基于虛擬儀器的軌道交通測試自動化

1、基于虛擬儀器的軌道交通測試自動化                        摘要:介紹了使用開發(fā)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(tǒng)取代傳統(tǒng)的記錄分析儀器,在有限的條件下做到實驗設(shè)備的重復利用,達到實現(xiàn)軌道交通測試的自動化.關(guān)鍵詞:虛擬儀器;測試;自動化;軌道交通 1 引言    &

2、#160; 軌道交通,包括地鐵、輕軌、磁懸浮以及城際鐵路等,是關(guān)系到國計民生的大事,為確保運行安全,通常以現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)作為建設(shè)與維護的依據(jù)之一.業(yè)內(nèi)公認作法是將具有代表性的被測參數(shù)通過傳感器轉(zhuǎn)換為電信號,經(jīng)儀器調(diào)理送入記錄裝置后對其進行分析.隨著科學技術(shù)的發(fā)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(tǒng)的記錄儀器.      虛擬儀器,是將計算機軟件技術(shù)與和高性能模塊化硬件結(jié)合在一起,建立起功能強大又靈活易變的基于計算機的測試測量與控制系統(tǒng).其本質(zhì)就是一種基于計算機的自動化測試儀器系統(tǒng).虛擬儀器通過軟件將計算機硬件資源與儀器硬件

3、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(jié)合在一起,大大縮小了儀器硬件的成本和體積,并通過軟件實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的顯示、存儲以及分析處理.與傳統(tǒng)記錄儀器相比,虛擬儀器開發(fā)靈活,可與計算機技術(shù)保持同步發(fā)展;它的關(guān)鍵是軟件,虛擬儀器系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)及周邊設(shè)備方便連接;開發(fā)與維護費用低;技術(shù)更新周期短.      為使虛擬儀器在軌道交通測試自動化發(fā)揮其應(yīng)有的作用,我們進行了幾年的實踐和探索,取得了一定的經(jīng)驗,本文介紹的是公司的6.1在實現(xiàn)軌道交通測試自動化的原理

4、和方法.我們還將繼續(xù)努力,使虛擬儀器在軌道交通測試自動化和其他領(lǐng)域的自動化測試中發(fā)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(shù)而研制的傳感器已有相關(guān)的生產(chǎn)廠家生產(chǎn),如:應(yīng)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(fā)展之中;而與傳感器相匹配的各類放大器如:動態(tài)電阻應(yīng)變儀、電荷放大器、測振放大器等也已有專業(yè)廠家生產(chǎn)并已投放市場;傳統(tǒng)的記

5、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(jù)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(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,成為影響測試工作的瓶頸因素之一.隨著計算機技術(shù)的日益發(fā)展,計算機正逐步被廣泛應(yīng)用到測試領(lǐng)域中.采用以計算機為核心的儀器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的記錄分析儀器正成為一種發(fā)展的必然趨勢.      開發(fā)虛擬儀器軟件是實現(xiàn)測試自動化的關(guān)鍵,通常可以采用通用軟件開發(fā)平臺,如的、+,的、+等,也可以采用專業(yè)開發(fā)平臺,如的,的,的和等.采用等專業(yè)開發(fā)平臺可以大大提高開

6、發(fā)效率.3 虛擬儀器軟件的實現(xiàn)      為了方便開發(fā)和維護,我們在軌道動力學測試軟件開發(fā)平臺選用的是公司的6.1,對于使用更高版本的部門只需對已開發(fā)的進行重新編譯.3.1 采集程序的設(shè)計方法      采用框圖式開發(fā)方式,用數(shù)據(jù)流控制程序的運行,見圖2所示.      在編制數(shù)據(jù)采集程序時應(yīng)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(shù)據(jù)存盤的同時送屏幕監(jiān)測.利用數(shù)組操作的方法將每個通道的數(shù)據(jù)分別送至指定的窗口,確保發(fā)生故障時

7、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“”函數(shù)讀出的數(shù)據(jù)流加以處理、送屏顯示并以二進制格式存盤.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(shù)據(jù)存盤的文件名,若有同名

8、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(shù)據(jù)經(jīng)簡單的數(shù)組拆分操作后按通道送各指定窗口供操作者實時監(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)文件頭進行自描述.3.2 處理程序的設(shè)計方法      對于較理想且有一定規(guī)則的數(shù)據(jù)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(shè)定的回放參數(shù)對數(shù)據(jù)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(yè)知識,進一步計算出其它分析結(jié)果,同時在后臺通過方式調(diào)用等生成報表.程序識別波形峰值時調(diào)用了“.”函數(shù),該函數(shù)對處理的

9、數(shù)據(jù)進行了多項式擬合,因此,直接由此函數(shù)計算出的峰值點有時并不在原始數(shù)據(jù)波形上,但可以此點為中心,在限定的時間偏差內(nèi)利用數(shù)組操作找出真正的峰值. 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(diào)度的有限時間與地點內(nèi)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(jiān)控,發(fā)現(xiàn)問題立即解決,避免影響后續(xù)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(shù)據(jù)

10、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1000.為了盡可能完整地還原信號,單個通道采樣頻率常在10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(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更大.      正確選擇硬件是測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200/,完全能夠滿足轉(zhuǎn)換速度;采用設(shè)計軟件的時候,在存盤時調(diào)

11、用“”中的“.”,將采集到的數(shù)據(jù)流以二進制格式直接存盤,避免了由于格式轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生的時間與資源消耗,對于等待期間的數(shù)據(jù)流則只送屏幕供監(jiān)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(shù)據(jù)流的存盤.4.3 實現(xiàn)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(xiàn)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(jié)果上報,以指導后續(xù)試驗,確保人身財產(chǎn)的安全.      類似于這樣的要求,可在采集后立即對數(shù)

12、據(jù)進行初步分析,檢測出所需的數(shù)據(jù),按實驗要求計算出結(jié)果,調(diào)用(等)形成報表.由于時間緊,數(shù)據(jù)量大,試驗環(huán)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(xiàn)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(xiàn)場對已開發(fā)的軟件進行維護或功能擴展.采用模塊化的開發(fā)方式,由“流”驅(qū)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(shù)庫,使現(xiàn)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(tǒng)有可能會

13、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)動方式可能大不相同.如果在選購采集卡時統(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不同,也可以通過提供的-使程序達到語言源代碼級兼容.      -為硬件驅(qū)動與頂層調(diào)用提供了一個接口層,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兼容,開發(fā)者在編寫時通過調(diào)用-操作硬件,完全不必考慮底層的驅(qū)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(guān)項目現(xiàn)場測試 &#

14、160;    2002年9月山海關(guān)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(xù)測試時間超過2小時.要求每趟試驗車通過后立即將有關(guān)的安全運營指標的分析結(jié)果上報,以幫助決策部門指導后續(xù)試驗,確保人身財產(chǎn)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(fā)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().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

15、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.      以上實驗在采用了開發(fā)的虛擬儀器測試程序后,均成功地完成了測試任務(wù),達到了預期效果.6 結(jié)語      在軌道交通測試中,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)費內(nèi)做到軟硬件的重復利用,縮短了開發(fā)周期,降低了開發(fā)成本,提高了測試自動化程度.而軟件平臺采用圖形化的開發(fā)方式,配以功能強大的函數(shù)工具箱以及各種專業(yè)軟件包,開發(fā)效率很高.因此,采用虛擬儀器技術(shù)為軌道交通日新月異的發(fā)展提供了一分