（机械制造及其自动化专业论文）基于虚拟仪器技术的列车振动舒适度检测系统的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 本文主要研究了基于虚拟仪器技术的列车振动舒适度检测系统的设计与实 现。参考u i c 5 1 3 铁路车辆内旅客振动舒适性评价标准和i s 0 2 6 3 1 ( 国际标 准组织标准振动和冲击对人的影响评价准则) ，并结合传感器技术和信号处 理技术，在l a b v i e w 7 1 环境下开发了一套列车振动舒适度检测和评价系统。该 系统以计算机为硬件工作平台，以图形化编程语言l a b v i e w 7 1 为软件开发平 台，主要由数据采集、数据分析两大模块组成。系统具有良好的人机界面，易于 操作。 自2 0 世纪7 0 年代集成电路出现以来，随着微电子技术、计算机技术、软件 技术的高度发展及其在电子测量技术与仪器上的应用，新的测试理论、测试方法、 测试领域以及新的仪器结构不断出现，测试技术也突破了传统测试仪器的概念， 一种全新的仪器概念正在出现。以计算机软件技术为核心的虚拟仪器正成为测控 领域新的发展方向，它的出现使测试技术进入了一个新的发展时代。 近年来，我国铁路建设发展迅速，铁路运输速度也不断提升，已经经过了6 次大提速，再加上其相对方便舒适和价格上的优势，势必能吸引更多人选择铁路 作为他们旅行的交通工具。然而，随着社会的发展和人们生活水平的提高，旅客 在要求高速度、高安全性的同时，高舒适性也渐渐提上日程，所以对列车进行舒 适度检测是非常必要的。从侠义上讲，列车舒适度就是指振动舒适度，本文就是 在这样的背景下提出了一套基于虚拟仪器技术的列车振动舒适度检测系统的实 现方案。该系统数据采集模块主要包括以加速度传感器a d x l 3 3 0 为核心的传感 器电路和美国n i 公司生产的动态数据采集卡u s b - - 9 2 3 3 ，该采集卡自备信号调 理电路，可以快速实现数据信号的a d 转换；数据分析模块是在p c 机上实现的， 采用图形化编程语言l a b v i e w 7 1 编程，实现数据保存、分析以及实时显示的 功能。通过对l 一8 0 h z 内的纵向、横向、垂向三个方向加速度数据进行加权， 计算出各向振动舒适度和综合振动舒适度，得出振动舒适度等级，同时实现加速 度数据波形和振动舒适度等级的实时显示。 本检测系统具有可靠性高、可扩展性强、精确度高、成本低、易升级、易操 作的优点。 关键词：振动舒适度，虚拟仪器技术，l a b v i e w 7 1 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sa r t i c l em a i n l yi n t r o d u c e sas u i to f t e s t i n gs y s t e ma b o u tt h et r a i nv i b r a t i o n c o m f o r tb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n t st e c h n o l o g y r e f e r r i n gt ot h es 乜啪【d a r d u i c 513 ，i s 0 2 6 31 ，s e n s o rt e c h n o l o g ya n ds i g n a la n a l y s i st e c h n o l o g y , w ed e s i g nas u i t o fs y s t e ma b o u tt h et r a i nv i b r a t i o nc o m f o r td e g r e et e s t i n ga n de v a l u a t i o ni n l a b v i e w 7 1 t h es y s t e mt a k e s c o m p u t e r a st h eh 雒d w a mp l a t f o r m , t a k e s l a b v i e w 7 1 a gt h es o f t w a r e p l a t f o r m , i sm a i n l yc o m p o s e d o fd a t a a c q u i s i t i o n ( s e r l s o r 8 w i t hc o r r e l a t i v ec i r c u i ta n dd a t a a c q u i s i t i o nc 勉r d ) ，s i g n a l a n a l y s i s ( t i m ed o m a i na n a l y s i s ，f r e q u e n c yd o m a i na n a l y s i s ) a n dc o m f o r te v a l u a t i o n , 谢mt h ef u n c t i o no f d a t aa c q l l i s i t i o n d a t as t o r a g e ，d a t aa n a l y s i s ，f r i e n d l yi n t e r f a c ea n d e a s i l yo p e r a t e d s i n c et h ea p p e a r a n c eo fi n t e g r a t e dc i r c u i ti n7 0 st w e n t yc e n t u r y , w i 也t h er a p i d d e v d o p m e n t o fm i c r o e l e c t r o n i c s ，c o m p u t e r , s o r w a r e t e c h n o l o g y , a n d t h e i r a p p l i c a t i o ni ne l e c t r o nm e 踟r ea n di n s t r u m e n t s , n o wt e s tt h e o r y , t e s tm e t h o d , t e s t d o m a i na n di n s t m m e n t ss t r u c t u r eh a v eb e e nu s e dc o n t i n u a l l y t e s tt e c h n o l o g yh a s b r e a c h e dt h ei d e ao ft r a d i t i o n a lt e s ti n s t r u m e n t s ，a n daf i r e - n e wi n s t r u m e n t si d e ai s a p p e a r i n g r t i 】a li n s t r u m e n t st a k i n gc o m p u t e rt e c h n o l o g ya sc o r ei sb e c o m i n gn e w d e v e l o p i n gd i r e c t i o no ft e s t i n ga n dc o n t r o l l i n gd o m a i n i t sa p p e a r a n c em a k e st e s t t e c h n o l o g ye n t e r i n gn e w t i m e s i no u rc o u n t r yr a i l r o a d i n gd e v e l o p i n gw i mh i g hs p e e dl a t e l y , t h es p e e do f r a i l w a yt r a n s p o r tc o n t i n u a l l ya d v a n c i n g , h a d6t i m e sb r i n g i n gu ps p e e da n di t s r e l a t i v e l yc o n v e n i e n t ，c o m f o r t a b l ea n dp r i c es u p e r i o r i t y , m o r ea n dm o r ep e o p l e c h o o s er a i l w a ya 8m e i rt r i pv e h i c l e b u tw i ms o c i e t yd e v e l o p i n ga n dp e o p l e s s t a n d a r do fl i v i n gp a s s e n g e r sd e m a n d i n gh i 曲s p e e da n dh i 咖s e c u r i t y , a st h es a m e t i m e , h i g hc o m p o r tg r a d u a l l yi ss e tu p s ot e s t i n ga b o u tt r a i nc o m f o r ti sv e r y n e c e s s a r y s p e a k i n gi ne r r a n t r y , t r a i nc o m f o r ti sv i b r a t i o nc o m f o r t t h i sa r t i d eb r i n g s u pas u i to fr e a l i z e dp r o j e c to fas y s t e ma b o u tt r a i nv i b r a t i o nc o m f o r tb a s e do nv i r t u a l i n s t r u m e n t s t h ed a ma c q u i s i t i o nm o d u l eo fs y s t e mi sm a i n l yc o m p o s e do f $ f f f l s o r c i r c u i tt a k i n ga c c e l e r a t i o ns c f l s o ra d x l 3 3 0a sc o r ea n dd y n a m i cd a t aa c q u i s i t i o n c a r du s b 一9 2 3 3m a d ei nn i t h i sc a r d 、衍t l ls i g n a lr e g u l a t i o nc i r c u i t , c a nr e a l i z ed a t a s i g n a la ds w i t c hw i t hh i l g l ls p e e d t h es i g n a la n a l y s i sm o d u l ei sr e a l i z e di nc o m p u t e r w er e a l i z et h ef u n c t i o no fd a t as t o r a g e ，d a t aa n a l y s i sa n dr e a lt i m ed i s p l a yi n 一 墨堡里三奎兰堡主堂垡望壅 _ _ _ l _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ i - _ _ _ - - _ _ _ - _ - 一一 l a b v i e w 7 1 b ya n a l y z i n gp o r t r a i t ，h o r i z o n t a l ，v e r t i c a la c c e l 盯a t i o nd a t aw i t h i n1 8 0 h z ，g e t3d i r e c t i o n sv i b r a t i o nc o m f o r t ，i n t e g r a t e dv i b r a t i o nc o m f o r ta n d v i b r a t i o n c o m f o r tg r a d e , a n dr e a l i z ea c c e l e r a t i o nd a t aw a v e f o r ma n dv i b r a t i o nc o m f o r tg r a d e r e a lt i m ed i s p l a y t h et e s t i n gs y s t e mi sp r 0 啊d e dw i t he x c c u e n c 足o fh i ：g hr e l i a b i l r y ，s t r o n g e x p a n s i b i l i t y ，h i g hp r e c i s i o n ，l o wc o s t ，e a s yu p g r a d ea n de a s yo p e r a t i o n k e y w o r d s ：v i b r a t i o nc o m f o r t ，v i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y ，l a b v i e w 7 1 m 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 研究生( 签名) ：世日期：旦墨：! ! ： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：巡导师( 签名) ：盐日期：乜& ：妊 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第一章绪论 随着我国铁路干线第6 次大提速的完成，我国铁路的基础建设又上了一个新 台阶。铁路列车的提速大大缩短了人们的旅行时间，取得了良好的经济和社会效 益。通过自主研发和引进国外先进技术，磁悬浮铁路已经成功运行，高速环保的 轻轨交通也在各大城市迅速发展起来。而且，更加经济、适合我国国情的高速铁 路建设方案也已经初步确定。随着铁路运输速度的不断提升，再加上其相对方便 舒适和价格上的优势，势必能吸引更多人选择铁路作为他们的旅行交通工具。 然而，随着社会的发展和人们生活水平的不断提高，人们在长途旅行交通工 具的选择上也越来越多。全国性的高速公路建设使得长途客运越来越方便，飞机 旅行的价格也不再让人望而生畏，这些都对铁路运输的地位构成了巨大威胁，因 此，为确保铁路。安全、经济、快捷、舒适的特点和优势，铁路建设要不断发 展完善，才能在激烈的市场竞争中取得优势。在对交通工具提出更方便、更快捷 等要求的同时，旅客对乘坐环境及舒适性也提出了更高的要求，因此，现在铁路 建设中提高速度与舒适性成为主要发展方向。 列车作为一种交通工具不仅要求高速度、高安全性，高舒适度也成为一个考 察列车运行质量的重要指标。同时随着列车几次提速、人们生活水平的逐渐提高， 在乘车舒适性方面有了更高的要求，但目前国内对列车运行质量、车厢内环境等 影响舒适度的因素依然没有受到足够的重视，也缺乏监督检查设备、检测标准和 对舒适度的控制管理手段，这样旅客乘车的舒适性难以得到保证，不适应铁路旅 客运输安全、高速、舒适协调发展的要求。为改变这种状况，对列车舒适度进行 检测与评价是非常必要的。 列车舒适度是一个因人而异很难定义的概念，主要是保证旅客的身体健康、 身心愉快、无痛苦感、无烦恼等。广义的讲，列车的舒适度是旅客对乘车旅行品 质的综合反应评价，舒适度与车内振动、噪声、温度、湿度、照明、色彩、空气 清新度有关，同时车辆外观、车内设计、乘务员服务态度等也是影响舒适度的因 素，甚至还受到人们健康和心理因素的影响【l 】。侠义来说，列车舒适度就是指列 车运行时产生的振动( 加速度及加速度变化率产生) 对人体造成的影响，即振动 舒适度，过度的和无规律的振动会给旅客和司乘人员的身心健康带来严重的影 响。尽管全球都在关注列车舒适度问题，而且很多国家也设有专门的研究部门， 武汉理工大学硕士学位论文 并取得了一定成果，但是由于影响列车舒适度的因素复杂、检测参数多的原因， 且国际上尚无统一的列车舒适度评价标准，因此，大部分研究内容就落在了对列 车舒适度影响最大的列车振动上，即列车振动舒适度的研究。 虚拟仪器卜咖a li n s t r u m e n t ) 是上世纪8 0 年代中出现的新的仪器概 念，是仪器技术经过模拟仪器、数字化仪器和智能仪器后的第四代仪器技术，是 当今计算机辅助测试领域的一项重要革新。随着微型计算机的发展和各种有关软 件的不断诞生，虚拟仪器将逐步取代传统的测试仪器而成为测试仪器的主流。并 且仪器设备的虚拟化、数据采集系统的p c 化是当代计算机信息技术发展的一种 趋势。 本文针对列车振动舒适度问题，以虚拟仪器技术为基础，通过对列车运行时 纵向( x 轴) 、横向( y 轴) 、垂向( z 轴) 的加速度数据进行分析，结合欧洲铁 路标准u i c 5 1 3 和国际标准组织标准i s 0 2 6 3 1 ，设计了一套合理的列车振动舒适 度检测系统。 1 2 国内外研究现状 近年来，我国铁路建设突飞猛进，其发展速度之快是前所未有的，全国铁路 已经经过6 次提速，并且京沪高速铁路也在筹建之中，各种新技术的广泛应用使 得铁路发展无论是在硬件上还是软件上都有了质的飞跃。铁路硬件建设的提高， 也必然伴随着软件服务的提升。不但列车速度是旅客选择铁路旅行的主要条件， 列车的乘坐环境和乘坐舒适性也是非常重要的选择标准。 国外对舒适度的研究也主要是针对振动舒适度。对于振动舒适度而言，国外 发达国家早在五六十年代就展开了大量的实验来检测旅客乘坐列车的振动舒适 程度，并且根据这些实验的数据建立完善的旅客列车乘坐振动舒适性的标准。这 些评价标准包括了旅客在各种乘坐姿势下( 站立、正面坐和背面坐) 对列车的各 项运行指标的要求。而且这些指标非常全面，包括对列车的纵向振动、横向振动、 垂向振动的频率加权曲线等各方面都有严格的要求e 2 j 。1 9 8 5 年i s 0 2 6 31 标准提 出后，对人体受整体振动的评估做出了广义的规定，使过去的振动舒适度的评估 方法过时。基于铁路列车的特殊性，国际铁路联盟经过多年的努力在原有e r r i b 1 5 3 标准的基础上，又参考了i s 0 2 6 3 1 的要求，于1 9 9 4 年正式颁布了u i c 5 1 3 铁路车辆内旅客振动舒适性评价标准推荐标准。这个是目前国际上最全面、 最有影响的有关铁路旅客车辆振动舒适性的标准【3 】。 目前，我国还没有完整的列车乘坐舒适度标准，国内与之有关的标准是 2 武汉理工大学硕士学位论文 g b 5 5 9 9 8 5 铁路车辆动力学性能评定和鉴定规范和t b t 2 3 6 0 9 3 铁路旅客 列车纵向动力学试验方法与评定指标【4 】，而且这两个标准主要是针对列车的平 稳性而言而不是以人为主体的舒适度而言，因此，我国在列车乘坐舒适度的检测 指标上，基本是参考国外标准，而且对于如何检测这些指标，我国也相当落后， 检测整体舒适度的方案可以说是没有。国内对列车振动舒适度的研究主要集中在 上海交通大学、西南交通大学、铁道部科学院和武汉理工大学，其中上海交通大 学曾经研制出通过检测x 、y 、z 三个方向的加速度来评价列车振动舒适度的试验 仪，但是由于体积大、监测参数少、数据分析处理不完善等因素的限制，造成由 测试数据分析出的结果和理论推导的结果有很大的差异【5 1 。在这种背景下，设计 一套高精确性、便携式列车振动舒适度检测系统已是大势所趋。 1 3 研究目的和意义 随着现代化铁路建设的飞速发展，提高旅客列车乘坐的舒适度成为提高铁路 行业服务质量的一项关键因素。然而，我国目前对于振动舒适度的评价还缺乏统 一、适用的标准，检测手段和检测设备也非常落后。因此，制定一套合理的振动 舒适度评价标准和开发新型智能便携式列车振动舒适度检测系统对于改善旅客 列车乘坐的舒适度是至关重要的，对铁路检测发展的现代化、自动化、智能化有 着现实的指导意义。 1 4 本文研究的主要内容 列车振动舒适度检测系统由两大部分构成：数据采集模块和数据分析模 块。本文主要的研究内容有以下五个方面： 1 旅客列车乘坐舒适度的评价标准和评价方法的确定； 2 数据采集模块：由以加速度传感器a d x l 3 3 0 为核心的传感器电路加美 国m 公司生产的动态数据采集卡u s b - - 9 2 3 3 组成，实现列车运行时x 、 y 、z 三个方向上加速度数据的实时采集，并快速实现数据的a d 转换， 由采集卡的u s b 接口将数据传送到p c 机( 笔记本) 进行数据分析； 3 数据分析模块：在p c 机上通过图形化编程语言l a b v i e w 7 1 实现加速 度数据的保存、分析和数据波形的实时显示； 4 采用l a b v l e w 7 1 编程，实现列车振动舒适度计算及等级评价； 5 提出了一种判断列车冲动及评价其等级的新方法一加速度能量法。 亟堡翌= 三盔兰堕主堂堡丝塞一 21 系统简介 第二章系统结构与实现方案 本系统是为检测列车振动舒适度而设计的。系统的总体设计能够满足现场应 用的要求，实现数据的实时采集及显示、在线检测以及数据实时处理的功能。本 系统以传感器技术、信号处理技术和虚拟仪器技术为基础，采用图形化编程语言 l a b v i e w 7i 编写程序保存原始数据及显示原始数据波形，并对数据进行实时分 析处理，结合列车振动舒适度评价标准得出舒适度的等级，该系统具有可靠性高、 可扩展性强、精确度高、成本低、易升级、易操作的优点。在l a b v i e w 7 1 环境 中编制的振动舒适度等级评定系统前面板如图2 一l 所示： 图2 1 列车振动舒适度评价系统前面板 2 2 系统的组成及工作原理 系统主要由数据采集和数据分析两大模块组成。其中，数据采集模块主要 由以3 轴加速度传感器a d x l 3 3 0 为核心的传感器电路和动态数据采集卡u s b 一9 2 3 3 组成，该采集卡自各信号调理电路，并可以快速实现数据信号的a d 转 换。数据采集模块负责按一定采样频率采集列车运行时纵向、横向和垂向三个方 向上的加速度数据并将采集到的模拟信号转换成数字信号，然后通过数据采集 卡u s b - - 9 2 3 3 的u s b 接口将数字信号直接传给p c 机；数据分析模块是在p c 机上实现的，采用图形化编程语言l a b v i e w 71 编程，通过在l a b v i e w 71 程 序中设置的模拟通道实现与u s b - - 9 2 3 3 的无缝连接，井实现加速度数据的保存、 武汉理工大学硕士学位论文 分析及数据波形显示通过对i 8 0 h z 内的纵向、横向和垂向三个方向加速度 数据进行加权计算出各向振动舒适度和综合振动舒适度，得出振动舒适度等级， 同时实现加速度数据波形和振动舒适度等级的实时显示。 系统原理框图如图2 - - 2 所示： 辫裟p p c 机 模拟 通道 l a b v i e w 7 1 非恻a 黝i l li t t 副l 图2 2 系统原理框图 2 21 系统硬件组成及工作原理 雅 系统硬件部分的主体就是数据采集模块，其工作原理如下。 数据采集模块主要由以加速度传感器a d x l 3 3 0 为核心的传感器电路和动态 数据采集卡u s b - - 9 2 3 3 组成。a d x l 3 3 0 是美国a d i 公司生产的3 轴加速度传 感器【6 l r l ，正好用来采集列车运行时纵向、横向、垂向三个方向上的加速度信号。 a d x l 3 3 0 负责监测加速度，通过输出电压的高低来反映加速度的大小，它输出 的是模拟信号。u s b - - 9 2 3 3 采集卡是美国n i 公司生产的u s b 系列的4 通道动 态信号采集模块，其4 路输入通道可同时以2 5 0 k s s 的速率对输入信号进行数 字化嗍，该采集卡白备信号调理电路，无需专门为数据采集设计调理电路，这样 可以把主要精力放在软件设计上。 数据采集模块负责按一定采样频率采集列车运行时纵向、横向和垂r 句_ - - 个方 向上的加速度数据，并将这三路模拟信号通过u s b - - 9 2 3 3 采集卡4 路输入通道 中的3 路快速转换成数字信号，然后通过数据采集卡u s b - - 9 2 3 3 的u s b 接口直 接与p c 机相连，通过在l a b v i e w 软件编程中设置的模拟通道直接进行数据保 存、数据分析和数据波形的实时显示。 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2 系统软件设计 系统的软件设计总体上可以分成两大部分： ( 1 ) 加速度采集与数据保存程序。用于设置数据采集卡模拟通道、采样频 率、采样时间等参数和保存采集到的加速度数据。 ( 2 ) 数据分析处理程序和振动舒适度等级评定程序。数据分析处理程序负 责对采集到的加速度数据进行时域分析、频域分析、自相关分析、能量谱分析和 加权计算；振动舒适度等级评定程序负责对前段程序计算分析的结果做进一步分 析，得出振动舒适度等级并形成报表。所有程序均采用图形化编程语言 ( l a b w ) 编写。 l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv m u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 即实验室 虚拟仪器工程平台，是虚拟仪器概念的首创者，是美国n a t i o n a li n s t m m e n t s ( n i ) 公司推出的一个图形化软件开发平台，是直观的前面板与流程图式( 程序框图) 的编程方法的结合，是构建虚拟仪器的理想工具。 l a b v i e w 软件是在虚拟仪器环境下发展起来的最成功的软件之一，其强大 的信号分析能力、完善的通信、网络发布功能、多种语言的兼容性、易开发升级 的特性、图形化编程性能、友好的人机界面使其从众多的编程软件中脱颖而出。 本文软件部分的实现采用的是l a b v i e w 7 1 编程。 2 3 本章小结 本章介绍了系统的功能，分析了系统整体结构和工作原理。对硬件和软件 的选用、软件的特点、运行环境及总体结构做了简要的介绍。整个系统的具体 设计将在后续章节中详细介绍。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第三章系统理论依据 3 1 列车振动舒适度评价标准 影响列车舒适度的因素复杂，目前国际上还没有统一的列车舒适度评价标 准，但在诸多因素中，列车运行时产生的振动是影响列车舒适度的主要因素。因 此，对列车舒适度的研究主要集中在振动上，即列车振动舒适度。关于列车振动 舒适度，日本、德国、法国、美国等许多国家经过专门的研究，并通过大量的试 验，在国际标准的基础上进行了修改，制定了适合本国应用的具体方案，如我国 有g b5 5 9 9 8 5 铁道车辆动力学性能评定和鉴定规范和t b t2 3 6 0 9 3 铁道 车辆机车动力学性能试验鉴定方法及评定标准，日本有舒适度系数评定标准， 法国采用疲劳时间法，德国采用s p e r l i n g 平稳性指标评价列车舒适度 9 1 。 3 1 1 振动舒适度评价标准的选择 对列车振动舒适度的评价，国内尚无专门的评价标准，因此，我国对列车振 动舒适度的评价大都采用国外标准。国际上已经比较成熟的标准有： i s 0 2 6 31国际标准组织标准振动和冲击对人的影响评价准n t l o 】 u i c 5 1 3 欧洲铁路标准铁路车辆内旅客振动舒适性评价标准【l l 】 在铁路方面最早开始舒适度研究的是德国的e s p e r l i n g 和法国m m a 嘶i n ， 以后由英国的j c l o a c h 发展到一个比较完善的阶段。对于舒适度和平稳性的 检测和评价，国际标准化组织( i n t e r n a t i o n a lo r g a n i z a t i o n f o rs t a n d a r d i z a t i o n ， 即i s o ) 和国际铁路联盟( i n t e r n a t i o n a lu n i o no f r a i l w a y s ，即u l c ) 分别制定了相 应的标准。i s 0 2 6 3 1 标准是国际标准化组织于1 9 8 5 年提出的，该标准对人体受 整体振动影响的评估做出了广义的规定，它的提出使过去的舒适度评价方法成为 历史。基于铁路列车的特殊性，国际铁路联盟经过多年努力在原有的e r r ib 1 5 3 标准的基础上，又参考了i s 0 2 6 3 1 的要求，颁布了u i c 5 1 3 标准，u i c 5 1 3 标准 是目前国际上最全面、最具影响的有关铁路旅客车辆振动舒适性的标准。本文对 列车振动舒适度的评价采用i s 0 2 6 3 1 和u i c 5 1 3 标准【1 2 】。 3 1 2 振动舒适度计算方法和评价等级 根据u i c 5 1 3 标准确定了三种振动舒适度计算公式【孔。 7 武汉理工大学硕士学位论文 1 、简化法计算公式 6 托矗厅i 历司可 ( 式3 1 ) 2 、完整法坐姿计算公式 蹦- 4 ( 口? ) + 2 o 舅) 2 + ( 口硝w b ) 2 + 4 0 嚣) ( 式3 2 ) 3 、完整法站姿计算公式 3 1 6 o 鬟) 24 - 4 ( 口譬) 2 + ( 口譬) 2 + 5 ( 口鬟) ( 式3 3 ) 式中：a ：加速度值 x 、y 、z - 测量方向 p 、a 、d ：分别指传感器固定在车地板、座垫、靠背的测量位置 w b 、w 2 ，w 0 ：i s 0 2 6 3 1 中规定的生理滤波曲线 以上公式都是每5 r a i n 为一个测量段，每5 s 作为一个数据采集时段，每个测 量段由6 0 个数据采集时段组成。各组数据按i s 0 2 6 3 1 中规定的生理滤波曲线( 即 w b 、w c 、w d ) 加权，求出参与统计的有效值峰值，然后按求均方根的方法计 算出振动舒适度。u i c 5 1 3 标准以乘客为主体，把前进方向( x 向) 的加速度的 测量值也加入运算，从而保证了评估值的合理性，同时，u i c 5 1 3 标准规定每5 m i n 做一次统计处理，。一段路程不少于4 次。u i c 5 1 3 标准提出了数据处理过程的3 种方法：模拟法、数字法、模拟数字法，这有利于应用现代电子技术和计算技 术，实现实时显示和高精度的后处理。u i c 5 1 3 标准把评估结果与人体感受对应， 实现了统_ 的评估尺度，也实现了对列车振动舒适度等级的统划分，其具体划 分如表3 - - 1 所示： 表3 - 1 各方向振动舒适度等级划分表( u i c 5 1 3 标准) 1 1 3 舒适度等级舒适度值评定 1 级n l非常舒适 2 级l n 2舒适 3 级2 n 4还算舒适 4 级4 n 5不舒适 5 级n 5非常不舒适 3 1 3 计权曲线 在计算振动舒适度时要把各组数据按照i s 0 2 6 3 1 标准中的规定进行加权处 理，这是因为人体对振动加速度的敏感度随频率及方向( 纵向、横向、垂向) 的 8 武汉理工大学硕士学位论文 不同而有所变化。i s 0 2 6 3 1 标准中指出：振动频谱含有多个振动分量或一个宽频 带的振动时，使用加权的加速度有效值的方法更合适。i s 0 2 6 31 标准中分别对水 平方向( 包括纵向和横向) 和垂直方向加速度信号制定了计权曲线，各个方向的 计权曲线对应情况如表3 2 所示： 表3 - 2 各方向计权曲线对应表【1 4 】 计权曲线乘车舒适度( 简化法) 带通滤波器 地板，z 向 w o 地板，x ，y 向 3 2 虚拟仪器技术概述 3 2 1 虚拟仪器技术的概念 虚拟仪器技术是利用软件代替部分硬件功能的技术，它由三部分组成：高效 的软件、模块化i o 硬件和用于集成的软硬件平台。它利用高性能的模块化硬件， 结合高效灵活的软件在集成的软硬件平台上完成各种测试、测量和自动化应用， 利用软件强大、快速和灵活的运算处理能力，简化硬件模块的功能，减少硬件模 块的体积，从而减小整个系统的体积，提高系统的稳定性和可靠性，具有性能高、 扩展性强、开发时间短，以及出色的集成等四大优势。“软件即仪器 是虚拟仪 器技术的重要标志。 3 2 2 虚拟仪器的概念及组成 所谓虚拟仪器，就是在以计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义，具 有虚拟面板，测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。其中，“虚拟一 具有两层含义； l 、虚拟的仪器面板； 2 、由软件实现仪器的测试功能( 软件即仪器) 。 为了对虚拟仪器有更直观、清楚的认识，下面与传统仪器做了比较。传统仪 器由信号采集、信号处理和结果表达与仪器控制三部分组成，在传统仪器里，这 三部分都是用电子线路来实现的，即：都是采用硬件来实现的。随着计算机技术 9 武汉理工大学硕士学位论文 的发展，尤其是数字信号处理技术的进步，实现各种信号处理功能的软件算法精 度越来越高，速度越来越快，在仪器的信号处理部分，用软件代替硬件成为可能， 即：用算法代替电子线路，能够实现传统仪器的信号处理功能。这样，把传统仪 器的后两部分( 信号处理、结果表达与仪器控制) 由计算机软件来实现，而不再 采用硬件( 电子线路) 来实现，基于这种思想形成的仪器，就叫虚拟仪器。图3 1 更形象的表达了虚拟仪器的概念。 传统仪器 ( 电孚萎路)- ( 电孚萎路)( 显示羹鸳旋钮) 虚拟仪器 ( 电鬟路)计瓣件( 显燃钮) 厂一 计算机系统资源 图3 1 虚拟仪器与传统仪器的比较 虚拟仪器由计算机、应用软件和仪器硬件组成，可代替传统的测量仪器，如 示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等；可集成于自动控制、工业控 制系统；也可自由构建成专有仪器系统。这种“软件即仪器 的概念为用户定义、 构造自己的仪器系统提供了完美的解决途径，通过软件将计算机硬件资源与仪器 硬件有机地融合为一体，从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、 控制能力结合在起，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件实现对数 据的显示、存储以及分析处理。虚拟仪器的实质是利用计算机显示器模拟传统仪 器的控制面板，以多种形式输出检测结果；利用计算机软件实现信号数据的运算、 分析和处理；利用i 0 接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测 试功能的一种计算机仪器系统。使用者用鼠标或键盘操作虚拟面板，就如同使用 一台专用测量仪器【1 5 】。 虚拟仪器按接口硬件通常分为g p i b 总线、p c d a q 、并行口式、v x i 总线 和p x i 总线等五类，其软件系统主要由v i s a 、仪器驱动和应用程序构成。目前 虚拟仪器广泛应用电子测量、振动分析、声学分析、故障诊断、航天航空、军事 工程、电力工程、机械工程、建筑工程、铁路交通、地质勘探、生物医疗、教学 及科研等诸多领域。 下面介绍一下虚拟仪器的硬件平台和应用软件。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 l 、虚拟仪器的硬件平台 虚拟仪器的硬件平台包括两部分： 1 ) 计算机硬件平台，它可以是各种类型的计算机，如普通台式计算机、便 携式计算机、工作站、嵌入式计算机等。计算机管理虚拟仪器的硬、软件资源， 是虚拟仪器的硬件基础。 2 ) 测控功能硬件，它主要完成信号的采集、放大、模数转换。不同的总线 有其相应的i o 接口硬件设备，如利用p c 总线的数据采集卡( d a q ) 、g p i b 总线 仪器、v x i 总线仪器模块、串口总线仪器等【l 们。 2 、虚拟仪器的软件系统 1 ) 软件开发工具有： 文本式编程语言：如v i s u a l c + + ，v i s u a lb a s i c ，l a b w i n d o w s c v i 等。 图形化编程语言：如l a b v i e w ，h pv e e 等。 v c 、v b 、l a b w i l l d o w s c 虽然是可视化的开发工具，但它们对开发人员 的编程能力要求很高，而且开发周期较长。v e e 是一个基于图形的虚拟仪器编 程环境，拥有较多的用户，但缺点是其生成的应用程序是解释执行的，运行速度 较慢。而美国n i 公司的l a b v i e w 软件从根本上改变了人们所习惯的、传统的 撰写代码的编程方式，取而代之的是使用鼠标来点击、拖拽图形、图标、连线节 点等方式来进行编程【r 7 】。这些图形、图标所代表的“控件”或“函数( 或方法) 是通过对高级语言进行高度抽象所得，所以使得整个编程的过程变得更加简单、 方便、有效，从而彻底将编程人员从复杂的语法结构及众多的数据类型和不停的 编写代码、编译、查找错误的过程中解放出来，使程序设计者能够更加专注于应 用程序的设计，而不用担心语法、指针等是否使用的正确，这种编程方式大大降 低了程序设计的复杂度。即使不熟悉编程的工程技术人员都可以按照测试要求和 任务快速、高效地与测量和控制硬件通信，并进行数据分析及处理，这大大提高 了工作效率，减轻了工程技术人员的工作量，因此，l a b v i e w 是一种比较优秀 的虚拟仪器软件开发平台f 1 8 1 。本文的软件实现就是采用l a b v i e w 7 1 编程。 虚拟仪器编程采用了模块化的设计思想，并大量运用动态链接库，类库和函 数库，代码具有良好的可重复性，使系统具有良好的开放性和可扩展性。 2 ) 仪器驱动程序 仪器驱动程序是测试系统中最重要的组成部分之一，是用来实现仪器硬件的 通信和控制功能的。传统的仪器驱动程序由仪器厂商随硬件提供，由于不同厂家 仪器硬件的差异，使得在更换仪器时不得不修改测试代码，用户使用起来比较麻 烦。为了能自由互换仪器硬件而又无需修改测试程序，即解决仪器的互操作问题， 武汉理工大学硕士学位论文 1 9 9 9 年n i 公司提出了可互换虚拟仪器标准m ( i n t e r c h a n g e a b l ev n m a l i n s t r u m e 吣) ，使程序的开发完全独立于硬件。i v i 驱动器通过一个通用的类驱动 器来实现对某类仪器( 如示波器、函数发生器等) 的控制。应用程序调用类驱动 器，类驱动器再通过专用的驱动器与物理仪器通信。采用i v i 技术，可以降低软 件的维护费用，减少系统停运时间，提高测试代码的可重用性，使仪器编程直接 面对操作用户，并通过提供友好的测控操作界面和丰富的数据分析与处理功能， 来完成自动检测任务。 3 ) f o 接口软件 f o 接口软件是虚拟仪器系统软件的基础，用于处理计算机与仪器硬件间的 底层通信。当今优秀的虚拟仪器测试软件都建立在一个标准化f o 接口软件组件 的通用内核之上，为用户提供一个一致的、跨计算机平台的应用编程接口( a p i ) ， 使用户的测试系统能够选择不同的计算机平台和仪器硬件。 4 ) 通用数字处理软件 通用数字处理软件主要包括用来对数字信号进行处理的功能函数，如：时域 分析过程中的相关分析、卷积运算、差分积运算；频域分析的功率谱估计、f f t 、 逆f f t ；以及数字滤波等。这些功能函数为广大虚拟仪器用户进一步扩展其测试 功能提供了必要的基础。 3 2 3 虚拟仪器的分类 虚拟仪器随着微机的发展和采用总线方式的不同，大致可分为五种类型【1 9 1 。 第一类：p c 总线插卡型虚拟仪器 这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的测试软件( l a b v i e w ， m ，e ) 相结合，完成测试任务。它充分利用了计算机的总线、机箱、电源及软 件的便利，实现关键取决于a d 转换技术。这类仪器受p c 机机箱和总线限制， 并存在电源功率不足、机箱内部噪声电平较高、插槽数目不多，插槽尺寸较小、 机箱内无屏蔽等缺点。另外，i s a 总线的虚拟仪器已经淘汰，p c i 总线的虚拟仪 器价格比较昂贵。 第二类：并行口式虚拟仪器 最新发展的一系列可连接到计算机并行口的测试装置，它们把硬件集成在一 个采集盒里或_ 个探头上。软件安装在计算机上，通常可以完成各种测量测试仪 器的功能。典型产品有l i n k 公司的d s o - - 2 x x x 系列数字示波器。它们最大好 处是可以与笔记本电脑相连，方便野外作业，又可与台式电脑相连，实现台式和 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 便携式两用，非常方便。由于其价格低廉、用途广泛，特别适合于研发部门和各 种教学实验室用。 第三类：g p i b 总线方式的虚拟仪器 g p i b 技术是以i e e f a 8 8 为标准的虚拟仪器早期的发展阶段，它的出现使电 子测量由独立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展。典型的g p i b 系统由 一台p c 机、一块g p i b 接口卡和若干台g p i b 形式的仪器通过g p i b 电缆连接而 成。在标准情况下，一块g p i b 接口卡可带多达1 4 台仪器，电缆长度可达4 0 米。 g p i b 技术可用计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式，可 以很方便地把多台仪器组合起来，形成了大型自动测量系统。g p i b 测量系统的 结构和操作命令简单，造价较低，适合于精度要求高，但不要求高速传输的状况 下，其主要市场在台式仪器市场。 第四类：v x i 总线方式的虚拟仪器 v x i 总线是一种高速计算机总线v m e 总线在领域的扩展，它具有稳定 的电源，强有力的冷却能力和严格的r f f e m i 屏蔽。由于它具有标准开放、结 构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模