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基于虛擬儀器的軌道交通測試自動化

   2006-04-29 中國路橋網 佚名 6590
基于虛擬儀器的軌道交通測試自動化摘要:介紹了使用LabVIEW開發虛擬儀器軟件的方法,即用以計算機為核心的測試測量與控制系統取代傳統的記錄分析儀器,在有限的條件下做到實驗設備的重復利用,達到實現軌道交通測試的自動化.關 鍵 詞:虛擬儀器;測試;自動化;軌道交通1引 言 軌道交通,包括地鐵、輕軌、磁懸浮以及城際鐵路等,是關系到國計民生的大事,為確保運行安全,通常以現場測試數據作為建設與維護的依據之一.業內公認作法是將具有代表性的被測參數通過傳感器轉換為電信號,經儀器調理送入記錄裝置后對其進行分析.隨著科學技術的發展和計算機的普及,近年來逐漸被以計算機為核心的虛擬儀器取代傳統的記錄儀器. 虛擬儀器,是將計算機軟件技術與和高性能模塊化硬件結合在一起,建立起功能強大又靈活易變的基于計算機的測試測量與控制系統.其本質就是一種基于計算機的自動化測試儀器系統.虛擬儀器通過軟件將計算機硬件資源與儀器硬件有機的融合為一體,把計算機強大的計算處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結合在一起,大大縮小了儀器硬件的成本和體積,并通過軟件實現對數據的顯示、存儲以及分析處理.與傳統記錄儀器相比,虛擬儀器開發靈活,可與計算機技術保持同步發展;它的關鍵是軟件,虛擬儀器系統性能升級方便;由于儀器間資源可重復利用,價格低廉;用戶可定義儀器功能;可以與網絡及周邊設備方便連接;開發與維護費用低;技術更新周期短. 為使虛擬儀器在軌道交通測試自動化發揮其應有的作用,我們進行了幾年的實踐和探索,取得了一定的經驗,本文介紹的是NationalInstruments公司的LabVIEW6.1在實現軌道交通測試自動化的原理和方法.我們還將繼續努力,使虛擬儀器在軌道交通測試自動化和其他領域的自動化測試中發揮更大作用. 典型的自動化測試中,信號的傳遞可以用如下流程框圖(圖1)表示.2自動化測試的原理 目前,為測試各類工程參數而研制的傳感器已有相關的生產廠家生產,如:應變橋、測振傳感器、壓電式和電磁式加速度傳感器等各類傳感器均能滿足測試精度的要求,各種新型傳感器正處于進一步研究發展之中;而與傳感器相匹配的各類放大器如:動態電阻應變儀、電荷放大器、測振放大器等也已有專業廠家生產并已投放市場;傳統的記錄分析儀器主要是指光線示波器、模擬磁帶機等,這些儀器精度低、體積大、價格昂貴、功能單一,不能根據具體要求靈活定制功能,維護與擴展也相當不便,記錄下的數據存檔不便并仍需人工讀取,影響了后續工作的分析精度和效率,成為影響測試工作的瓶頸因素之一.隨著計算機技術的日益發展,計算機正逐步被廣泛應用到測試領域中.采用以計算機為核心的儀器代替傳統的記錄分析儀器正成為一種發展的必然趨勢. 開發虛擬儀器軟件是實現測試自動化的關鍵,通常可以采用通用軟件開發平臺,如Microsoft的VB、VC++,Borland的Delphi、C++Builder等,也可以采用專業開發平臺,如MathWorks的MATLAB,Agilent的VEE,NationalInstruments的CVI和LabVIEW等.采用LabVIEW等專業開發平臺可以大大提高開發效率.3虛擬儀器軟件的實現 為了方便開發和維護,我們在軌道動力學測試軟件開發平臺選用的是NationalInstruments公司的LabVIEW6.1,對于使用更高版本LabVIEW的部門只需對已開發的VI進行重新編譯.3.1采集程序的設計方法 LabVIEW采用框圖式開發方式,用數據流控制程序的運行,見圖2所示. 在編制數據采集程序時應力求簡單,杜絕由于算法復雜而造成的資源浪費與故障隱患.程序在將數據存盤的同時送屏幕監測.利用數組操作的方法將每個通道的數據分別送至指定的窗口,確保發生故障時可以迅速判斷出故障位置. 采集程序首先用“AICONFIG”函數設置參數,然后由“AISTART”函數觸發采集過程開始.進入循環體后,一方面硬件把采集到的數據不斷交替寫入Buffer,另一方面“AIREAD”函數定時讀出Buffer中的數據,并清空位置,留給后續的數據.子程序“MYDATAPROC”對“AIREAD”函數讀出的數據流加以處理、送屏顯示并以二進制格式存盤.采集結束后,“AICLEAR”函數清空Buffer,釋放資源. 利用LabVIEW開發出的采集程序具有人性化的操作界面(見圖3所示).操作者可在備注信息欄中填入簡要的描述,選用合理的采集頻率,利用按鈕選擇所需的通道,定義數據存盤的文件名,若有同名文件存在則運行后有對話框提示覆蓋或取消.程序運行后由操作者通過菜單控制啟停、存盤以及翻屏.數據經簡單的數組拆分操作后按通道送各指定窗口供操作者實時監控.存盤的狀態由縱貫屏幕的變色條指示, 存盤后的數據可依據文件頭進行自描述.3.2處理程序的設計方法 對于較理想且有一定規則的數據可以使用程序自動回放處理(見圖4所示).程序按照操作者設定的回放參數對數據進行分析,將識別出的峰谷標記在回放窗口的波形上,并依照軌道動力學的專業知識,進一步計算出其它分析結果,同時在后臺通過ActiveX方式調用MicrosoftWord等生成報表.程序識別波形峰值時調用了“PeakDetector.vi”函數,該函數對處理的數據進行了多項式擬合,因此,直接由此函數計算出的峰值點有時并不在原始數據波形上,但可以此點為中心,在限定的時間偏差內利用數組操作找出真正的峰值.    對于某些特殊的數據以及個別不理想的數據文件,可采用手工回放處理.由于多數情況下有效數據均出現在波形的“峰值”與“谷值”中,因此,手工回放程序中加入“磁吸”效果(見圖5所示),可以自動捕獲預定范圍內的峰谷數值,提高讀值效率. 在某些實驗中,由于特殊的要求,希望可以在現場對實測數據進行初步的分析,這就要求在現場對已有測試軟件做擴展,其中包括臨時增加的PSD分析.我們可以直接調用LabVIEW所提供的“FFTPowerSpectralDensity”函數模塊,對原程序框圖只做極少量的修改即達到了滿意的使用效果(見圖6).4虛擬儀器測試平臺的特點4.1 解決了軌道交通測試實時性強的難點 軌道交通測試常要求多個部門同時運作,在決策者調度的有限時間與地點內進行在線測試,因此通常不具備重復試驗的條件.采用虛擬儀器軟件進行實驗操作時,除事先排除故障隱患外,在測試過程中可對各通道進行獨立的實時監控,發現問題立即解決,避免影響后續試驗.這就有效地解決了軌道交通測試實時性強的難點.4.2有效解決了軌道交通測試頻帶寬、數據量大的問題 被測信號中有效成分的頻率分布相當寬,路基與橋梁僅幾赫茲,而軌道則超過1000Hz.為了盡可能完整地還原信號,單個通道采樣頻率常在10k以上.如以最常見的8通道測試方案計算,采用單精度浮點數轉換,每秒中將有4×10000×8=320000(Byte),合312.5k之多,若轉換為文本格式后將會更大. 正確選擇硬件是測試成功的必要條件之一,例如,選擇NationalInstruments的數據采集卡DAQ-6024E,它的AD轉換速率在12位精度下可達200kS/s,完全能夠滿足轉換速度;采用LabVIEW設計軟件的時候,在存盤時調用“BinaryFileVIs”中的“WriteToSGLFile.vi”,將采集到的數據流以二進制格式直接存盤,避免了由于格式轉換而產生的時間與資源消耗,對于等待期間的數據流則只送屏幕供監測,不存盤.這樣,既解決了寬頻帶信號的采集問題,又保證了大量數據流的存盤.4.3實現了初步分析的自動化 以軌道交通的提速試驗為例,在提速試驗中,試驗車將以超過現行速度的情況下運行,每個測試工況均存在危險性.決策部門要求每趟試驗車通過后立即將幾項安全運營指標的分析結果上報,以指導后續試驗,確保人身財產的安全. 類似于這樣的要求,可在采集后立即對數據進行初步分析,檢測出所需的數據,按實驗要求計算出結果,調用MicrosoftWord(等)形成報表.由于時間緊,數據量大,試驗環境差影響操作者情緒與效率,因此,整個初步的分析過程由計算機自動完成更為快捷和可靠.4.4能夠方便地進行現場維護與擴展軟件 在有些實驗中,由于不可預知的因素需要在現場對已開發的軟件進行維護或功能擴展.LabVIEW采用模塊化的開發方式,由“流”驅動軟件的運行,工作原理一目了然,加上功能強大的模塊化函數庫,使現場維護擴展成為可能. 另外,由于條件所限,各實驗部門使用的計算機操作系統有可能會是Windows9x、WindowsME、Win dows2000、WindowsXP甚至是Linux等.以常見的Windows系列操作系統為例,這些系統下同一種硬件的驅動方式可能大不相同.如果在選購采集卡時統一選擇NationalInstruments公司的產品,那么,即使由于條件所限,各部門的采集卡型號不同,也可以通過NationalInstruments提供的NI-DAQ使程序達到G語言源代碼級兼容. NI-DAQ為硬件驅動與頂層調用提供了一個接口層,在LabVIEW中表現為一些函數模塊.無論什么操作系統下,這些函數模塊在G語言源代碼級兼容,開發者在編寫VI時通過調用NI-DAQ操作硬件,完全不必考慮底層的驅動問題,在使用不同硬件以及跨平臺維護擴展時也不存在任何問題.5有代表性的測試實例5.1秦沈客運專線科技攻關項目現場測試 2002年9月山海關秦沈鐵路客運提速實驗,測試地點在野外,空氣溫度在35℃以上,采集卡等儀器的工作溫度可達80℃,個別工況的連續測試時間超過2小時.要求每趟試驗車通過后立即將有關的安全運營指標的分析結果上報,以幫助決策部門指導后續試驗,確保人身財產安全.5.2上海地鐵一號線車載測試上海地鐵一號線車載測試,從始發站到終點站正常情況下全程運行時間超過30分鐘,要求在不間斷采集與存盤的同時分析出被測信號的功率譜密度(PSD).5.3 特殊條件下的測試 2003年4月齊齊哈爾鐵路測試,除通常實驗特點外,適逢全世界人民共同抵抗非典之際,為保障實驗者的人身安全,要求參加人員盡可能少,實驗周期盡可能短. 以上實驗在采用了LabVIEW開發的虛擬儀器測試程序后,均成功地完成了測試任務,達到了預期效果.6結 語 在軌道交通測試中,采用了LabVIEW開發的虛擬儀器取代傳統的記錄儀器,在有限的經費內做到軟硬件的重復利用,縮短了開發周期,降低了開發成本,提高了測試自動化程度.而軟件平臺LabVIEW采用圖形化的開發方式,配以功能強大的函數工具箱以及各種專業軟件包,開發效率很高.因此,采用虛擬儀器技術為軌道交通日新月異的發展提供了一分強有力的保障,我們將通過不斷的探索和開發使軌道交通測試的自動化程度將更趨合理和完善.參考文獻:[1](美)麥克萊倫(McClellan,J.H),等.數字信號處理引論[M].北京:科學出版社,2003.[2](美)GaryW.Johnson,RichardJenningsz著.武嘉澍,陸勁昆譯.LabVIEW圖形編程[M].北京:北京大學出版社, 2002.[3]練松良.軌道動力學[M].上海:上海同濟大學版社,2003.[4]王午生.鐵道線路工程[M].上海:上??茖W技術出版社,1999.

 
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