客运专线隧道空气动力学实车测试技术的研究与应用
韩 锟，田红旗
(中南大学 轨道交通安全教育部重点实验室，湖南 长沙 410075)
摘 要：研究客运专线列车高速通过隧道时诱发的空气动力效应的实车测试技术。针对实车测试工作要求，提出采用PC-DAQ结构作为测试系统基本结构，以传感器、数据采集卡和PC机构成系统硬件平台，用虚拟仪器技术设计系统软件，设计和实现遂渝线隧道空气动力学实车测试系统。通过分析实车测试工况下车体表面压力波的数值计算结果，估计被测空气压力波的频率范围，确定测试系统合理采样频率可设置为300~500 Hz。在遂渝线200 km/h提速综合试验中的应用结果表明，该测试系统能够满足客运专线隧道空气动力学实车测试的需要，检测方法灵活、快速，测试结果准确、可靠；时速200 km动车组经过松林堡隧道时，产生的空气压力波具有的最高频率低于100 Hz。
关键词：客运专线；隧道；空气动力效应；空气压力波；虚拟仪器；实车测试
中图分类号：TP274.2；U270.11 文献标识码：A 文章编号：1672-7207(2007)02-0326-07
Research and application of testing technology of aerodynamics
at train-tunnel entry on special passenger railway lines
HAN Kun, TIAN Hong-qi
(Key Laboratory for Track Traffic Safety of Ministry of Education, Central South University, Changsha 410075, China)
Abstract: The testing technology of aerodynamic effects occurring when train travels at high speed in tunnels on special passenger railway lines was studied. According to the requirements of full scale test, PC-DAQ structure was adopted. The hardware platform of test system consists of pressure sensors, data acquisition board and PC, its software was designed by using virtual instrument technique. An aerodynamic test system of real train passing through tunnels was designed. The air pressure wave on the surface of train body in full-scale-test working state was calculated by numerical simulation computing, the frequency range of air pressure wave was estimated, and as a conclusion, the reasonable sampling frequency can be set in the range from 300 to 500 Hz. The application of this test system in the comprehensive experiment of 200 km/h train on Suining-Chongqing railway line shows that the aerodynamic test system can meet the practical requirements of full-scale test on special passenger railway lines. The measuring method is flexible and fast, and the results are accurate and reliable. The maximal frequency of the air pressure wave caused by trains passing through Songlinpu tunnel at a speed of 200 km/s is less than 100 Hz.
Key words: special passenger railway line; tunnel; aerodynamic effect; air pressure wave; virtual instrument; full-scale test
列车头部和尾部进出隧道口时，前方和尾部的空气压力会产生较大变化[1]，由于隧道壁面限制了空气的流动，此压力变化将以音速沿隧道传播[2]，在隧道内形成复杂的波系，引起一系列空气动力效应，严重影响旅客的乘坐舒适性，还将使列车风速增大、列车运行空气阻力增加，并在隧道出口产生微气压波，威胁行车安全，污染周边环境。这些不利影响在列车高速运行时更为突出。因此，隧道空气动力效应是高速铁路隧道与高速列车设计中必须解决的关键技术问题，也是有线隧道能否适应列车提速要求所必须考虑的重要问题[3]。实车试验是研究隧道空气动力效应的重要手段，其结果能真实反映列车运行时的空气动力性能，可为检验其他模拟实验和数值模拟计算的准确性提供依据[4]。但是，实车试验现场环境复杂，可利用空间受到限制，干扰源多且不确定，测点多且相对分散，测试难度大，要求实车测试系统具有结构简单、体积小、可靠性高、抗干扰能力强、可扩展性强以及参数调整方便灵活等特点。在此，本文作者阐述了客运专线隧道空气动力学实车测试关键技术，对测试系统的合理组成、采样频率的正确设置进行分析。该测试系统在遂渝线第6次提速综合试验中的成功应用表明，采用本方法设计的测试系统能够满足客运专线隧道空气动力学实车试验的需要，测试结果准确、可靠。
1 隧道空气动力学实车测试关键技术
1.1 实车测试系统的工作要求
根据实车试验的需要，测试系统必须满足以下要求。
a. 测试系统模拟信号采集通道数≥32，并可进行多通道连续采样。
b. 测试系统A/D采样分辨率≥12位，采用低漂移、高共模抑制比的前置放大器，其共模抑制比(CMRR)≥110 dB，系统综合精度≤0.5%。
c. 测试系统要具有一定的通用性，能同时满足隧道内壁、列车室内和表面空气动力效应参数的测量，便于灵活调整下述测试参数：模拟信号采集通道数可选，各通道放大倍数在1~10 000内可调；单通道采样频率1 Hz~25 kHz内可选，支持软件触发和外部脉冲上升沿(或下降沿)触发2种采样触发方式；数据存储长度可选。
d. 具有列车速度、里程测量等辅助功能。
e. 测试软件能实现采样数据实时显示、保存以及数据回放、分析等功能。
1.2 对列车通过隧道时形成的压力波频带的正确 估计
列车通过隧道时形成的压力波是实车试验的主要被测量对象，试验前必须通过可靠的理论计算正确估计其频带分布，为合理配置采样参数、选择采样频率提供依据。
根据遂渝线实车试验的具体对象，对长白山号动车组和松林堡隧道建模，采用Fluent流场计算软件进行空气压力变化仿真计算，计算工况为：长白山号动车组以200 km/h速度通过松林堡隧道，测点位于司机室侧窗外壁。得到的压力变化波形及其频谱如图1所示。
(a) 车体表面空气压力波仿真结果；
(b) 车体表面空气压力波仿真结果
图1 长白山号动车组车体外表面空气压力变化及其频谱的仿真计算结果
Fig.1 Numerical simulation computing result and its spectrum of air pressure wave on surface of Changbaishan high-speed train
仿真计算结果表明，上述工况下空气压力变化的主要频率成分分布在0~2.5 Hz，由此可以初步估计被测空气压力波上限频率为fmax ≈2.5 Hz。但是，不能仅按上限频率2.5 Hz来设置测试系统采样频率，因为列车运行时，外界的风力风向、线路不平顺等因素导致的列车振动会影响传感器周围的流场，形成较高频的气流扰动叠加在被测压力波上，使实际压力波信号的上限频率高于计算值。另外，压力波信号在传输、放大的过程中可能会混入工频50 Hz或更高频率的干扰信号。根据采样定理，采样频率不能低于压力波信号中最高频率的2倍，否则频率分量大于0.5倍采样频率的高频成分采样时会被转换成虚假的低频成分叠加到原低频成分的波形上，造成混叠，后续的数字滤波将无法处理这种前期混叠问题[5]。
有2种方法可防止混叠现象的发生：一是提高采样频率，如文献[6]中设计的列车-三维动模型测试系统的采样频率为33 kHz[6]；二是采用抗混叠滤波器滤去信号中不需要的高频成分后再进行采样。实际上，提高采样频率会使数据量增加，频率分辨率下降，而滤波器又都不具有在截止频率处的垂直截止特性，不足以将稍高于截止频率的频率分量衰减掉[7]。因此，合理的方式是将上述2种方法联合使用，即先经抗混叠低通滤波器滤波后，再以3~5倍于低通截止频率的采样频率进行采样。
由于实际压力波信号的上限频率高于计算值，抗混叠滤波器的低通截止频率必须高于计算值，否则可能将信号中的有效成分滤掉，但若截止频率设置过高，会使采样频率大幅提高。故将滤波器低通截止频率设为100 Hz，既保证压力波信号中的有效频率成分通过滤波器后仍保留相当余量，又使得采样频率不至太高，可设为300~500 Hz。
1.3 动态压力传感器的选型与外形设计
动态压力传感器用来检测列车通过隧道过程中的空气压力变化。该压力变化的梯度很大。文献[8]中的数值仿真计算表明，列车以270 km/h的速度进入断面面积为63.4 m2、长度为500 m的隧道时，在列车头部距隧道入口100 m处，空气压力变化值达2.6 kPa，而经历时间仅为1 s；在列车尾部到达隧道出口处，产生的压力变化为1.33 kPa/s[8]。大的压力变化梯度要求传感器具有高的动态响应速度。另外，在实车试验中，传感器必须安装在车体侧墙外壁以检测车体外表面的空气压力波，为尽量减小它对车体表面流场的干扰，必须对传感器的体积、外形、引线布置等进行特殊设计。
根据以上分析，选择美国库利特公司生产的高性能压阻式压力传感器作为压力测量元件，并将其封装在厚度为5 mm的球冠形整流罩内，以减小对车体表面流场的干扰；为方便安装，将其引线从侧面引出。传感器外形如图2所示，它具有灵敏度高、响应速度快、动态测量范围宽、精度高(可达0.1%)、体积小等特点，能满足实车测试的需要。
(a) 正视图; (b) 侧视图
图2 动态压力传感器外形图
Fig.2 Shape of dynamic pressure sensor
2 测试系统基本结构与功能实现
2.1 系统基本结构
组织一次实车试验需耗费大量人力和物力，且影响正常行车秩序，再由于受时间和空间的限制，可重复进行试验的次数有限，因此要求测试系统必须具有高可靠性，以便每次试验都能获得准确、有效的数据，这就要求测试系统要有简单、集成度高的硬件系统和功能强大的软件系统。为此，测试系统采用PC-DAQ式结构，以数据采集板、信号调理电路及计算机为硬件平台，由软件构成虚拟仪器来确定系统功能[9]，其基本结构如图3所示。该系统以计算机为中心，在软件的支持下集成多种虚拟仪器的功能，能对多点、多种随时间变化的参量(主要是瞬态压力信号)进行动态在线实时测量，并能快速进行信号分析处理，有效排除噪声干扰，消除偶然误差，修正系统误差，实现测量结果的高准确度和对被测信号的高分辨能力。
图3 实车测试系统结构框图
Fig.3 Structure of full-scale test system
2.2 系统硬件结构
2.2.1 系统数据通道
系统数据通道包括模拟量输入通道和数字量输入通道，模拟量输入通道是将动态压力传感器及其他传感器输出的模拟信号送到计算机数据总线上的数据通道，数字量输入通道是将速度传感器输出的脉冲信号送入计数器的通道。根据测试系统工作要求，选用AC6111多功能卡作为数据采集的基本硬件。该卡采用PCI总线，除具有12位A/D转换器、16路模拟输入通道外，还内置了1个16位减法计数器和1个16位定时器，能在数据采集同时实现列车速度和里程实时测量，且支持软件或外部硬件触发采样，单通道最高采样频率400 kHz。系统数据通道的硬件结构如图4所示。
图4 系统数据通道结构框图
Fig.4 Structure of data transmission channels
动态压力传感器将被测压力信号转换为毫伏级电压信号，经放大器放大为符合数据采集板要求的输入信号。为避免采样时发生频率混叠，信号送入采集板进行模数转换前要经过低通滤波器进行抗混叠滤波。为减少硬件设备，测试系统选择带有输出滤波器的多通道应变放大器来完成多路压力信号的放大和滤波。调理后的多路压力信号通过采集板的模拟输入通道经多路开关被分时送入内置采样保持器的A/D转换器进行模数转换。为了在高速不间断采样的同时仍能进行其它操作，AC6111的驱动使用中断及虚拟软件采集方式。当AC6111板载4 K字FIFO半满时产生中断，驱动程序响应中断，将2 048个采样点写入内核层中提供的约2 M字节的缓冲空间。由于在内核中使用了中断方式，其优先级别高于其他操作，因此，可保证采样数据完整地进入ring0层的缓冲空间，这样，2 M的缓冲空间最少可提供约5 s的缓冲时间，用户应用程序只要在5 s内及时读取缓冲空间的数据，就可保证采样的连续性，同时还可进行其他如D/A，I/O和计数器等的操作。
2.2.2 测速系统
测速系统用于列车在试验线上运行时速度和里程的实时连续测量，便于进一步分析二者与相应时刻的动态压力波之间的关系。
设机车轮径为D，轮对每转动1圈，安装在其上的速度传感器输出的脉冲数为A，而在时间间隔T内计数的脉冲总数为M，则时间间隔T内机车速度v和行使的路程s可分别由下面2式计算得出：
根据式(2)，将所有时间间隔内的路程s进行累加，再加上列车出发时刻所在线路的里程初值，便可计算出列车行驶过程中所处位置的里程。
在实车试验中，车速信号可直接由进入机车速度表的速度信号分出一路得到，不必另外安装速度传感器，速度/里程测试系统主要由脉冲放大整形电路和计数器-定时器组成。使用AC6111板载的定时/计数器，可使系统的硬件设备进一步减少，并实现对压力波等模拟信号进行采样的同时实现速度里程的同步测量。速度脉冲放大整形电路如图5所示，电路中第1个集成运放OP07和电阻R1，R2和R3构成同相比例运算电路，进行信号放大，放大倍数可通过反馈电阻R2进行调整。放大后的速度信号经由第2个运放构成的反相电压比较器，经施密特触发器74HC14整形，转换成计数器要求的TTL电平脉冲信号。
图5 脉冲放大整形电路
Fig.5 Impulse rectifying and amplifying circuit
2.3 基于虚拟仪器技术及LabVIEW的智能测试软件
实车测试系统软件基于虚拟仪器技术设计，由数据采集与数据处理两大功能模块组成，采用美国国家仪器公司(National Instruments，NI)推出的编译型图形化编程语言LabVIEW开发，用软件实现传统仪器数据采集、存储、显示、分析的功能。数据采集模块主要完成对系统硬件的驱动、控制，数据的采集、实时显示、存储，以及速度、里程的测量；数据分析模块主要完成试验数据的回放、统计参数分析等功能。
2.3.1 LabVIEW环境下对AC6111采集板的驱动和控制的实现
利用LabVIEW提供的Call Library Function(CLF)节点来访问AC6111在Windows下的驱动程序动态链接库(DLL)以实现对它的驱动和控制。
2.3.2 空气压力波与速度、里程同时测量的实现
利用LabVIEW的并行机制可实现多个数据通道同步运行，程序的执行次序受数据流的控制，而不像文本程序受到顺序执行的约束[10]。因此，在软件中利用3个并行的While Loop结构便可方便地实现压力波数据采集与速度、里程测量的同步进行。
2.3.3 实车测试系统的数据存储方式
列车在试验线上运行，可能经过多个隧道，且经过隧道的时间不能确定，为保证试验全程的数据能可靠的保存，本文作者提出一种“负延时”存盘的策略，即系统允许在列车通过隧道后的时刻t进行数据存盘操作，测试系统能够存储从(t-?t)时刻至t时刻之间的数据，其中?t的值可通过软件设置。
2.4 系统抗干扰措施
实车测试现场动力线路集中，设备启停运转繁忙，受电弓升降、晶闸管调压、变频设备、大型变压器、电动机等都是干扰源。这些干扰源既能以电磁场的方式作用到测试系统上，又能通过电源侵入计算机系统造成干扰，必须采取有效的抗干扰措施，才能保证整个测试系统可靠地工作。
对于电源干扰，采用在线式UPS(Uninterruptible power system)供电方式抑制。在线式UPS首先将交流电变成直流电，再进行脉宽调制、滤波，后又将直流电逆变成交流电向系统供电，经UPS逆变的输出电压非常稳定、干净，能有效隔离试验车上供电电源的各种干扰污染。
对于实车测试现场的电磁场耦合干扰，主要采取屏蔽和接地措施来抑制。多路模拟信号采用屏蔽线接至应变放大器的输入端。屏蔽线的屏蔽层与放大器零位相接，还与放大器屏蔽罩相连，这样屏蔽电位与放大器输入回路地电位相等，此种接法对小信号测量放大器具有较好的屏蔽效果[11]。经放大和滤波后的信号用同轴电缆接入数据采集板的模拟输入通道，同轴电缆的屏蔽层兼作地线。由于被测信号频率在1 MHz内，属低频范围，故采用一点接地[12]，接地点选在采集板模入接口的模拟地上，并将系统所有模拟电路的地线并联于该点，然后用1根具有绝缘皮的低阻抗导线，将模拟地连接至大地。
3 结果及分析
在遂渝线第6次提速综合试验中，采用本方法设计的隧道空气动力学实车测试系统成功完成了列车通过隧道时对隧道壁面和列车室内外空气压力变化的测量。图6所示为长白山号动车组以200 km/h的速度通过松林堡隧道时，车内和车体表面测点测得的空气压力波的波形。在测试过程中，抗混叠低通滤波器的截止频率为100 Hz，采样频率为500 Hz。
对图6中的波形进行频谱分析，得到其频谱，结果如图7所示。从图7(b)可知，车体外表面的空气压力波信号的上限频率约为20 Hz，小于抗混叠滤波器的低通截止频率100 Hz，信号中的有效频率成分能顺利通过滤波器，且还有一定的余量，验证了将滤波器低通截止频率设为100 Hz的合理性。
(a) 车内测点；(b) 车体表面测点
图6 长白山号动车组以200 km/h的速度通过松林堡隧道时车内、车体表面空气压力波
Fig.6 Air pressure wave inside Changbaishan high-speed train and on surface of it when train passed through onglinpu tunnel at speed of 200 km/h
(a) 车内测点压力波频谱; (b) 车体表面测点压力波频谱
图7 长白山号动车组以200 km/h的速度通过松林堡隧道时车内、车体表面空气压力波频谱
Fig.7 Spectrum of air pressure wave inside Changbaishan high-speed train and on surface of it when train passed through Songlinpu tunnel at speed of 200 km/h
4 结 论
a. 采用本方法设计的隧道空气动力学实车测试系统，界面友好，易于操作，检测方法灵活、快速，可扩展性强，性价比高，测试结果准确、可靠，突破了传统仪器在数据实时处理、数据交换、显示、存储等方面的诸多限制，能够满足高速铁路隧道空气动力学实车测试的需要。
b. 采用虚拟仪器技术开发隧道空气动力学实车测试系统，仅需少量硬件支持，具有相当的优越性，它不仅使整个测试系统结构简单，还能通过虚拟仪器技术使系统的功能大大提升。
c. 采用“负延时”的数据存储策略，能有效保存数据，避免数据丢失。
d. 时速200 km动车组经过松林堡隧道时产生的空气压力波，其最高频率低于100 Hz，测试系统中抗混叠滤波器的低通截止频率设为100 Hz、采样频率设为300~500 Hz合理可行，既保证了对有效信号的不失真采集，又使得数据量适中，不会增加数据后处理的难度。此结论可供测试系统采样频率选择时参考。
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收稿日期：2006-08-10
基金项目：铁道部科技研究开发计划资助项目(2005G003)
作者简介：韩 锟(1977-)，女，湖北随州人，讲师，博士研究生，从事载运工具性能优化与智能测控技术的研究
通讯作者：韩 锟，女，博士研究生；电话：0731-2655345(O), 0731-2656370(H); E-mail: hkun@mail.csu.edu.cn
