地铁噪声在线监测装置的开发与应用*

徐洪彬 陈兴杰 朱文发 林高翔 柴晓冬

(上海工程技术大学城市轨道交通学院，201620，上海∥第一作者，硕士研究生)

0 引言

噪声污染是城市的重要污染源之一，地铁周边居民对地铁引起的噪声污染投诉越来越多[1-3]。地铁引起的噪声具有噪声水平高、持续时间长、循环次数多、影响人群广等特点，受到了众多专家与学者的关注与重视。目前的研究大多基于机理模型建立了车辆-轨道-高架桥-建筑物、轨道-大地-地基、车辆-轨道-车站-建筑物等[4-5]耦合的大型三维有限元分析模型，得到了不同工况下列车运行引起地表及临近建筑结构的振动与噪声特征。国内外地铁噪声监测技术的特点主要是评价参数多样化，且现有通用的环境噪声监测设备功能单一，缺乏有效的地铁噪声在线监测方法与设备。然而，获取地铁运营期间实时噪声数据与实时噪声评价，对于制定地铁噪声评价方法与降噪方案至关重要[6-7]。

为此，本文开发了一套地铁专用的噪声在线监测装置。该装置通过LabVIEW软件在NI公司的嵌入式NI Compact RIO(以下简称“NI cRIO”)平台上进行开发，利用噪声传感器、数据采集卡、NI cRIO实时控制器、工业路由器。该装置集数据的采集、分析处理、通信、可视化等功能于一体，可满足地铁噪声评价多样化的需求，实现地铁噪声的实时获取与评价。NI cRIO平台的总体设计方案如图1所示，由噪声传感器、NI cRIO控制器、数据采集卡、工业路由器等设备构建智慧化采集硬件，实现地铁噪声的稳定、高精度采集。经过调理的信号在NI cRIO控制器中进行分析处理，得到噪声的特征信号，通过工业路由器实时传输到监控中心服务器进行显示、存储、交互。最后，监测结果也可通过平板电脑、智能手机等终端移动设备实时查看。

图1 NI cRIO平台的总体方案

1 基于LabVIEW的硬件程序开发

如图2所示，在NI cRIO平台上开发FPGA(现场可编程门阵列)数据采集、RT(Real-Time)数据处理以及RT数据网络传输程序。

注：CPU——中央处理器；PC——个人电脑。

硬件端的程序结构如图3所示。首先在PC端设计LabVIEW程序，具体包括数据采集模块程序设计、数据处理模块程序设计与数据通信模块程序设计3部分。其中：LabVIEW FPGA软件设计数据采集程序，通过Xilinx编译器对数据采集程序进行编译，并将程序烧录到FPGA Target终端；LabVIEW Real-Time软件设计数据处理程序与数据通信程序，将数据处理程序部署到NI cRIO实时系统中，并通过Target to Host-DMA FIFO程序实现FPGA与RT之间的通信。数据分析处理完成后，再由RT将数据发送到监控中心服务器。

图3 NI cRO平台硬件端的程序结构

1.1 数据采集程序设计

数据采集程序设计流程如图4所示，经过对信号输入模式、信号采样频率、采集通道等进行设计后，进入数据采集循环程序，进行数据采集。

图4 采用FPGA软件进行数据采集程序设计的流程

采用FPGA软件进行数据采集，其具体程序为：

1) Input Configuration.VI程序用于配置噪声传感器信号的输入模式，有DC coupled(直流耦合)、AC coupled(交流耦合)、IEPE AC coupled(压电集成交流耦合)3种信号输入模式可选。

2) Data Rate.VI程序用于配置数据采集卡的采样频率，可根据实际需求设计不同的采样频率。该装置设定的采样频率为51.2 kS/s。

3) interrupt.VI程序为轮询请求，可通过RT通信控制FPGA的采集中断与否。

4) Mod1/Start.VI程序为启动NI9234数据采集卡采集通道的程序，以采集噪声数据；Mod1/AI0-AI3.VI程序为外部的I/O(输入/输出)接口控制程序，外部的I/O接口直接和传感器相连，可直接通过数组和示波器读取采集到的噪声原始信号电压值。

5) 将采集到的噪声信号写入缓存FIFO Method.VI程序中，通过对缓存FIFO(先入先出存储器)的设计实现了FIFO与RT的通信。

6) 外部循环结构(While循环程序)每执行1次，就完成1次数据的采集与写入；程序出现错误或中断请求时即关闭数据采集通道。

7) 通过Xilinx编译器将所设计的地铁噪声数据采集FPGA程序部署到NI cRIO机箱的FPGA中，从而在硬件中实现数据采集程序的开发。

1.2 数据处理程序设计

1.2.1 数据接口程序

在RT端开发数据处理程序模块，主要包括数据接口程序、数据处理程序。数据接口程序用于RT端与FPGA端的通信，实现从缓存FIFO中读取FPGA采集的数据。通过FPGA Target-RIO.VI程序建立RT端与FPGA端的通信通道，然后通过Reset.VI程序与Data and Input Configuration.VI程序实现在RT端修改采集端各参数的功能，避免重复编译底层的FPGA程序；Run.VI程序、 Wait on IRQ.VI程序、Acknowledge IRQ.VI程序用于实现在RT端控制FPGA采集程序的中断；通过Data-Read.VI程序读取FPGA中FIFO缓存中的数据，将采集到的数据传输到Waveform.VI程序中。在RT端对原始实时数据进行查看，当数据写入缓存被占满，立即中断FPGA采集程序。

1.2.2 数据处理程序

噪声数据处理程序流程如图5所示，经过获取队列引用、队列状态、数据出队列、信号转换以及计权重处理，可分别获得等效连续A声级、1/3倍频程噪声、噪声时域信号和实时噪声信号。

图5 噪声数据处理程序设计流程

在噪声的数据处理程序中，用获取队列引用程序将写入的队列元素调用出来，使用Get Queue Status.VI程序与Enqueue Element.VI程序读写队列中的元素/数据；通过Scale to EU.VI程序将传感器采集到的电信号转换成标准声压信号，标准声压信号经过Third Octave Running.VI程序处理后输出1/3倍频程信号。根据噪声评价标准，把标准声压信号传输到A,B,C Weighting Filter.VI 程序做A计权重处理，将计权后的信号用Running Leq.VI程序做等效连续A声级处理，最后分别输出噪声实时信号、等效连续A声级信号、噪声时域信号。

1.3 数据通信程序设计

地铁噪声在线监测的数据传输使用UDP(用户数据包协议)。图6为数据传输程序设计流程图。数据网络传输程序包括噪声数据获取的程序、发送端口程序、UDP发送结束的程序。

图6 采用UDP的数据通信程序设计流程

利用UDP Open.VI程序建立UDP，并创建本地端口。将队列元素程序中获取的数据写入UDP Write.VI程序中，要提前创建接收数据端/服务器的IP(互联网协议)及服务器的端口号，然后将队列索引的数据写入并发送到服务器端。数据发送结束后，关闭UDP通信，释放NI cRIO的实时系统内存。

2 客户端程序设计

地铁噪声在线监测客户端人机交互界面主要包含监测区域信息和噪声监测数据两部分。其中：监测区域信息模块需要包含监测点位置、监测点编号、接入点数量以及监测点状态；噪声监测数据模块包括被监测区域所采集到的噪声时域信号、等效连续A声级、1/3倍频程噪声和实时噪声信号。

3 工程实例

本文选取上海轨道交通2号线龙阳路站至龙阳路停车场区段的实训线作为案例。在该区段内高架桥噪声敏感区域设置监测点，如图7所示。

根据GB/T 5111—2011《声学 轨道机车车辆发射噪声测量》，该监测装置的噪声采集传感器布置如图8所示。龙阳路实训线为上下行双线线路，传感器位于距上下行轨道几何中心线处。

图7 现场测试线路实景图

图8 传感器安装与系统调试

目前，该噪声监测装置已在案例区段安装完成，并对噪声敏感区域进行现场监测。用户可以通过监测中心服务器客户端实时查看地铁运营期间的噪声评价参数。图9为监测中心服务器的客户端界面，可显示地铁运营期间实时的噪声评价参数、监测路段信息及监测点状态。测试结果表明，本文开发的地铁噪声监测装置满足测试要求。

图9 监测中心服务器客户端界面截图

4 结语

1) 利用LabVIEW语言在NI Compact RIO平台进行硬件开发，开发了FPGA数据采集程序，实现了地铁噪声数据的实时、高效采集；开发了实时的数据处理程序及数据通信程序，分别实现了噪声数据的分析与处理，以及数据的实时、高效传输。

2) 利用LabVIEW语言在监控中心服务器端开发了应用客户端软件，实现了监测区域信息、监测状态信息、测数据的可视化交互。

3) 在上海轨道交通2号线龙阳路站至龙阳路停车场区段实施的测试表明，该监测装置切实可行，实现了地铁噪声的实时采集、网络传输及终端显示。