动车组运行品质检测设备设计

缪建国 王 琦 中国铁路上海局集团有限公司上海动车段

王恒亮 中国铁路上海局集团有限公司科研所

研制一套符合动车组运维管理的运行品质检测设备，检测设备可作为随车机械师安全检查的辅助工具，可作为动车组运行动力学性能测试的车载式仪器。通过检测设备获得的动车组振动数据和分析结果，可为动车组运行品质评价体系研究、动车组运行稳定安全保障以及动车组故障诊断与排除提供重要依据。

1 技术原理

1.1 振动传感器

振动加速度传感器是一种能够把振动或冲击量转化为等比电量的电子器件。目前应用最广泛的是压电式加速度传感器，其工作原理是利用压电敏感元件的压电效应得到与振动或者压力成正比的电荷量或电压量。压电式加速度传感器因其频响宽、动态范围大、可靠性高、使用方便，受到广泛应用。测试人员选型时，主要考虑的技术指标是：灵敏度、频率范围、内部结构、安装方式、配套仪器等。

1.2 虚拟仪器

虚拟仪器，或称为“软件即是仪器”，是计算机系统与仪器系统技术相结合的产物，主要由美国国家仪器公司（National Instruments，简称NI）研发出来。虚拟仪器技术利用计算机系统的强大功能，结合相应的硬件，大大突破传统仪器在数据采集、处理、传递、显示、存储等方面的局限性，使用户可以根据自己的需求“制造”自己的仪器。在开发过程中，选择通用硬件（如数据采集卡、RS-232），通过调用LabVIEW相应的函数库、工具包设计出应用程序，实现与硬件通讯、触发等功能。源代码库函数是虚拟仪器各模块的基本组成单元，用户可以构造自己所需的功能模块。当测试要求发生变化时，用户利用现有的硬件资源，在LabVIEW中对已有的模块进行更改，在软件平台上即可设计出满足不同需求的测试系统。

1.3 LabVIEW语言

LabVIEW是NI研发的一种图形化编程语言（G语言，Graphics Language），代码形象直观，编程界面友好，使程序代码的开发变得简单。类似于C语言和BASIC语言开发环境，但LabVIEW的优势在于：LabVIEW不用编写繁琐的代码，而是用一种图形化代码代替文本行；采用数据流的编程方式，从而大大优化了程序的执行顺序。

与C和BASIC一样，在LabVIEW开发环境中，同样为程序开发者提供了一个庞大的函数库，开发者可以利用这些函数完成硬件系统的数据采集任务、网络数据传输任务、信号处理任务、数据库连接、数据分析及数据存储等的所有编程。程序调试也比较简单直观，可以在程序中设置断点、单步执行、以动画方式显示程序运行过程、数据流向、运行结果等。开发者还可将编写的程序代码直接生成独立运行的可执行（.exe）文件，而不需要借助于其他辅助工具。

1.4 NI CompactRIO

近十年来，CompactRIO（简称cRIO）平台已经成为嵌入式监测和控制系统的标准。所有cRIO系统均基于NI LabVIEW可重新配置I/O(RIO)架构，该架构集成了一个实时处理器、可重新配置FPGA和模块化NI C系列I/O，通过LabVIEW系统设计软件进行编程。

2 主要功能

2.1 硬件功能

（1）能在动车组客室内通过无线遥控开关打开设备舱内的数据采集处理系统；

（2）能在动车组客室内使用笔记本电脑连接设备舱内数据采集处理系统发布的无线局域网络；

（3）能通过振动加速度传感器采集车体、构架和轴箱等部位的振动加速度信号，通过GPS定位获取列车所处的经纬度信息，并将检测原始数据存储在cRIO中；

（4）能通过无线网络将检测数据从设备舱内数据采集处理系统导出至客室内笔记本电脑；

（5）检测设备可使用外部220 V AC直接供电，或使用内部12 V DC锂电池；

（6）数据采集处理系统锂电池可持续供电20 Ah，可在动车组一级修时更换锂电池。

2.2 软件功能

（1）实现动车组车体、转向架振动加速度的频谱分析；

（2）实现动车组振动加速度最大值、平均值、功率谱、预测值等分析；

（3）实现动车组平稳性指标和安全性指标计算；

（4）实现动车组车体、转向架振动加速度相关性分析；

（5）实现动车组运行线路信息识别；

（6）实现动车组运行品质检测数据的手动或自动存储；

（7）实现动车组运行品质检测报告的自动生成。

3 硬件设计

3.1 加速度传感器选型

动车组列车正常运行时，一系悬挂系统下方部件的振动加速度一般情况达到几十克，一系悬挂系统上方部件的振动加速度一般在10 g左右，而车体部分振动加速度一般不会超过1 g，它们的特征频率一般都在500 Hz以内（见表1）。

表1 三种振动加速度传感器

3.2 数据采集处理系统构建

3.2.1 高性能控制器选型

NI cRIO四槽高性能控制器集成了1.33 GHz Intel Atom双核处理器、Kintex-7 FPGA以及4个用于C系列I/O模块的插槽，在坚固的无风扇紧凑型机箱内提供了一个高性能监测和控制系统，可在恶劣环境下运行。

3.2.2 数据采集模块选型

NI公司为动态信号采集提供了多款数据采集模块，其中用于振动加速度信号采集的C系列模块主要有9218、9232、9234等3种型号。

3.2.3 GPS定位测速模块选型

根据动车组高速定位与测速的技术要求进行GPS定时同步与定位模块选型。

3.2.4 工业级路由器选型

针对动车组车底到车厢内的信号传输环境以及WiFi/4G的网络要求选型。

3.2.5 数据采集处理机箱

针对动车组设备舱小空间、强电磁干扰、强振动、多粉尘等环境特点，需在数据采集处理机箱的可靠性方面作独特的设计，以满足现场恶劣的工作环境。

（1）紧凑式设计；

（2）加固性设计；

（3）密封性设计；

（4）散热设计；

（5）电磁兼容性设计；

（6）内部模块EMC设计。

所设计的数据采集处理机箱外观如图1所示。

图1 机箱外观

3.3 终端设备选型

终端设备为常规通用笔记本电脑即可，安装检测评价系统软件后连网使用。

3.4 无线遥控电源控制器选型

无线遥控电源控制器包含1个接收器和1个遥控器。

4 软件设计

4.1 开发工具

4.1.1 LabVIEW Real-Time模块

NI LabVIEW Real-Time模块是一款针对LabVIEW开发系统的附加组件，用于帮助用户创建并调试在独立嵌入式硬件目标上运行的可靠确定性应用程序。借助LabVIEW Real-Time模块，用户可为各类NI实时硬件终端（包括：CompactRIO、NI Single-Board RIO、PXI、视觉系统、Compact Field－Point和标准桌面PC）开发应用程序。随附于LabVIEW Real-Time的嵌入式RTOS是一款用于为嵌入式应用程序提供最大可靠性和统一定时的专用单一内核。LabVIEW Real-Time模块无法用于为非NI提供的RTOS创建应用程序。

4.1.2 LabVIEW FPGA模块

NI LabVIEW软件及LabVIEW FPGA模块赋予NI可重配置I/O(RIO)硬件终端的FPGA芯片以图形化开发功能。借助NI LabVIEW FPGA模块，用户可以在Windows主机上开发FPGA VI程序，同时，LabVIEW将进行编译并执行硬件中的代码。用户可创建可直接访问I/O且具有用户定义的LabVIEW逻辑的嵌入式FPGA VI程序，从而实现数字协议通信、硬件在环仿真以及快速控制原型等应用的硬件自定义。

4.2 嵌入式采集软件

利用 LabVIEW、LabVIEW Real-Time Module、LabVIEW FPGA Module，定义标准化的软件框架、调用模块化的VI库，对采集任务模块化与规范化，兼顾效率优化和功能拓展等需求，快速建立定制化的数采记录系统，缩短开发周期，节约开发成本。同时，软件的高标准化和模块化便于系统的拓展，如硬件的更新、测点的增加和修改等。

4.3 人机界面

使用动车组运行品质检测评价系统软件，终端设备通过无线网络向数据采集处理系统发送控制指令，并接收采集的车体、构架和轴箱等部位的振动数据。通过检测评价系统软件的人机界面交互，实现以下功能：

（1）实现动车组车体、转向架振动加速度的频谱分析；

（2）实现动车组振动加速度最大值、平均值、功率谱、预测值等分析；

（3）实现动车组平稳性指标和安全性指标计算；

（4）实现动车组车体、转向架振动加速度相关性分析；

（5）实现动车组运行线路信息识别；

（6）实现动车组运行品质检测数据的手动或自动存储；

（7）实现动车组运行品质检测报告的自动生成。

动车组运行品质检测评价系统软件主要由基本信息填写、数据存储设置、实时数据采集、实时数据分析、离线数据分析和数据变化规律等六大模块组成（见图2）。

图2 动车组运行品质检测评价系统软件

5 结束语

动车组运行品质检测设备对于保障动车组运行过程中旅客乘坐舒适性、列车行车安全性均具有重要意义，尤其是对于CRH1型、CRH2型等尚未安装相关检测装置的动车组，加装该检测设备可实现无到有、定性到定量测试动车组动力学性能。动车组运行品质检测设备可供铁路局车辆管理部门跟踪测试动车组动力学性能变化情况使用，亦可作为动车组随车机械师检查工作中的一种辅助仪器。这种检测设备的推广应用必将带来良好的经济效益和社会效益，同时还可推广应用于普铁、地铁等轨道交通领域。