地鐵列車振動環(huán)境響應的無線傳感器網(wǎng)絡快速評定

施 毅， 張 巍， 孫 可， 丁華平， 孫 遜

(1.北京交通大學 土木建筑工程學院，北京 100044； 2.蘇州軌道交通集團有限公司，蘇州 215004；3.南京大學 地球科學與工程學院，南京 210046； 4. 南京大學 電子科學與工程學院，南京 210046)

地鐵列車振動環(huán)境響應的無線傳感器網(wǎng)絡快速評定

施 毅1,2， 張 巍3， 孫 可3， 丁華平4， 孫 遜3

(1.北京交通大學 土木建筑工程學院，北京 100044； 2.蘇州軌道交通集團有限公司，蘇州 215004；3.南京大學 地球科學與工程學院，南京 210046； 4. 南京大學 電子科學與工程學院，南京 210046)

地鐵列車振動環(huán)境微弱響應的無線傳感器網(wǎng)絡測試需要mg量級的加速度測試精度，常規(guī)板載MEMS加速度傳感器通常難以滿足。采用低噪聲運算放大器OPA4344與模擬/數(shù)字轉換器QF4A512，將MEMS加速度傳感器SD1221L-002量程限定在±0.2 g，同時采用進行信號轉換與調(diào)理，達到了0.043 mg的加速度測試分辨率，滿足了地鐵列車環(huán)境微振測試要求?；谟⑻貭朓mote2無線傳感器網(wǎng)絡硬件平臺與嵌入式軟件平臺ISHMP Services Toolsuite，實現(xiàn)了地鐵列車振動環(huán)境加速度測試專用無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)。基于TinyOS開源操作系統(tǒng)，采用組件式結構程序語言nesC編寫了嵌入式應用組件VibrationLevelCalculation，實現(xiàn)了環(huán)境振級的嵌入式計算。應用該系統(tǒng)，對一地鐵緊鄰地下空間內(nèi)地鐵列車環(huán)境振動響應進行了實測。通過傳感節(jié)點采集環(huán)境加速度信號，在傳感節(jié)點Imote2主板內(nèi)嵌入式計算振級，通過無線傳輸數(shù)據(jù)，在終端直接顯示出測試環(huán)境振級分布。通過回溯存儲于傳感節(jié)點內(nèi)三分之一倍頻程中心頻率上的振級數(shù)據(jù)，獲得了各測點1/3倍頻程。該系統(tǒng)實現(xiàn)了地鐵列車振動環(huán)境響應的快速評定。

地鐵列車；環(huán)境振動；無線傳感器網(wǎng)絡；微機電系統(tǒng)；模擬/數(shù)字轉換器；嵌入式計算

地鐵列車運行會誘發(fā)周邊自由場地振動與結構物的二次振動，對人體舒適度乃至健康造成不利影響[1-2]。對地鐵列車振動環(huán)境響應進行現(xiàn)場實測，是定量評價振動效應的有效手段[3]，同時也是驗證數(shù)值模擬結果或經(jīng)驗公式的基本方法[4]?，F(xiàn)有地鐵環(huán)境振動響應測試系統(tǒng)普遍采用有線連接的方式[5]，它存在現(xiàn)場布線繁復、成本高、布置不夠靈活等缺點；同時，所采集到的測試數(shù)據(jù)需要離線集中處理，往往需要耗費較長時間才能獲得對于環(huán)境振動響應的評價結果。

無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點采用板載微機電(MEMS)傳感器，具有尺寸小、費用低、無線通訊、易于布置等優(yōu)點；同時，由于自帶微控制器(MCU)與存儲器，無線傳感器網(wǎng)絡還可以實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的嵌入式計算與分布式存儲，用于現(xiàn)場動態(tài)信號測試具有明顯優(yōu)勢。目前，無線傳感器網(wǎng)絡已被應用于機械振動監(jiān)測領域[6-7]。近年來，地鐵隧道等地下空間健康監(jiān)測也開始應用無線傳感器網(wǎng)絡技術，但主要局限于變形與受力狀態(tài)等靜態(tài)參數(shù)的測試[8-9]，而加速度等動力參數(shù)測試的研究成果較少。因此，研究開發(fā)一種適用于地鐵列車振動環(huán)境加速度響應測試的無線傳感器網(wǎng)絡，有望在一定程度上替代有線測試系統(tǒng)，提高測試效率。

本文基于地鐵振動環(huán)境加速度響應特征，選擇英特爾Imote2平臺開發(fā)無線傳感器網(wǎng)絡測試系統(tǒng)，采用美國伊利諾伊大學專為環(huán)境隨機振動測試所開發(fā)的加速度傳感器板SHM-H及其配套的嵌入式軟件平臺ISHMP Services Toolsuite，實現(xiàn)了地鐵列車振動環(huán)境加速度信號的無線傳感器網(wǎng)絡測試；同時，還采用了南京大學編寫的嵌入式應用組件VibrationLevelCalculation，對存儲在無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點內(nèi)的加速度信號進行了嵌入式計算，并將計權振級與1/3倍頻程譜等分析結果直接發(fā)送至終端顯示，實現(xiàn)了地鐵列車振動環(huán)境響應的快速評定。

1 微振信號采集

1.1 響應特征分析

對地鐵列車環(huán)境振動響應的關注頻率范圍一般為1～80 Hz[10]，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，測試采樣頻率應大于160 Hz；此外，文獻還表明[11]，地鐵振動環(huán)境加速度響應幅值通常在mg量級，為采集到這種低幅值微弱振動響應信號，儀器的測試分辨率應大于0.05 mg，無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點內(nèi)嵌的MEMS加速度傳感器需要滿足該指標要求。

1.2 信號調(diào)理

采用QF4A512實現(xiàn)信號轉換與調(diào)理，QF4A512是一款可編程4通道模擬/數(shù)字轉換器(ADC)及信號調(diào)節(jié)器，各通道具有信號放大、抗混疊濾波、16位模/數(shù)轉換以及512階高精度濾波等功能，同時可以實現(xiàn)在線軟件編程來設定系統(tǒng)采樣率和截止頻率等參數(shù)。QF4A512的信噪比(SNR)為81 dB，SNR與有效位數(shù)(ENOB)與之對應關系為

(1)

則SD1221采集信號所能達到的最大分辨率僅為

4 000mg/(213.2-1)=0.43mg

(2)

該分辨率無法滿足測試要求。為此，采用低噪聲運算放大器(OP-Amp)OPA4344[12]，如圖1所示，將SD1221L-002的量程限定在±0.2g，則最大分辨率被提高至

400mg/(213.2-1)=0.043mg

(3)

滿足了測試分辨率的要求。

圖1 OPA4344運算放大器電路Fig.1 OP-Amp circuit for signal amplification

經(jīng)信號調(diào)理后的SD1221典型性能指標見表1。

表1 SD1221L-002 加速度傳感器參數(shù)指標

1.3 加速度傳感器板

地鐵環(huán)境振動加速度信號采集采用加速度傳感器板SHM-H實現(xiàn)，該傳感器板由美國伊利諾伊大學香檳分校Spencer教授課題組開發(fā)[13]，如圖2(a)所示，板上集成了SD1221加速度傳感器與OPA 4344運算放大器，負責實現(xiàn)信號采集；由圖2(b)中可知，板上還集成了快速濾波器ADC QF4A512及其電路，負責實現(xiàn)信號調(diào)理與模/數(shù)轉換。

圖3 SHM-H工作框圖Fig.3 Block diagram of sensor node

2 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點

2.1 節(jié)點結構

無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點平臺選用英特爾公司開發(fā)的Imote2，它源自加州大學伯克利分校的Mote系列商業(yè)化平臺。Imote2采用三層堆疊結構布置，如圖4(a)所示，最底部為IIB2400CA電源板，使用3節(jié)1.5 V電池供電；其上部嵌套堆疊Imote2主板，其頂端嵌套堆疊加速度傳感器板SHM-H。接收端基站節(jié)點采用雙層堆疊結構布置，如圖4(b)所示，其底端為Imote2主板，上層嵌套堆疊著IIB2400接口板，通過線纜接入電腦USB接口。

圖4 節(jié)點結構Fig.4 Node configurations

2.2 Imote2主板

如圖5所示，Imote2主板集成了英特爾低功耗32位XScale處理器PXA271(可變主頻13～416 MHz)、MMX DSP 協(xié)處理器、256 KB靜態(tài)隨機存取存儲器(SRAM)、32 MB同步動態(tài)隨機存儲器(SDRAM)、32 MB閃存，并集成了射頻收發(fā)器CC2420(250 kbps、2.4 GHz IEEE 802.15.4、16信道)。PXA271與DSP協(xié)處理器為無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點提供了較強的嵌入式計算能力；數(shù)字存儲器為動態(tài)測試數(shù)據(jù)的長時間存儲提供了物理空間；CC2420集成了無線射頻調(diào)制器與天線，可實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點與基站以及節(jié)點與節(jié)點之間的無線通訊。

圖5 Imote2主板Fig.5 Imote2 main board

3 嵌入式軟件平臺

3.1 嵌入式工具箱

傳感節(jié)點自身具有電源控制與數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)裙δ埽鼈兪峭ㄟ^安裝在存儲器內(nèi)的嵌入式開源工具箱ISHMP實現(xiàn)，具體可參見文獻[14]。所有工具箱組件均基于MOTE平臺下開源操作系統(tǒng)TinyOS V2.1.2，并采用開發(fā)組件式結構程序語言nesC實現(xiàn)。主要組件如：RemoteSensing，控制遠程數(shù)據(jù)采集；Imote2comm與autocomm，控制基站節(jié)點與電腦之間的通訊；Vbat，檢查傳感節(jié)點電池容量；TestRadio，評價無線通訊質量；TimeSychronization，網(wǎng)絡內(nèi)各傳感器時間同步。此外，工具箱內(nèi)還包含了數(shù)值算法庫，可實現(xiàn)快速傅里葉變換FFT、功率譜密度函數(shù)PSD等嵌入式計算功能。

3.2 嵌入式振級計算

為了在傳感節(jié)點內(nèi)實現(xiàn)對環(huán)境振動響應的快速評價，南京大學在ISHMP原有基礎上，采用nesC語言新編寫了嵌入式振級計算組件VibrationLevelCalculation，計算原理如下：

振級計算公式為

(4)

式中，a0為基準加速度，值為10-6m/s2；為計權加速度均方根，由式(5)計算：

(5)

式中，wi為各三分之一倍頻程中心頻率的計權因子[14]，針對地鐵環(huán)境振動取0～ 80 Hz區(qū)間；ai為各三分之一倍頻程中心頻率上的加速度均方根，通過式(6)得到：

(6)

式中，f1和f2分別對應各三分之一倍頻程區(qū)間的上下限截止頻率；G(f)為頻譜密度函數(shù)，可通過傅里葉變換獲取。

4 系統(tǒng)整體架構

圖6為該無線傳感器網(wǎng)絡測試系統(tǒng)的系統(tǒng)架構，由傳感節(jié)點、基站節(jié)點、中心服務器(PC端)等三部分組成；系統(tǒng)采用Zigbee通信協(xié)議，僅實現(xiàn)傳感節(jié)點與基站節(jié)點之間的獨立數(shù)據(jù)傳輸，各傳感節(jié)點中間不存在數(shù)據(jù)傳輸；節(jié)點內(nèi)實現(xiàn)振級計算、PSD和FFT等嵌入式計算功能；服務器通過基站實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡的組建、節(jié)點的參數(shù)設置、時間同步及無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

圖6 系統(tǒng)整體架構Fig.6 Schematic of the whole system

不同于傳統(tǒng)測試方法所采用的離線集中數(shù)據(jù)處理方式，無線傳感器網(wǎng)絡可在各傳感節(jié)點內(nèi)實現(xiàn)分布式計算，只將最終計算結果通過基站節(jié)點傳輸?shù)街行姆掌黠@示，因此具有較高的工作效率，可實現(xiàn)環(huán)境振動響應的快速評定[15]。整體系統(tǒng)具體工作流程如圖7所示，在數(shù)據(jù)采集開始前，先操作服務器通過基站節(jié)點激活各傳感節(jié)點，組建無線傳感網(wǎng)絡。隨后進行節(jié)點參數(shù)配置，包括采樣時長、采樣頻率及內(nèi)部時鐘同步等；各節(jié)點采集到的環(huán)境振動數(shù)據(jù)存儲在FLASH內(nèi)部并消除溫漂和進行抗混疊濾波處理；根據(jù)濾波后的數(shù)據(jù)計算計權振級；完成一個測試周期后，各節(jié)點內(nèi)的原始數(shù)據(jù)及處理結果傳至基站，并最終存儲在服務器內(nèi)。后期如有需要，還可回溯傳感節(jié)點存儲器內(nèi)的原始數(shù)據(jù)。

圖7 工作流程圖Fig. 7 Work flow chart

5 實測應用

5.1 測試環(huán)境

蘇州星海生活廣場為一大型地下空間商業(yè)綜合體，總建筑面積54 511 m2，最大埋深為地下13.7 m，鋼筋混凝土框架結構，負一層為地下商場，負二層為地下車庫。該地下建筑與蘇州軌道交通1號線星海街車站無縫對接，如圖8所示，地鐵軌道中心與該地下建筑側墻的邊距僅3.2 m，所在場地的土層分布均在圖中繪出。

地鐵列車為南京浦鎮(zhèn)車輛廠所生產(chǎn)的B型車，采用4節(jié)編組形式(Tc+Mp+Mp+Tc)，其中，Tc為拖車，長22 m；Mp為動車，長19 m；兩類車廂皆寬2.8 m，高3.8 m；輪距1.5 m，車距0.8 m；列車整體編組重量為127.6 t；列車最大行駛速度為80 km/h，在區(qū)間隧道內(nèi)行駛的平均速度約為50 km/h，進出站加速度約為1 m/s2，持續(xù)時間均約20 s左右。線路鋪設無砟整體道床。

圖8 測區(qū)剖面圖(m)Fig.8 Sectional view of measuring site(m)

5.2 測點布設

測試對象為地下商場和地下車庫兩層的樓層Z振級[16]，兩層測點的平面布置上下一致，如圖9所示，在靠近地鐵軌道一側40 m×40 m的測區(qū)范圍內(nèi)，沿5條測線共布置了39個測點，5條測線的空間位置分別是：A測線靠近列車進站口，C測線位于站臺中心，E測線靠近列車出站口，B測線與D測線分別位于A-C與C-D中心。

現(xiàn)場測試均安排在日間地鐵運營的客流低谷期進行，列車滿載或空載所帶來的質量差異影響被降低到最小程度。

圖9 測點布設Fig.9 Measure points layout

5.3 振級測試結果

節(jié)點采集的加速度信號通過內(nèi)嵌程序進行實時振級計算，計算結果通過CC2420無線傳輸?shù)交竟?jié)點，輸入并存儲在服務器內(nèi)。以地下商場內(nèi)E0測點為例，提取該測點在列車進出站100 s時間內(nèi)Z向振級數(shù)據(jù)，將其與原始振動加速度數(shù)據(jù)作為對比，共同繪于圖10。圖中兩段明顯的振幅波動，分別對應列車的進站減速和出站加速過程，持續(xù)時間在15 s左右；且進站振幅略大于出站；兩段波動的間隔對應于列車在站臺的?？繒r間，時長約30 s左右；最大振級為81 dB。

圖10 地下商場E0測點的加速度與振級測試結果Fig.10 Acceleration and vibration level of E0

測試獲取的振級數(shù)據(jù)較多，限于篇幅，此處僅提取兩測區(qū)內(nèi)各測點代表性的最大振級數(shù)據(jù)，通過插值繪出最大振級等值線，如圖11所示。

圖11 振級等值線圖Fig.11 Contour map of vibration level

由圖11中可知,地下商場和地下車庫兩測區(qū)內(nèi)的振級分布趨勢基本一致，表現(xiàn)為：平行軌道等距處，E線測點振級最大，A線次之，C線最??；垂直軌道方向，各測線測點的振級隨距離的增加而衰減十分明顯，最大減幅約15 dB；A6、E6測點處均出現(xiàn)一定程度的振級放大現(xiàn)象；地下商場內(nèi)振級比地下車庫整體大6 dB左右?？v觀兩測區(qū)的振級分布，最大振級為81 dB，最小振級約60 dB，均遠低于結構損壞所需的振動強度[17]，可認為該地下建筑結構的安全性不會受到列車運行影響。

5.4 三分之一倍頻程譜

考慮到人體對不同頻率振動分量的感受有所差異[18]，此處使用三分之一倍頻程計權振級分析測區(qū)內(nèi)的振動情況。

以地下商場內(nèi)四個代表性測點為例，回溯傳感節(jié)點內(nèi)的中間步計算結果，即三分之一倍頻程中心頻率上的振級數(shù)據(jù)，將其繪制于圖12。由圖12可知，各示例測點0～ 40 Hz內(nèi)的振級基本都在55 dB以下， 低于人體的感知閾值[19]，可認為不會對人造成影響；在40～80 Hz內(nèi)，振級明顯增大，尤其是中心頻率63 Hz處最大振級接近70 dB，參考相關標準[20]，此頻段振動響應在一定程度上會降低人體舒適度，尤其是人體心臟等內(nèi)臟器官受該頻段的影響較為明顯。

圖12 示例測點1/3倍頻程振級Fig.12 One-third octave band of example measure points

6 結 論

(1)本文開發(fā)了用于地鐵列車振動環(huán)境加速度測試的無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于Imote2無線傳感器網(wǎng)絡平臺，同時采用高精度加速度傳感器板SHM-H與嵌入式軟件平臺ISHMP Services Toolsuite。

(2)采用高精度MEMS加速度SD1221-002采集單向加速度信號，通過OP-Amp信號放大電路，將最小分辨率提高至0.043 mg，滿足了測試精度，實現(xiàn)了對地鐵列車環(huán)境振動微弱加速度信號的板載傳感器采集。

(3)基于TinyOS開源操作系統(tǒng)，采用組件式結構程序語言nesC編寫了嵌入式計算組件VibrationLevelCalculation,在傳感節(jié)點內(nèi)，實現(xiàn)了環(huán)境振級的嵌入式計算。

(4)采用本系統(tǒng)，對一地鐵緊鄰地下空間內(nèi)地鐵列車環(huán)境振動響應進行了實測。通過傳感節(jié)點采集環(huán)境加速度信號，在傳感節(jié)點Imote2主板內(nèi)嵌入式計算獲得振級，通過無線傳輸，在終端直接顯示出測試環(huán)境振級分布；此外，通過回溯存儲于傳感節(jié)點內(nèi)三分之一倍頻程中心頻率上的振級數(shù)據(jù)，獲得了各測點1/3倍頻程振級。至此，實現(xiàn)了地鐵列車振動環(huán)境響應的快速評定。

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Fast assessment of ambient responses induced by subway train vibration using wireless sensor networks

SHI Yi1,2, ZHANG Wei3, SUN Ke3, DING Huaping4, SUN Xun3

(1. School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China；2. Suzhou Rail Transit Group Co. Ltd., Suzhou 215004, China；3. School of Earth Sciences and Engineering，Nanjing University，Nanjing 210046, China；4. School of Electronic Science and Engineering，Nanjing University，Nanjing 210046, China)

The measurement of weak ambient acceleration responses, induced by subway train vibrations, needs an accuracy of mg scale, which could not be easily satisfied using ordinary on-board MEMS accelerometers. In the paper, by using the low-noise OP-Amp OPA4344 and ADC Q4FA512, the measurement range of the MEMS accelerometer SD1221L-002 was limited in ±0.2 g, so as to accomplish an acceleration resolution of 0.043 mg to satisfy the testing requirement of weak ambient vibrations. A specific wireless sensor network system was developed for the testing of subway train induced ambient accelerations. The system was based on Intel Imote2 wireless sensor network platform, combined with the embedded software platform ISHMP Services Toolsuite. Based on the open-source operation system TinyOS, the component structural programming language nesC was used to program the embedded application component VibrationLevelCalculation, so as to embeddedly compute the ambient vibration level. The system was used to measure the ambient vibration responses induced by subway train vibrations of an underground space adjoining the subway station. The ambient acceleration signals were acquired at the sensor nodes the vibration levels were embeddedly computed in the Imote2 main board of the sensor board, and the distribution of the ambient vibration level was directly displayed on the terminal. In addition, the one-third octave bands spectra at measuring points were obtained by retrieving the vibration level data at the center frequencies stored inside the sensor nodes. The developed system implements the fast assessment of the ambient responses induced by subway train vibrations.

subway train; ambient vibration; wireless sensor networks; micro-electro-mechanical system (MEMs); analog to digital converter (ADC); embedded computing; operational-amplifier (Op-Amp)

國家自然科學基金項目(40902076);蘇州市科技計劃項目(SYG201318)

2015-08-11 修改稿收到日期：2015-10-27

施毅 男，博士后，高級工程師，1978年生

張巍 男，副教授，1974年生 E-mail: wzhangnju@163.com

U211.3

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.02.037