Excel软件在轨道客车K值试验数据实时分析中的应用

王云霄 王常宇 于会龙

(中车长春轨道客车股份有限公司工程研究中心基础研发部 吉林 长春 130000)

1 轨道客车K值试验概述

K值是表示轨道客车隔热性能的传热系数，数值上等于车内外空气温度相差1 K时单位面积车体隔热壁所传递的热流[1]。目前，轨道客车K值试验的执行标准主要有TB/T 1674—1993、UIC 553-1:2005、EN 14750-2:2006等。在上述标准中，K值的计算公式可归纳为

式中：P是车内加热功率；A为参与计算的传热面积；Tim为车内空气平均温度；Tem为车外空气平均温度。

上述标准中均规定了参与计算K值的所有变量需要满足的要求，主要有如下3点：

(1)数值性要求。要求Tem或Tim-Tem应介于一定数值区间。

(2)稳定性要求。要求P、Tim、Tem在规定时长内满足稳定性判据。

(3)均匀性要求。要求参与计算Tim或Tem的所有温度测点中，其最大值与最小值的差值(温差)不大于规定值。

根据试验经验，只要控制得当，数值性、稳定性以及均匀性(车外)要求不难达到。然而在试验过程中，只能通过移动电加热器的位置来调节车内空气温度的均匀性。电加热器改变位置后必然会影响新位置周围空气的温度，导致车内空气温度出现“此起彼伏”的现象，调节不当时难以控制车内温度均匀性。因此，K值试验的难点在于车内温度均匀性要求的满足。

2 现有数据采集软件的不足

图1所示为现有数据采集软件的运行界面。图中左(右)侧区域展示了所有车内(外)空气温度测点的数值、平均值和温差值，同时使用红蓝双色标出最高和最低温度值。

试验人员在使用过程中发现，该软件存在如下几点不足：

(1)只能按温度通道编号的顺序展示温度数据，不能反映各温度测点在车内的实际位置。

(2)只用红蓝双色标记出了最高和最低温度两个数值，无法通过颜色展示其余温度测点数值的高低，不利于全局掌握温度分布。

(3)只能展示实时的温度数据，无法对比调整电加热器位置前后温度分布的变化趋势，不利于对比调整效果。

(4)不能绘制温度随时间变化的曲线。

3 Excel条件格式在试验中的应用

为了弥补当前软件的上述不足，结合某车辆的K值试验，使用Excel软件的部分功能增强试验数据的实时分析。

3.1 数据表格的结构

原始数据为Excel文件格式，每分钟记录一组数据。表格各列分别为：测试日期、测试时间、车内温度通道-XXX、车外温度通道-XXX、加热功率、隔热面积和传热系数K。

为了便于分析数据，将原始数据复制至新建的Excel文件中，并根据前文所述K值试验数据的数值性、稳定性和均匀性的要求，新增如下列：数据序号、测试日期、测试时间、车外平均温度、车外温差、车内平均温度、车内温差、车内功率、车内外平均温度差、面积、K值。以上各列数据，完整地包括了K值试验所需的全部分析数据，如图2所示。其中数据序号与它所在行的序号一致，便于后续引用。

图2 数据表格的结构

3.2 车内温度数值的展示

根据试验大纲，应按照图3所示在车内布置若干温度测点。分析数据时，将车内各温度测点的相对位置标记在Excel表格中(共18列5行)，如图4所示。

图3 车内温度测点布置

图4 温度测点相对位置

在图4所示区域(即图例区域)下方，同样建立18列5行的区域，用于展示图例区域所示的各点温度。同时在新建区域的右侧，建立3列5行的区域，用于显示数据序号、测试时间以及车内温差，如图5所示。

图5 温度测点相对位置及数值

以图5为例说明温度测点的展示方法。

(1)在W13:W17区域填写数值“50”，表示为应显示数据文件中第50行对应的数值。

(2)在X13单元格中使用VLOOKUP函数自动填写第50行对应的时刻。VLOOKUP是一个纵向查找函数，语法为：VLOOKUP(lookup_value,table_array,col_index_num,range_lookup)，其中lookup_value为在查找区域第一列中进行查找的值，table_array为查找区域，col_index_num为与lookup_value对应的被查找数据所在列的序号，range_lookup为是否精确匹配(可省略)。在X13单元格中填入公式“=VLOOKUP(W13,原始数据!＄A＄2:＄C＄1400,3)”，其中“W13”的值为“50”，“原始数据”为存放原始数据所在工作表的名称，“＄A＄2:＄C＄1400”的部分区域如图2所示，“3”在第3列(“测试时间”列)中查找。通过该函数，“测试时间”自动显示为“9∶28”。同理，“车内温差”自动显示为“2.19”。

(3)在D15单元格(对应显示“车内温度通道-017”)中使用HLOOKUP函数自动填写该温度通道在“9∶28”时刻的数值。HLOOKUP是一个横向查找函数，语法为：HLOOKUP(lookup_value,table_array,row_index_num,range_lookup)，其中lookup_value为在查找区域第一行中进行查找的值，table_array为查找区域，row_index_num为与lookup_value对应的被查找数据所在行的序号，range_lookup为是否精确匹配(可省略)。在D15单元格中填入公式“=HLOOKUP(C＄7,原始数据!＄N＄1:＄AU＄1400,＄W15)”，其中“D＄7”的值为“车内温度通道-017”，“＄N＄1:＄AU＄1400”的部分区域如图2所示，“＄W15”的值为“50”、即在第50行中查找。通过该函数，“车内温度通道-017”对应的温度数值则自动显示为“29.19”。同理即可以完成其余温度数值的自动显示。

3.3 车内温度颜色的展示

为了更加清晰地展示车内的温度分布，可使用“条件格式”功能、实现用渐变颜色区分温度数值的大小。仍以图5为例：

(1)首先选中“车内温度通道-001”至“车内温度通道-017”的17个数据，再点击“条件格式”→“新建规则”。

(2)在弹出的“新建格式规则”窗口中选择“基于各自值设置所有单元格的格式”，在“格式样式”处选择“三色刻度”。

(3)“最小值”的类型选择为“数字”，“值”选中某个存放色标下限值的单元格，对应的颜色为“蓝色”；“中间值”的类型选择为“数字”，“值”选中某个存放色标中间值的单元格，对应的颜色为“白色”；“最大值”的类型选择为“数字”，“值”选中某个存放色标上限值的单元格，对应的颜色为“红色”。建议色标中间值设置为车内平均温度的目标值，上(下)限值为中间值加上(减去)车内温差容许值的一半。

设置完毕后，该窗口应如图6所示。

图6 新建格式规则

以此类推，还可以通过条件格式功能实现“车内温差”超过限值时显示为“红色”、未超过限值时显示为“绿色”，具体方法不再赘述。

图7所示为应用该功能前后的数据展示对比，图中温度数值的背景颜色越深代表该值偏离“中间值”程度越大、背景颜色越浅代表该值越接近“中间值”。可见，通过“条件格式”功能实现数据的渐变色显示后，展示效果更加直观。

3.4 温度均匀性变化的展示

如前文所述，K值试验的难点在于车内温度均匀性要求的满足，试验过程中会对加热功率的数值或电加热器位置进行调整，进而观察效果。应用“条件格式”功能，可以实现直观清晰的多组数据同时对比，使试验人员充分了解调整前后车内的温度分布及均匀性变化。

图8按时间顺序列出了4组数据的在Excel文件中的显示。可以看出，在这期间通过相关调整及稳定，温度均匀性得到了明显改善，客室温度分布也愈加趋于均匀。

图8 车内温度分布及均匀性变化

4 结束语

利用Excel软件的“条件格式”等功能，实现了“按测点相对位置展示数据”、“按渐变色展示温度分布”和“按渐变色对比多组数据”等多种实用功能，解决了现有数据采集软件实时分析功能较弱的问题。

在以往同类的K值试验中，通常需要约36 h才能完成。在使用Excel软件实现上述功能后，本次试验自某日8∶40开始至次日00∶40结束共计16 h，节省设备运行时间在50%以上，工作效率提高明显。□