地鐵隧道振動(dòng)源強(qiáng)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

陸靜 單濤濤

（上海申通地鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，上海 201103）

地鐵運(yùn)行引起的振動(dòng)和噪聲已成為國(guó)際公認(rèn)的七大環(huán)境公害之一［1］。該問(wèn)題逐漸成為環(huán)境影響評(píng)價(jià)中的關(guān)鍵因素。對(duì)振動(dòng)源強(qiáng)的研究可提高環(huán)境振動(dòng)影響預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性。

杜蘊(yùn)慧等［2］通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)源強(qiáng)的取值在實(shí)際工作中仍存在許多問(wèn)題亟待解決，并提出相關(guān)建議。侯建鑫等［3］對(duì)北京市和其他城市地鐵環(huán)境振動(dòng)現(xiàn)狀進(jìn)行大規(guī)模實(shí)測(cè)，總結(jié)出北京市地鐵振動(dòng)源強(qiáng)及傳播特性，提出地鐵振動(dòng)影響范圍及地鐵埋深的建議。張凌等［4］對(duì)南昌地鐵1 號(hào)線(xiàn)隧道振動(dòng)源強(qiáng)進(jìn)行測(cè)試，分析了隧道壁不同高度對(duì)振動(dòng)源強(qiáng)及鋼彈簧浮置板減振量評(píng)價(jià)的影響。

地鐵列車(chē)運(yùn)行誘發(fā)振動(dòng)是由車(chē)輛輪對(duì)和鋼軌的相互作用引起的。振動(dòng)源強(qiáng)的影響因素包括列車(chē)參數(shù)、軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)、隧道參數(shù)、周?chē)馏w阻抗等。不同型號(hào)列車(chē)的車(chē)體、轉(zhuǎn)向架和簧下質(zhì)量分布不同，列車(chē)速度不同，鋼軌不平順和粗糙程度不同，軌道結(jié)構(gòu)阻抗和隧道-土層阻抗特性，都會(huì)影響地鐵列車(chē)振動(dòng)源強(qiáng)的時(shí)域和頻率特性［5］。所以對(duì)地鐵振動(dòng)源強(qiáng)的監(jiān)測(cè)應(yīng)按照不同邊界條件分類(lèi)進(jìn)行，在地鐵運(yùn)行期間，天窗時(shí)間布置測(cè)量?jī)x器均需要一定的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)積累和安全保障。目前對(duì)地鐵振動(dòng)的測(cè)試多為短時(shí)臨時(shí)測(cè)試。伴隨車(chē)輛和軌道線(xiàn)路狀態(tài)隨時(shí)間的變化，振動(dòng)源強(qiáng)特性也會(huì)不斷變化，所以對(duì)振動(dòng)源強(qiáng)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)非常必要。

本文基于NI cRIO 硬件和SystemLink 軟件架構(gòu)，搭建分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)上海地鐵某線(xiàn)路隧道振動(dòng)源強(qiáng)進(jìn)行長(zhǎng)期在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。采用不同頻率計(jì)權(quán)曲線(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)振源振動(dòng)加速度進(jìn)行振級(jí)計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析，為地鐵環(huán)境振動(dòng)影響預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)中的源強(qiáng)研究和在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)提供參考。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)總體需求

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的部署需要綜合考慮軌道交通的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，確保其長(zhǎng)期安全穩(wěn)定地運(yùn)行。采集終端獲取傳感器的數(shù)據(jù)后對(duì)數(shù)據(jù)作運(yùn)算和處理，比如觸發(fā)判斷、濾波、特征值計(jì)算、文件存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)通信等工作，從而快速得到有用信息，降低網(wǎng)絡(luò)傳輸和中央處理單元的負(fù)擔(dān)。采集終端可以獲取軌道狀態(tài)監(jiān)測(cè)所需的各種信息，連接多種傳感器，并具有很好的擴(kuò)展性，為后期增加功能留有空間。監(jiān)測(cè)設(shè)備應(yīng)易于部署和維護(hù)，且有較高的性?xún)r(jià)比。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

該系統(tǒng)基于National Instruments 公司提供的軟硬件平臺(tái)而開(kāi)發(fā)，其中位于軌旁測(cè)點(diǎn)處的采集終端基于CompactRIO 嵌入式平臺(tái)搭建，核心數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)基于SystemLink 產(chǎn)品搭建。系統(tǒng)具備了長(zhǎng)期可靠、便于擴(kuò)展維護(hù)、邊緣計(jì)算結(jié)合集中處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)完整性和分享開(kāi)放性等特點(diǎn)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

采集終端的核心是CompactRIO，它負(fù)責(zé)傳感器供電、信號(hào)采集和處理、接入Internet把數(shù)據(jù)傳回服務(wù)器。同時(shí)考慮到現(xiàn)場(chǎng)的使用環(huán)境，選擇具有一定防護(hù)等級(jí)的機(jī)箱封裝，并對(duì)外提供電源和信號(hào)接口。

1.3 軟件構(gòu)架

采集終端統(tǒng)一的軟件架構(gòu)可以使上位機(jī)能通過(guò)一致的接口與其交互命令、狀態(tài)和數(shù)據(jù)，方便用戶(hù)使用；也可以極大地提高代碼的重用性，使所有終端使用同一套代碼。不同的終端僅在FPGA 程序和配置文件信息上有所區(qū)別，方便開(kāi)發(fā)人員維護(hù)代碼。

基于CompactRIO 的CPU 和FPGA 雙處理器的架構(gòu)，軟件也分為FPGA 模塊和實(shí)時(shí)模塊兩部分。根據(jù)FPGA 和實(shí)時(shí)控制器的處理特性不同，模塊控制和數(shù)據(jù)采集的任務(wù)放置在FPGA 上，同時(shí)把門(mén)限觸發(fā)的判斷工作也放在FPGA上。

實(shí)時(shí)控制器有操作系統(tǒng)和CPU，數(shù)據(jù)處理、文件記錄、網(wǎng)絡(luò)通信、狀態(tài)記錄等工作放在實(shí)時(shí)控制器上編程實(shí)現(xiàn)。軟件的功能模塊組成如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件功能模塊組成

設(shè)備加電后會(huì)讀取配置文件，載入采集任務(wù)的參數(shù)，包括靈敏度、采樣率、觸發(fā)條件等，同時(shí)啟動(dòng)日志、網(wǎng)絡(luò)通信等線(xiàn)程任務(wù)。

啟動(dòng)采集任務(wù)，在指定通道上實(shí)時(shí)判決觸發(fā)條件。一旦滿(mǎn)足觸發(fā)條件，文件開(kāi)始記錄，記錄包含觸發(fā)前10 s 已經(jīng)放在內(nèi)存緩沖里的信息，到觸發(fā)后30 s文件記錄停止。在記錄過(guò)程中，計(jì)算采集物理量的特征值。特征值會(huì)寫(xiě)入文件，并寫(xiě)入SystemLink 服務(wù)器的Tag中。文件生成后上傳至SystemLink服務(wù)器。

用戶(hù)可以隨時(shí)使用遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)查看工具連接采集終端，查看實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)。必要時(shí)可以使用主動(dòng)軟件觸發(fā)控制采集終端記錄數(shù)據(jù)，上傳至SystemLink 服務(wù)器。

1.4 現(xiàn)場(chǎng)安裝與調(diào)試

選擇上海某線(xiàn)路區(qū)間進(jìn)行振源在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，該線(xiàn)路車(chē)輛為國(guó)標(biāo)A 型車(chē)，通過(guò)速度為勻速60 km∕h，軌道結(jié)構(gòu)形式為某特殊減振軌道。該監(jiān)測(cè)設(shè)備采用無(wú)人值守智能化采集系統(tǒng)，根據(jù)預(yù)設(shè)置程序自動(dòng)判斷、自動(dòng)采集、自動(dòng)儲(chǔ)存信號(hào)，不會(huì)對(duì)行車(chē)信號(hào)造成干擾。

數(shù)據(jù)采集設(shè)備和傳感器及連接的通信線(xiàn)纜安裝須牢固，安裝后設(shè)備不得侵限。圖3 為儀器設(shè)備箱在隧道壁的安裝位置，采集設(shè)備均在設(shè)備限界之外，距離宜大于0.5 m。采集箱的尺寸為30 cm × 40 cm ×20 cm，厚度為20 cm，安裝于電纜支架下方，軌頂面上方1.5 m 左右管片中部，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)適當(dāng)調(diào)整。安裝固定方式為膨脹螺栓，并配有專(zhuān)用鑰匙開(kāi)關(guān)，安裝完成后工作狀態(tài)為牢固鎖閉。傳感器安裝在金屬質(zhì)量塊上（圖4），質(zhì)量塊粘貼在隧道壁上，且與隧道壁接觸面完全貼合。

圖3 采集箱安裝位置

圖4 隧道壁振動(dòng)源強(qiáng)測(cè)點(diǎn)

2 數(shù)據(jù)采集和統(tǒng)計(jì)分析

該系統(tǒng)安全正常運(yùn)行，采集得到通過(guò)測(cè)試斷面的全部列車(chē)誘發(fā)的隧道壁振動(dòng)信號(hào)。對(duì)測(cè)得的隧道壁振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行頻譜分析和振級(jí)計(jì)算。列車(chē)通過(guò)時(shí)，隧道壁振動(dòng)加速度典型樣本時(shí)程曲線(xiàn)見(jiàn)圖5（a），1∕3倍頻程頻率分布曲線(xiàn)見(jiàn)圖5（b）。

圖5 隧道壁振動(dòng)典型時(shí)程曲線(xiàn)及1∕3倍頻程頻率分布

選取某一天的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行全樣本分析，通過(guò)車(chē)輛樣本總數(shù)為258。振源最大振級(jí)的分布見(jiàn)圖6。

圖6 振源最大振級(jí)分布

表1 振源最大振級(jí)VLzmax統(tǒng)計(jì) dB

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織在1985 年的規(guī)范ISO 2631?1 中提出W頻率計(jì)權(quán)曲線(xiàn)［6］；在1997 年重新修訂了ISO 2631?1，提出了新的計(jì)權(quán)Wk曲線(xiàn)［7］。目前我國(guó)同時(shí)采用這兩種計(jì)權(quán)曲線(xiàn)進(jìn)行振級(jí)的計(jì)算，其中沿用W曲線(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)有GB 10070—88《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》和HJ 453—2018《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 城市軌道交通》。采用Wk曲線(xiàn)進(jìn)行鉛垂向Z振級(jí)計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)有JGJ∕T 170—2009《城市軌道交通引起建筑物振動(dòng)與二次輻射噪聲限值及其測(cè)量方法標(biāo)準(zhǔn)》。為了評(píng)價(jià)不同頻率計(jì)權(quán)曲線(xiàn)對(duì)地鐵振源振級(jí)計(jì)算的影響，采用兩種不同計(jì)權(quán)曲線(xiàn)對(duì)振源振動(dòng)進(jìn)行計(jì)算［8］。圖7 為振級(jí)差值箱線(xiàn)圖。

圖7 振級(jí)差值箱線(xiàn)圖

從圖7 可知，振級(jí)差中位數(shù)為3.17 dB，箱子兩側(cè)的虛線(xiàn)長(zhǎng)度近似相等，總體分布呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)性。對(duì)當(dāng)天的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行全樣本分析得到，對(duì)于同一振動(dòng)源采用新的頻率計(jì)權(quán)后，振級(jí)增加2.69～3.68 dB，振級(jí)的加權(quán)平均增加量約為3.2 dB。

為研究振源振動(dòng)特性隨時(shí)間的變化規(guī)律，并考慮每天不同時(shí)段振源振級(jí)的分布情況，每隔1 個(gè)月選擇1 d 的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。統(tǒng)計(jì)得到高峰、平峰各時(shí)段的多次列車(chē)通過(guò)時(shí)振源最大振級(jí)的平均值，表1列出了振源最大振級(jí)的分布情況，可見(jiàn)振級(jí)量值約為71 dB。

3 結(jié)論與建議

本文介紹了地鐵振動(dòng)源強(qiáng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、部署和運(yùn)行實(shí)踐，初步驗(yàn)證了基于NI CompactRIO 和SystemLink 設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，從功能和性能上可以滿(mǎn)足軌道交通振源監(jiān)測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)部署需求，同時(shí)具有很好的可靠性、擴(kuò)展性。

在文中監(jiān)測(cè)點(diǎn)位邊界條件下，振源振級(jí)量值約為71 dB。對(duì)于同一振動(dòng)源振動(dòng)監(jiān)測(cè)，與采用W計(jì)權(quán)曲線(xiàn)相比，Wk計(jì)權(quán)振級(jí)平均增加量約為3.2 dB。

對(duì)地鐵振動(dòng)振源特性的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，需要考慮不同邊界條件的影響。有必要建立振源數(shù)據(jù)庫(kù)，為環(huán)境影響評(píng)價(jià)中的振動(dòng)預(yù)測(cè)提供數(shù)據(jù)支撐和科學(xué)依據(jù)。