徐洪彬 陳興杰 朱文發(fā) 林高翔 柴曉冬

(上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院，201620，上?！蔚谝蛔髡撸T士研究生)

0 引言

噪聲污染是城市的重要污染源之一，地鐵周邊居民對地鐵引起的噪聲污染投訴越來越多[1-3]。地鐵引起的噪聲具有噪聲水平高、持續(xù)時間長、循環(huán)次數(shù)多、影響人群廣等特點，受到了眾多專家與學(xué)者的關(guān)注與重視。目前的研究大多基于機理模型建立了車輛-軌道-高架橋-建筑物、軌道-大地-地基、車輛-軌道-車站-建筑物等[4-5]耦合的大型三維有限元分析模型，得到了不同工況下列車運行引起地表及臨近建筑結(jié)構(gòu)的振動與噪聲特征。國內(nèi)外地鐵噪聲監(jiān)測技術(shù)的特點主要是評價參數(shù)多樣化，且現(xiàn)有通用的環(huán)境噪聲監(jiān)測設(shè)備功能單一，缺乏有效的地鐵噪聲在線監(jiān)測方法與設(shè)備。然而，獲取地鐵運營期間實時噪聲數(shù)據(jù)與實時噪聲評價，對于制定地鐵噪聲評價方法與降噪方案至關(guān)重要[6-7]。

為此，本文開發(fā)了一套地鐵專用的噪聲在線監(jiān)測裝置。該裝置通過LabVIEW軟件在NI公司的嵌入式NI Compact RIO(以下簡稱“NI cRIO”)平臺上進行開發(fā)，利用噪聲傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、NI cRIO實時控制器、工業(yè)路由器。該裝置集數(shù)據(jù)的采集、分析處理、通信、可視化等功能于一體，可滿足地鐵噪聲評價多樣化的需求，實現(xiàn)地鐵噪聲的實時獲取與評價。NI cRIO平臺的總體設(shè)計方案如圖1所示，由噪聲傳感器、NI cRIO控制器、數(shù)據(jù)采集卡、工業(yè)路由器等設(shè)備構(gòu)建智慧化采集硬件，實現(xiàn)地鐵噪聲的穩(wěn)定、高精度采集。經(jīng)過調(diào)理的信號在NI cRIO控制器中進行分析處理，得到噪聲的特征信號，通過工業(yè)路由器實時傳輸?shù)奖O(jiān)控中心服務(wù)器進行顯示、存儲、交互。最后，監(jiān)測結(jié)果也可通過平板電腦、智能手機等終端移動設(shè)備實時查看。

圖1 NI cRIO平臺的總體方案

1 基于LabVIEW的硬件程序開發(fā)

如圖2所示，在NI cRIO平臺上開發(fā)FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)數(shù)據(jù)采集、RT(Real-Time)數(shù)據(jù)處理以及RT數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸程序。

注：CPU——中央處理器；PC——個人電腦。

硬件端的程序結(jié)構(gòu)如圖3所示。首先在PC端設(shè)計LabVIEW程序，具體包括數(shù)據(jù)采集模塊程序設(shè)計、數(shù)據(jù)處理模塊程序設(shè)計與數(shù)據(jù)通信模塊程序設(shè)計3部分。其中：LabVIEW FPGA軟件設(shè)計數(shù)據(jù)采集程序，通過Xilinx編譯器對數(shù)據(jù)采集程序進行編譯，并將程序燒錄到FPGA Target終端；LabVIEW Real-Time軟件設(shè)計數(shù)據(jù)處理程序與數(shù)據(jù)通信程序，將數(shù)據(jù)處理程序部署到NI cRIO實時系統(tǒng)中，并通過Target to Host-DMA FIFO程序?qū)崿F(xiàn)FPGA與RT之間的通信。數(shù)據(jù)分析處理完成后，再由RT將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心服務(wù)器。

圖3 NI cRO平臺硬件端的程序結(jié)構(gòu)

1.1 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計

數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計流程如圖4所示，經(jīng)過對信號輸入模式、信號采樣頻率、采集通道等進行設(shè)計后，進入數(shù)據(jù)采集循環(huán)程序，進行數(shù)據(jù)采集。

圖4 采用FPGA軟件進行數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計的流程

采用FPGA軟件進行數(shù)據(jù)采集，其具體程序為：

1) Input Configuration.VI程序用于配置噪聲傳感器信號的輸入模式，有DC coupled(直流耦合)、AC coupled(交流耦合)、IEPE AC coupled(壓電集成交流耦合)3種信號輸入模式可選。

2) Data Rate.VI程序用于配置數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率，可根據(jù)實際需求設(shè)計不同的采樣頻率。該裝置設(shè)定的采樣頻率為51.2 kS/s。

3) interrupt.VI程序為輪詢請求，可通過RT通信控制FPGA的采集中斷與否。

4) Mod1/Start.VI程序為啟動NI9234數(shù)據(jù)采集卡采集通道的程序，以采集噪聲數(shù)據(jù)；Mod1/AI0-AI3.VI程序為外部的I/O(輸入/輸出)接口控制程序，外部的I/O接口直接和傳感器相連，可直接通過數(shù)組和示波器讀取采集到的噪聲原始信號電壓值。

5) 將采集到的噪聲信號寫入緩存FIFO Method.VI程序中，通過對緩存FIFO(先入先出存儲器)的設(shè)計實現(xiàn)了FIFO與RT的通信。

6) 外部循環(huán)結(jié)構(gòu)(While循環(huán)程序)每執(zhí)行1次，就完成1次數(shù)據(jù)的采集與寫入；程序出現(xiàn)錯誤或中斷請求時即關(guān)閉數(shù)據(jù)采集通道。

7) 通過Xilinx編譯器將所設(shè)計的地鐵噪聲數(shù)據(jù)采集FPGA程序部署到NI cRIO機箱的FPGA中，從而在硬件中實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集程序的開發(fā)。

1.2 數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計

1.2.1 數(shù)據(jù)接口程序

在RT端開發(fā)數(shù)據(jù)處理程序模塊，主要包括數(shù)據(jù)接口程序、數(shù)據(jù)處理程序。數(shù)據(jù)接口程序用于RT端與FPGA端的通信，實現(xiàn)從緩存FIFO中讀取FPGA采集的數(shù)據(jù)。通過FPGA Target-RIO.VI程序建立RT端與FPGA端的通信通道，然后通過Reset.VI程序與Data and Input Configuration.VI程序?qū)崿F(xiàn)在RT端修改采集端各參數(shù)的功能，避免重復(fù)編譯底層的FPGA程序；Run.VI程序、 Wait on IRQ.VI程序、Acknowledge IRQ.VI程序用于實現(xiàn)在RT端控制FPGA采集程序的中斷；通過Data-Read.VI程序讀取FPGA中FIFO緩存中的數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絎aveform.VI程序中。在RT端對原始實時數(shù)據(jù)進行查看，當數(shù)據(jù)寫入緩存被占滿，立即中斷FPGA采集程序。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理程序

噪聲數(shù)據(jù)處理程序流程如圖5所示，經(jīng)過獲取隊列引用、隊列狀態(tài)、數(shù)據(jù)出隊列、信號轉(zhuǎn)換以及計權(quán)重處理，可分別獲得等效連續(xù)A聲級、1/3倍頻程噪聲、噪聲時域信號和實時噪聲信號。

圖5 噪聲數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計流程

在噪聲的數(shù)據(jù)處理程序中，用獲取隊列引用程序?qū)懭氲年犃性卣{(diào)用出來，使用Get Queue Status.VI程序與Enqueue Element.VI程序讀寫隊列中的元素/數(shù)據(jù)；通過Scale to EU.VI程序?qū)鞲衅鞑杉降碾娦盘栟D(zhuǎn)換成標準聲壓信號，標準聲壓信號經(jīng)過Third Octave Running.VI程序處理后輸出1/3倍頻程信號。根據(jù)噪聲評價標準，把標準聲壓信號傳輸?shù)紸,B,C Weighting Filter.VI 程序做A計權(quán)重處理，將計權(quán)后的信號用Running Leq.VI程序做等效連續(xù)A聲級處理，最后分別輸出噪聲實時信號、等效連續(xù)A聲級信號、噪聲時域信號。

1.3 數(shù)據(jù)通信程序設(shè)計

地鐵噪聲在線監(jiān)測的數(shù)據(jù)傳輸使用UDP(用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議)。圖6為數(shù)據(jù)傳輸程序設(shè)計流程圖。數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸程序包括噪聲數(shù)據(jù)獲取的程序、發(fā)送端口程序、UDP發(fā)送結(jié)束的程序。

圖6 采用UDP的數(shù)據(jù)通信程序設(shè)計流程

利用UDP Open.VI程序建立UDP，并創(chuàng)建本地端口。將隊列元素程序中獲取的數(shù)據(jù)寫入UDP Write.VI程序中，要提前創(chuàng)建接收數(shù)據(jù)端/服務(wù)器的IP(互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議)及服務(wù)器的端口號，然后將隊列索引的數(shù)據(jù)寫入并發(fā)送到服務(wù)器端。數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束后，關(guān)閉UDP通信，釋放NI cRIO的實時系統(tǒng)內(nèi)存。

2 客戶端程序設(shè)計

地鐵噪聲在線監(jiān)測客戶端人機交互界面主要包含監(jiān)測區(qū)域信息和噪聲監(jiān)測數(shù)據(jù)兩部分。其中：監(jiān)測區(qū)域信息模塊需要包含監(jiān)測點位置、監(jiān)測點編號、接入點數(shù)量以及監(jiān)測點狀態(tài)；噪聲監(jiān)測數(shù)據(jù)模塊包括被監(jiān)測區(qū)域所采集到的噪聲時域信號、等效連續(xù)A聲級、1/3倍頻程噪聲和實時噪聲信號。

3 工程實例

本文選取上海軌道交通2號線龍陽路站至龍陽路停車場區(qū)段的實訓(xùn)線作為案例。在該區(qū)段內(nèi)高架橋噪聲敏感區(qū)域設(shè)置監(jiān)測點，如圖7所示。

根據(jù)GB/T 5111—2011《聲學(xué) 軌道機車車輛發(fā)射噪聲測量》，該監(jiān)測裝置的噪聲采集傳感器布置如圖8所示。龍陽路實訓(xùn)線為上下行雙線線路，傳感器位于距上下行軌道幾何中心線處。

圖7 現(xiàn)場測試線路實景圖

圖8 傳感器安裝與系統(tǒng)調(diào)試

目前，該噪聲監(jiān)測裝置已在案例區(qū)段安裝完成，并對噪聲敏感區(qū)域進行現(xiàn)場監(jiān)測。用戶可以通過監(jiān)測中心服務(wù)器客戶端實時查看地鐵運營期間的噪聲評價參數(shù)。圖9為監(jiān)測中心服務(wù)器的客戶端界面，可顯示地鐵運營期間實時的噪聲評價參數(shù)、監(jiān)測路段信息及監(jiān)測點狀態(tài)。測試結(jié)果表明，本文開發(fā)的地鐵噪聲監(jiān)測裝置滿足測試要求。

圖9 監(jiān)測中心服務(wù)器客戶端界面截圖

4 結(jié)語

1) 利用LabVIEW語言在NI Compact RIO平臺進行硬件開發(fā)，開發(fā)了FPGA數(shù)據(jù)采集程序，實現(xiàn)了地鐵噪聲數(shù)據(jù)的實時、高效采集；開發(fā)了實時的數(shù)據(jù)處理程序及數(shù)據(jù)通信程序，分別實現(xiàn)了噪聲數(shù)據(jù)的分析與處理，以及數(shù)據(jù)的實時、高效傳輸。

2) 利用LabVIEW語言在監(jiān)控中心服務(wù)器端開發(fā)了應(yīng)用客戶端軟件，實現(xiàn)了監(jiān)測區(qū)域信息、監(jiān)測狀態(tài)信息、測數(shù)據(jù)的可視化交互。

3) 在上海軌道交通2號線龍陽路站至龍陽路停車場區(qū)段實施的測試表明，該監(jiān)測裝置切實可行，實現(xiàn)了地鐵噪聲的實時采集、網(wǎng)絡(luò)傳輸及終端顯示。