地铁隧道振动源强在线监测及数据统计分析

陆静 单涛涛

（上海申通地铁集团有限公司技术中心，上海 201103）

地铁运行引起的振动和噪声已成为国际公认的七大环境公害之一［1］。该问题逐渐成为环境影响评价中的关键因素。对振动源强的研究可提高环境振动影响预测评价结果的准确性和有效性。

杜蕴慧等［2］通过研究发现，振动源强的取值在实际工作中仍存在许多问题亟待解决，并提出相关建议。侯建鑫等［3］对北京市和其他城市地铁环境振动现状进行大规模实测，总结出北京市地铁振动源强及传播特性，提出地铁振动影响范围及地铁埋深的建议。张凌等［4］对南昌地铁1 号线隧道振动源强进行测试，分析了隧道壁不同高度对振动源强及钢弹簧浮置板减振量评价的影响。

地铁列车运行诱发振动是由车辆轮对和钢轨的相互作用引起的。振动源强的影响因素包括列车参数、轨道结构参数、隧道参数、周围土体阻抗等。不同型号列车的车体、转向架和簧下质量分布不同，列车速度不同，钢轨不平顺和粗糙程度不同，轨道结构阻抗和隧道-土层阻抗特性，都会影响地铁列车振动源强的时域和频率特性［5］。所以对地铁振动源强的监测应按照不同边界条件分类进行，在地铁运行期间，天窗时间布置测量仪器均需要一定的技术经验积累和安全保障。目前对地铁振动的测试多为短时临时测试。伴随车辆和轨道线路状态随时间的变化，振动源强特性也会不断变化，所以对振动源强的长期监测非常必要。

本文基于NI cRIO 硬件和SystemLink 软件架构，搭建分布式监测系统对上海地铁某线路隧道振动源强进行长期在线监测。采用不同频率计权曲线对监测振源振动加速度进行振级计算和统计分析，为地铁环境振动影响预测评价中的源强研究和在线监测系统的规划设计提供参考。

1 监测系统概述

1.1 系统总体需求

监测系统的部署需要综合考虑轨道交通的现场环境，确保其长期安全稳定地运行。采集终端获取传感器的数据后对数据作运算和处理，比如触发判断、滤波、特征值计算、文件存储、网络通信等工作，从而快速得到有用信息，降低网络传输和中央处理单元的负担。采集终端可以获取轨道状态监测所需的各种信息，连接多种传感器，并具有很好的扩展性，为后期增加功能留有空间。监测设备应易于部署和维护，且有较高的性价比。

1.2 系统架构

该系统基于National Instruments 公司提供的软硬件平台而开发，其中位于轨旁测点处的采集终端基于CompactRIO 嵌入式平台搭建，核心数据库系统基于SystemLink 产品搭建。系统具备了长期可靠、便于扩展维护、边缘计算结合集中处理、数据存储完整性和分享开放性等特点，系统架构如图1所示。

图1 系统架构

采集终端的核心是CompactRIO，它负责传感器供电、信号采集和处理、接入Internet把数据传回服务器。同时考虑到现场的使用环境，选择具有一定防护等级的机箱封装，并对外提供电源和信号接口。

1.3 软件构架

采集终端统一的软件架构可以使上位机能通过一致的接口与其交互命令、状态和数据，方便用户使用；也可以极大地提高代码的重用性，使所有终端使用同一套代码。不同的终端仅在FPGA 程序和配置文件信息上有所区别，方便开发人员维护代码。

基于CompactRIO 的CPU 和FPGA 双处理器的架构，软件也分为FPGA 模块和实时模块两部分。根据FPGA 和实时控制器的处理特性不同，模块控制和数据采集的任务放置在FPGA 上，同时把门限触发的判断工作也放在FPGA上。

实时控制器有操作系统和CPU，数据处理、文件记录、网络通信、状态记录等工作放在实时控制器上编程实现。软件的功能模块组成如图2所示。

图2 系统软件功能模块组成

设备加电后会读取配置文件，载入采集任务的参数，包括灵敏度、采样率、触发条件等，同时启动日志、网络通信等线程任务。

启动采集任务，在指定通道上实时判决触发条件。一旦满足触发条件，文件开始记录，记录包含触发前10 s 已经放在内存缓冲里的信息，到触发后30 s文件记录停止。在记录过程中，计算采集物理量的特征值。特征值会写入文件，并写入SystemLink 服务器的Tag中。文件生成后上传至SystemLink服务器。

用户可以随时使用远程数据查看工具连接采集终端，查看实时采集数据。必要时可以使用主动软件触发控制采集终端记录数据，上传至SystemLink 服务器。

1.4 现场安装与调试

选择上海某线路区间进行振源在线监测，该线路车辆为国标A 型车，通过速度为匀速60 km∕h，轨道结构形式为某特殊减振轨道。该监测设备采用无人值守智能化采集系统，根据预设置程序自动判断、自动采集、自动储存信号，不会对行车信号造成干扰。

数据采集设备和传感器及连接的通信线缆安装须牢固，安装后设备不得侵限。图3 为仪器设备箱在隧道壁的安装位置，采集设备均在设备限界之外，距离宜大于0.5 m。采集箱的尺寸为30 cm × 40 cm ×20 cm，厚度为20 cm，安装于电缆支架下方，轨顶面上方1.5 m 左右管片中部，并结合现场适当调整。安装固定方式为膨胀螺栓，并配有专用钥匙开关，安装完成后工作状态为牢固锁闭。传感器安装在金属质量块上（图4），质量块粘贴在隧道壁上，且与隧道壁接触面完全贴合。

图3 采集箱安装位置

图4 隧道壁振动源强测点

2 数据采集和统计分析

该系统安全正常运行，采集得到通过测试断面的全部列车诱发的隧道壁振动信号。对测得的隧道壁振动加速度信号进行频谱分析和振级计算。列车通过时，隧道壁振动加速度典型样本时程曲线见图5（a），1∕3倍频程频率分布曲线见图5（b）。

图5 隧道壁振动典型时程曲线及1∕3倍频程频率分布

选取某一天的监测数据进行全样本分析，通过车辆样本总数为258。振源最大振级的分布见图6。

图6 振源最大振级分布

表1 振源最大振级VLzmax统计 dB

国际标准化组织在1985 年的规范ISO 2631⁃1 中提出W频率计权曲线［6］；在1997 年重新修订了ISO 2631⁃1，提出了新的计权Wk曲线［7］。目前我国同时采用这两种计权曲线进行振级的计算，其中沿用W曲线的标准有GB 10070—88《城市区域环境振动标准》和HJ 453—2018《环境影响评价技术导则 城市轨道交通》。采用Wk曲线进行铅垂向Z振级计算的标准有JGJ∕T 170—2009《城市轨道交通引起建筑物振动与二次辐射噪声限值及其测量方法标准》。为了评价不同频率计权曲线对地铁振源振级计算的影响，采用两种不同计权曲线对振源振动进行计算［8］。图7 为振级差值箱线图。

图7 振级差值箱线图

从图7 可知，振级差中位数为3.17 dB，箱子两侧的虚线长度近似相等，总体分布呈现对称性。对当天的监测数据进行全样本分析得到，对于同一振动源采用新的频率计权后，振级增加2.69～3.68 dB，振级的加权平均增加量约为3.2 dB。

为研究振源振动特性随时间的变化规律，并考虑每天不同时段振源振级的分布情况，每隔1 个月选择1 d 的测试数据进行分析。统计得到高峰、平峰各时段的多次列车通过时振源最大振级的平均值，表1列出了振源最大振级的分布情况，可见振级量值约为71 dB。

3 结论与建议

本文介绍了地铁振动源强监测系统的设计、部署和运行实践，初步验证了基于NI CompactRIO 和SystemLink 设计的监测系统，从功能和性能上可以满足轨道交通振源监测的现场部署需求，同时具有很好的可靠性、扩展性。

在文中监测点位边界条件下，振源振级量值约为71 dB。对于同一振动源振动监测，与采用W计权曲线相比，Wk计权振级平均增加量约为3.2 dB。

对地铁振动振源特性的长期监测，需要考虑不同边界条件的影响。有必要建立振源数据库，为环境影响评价中的振动预测提供数据支撑和科学依据。