黃 輝 雷曉燕 劉慶杰

(1.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司，510010，廣州; 2.華東交通大學(xué)鐵路環(huán)境振動(dòng)與噪聲教育部工程研究中心,330013,南昌∥ 第一作者,助理工程師)

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道岔動(dòng)力特性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)*

黃 輝1雷曉燕2劉慶杰2

(1.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司，510010，廣州; 2.華東交通大學(xué)鐵路環(huán)境振動(dòng)與噪聲教育部工程研究中心,330013,南昌∥ 第一作者,助理工程師)

基于美國(guó)國(guó)家儀器(NI)公司的嵌入式測(cè)控系統(tǒng)CompactRIO 9068和c系列數(shù)據(jù)采集卡NI 9237、NI 9234等系列硬件設(shè)備,用圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW開(kāi)發(fā)了道岔動(dòng)力特性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了同時(shí)對(duì)輪軌力和振動(dòng)加速度的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示等功能。通過(guò)在某城市軌道交通線上的試驗(yàn)驗(yàn)證了本系統(tǒng)工作的可靠性。

城市軌道交通; 道岔; 動(dòng)力特性; 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

First-author′s address Guangzhou Metro Design & Research Institute Co.,Ltd.,510010,Guangzhou,China

作為軌道交通的重要組成部分,道岔具有構(gòu)造復(fù)雜、壽命短、限制列車速度、行車安全性低、養(yǎng)護(hù)維修投入大等特點(diǎn)[1]。隨著鐵路運(yùn)輸向著高速、重載、高密度和大運(yùn)量發(fā)展,列車通過(guò)道岔時(shí),勢(shì)必會(huì)加劇輪軌動(dòng)力響應(yīng),縮短其使用壽命和增加養(yǎng)護(hù)維修成本,輕則影響列車過(guò)岔時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)和旅客乘坐的舒適性,重則造成極大的安全隱患[2]。因此,列車通過(guò)道岔時(shí)的動(dòng)力特性倍受關(guān)注[3],對(duì)列車過(guò)岔時(shí)動(dòng)力特性的監(jiān)測(cè)也變得尤為重要。

道岔是軌道的薄弱環(huán)節(jié)之一。列車過(guò)岔時(shí),道岔的振動(dòng)加速度和所受的力直接反映了其所處的狀態(tài)。這就要求對(duì)這兩項(xiàng)指標(biāo)同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。另外,有的線路上道岔很多,有的相對(duì)較少,不同的道岔區(qū)監(jiān)測(cè)的情況不盡相同。這又需要監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性。因此,開(kāi)發(fā)1個(gè)能同時(shí)對(duì)道岔區(qū)振動(dòng)加速度和受力情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并具有良好擴(kuò)展性的監(jiān)測(cè)系統(tǒng),才能更好地適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的需要。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)程序開(kāi)發(fā)是基于美國(guó)國(guó)家儀器(NI)公司推出的LabVIEW軟件實(shí)現(xiàn)的。LabVIEW軟件是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語(yǔ)言,具有兩個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì):一是編程簡(jiǎn)單,形象生動(dòng),易于理解和掌握;二是LabVIEW軟件針對(duì)數(shù)據(jù)采集、儀器控制、信號(hào)分析與處理等任務(wù),提供了節(jié)點(diǎn)(函數(shù))以對(duì)底層協(xié)議進(jìn)行高度封裝[4]，大大提高了開(kāi)發(fā)效率。LabVIEW程序包括前面板、程序框圖、圖標(biāo)和連線板4個(gè)部分。

本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用NI公司推出的CompactRIO系列產(chǎn)品cRIO 9068,選用采集卡NI 9237和NI 9234同時(shí)進(jìn)行輪軌力和振動(dòng)加速度的采集,利用LabVIEW軟件進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸、存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)顯示等功能。

1 道岔動(dòng)力特性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

1.1 道岔動(dòng)力特性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作原理

道岔動(dòng)力特性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。將應(yīng)變計(jì)和加速度計(jì)粘貼于道岔區(qū)的測(cè)點(diǎn)上,并通過(guò)電纜分別與數(shù)據(jù)采集卡NI 9237和NI 9234連接。采集到的信號(hào)傳輸至cRIO 9068系統(tǒng)的I/O(輸入/輸出)模塊,通過(guò)編寫(xiě)FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門列)程序?qū)?shù)據(jù)傳輸至FPGA。實(shí)時(shí)控制器(RT)則通過(guò)編寫(xiě)的程序讀取已傳輸至FPGA上的數(shù)據(jù),并實(shí)現(xiàn)在機(jī)箱上數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。最后通過(guò)RT程序讀取的數(shù)據(jù)以網(wǎng)絡(luò)流的方式與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互并傳輸至上位機(jī),并在上位機(jī)上實(shí)時(shí)顯示。

圖1 道岔動(dòng)力特性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

1.2 硬件結(jié)構(gòu)

(1) 上位機(jī)。上位機(jī)是1臺(tái)PC機(jī),作為整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心,在其上完成所有程序的開(kāi)發(fā)。上位機(jī)通過(guò)安裝的NI MAX管理軟件與CompactRIO 9068系統(tǒng)進(jìn)行連接,同時(shí),以網(wǎng)絡(luò)流的方式與CompactRIO 9068系統(tǒng)的RT進(jìn)行通信,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息的交互。

(2) CompactRIO 9068系統(tǒng)。CompactRIO 9068系統(tǒng)是一款可重新配置的嵌入式測(cè)控系統(tǒng),由實(shí)時(shí)嵌入式控制器和內(nèi)嵌FPGA芯片的8槽機(jī)箱組成,工作溫度范圍為-40 ℃到70 ℃。

(3) 數(shù)據(jù)采集卡NI 9237。NI 9237是4通道的同步電橋模塊,支持半橋和全橋編程,其分辨率為24位,可實(shí)現(xiàn)4通道同步采集模擬輸入,最高采樣率可達(dá)50 kHz,工作溫度范圍為-40 ℃到70 ℃。

(4) 數(shù)據(jù)采集卡NI 9234。NI 9234是4通道的動(dòng)態(tài)信號(hào)采集模塊,能針對(duì)集成電路壓電式(IEPE)傳感器與非集成電路壓電式(IIEPE)傳感器進(jìn)行高精度音頻測(cè)量。NI 9234的分辨率為24位,最高采樣率為51.2 kHz,可實(shí)現(xiàn)4通道同步采樣模擬輸入。

(5) 加速度傳感器。加速度傳感器選用美國(guó)國(guó)家壓電公司生產(chǎn)的356A16型三軸向加速度傳感器,其靈敏度為100 mV/g,頻率響范圍為0.3～6.0 kHz,量程為±50g(g為重力加速度),分辨率為0.000 1g。

1.3 程序開(kāi)發(fā)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的程序開(kāi)發(fā)采用可為用戶提供更多自定義功能的CompactRIO的FPGA模式。一個(gè)完整的FPGA項(xiàng)目包括FPGA程序、RT程序和上位機(jī)程序,其軟件架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 FPGA項(xiàng)目軟件架構(gòu)圖

1.3.1 FPGA程序

FPGA程序采用while(條件)循環(huán)和平鋪式順序結(jié)構(gòu),可對(duì)采樣率、激勵(lì)電壓等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,通過(guò)FPGA I/O節(jié)點(diǎn)讀取I/O模塊各通道數(shù)據(jù),然后將其寫(xiě)入DMA(直接內(nèi)存存取)FIFO(先入先出隊(duì)列)。DMA FIFO是非常關(guān)鍵的同步技術(shù)。在高速采集過(guò)程中,FPGA采集的速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于RT循環(huán)的速率。因此,為保證RT讀取全部數(shù)據(jù)而又不出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的情況,就必須采用DMA FIFO方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。FPGA程序編輯完成后可編譯下載至FPGA機(jī)箱中。圖3為FPGA程序流程圖。

圖3 FPGA程序流程圖

1.3.2 RT程序

RT編程是整個(gè)程序開(kāi)發(fā)的核心,包含UI(用戶界面)命令循環(huán)、消息處理循環(huán)、Watchdog監(jiān)測(cè)循環(huán)、系統(tǒng)狀態(tài)與FPGA監(jiān)測(cè)循環(huán)、采集與記錄循環(huán)等5個(gè)并行循環(huán)。

(1) UI命令循環(huán)建立網(wǎng)絡(luò)流連接,使RT程序能夠接受上位機(jī)程序發(fā)來(lái)的消息。

(2) 消息處理循環(huán)用于處理來(lái)自UI命令循環(huán)、消息處理循環(huán)、Watchdog循環(huán)和監(jiān)測(cè)循環(huán)的全部消息。

(3) Watchdog循環(huán)用于實(shí)現(xiàn)周期觸發(fā),以確保系統(tǒng)響應(yīng)。

(4) 系統(tǒng)狀態(tài)與FPGA監(jiān)測(cè)循環(huán)周期性地通過(guò)網(wǎng)絡(luò)變量向上位機(jī)程序發(fā)送監(jiān)控信息,使用戶能實(shí)時(shí)了解RT系統(tǒng)和FPGA的工作狀況。例如,用戶可在上位機(jī)程序?qū)崟r(shí)獲取RT系統(tǒng)CPU資源利用率和驅(qū)動(dòng)器空間資源利用率等指標(biāo)的信息。

(5) 采集與記錄循環(huán)采用while循環(huán)和事件結(jié)構(gòu),主要實(shí)現(xiàn)觸發(fā)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。圖4為采集與記錄循環(huán)的程序流程圖。

圖4 采集與記錄循環(huán)程序流程圖

采集與記錄循環(huán)中實(shí)現(xiàn)觸發(fā)的方式有強(qiáng)制觸發(fā)和自動(dòng)觸發(fā)兩種。強(qiáng)制觸發(fā)按鈕位于上位機(jī)用戶顯示界面,是布爾類型按鈕。當(dāng)用戶點(diǎn)擊時(shí),采集系統(tǒng)被強(qiáng)制觸發(fā)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。自動(dòng)觸發(fā)包括均方值觸發(fā)和最大值觸發(fā),其觸發(fā)值可在上位機(jī)程序的配置文件中設(shè)置。均方值觸發(fā)適用于采集波形為震蕩波形的振動(dòng)加速度信號(hào),最大值觸發(fā)適用于采集波形容易發(fā)生突變的輪軌力。為避免自動(dòng)觸發(fā)后出現(xiàn)有效數(shù)據(jù)丟失的情況,程序采用隊(duì)列實(shí)現(xiàn)了緩存的功能,這樣可保證在采用最大值觸發(fā)時(shí),最大值前的一段有效數(shù)據(jù)能被采集到。

RT程序中將讀取的數(shù)據(jù)以TDMS(技術(shù)資料數(shù)據(jù)化管理系統(tǒng))文件的形式進(jìn)行存儲(chǔ)。TDMS文件具有高速存儲(chǔ)的特性,特別適合于海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

1.3.3 上位機(jī)程序

上位機(jī)程序主要包含配置文件程序和用戶界面程序。

配置文件程序的主要功能是進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。用戶可根據(jù)實(shí)際情況和需求在配置文件程序中設(shè)置輪軌力標(biāo)定系數(shù)、加速度換算系數(shù)、通道名稱、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)的文件名稱等一系列參數(shù)。所有參數(shù)設(shè)置完成以后,運(yùn)行配置文件程序便可生成配置文件。將該配置文件拷貝至RT終端根目錄中，便完成了對(duì)整個(gè)采集系統(tǒng)的配置。

上位機(jī)與RT端通過(guò)命令流的形式進(jìn)行交互。在用戶顯示界面輸入IP地址,點(diǎn)擊連接按鈕,便可建立上位機(jī)與RT端的連接。RT端傳輸過(guò)來(lái)的各通道數(shù)據(jù)在上位機(jī)用戶顯示界面實(shí)時(shí)顯示,調(diào)用最大值函數(shù)還可實(shí)時(shí)顯示各通道數(shù)據(jù)的最大值。在實(shí)時(shí)模塊編號(hào)輸入框中輸入想要查看的模塊編號(hào),便可觀察到相應(yīng)模塊各通道的實(shí)時(shí)波形圖。圖5為上位機(jī)用戶顯示界面。

2 道岔動(dòng)力特性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

將本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于某城市軌道交通試驗(yàn)線上,試驗(yàn)車是1列2節(jié)車廂的系統(tǒng)試驗(yàn)車。試驗(yàn)一共布置了6個(gè)數(shù)據(jù)測(cè)試點(diǎn)。其中,測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)3位于尖軌部分的尖軌上；測(cè)點(diǎn)2和測(cè)點(diǎn)4位于尖軌部分的曲基本軌上,并與測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)3對(duì)應(yīng)；測(cè)點(diǎn)5和測(cè)點(diǎn)6位于轍叉部分的曲股里軌上。測(cè)點(diǎn)1、2、5、6處采用軌腰壓縮法粘貼應(yīng)變計(jì),經(jīng)標(biāo)定后采集輪軌力。測(cè)點(diǎn)3、4處粘貼加速度計(jì)以采集振動(dòng)加速度。測(cè)點(diǎn)布置圖可參見(jiàn)圖5上位用戶顯示界面。某列列車通過(guò)時(shí)測(cè)點(diǎn)3的垂向振動(dòng)加速度和測(cè)點(diǎn)5的垂向輪軌力如圖6和圖7所示。

圖5 上位機(jī)用戶顯示界面

圖6 測(cè)點(diǎn)3垂向振動(dòng)加速度

圖7 測(cè)點(diǎn)5垂向輪軌力

3 結(jié)語(yǔ)

基于LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)的道岔動(dòng)力特性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):

(1) 該系統(tǒng)能同時(shí)實(shí)現(xiàn)輪軌力和振動(dòng)加速度的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)顯示;

(2)實(shí)現(xiàn)了多方式觸發(fā)和數(shù)據(jù)緩存,避免了自動(dòng)觸發(fā)后出現(xiàn)有效數(shù)據(jù)丟失;

(3)界面簡(jiǎn)潔,操作方便;

(4)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性強(qiáng),用戶可根據(jù)道岔區(qū)的實(shí)際情況擴(kuò)展新的采集通道。

本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可通過(guò)實(shí)時(shí)反映列車通過(guò)道岔時(shí)鋼軌的動(dòng)力特性,以使相關(guān)人員根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果制定相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施,確保列車過(guò)岔時(shí)車輛運(yùn)行的安全狀態(tài)和旅客乘坐的舒適性。

[1] 練松良.軌道工程[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,2006.

[2] 譚曉春,羅雁云.軌道交通列車過(guò)岔振動(dòng)特性研究[J].城市軌道交通研究,2008,11(1):28.

[3] 李新東,盧貴云,熊佳陽(yáng).高速道岔區(qū)動(dòng)力響應(yīng)的仿真研究[J].鐵道車輛,2006,44(3):6.

[4] 陳樹(shù)學(xué),劉萱.LabVIEW寶典[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011.

Development of Real-time Monitoring System for the Dynamic Characteristics of Turnout

HUANG Hui, LEI Xiaoyan,LIU Qingjie

A real-time monitoring system for the dynamic characteristics of turnout is developed based on National Instruments (NI) embedded measurement and the control systems of CompactRIO 9068, the c series date acquisition card NI 9237, NI 9234 and other hardware devices. Graphical programming language Labview is used in the development. This system could realize data collecting, transmitting, storing and real-time displaying of wheel/rail force and vibration acceleration. The reliability of the system is verified through experimental test on a rail transit line.

urban rail transit; turnout; dynamic characteristics; real-time monitoring

*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(U1134107；51368021)

U 213.6

10.16037/j.1007-869x.2016.09.009

2014-12-04)