(mén)研究，特別是通過(guò)大量試驗(yàn)，制定了適合本國(guó)的具體方案，如德國(guó)Sperling平穩(wěn)性指標(biāo)、日本的舒適度曲線和法國(guó)的疲勞時(shí)間法等。ISO和UIC也分別制定了相應(yīng)的鐵路標(biāo)準(zhǔn)[1]，用于平穩(wěn)性指標(biāo)的判別。國(guó)內(nèi)高校和科研院所，在舒適度與平穩(wěn)性測(cè)試儀的研制方面也做出了很多嘗試。北京交通大學(xué)研制了基于ARM和嵌入式Linux操作系統(tǒng)的鐵道平穩(wěn)性測(cè)試系統(tǒng)[2，3]；西南交通大學(xué)[4，5]以虛擬儀器、單片機(jī)和DSP處理器對(duì)平穩(wěn)性測(cè)試儀進(jìn)行了研究；鐵道部科學(xué)研究院[6]研制了三維加速度及平穩(wěn)性指標(biāo)儀，采用DSP技術(shù)實(shí)時(shí)計(jì)算平穩(wěn)性指標(biāo)。通過(guò)分析國(guó)內(nèi)研究可以發(fā)現(xiàn)，早期舒適性與平穩(wěn)性測(cè)試儀以虛擬儀器為計(jì)算核心，以計(jì)算機(jī)為載體，可以滿足數(shù)據(jù)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(fā)展和LabVIEW軟件的蓬勃發(fā)展，基于LabVIEW設(shè)計(jì)平穩(wěn)性測(cè)量系統(tǒng)，靈活性好，便于攜帶，穩(wěn)定性高，成本低。該系統(tǒng)可進(jìn)行加速度的檢測(cè)與評(píng)價(jià)，實(shí)時(shí)監(jiān)控列車運(yùn)行及平穩(wěn)性狀態(tài)。

1 測(cè)量平穩(wěn)性設(shè)計(jì)原理

整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)包括振動(dòng)加速度測(cè)量模塊、數(shù)據(jù)采集處理模塊及地面數(shù)據(jù)處理模塊。測(cè)試系統(tǒng)的核心部分是數(shù)據(jù)采集和處理裝置，其作用是獲得信號(hào)并顯示具體振動(dòng)值，同時(shí)進(jìn)一步進(jìn)行頻譜分析、顯示平穩(wěn)性指標(biāo)，主要實(shí)現(xiàn)以下幾方面功能。①數(shù)據(jù)采集功能，系統(tǒng)可以隨時(shí)采集振動(dòng)加速度信息，然后在系統(tǒng)前面板進(jìn)行顯示；②數(shù)據(jù)處理功能，對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，快速傅里葉變換，轉(zhuǎn)變成平穩(wěn)性指標(biāo)；③存儲(chǔ)功能，把所采集的振動(dòng)數(shù)據(jù)和每個(gè)時(shí)間段平穩(wěn)性指標(biāo)存儲(chǔ)起來(lái)。分析流程如圖1所示。

圖1 分析流程圖

通過(guò)生產(chǎn)-消費(fèi)者模式將測(cè)定的振動(dòng)幅值及Sperling指標(biāo)讀出，進(jìn)行下一步分析。生產(chǎn)者/消費(fèi)者設(shè)計(jì)模式采用隊(duì)列數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式。隊(duì)列能很好地消除競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)關(guān)系，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步傳輸，還具有數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，可存儲(chǔ)多份數(shù)據(jù)并保證數(shù)據(jù)不會(huì)丟失或被覆蓋[7]。隊(duì)列數(shù)據(jù)存儲(chǔ)實(shí)際是開(kāi)辟一個(gè)緩存區(qū)，依據(jù)先進(jìn)先出的原則，保證生產(chǎn)循環(huán)中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)通過(guò)隊(duì)列的方式順利傳遞到消費(fèi)者循環(huán)中，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者循環(huán)與消費(fèi)者循環(huán)之間的通信[8]。在該設(shè)計(jì)中建立生產(chǎn)-消費(fèi)者模式，將數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理分配給兩個(gè)并行循環(huán)完成，在生產(chǎn)者循環(huán)中完成加速度的測(cè)量，消費(fèi)者循環(huán)中完成感覺(jué)濾波器設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理及傅里葉變換。LabVIEW中的生產(chǎn)模式程序框圖如圖2所示，消費(fèi)者程序框圖如圖3所示，前面板圖如圖4所示。該設(shè)計(jì)進(jìn)行加速度實(shí)時(shí)記錄與測(cè)量，并實(shí)時(shí)給出相應(yīng)的平穩(wěn)性指標(biāo)Sperling指數(shù)。測(cè)量車輛運(yùn)行時(shí)的垂向或橫向振動(dòng)，并顯示出相應(yīng)Sperling指標(biāo)，用以評(píng)價(jià)車輛運(yùn)行平穩(wěn)性。

圖2 LabVIEW生產(chǎn)模式圖

4 垂向平穩(wěn)性測(cè)試

垂向數(shù)據(jù)采集后，在LabVIEW讀文件中打開(kāi)，30km/h的測(cè)量圖前面板圖如圖9，時(shí)域圖如圖10（a），頻域圖如圖10（b）；40km/h時(shí)域圖如圖11（a）所示，頻域圖如圖11（b）所示，50km/h時(shí)域圖如圖12（a）所示，頻域圖如圖12（b）所示。

圖9 30km/h的測(cè)量前面板圖