基于虛擬儀器的軌道交通測(cè)試自動(dòng)化

1、基于虛擬儀器的軌道交通測(cè)試自動(dòng)化             摘要：介紹了使用開發(fā)虛擬儀器軟件的方法,即用以計(jì)算機(jī)為核心的測(cè)試測(cè)量與控制系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的記錄分析儀器,在有限的條件下做到實(shí)驗(yàn)設(shè)備的重復(fù)利用,達(dá)到實(shí)現(xiàn)軌道交通測(cè)試的自動(dòng)化.關(guān)鍵詞:虛擬儀器;測(cè)試;自動(dòng)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(guān)系到國(guó)計(jì)民生的大事,為確保運(yùn)行安全,通常以現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)作為建設(shè)與維護(hù)的依據(jù)之一.業(yè)內(nèi)公認(rèn)作法是將具有代表性的被測(cè)參數(shù)通過傳感器

2、轉(zhuǎn)換為電信號(hào),經(jīng)儀器調(diào)理送入記錄裝置后對(duì)其進(jìn)行分析.隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)的普及,近年來逐漸被以計(jì)算機(jī)為核心的虛擬儀器取代傳統(tǒng)的記錄儀器.   虛擬儀器,是將計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)與和高性能模塊化硬件結(jié)合在一起,建立起功能強(qiáng)大又靈活易變的基于計(jì)算機(jī)的測(cè)試測(cè)量與控制系統(tǒng).其本質(zhì)就是一種基于計(jì)算機(jī)的自動(dòng)化測(cè)試儀器系統(tǒng).虛擬儀器通過軟件將計(jì)算機(jī)硬件資源與儀器硬件有機(jī)的融合為一體,把計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算處理能力和儀器硬件的測(cè)量、控制能力結(jié)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(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)以及分析處理.與傳統(tǒng)記錄儀器相比,虛擬儀器開發(fā)靈活,可與計(jì)算機(jī)技術(shù)保持同步發(fā)展;

3、它的關(guān)鍵是軟件,虛擬儀器系統(tǒng)性能升級(jí)方便;由于儀器間資源可重復(fù)利用,價(jià)格低廉;用戶可定義儀器功能;可以與網(wǎng)絡(luò)及周邊設(shè)備方便連接;開發(fā)與維護(hù)費(fèi)用低;技術(shù)更新周期短.   為使虛擬儀器在軌道交通測(cè)試自動(dòng)化發(fā)揮其應(yīng)有的作用,我們進(jìn)行了幾年的實(shí)踐和探索,取得了一定的經(jīng)驗(yàn),本文介紹的是公司的6.1在實(shí)現(xiàn)軌道交通測(cè)試自動(dòng)化的原理和方法.我們還將繼續(xù)努力,使虛擬儀器在軌道交通測(cè)試自動(dòng)化和其他領(lǐng)域的自動(dòng)化測(cè)試中發(fā)揮更大作用.   典型的自動(dòng)化測(cè)試中,信號(hào)的傳遞可以用如下流程框圖(圖1)表示.2 自動(dòng)化測(cè)試的原理   目前,為測(cè)試各類工程參數(shù)而研制的傳

4、感器已有相關(guān)的生產(chǎn)廠家生產(chǎn),如:應(yīng)變橋、測(cè)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(cè)試精度的要求,各種新型傳感器正處于進(jìn)一步研究發(fā)展之中;而與傳感器相匹配的各類放大器如:動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀、電荷放大器、測(cè)振放大器等也已有專業(yè)廠家生產(chǎn)并已投放市場(chǎng);傳統(tǒng)的記錄分析儀器主要是指光線示波器、模擬磁帶機(jī)等,這些儀器精度低、體積大、價(jià)格昂貴、功能單一,不能根據(jù)具體要求靈活定制功能,維護(hù)與擴(kuò)展也相當(dāng)不便,記錄下的數(shù)據(jù)存檔不便并仍需人工讀取,影響了后續(xù)工作的分析精度和效率,成為影響測(cè)試工作的瓶頸因素之一.隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益發(fā)展,計(jì)算機(jī)正逐步被廣泛應(yīng)用到測(cè)試領(lǐng)域中.采用以計(jì)算機(jī)為核心的儀器代替?zhèn)鹘y(tǒng)

5、的記錄分析儀器正成為一種發(fā)展的必然趨勢(shì).   開發(fā)虛擬儀器軟件是實(shí)現(xiàn)測(cè)試自動(dòng)化的關(guān)鍵,通常可以采用通用軟件開發(fā)平臺(tái),如的、+,的、+等,也可以采用專業(yè)開發(fā)平臺(tái),如的,的,的和等.采用等專業(yè)開發(fā)平臺(tái)可以大大提高開發(fā)效率.3 虛擬儀器軟件的實(shí)現(xiàn)   為了方便開發(fā)和維護(hù),我們?cè)谲壍绖?dòng)力學(xué)測(cè)試軟件開發(fā)平臺(tái)選用的是公司的6.1,對(duì)于使用更高版本的部門只需對(duì)已開發(fā)的進(jìn)行重新編譯.3.1 采集程序的設(shè)計(jì)方法   采用框圖式開發(fā)方式,用數(shù)據(jù)流控制程序的運(yùn)行,見圖2所示.   在編制數(shù)據(jù)采集程序時(shí)應(yīng)力求簡(jiǎn)單,杜絕由于算法復(fù)雜而造成的

6、資源浪費(fèi)與故障隱患.程序在將數(shù)據(jù)存盤的同時(shí)送屏幕監(jiān)測(cè).利用數(shù)組操作的方法將每個(gè)通道的數(shù)據(jù)分別送至指定的窗口,確保發(fā)生故障時(shí)可以迅速判斷出故障位置.   采集程序首先用“”函數(shù)設(shè)置參數(shù),然后由“”函數(shù)觸發(fā)采集過程開始.進(jìn)入循環(huán)體后,一方面硬件把采集到的數(shù)據(jù)不斷交替寫入,另一方面“”函數(shù)定時(shí)讀出中的數(shù)據(jù),并清空位置,留給后續(xù)的數(shù)據(jù).子程序“”對(duì)“”函數(shù)讀出的數(shù)據(jù)流加以處理、送屏顯示并以二進(jìn)制格式存盤.采集結(jié)束后,“”函數(shù)清空,釋放資源.   利用開發(fā)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(jiǎn)要的描述,選用合理的采集頻率,利用

7、按鈕選擇所需的通道,定義數(shù)據(jù)存盤的文件名,若有同名文件存在則運(yùn)行后有對(duì)話框提示覆蓋或取消.程序運(yùn)行后由操作者通過菜單控制啟停、存盤以及翻屏.數(shù)據(jù)經(jīng)簡(jiǎn)單的數(shù)組拆分操作后按通道送各指定窗口供操作者實(shí)時(shí)監(jiān)控.存盤的狀態(tài)由縱貫屏幕的變色條指示, 存盤后的數(shù)據(jù)可依據(jù)文件頭進(jìn)行自描述.3.2 處理程序的設(shè)計(jì)方法   對(duì)于較理想且有一定規(guī)則的數(shù)據(jù)可以使用程序自動(dòng)回放處理(見圖4所示).程序按照操作者設(shè)定的回放參數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,將識(shí)別出的峰谷標(biāo)記在回放窗口的波形上,并依照軌道動(dòng)力學(xué)的專業(yè)知識(shí),進(jìn)一步計(jì)算出其它分析結(jié)果,同時(shí)在后臺(tái)通過方式調(diào)用等生成報(bào)表.程序識(shí)別波形峰值時(shí)調(diào)用了“.”函數(shù),

8、該函數(shù)對(duì)處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行了多項(xiàng)式擬合,因此,直接由此函數(shù)計(jì)算出的峰值點(diǎn)有時(shí)并不在原始數(shù)據(jù)波形上,但可以此點(diǎn)為中心,在限定的時(shí)間偏差內(nèi)利用數(shù)組操作找出真正的峰值.             對(duì)于某些特殊的數(shù)據(jù)以及個(gè)別不理想的數(shù)據(jù)文件,可采用手工回放處理.由于多數(shù)情況下有效數(shù)據(jù)均出現(xiàn)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(dòng)捕獲預(yù)定范圍內(nèi)的峰谷數(shù)值,提高讀值效率.   在某些實(shí)驗(yàn)中,由于特殊的要求,希望可以在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的分析

9、,這就要求在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)已有測(cè)試軟件做擴(kuò)展,其中包括臨時(shí)增加的分析.我們可以直接調(diào)用所提供的“”函數(shù)模塊,對(duì)原程序框圖只做極少量的修改即達(dá)到了滿意的使用效果(見圖6).4 虛擬儀器測(cè)試平臺(tái)的特點(diǎn)4.1 解決了軌道交通測(cè)試實(shí)時(shí)性強(qiáng)的難點(diǎn)   軌道交通測(cè)試常要求多個(gè)部門同時(shí)運(yùn)作,在決策者調(diào)度的有限時(shí)間與地點(diǎn)內(nèi)進(jìn)行在線測(cè)試,因此通常不具備重復(fù)試驗(yàn)的條件.采用虛擬儀器軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作時(shí),除事先排除故障隱患外,在測(cè)試過程中可對(duì)各通道進(jìn)行獨(dú)立的實(shí)時(shí)監(jiān)控,發(fā)現(xiàn)問題立即解決,避免影響后續(xù)試驗(yàn).這就有效地解決了軌道交通測(cè)試實(shí)時(shí)性強(qiáng)的難點(diǎn).4.2有效解決了軌道交通測(cè)試頻帶寬、數(shù)據(jù)量大的問題 

10、;  被測(cè)信號(hào)中有效成分的頻率分布相當(dāng)寬,路基與橋梁僅幾赫茲,而軌道則超過1000.為了盡可能完整地還原信號(hào),單個(gè)通道采樣頻率常在10以上.如以最常見的8通道測(cè)試方案計(jì)算,采用單精度浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換,每秒中將有4×10000×8=320000(),合312.5之多,若轉(zhuǎn)換為文本格式后將會(huì)更大.   正確選擇硬件是測(cè)試成功的必要條件之一,例如,選擇的數(shù)據(jù)采集卡-6024,它的轉(zhuǎn)換速率在12位精度下可達(dá)200/,完全能夠滿足轉(zhuǎn)換速度;采用設(shè)計(jì)軟件的時(shí)候,在存盤時(shí)調(diào)用“”中的“.”,將采集到的數(shù)據(jù)流以二進(jìn)制格式直接存盤,避免了由于格式轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生的時(shí)間與資源

11、消耗,對(duì)于等待期間的數(shù)據(jù)流則只送屏幕供監(jiān)測(cè),不存盤.這樣,既解決了寬頻帶信號(hào)的采集問題,又保證了大量數(shù)據(jù)流的存盤.4.3 實(shí)現(xiàn)了初步分析的自動(dòng)化   以軌道交通的提速試驗(yàn)為例,在提速試驗(yàn)中,試驗(yàn)車將以超過現(xiàn)行速度的情況下運(yùn)行,每個(gè)測(cè)試工況均存在危險(xiǎn)性.決策部門要求每趟試驗(yàn)車通過后立即將幾項(xiàng)安全運(yùn)營(yíng)指標(biāo)的分析結(jié)果上報(bào),以指導(dǎo)后續(xù)試驗(yàn),確保人身財(cái)產(chǎn)的安全.   類似于這樣的要求,可在采集后立即對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析,檢測(cè)出所需的數(shù)據(jù),按實(shí)驗(yàn)要求計(jì)算出結(jié)果,調(diào)用(等)形成報(bào)表.由于時(shí)間緊,數(shù)據(jù)量大,試驗(yàn)環(huán)境差影響操作者情緒與效率,因此,整個(gè)初步的分析過程由計(jì)算機(jī)自

12、動(dòng)完成更為快捷和可靠.4.4 能夠方便地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)與擴(kuò)展軟件   在有些實(shí)驗(yàn)中,由于不可預(yù)知的因素需要在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)已開發(fā)的軟件進(jìn)行維護(hù)或功能擴(kuò)展.采用模塊化的開發(fā)方式,由“流”驅(qū)動(dòng)軟件的運(yùn)行,工作原理一目了然,加上功能強(qiáng)大的模塊化函數(shù)庫,使現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)擴(kuò)展成為可能.   另外,由于條件所限,各實(shí)驗(yàn)部門使用的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)有可能會(huì)是9、 2000、甚至是等.以常見的系列操作系統(tǒng)為例,這些系統(tǒng)下同一種硬件的驅(qū)動(dòng)方式可能大不相同.如果在選購采集卡時(shí)統(tǒng)一選擇公司的產(chǎn)品,那么,即使由于條件所限,各部門的采集卡型號(hào)不同,也可以通過提供的-使程序達(dá)到語言源代碼級(jí)兼容.

13、60;  -為硬件驅(qū)動(dòng)與頂層調(diào)用提供了一個(gè)接口層,在中表現(xiàn)為一些函數(shù)模塊.無論什么操作系統(tǒng)下,這些函數(shù)模塊在語言源代碼級(jí)兼容,開發(fā)者在編寫時(shí)通過調(diào)用-操作硬件,完全不必考慮底層的驅(qū)動(dòng)問題,在使用不同硬件以及跨平臺(tái)維護(hù)擴(kuò)展時(shí)也不存在任何問題.5 有代表性的測(cè)試實(shí)例5.1 秦沈客運(yùn)專線科技攻關(guān)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試   2002年9月山海關(guān)秦沈鐵路客運(yùn)提速實(shí)驗(yàn),測(cè)試地點(diǎn)在野外,空氣溫度在35以上,采集卡等儀器的工作溫度可達(dá)80,個(gè)別工況的連續(xù)測(cè)試時(shí)間超過2小時(shí).要求每趟試驗(yàn)車通過后立即將有關(guān)的安全運(yùn)營(yíng)指標(biāo)的分析結(jié)果上報(bào),以幫助決策部門指導(dǎo)后續(xù)試驗(yàn),確保人身財(cái)產(chǎn)安全.5.2上海地

14、鐵一號(hào)線車載測(cè)試上海地鐵一號(hào)線車載測(cè)試,從始發(fā)站到終點(diǎn)站正常情況下全程運(yùn)行時(shí)間超過30分鐘,要求在不間斷采集與存盤的同時(shí)分析出被測(cè)信號(hào)的功率譜密度().5.3 特殊條件下的測(cè)試   2003年4月齊齊哈爾鐵路測(cè)試,除通常實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)外,適逢全世界人民共同抵抗非典之際,為保障實(shí)驗(yàn)者的人身安全,要求參加人員盡可能少,實(shí)驗(yàn)周期盡可能短.   以上實(shí)驗(yàn)在采用了開發(fā)的虛擬儀器測(cè)試程序后,均成功地完成了測(cè)試任務(wù),達(dá)到了預(yù)期效果.6 結(jié)語   在軌道交通測(cè)試中,采用了開發(fā)的虛擬儀器取代傳統(tǒng)的記錄儀器,在有限的經(jīng)費(fèi)內(nèi)做到軟硬件的重復(fù)利用,縮短了開發(fā)周期,降低了開發(fā)成本,提高了測(cè)試自動(dòng)化程度.而軟件平臺(tái)采用圖形化的開發(fā)方式,配以功能強(qiáng)大的函數(shù)工具箱以