方案，如德国Sperling平稳性指标、日本的舒适度曲线和法国的疲劳时间法等。ISO和UIC也分别制定了相应的铁路标准[1]，用于平稳性指标的判别。国内高校和科研院所，在舒适度与平稳性测试仪的研制方面也做出了很多尝试。北京交通大学研制了基于ARM和嵌入式Linux操作系统的铁道平稳性测试系统[2，3]；西南交通大学[4，5]以虚拟仪器、单片机和DSP处理器对平稳性测试仪进行了研究；铁道部科学研究院[6]研制了三维加速度及平稳性指标仪，采用DSP技术实时计算平稳性指标。通过分析国内研究可以发现，早期舒适性与平稳性测试仪以虚拟仪器为计算核心，以计算机为载体，可以满足数据分析与处理的要求，但灵活性不足，体积稍显庞大。随着科技的发展和LabVIEW软件的蓬勃发展，基于LabVIEW设计平稳性测量系统，灵活性好，便于携带，稳定性高，成本低。该系统可进行加速度的检测与评价，实时监控列车运行及平稳性状态。
1 测量平稳性设计原理
整个测试系统包括振动加速度测量模块、数据采集处理模块及地面数据处理模块。测试系统的核心部分是数据采集和处理装置，其作用是获得信号并显示具体振动值，同时进一步进行频谱分析、显示平稳性指标，主要实现以下几方面功能。①数据采集功能，系统可以随时采集振动加速度信息，然后在系统前面板进行显示；②数据处理功能，对振动数据进行频谱分析，快速傅里叶变换，转变成平稳性指标；③存储功能，把所采集的振动数据和每个时间段平稳性指标存储起来。分析流程如图1所示。
图1 分析流程图
通过生产-消费者模式将测定的振动幅值及Sperling指标读出，进行下一步分析。生产者/消费者设计模式采用队列数据存储方式。队列能很好地消除竞争状态关系，并实现数据的同步传输，还具有数据缓冲区，可存储多份数据并保证数据不会丢失或被覆盖[7]。队列数据存储实际是开辟一个缓存区，依据先进先出的原则，保证生产循环中产生的数据通过队列的方式顺利传递到消费者循环中，从而实现生产者循环与消费者循环之间的通信[8]。在该设计中建立生产-消费者模式，将数据采集和数据处理分配给两个并行循环完成，在生产者循环中完成加速度的测量，消费者循环中完成感觉滤波器设计、数据处理及傅里叶变换。LabVIEW中的生产模式程序框图如图2所示，消费者程序框图如图3所示，前面板图如图4所示。该设计进行加速度实时记录与测量，并实时给出相应的平稳性指标Sperling指数。测量车辆运行时的垂向或横向振动，并显示出相应Sperling指标，用以评价车辆运行平稳性。
图2 LabVIEW生产模式图
图3 LabVIEW消费者模式图
图4 生产者-消费者模式前面板图
2 感觉滤波器的设计
用于横向舒适性评估的权重函数[9]为：
[Bw=0.737[1.911f2+（0.25f2）2（1-0.277f2）2+（1.563f-0.036 8f3）2]0.5] （1）
用于垂向舒适性评估的权重函数为：
[Bs=0.588[1.911f2+（0.25f2）2（1-0.277f2）2+（1.563f-0.036 8f3）2]0.5] （2）
根据连续单一权重函数和时域积分算法得出横向和垂直平稳性指标计算公式，其中横向平稳性指标计算公式为式（3）或式（4）：
[Wz=（1Ttt+Ta3B3wdt）0.1] （3）
[Wz=（1Ttt+Ta2B2wdt）16.67] （4）
垂向平穩性指标计算公式为式（5）或式（6）：
[Wz=（1Ttt+Ta3B3sdt）0.1] （5）
[Wz=（1Ttt+Ta2B2sdt）1/6.67] （6）
此时，加速度a的自变量为时间，即[a=at]。采用时域算法计算平稳性能为数据处理和分析提供便利，便于程序的编制，依据国标规定的数据长度进行平稳性分析。根据式（1）和式（2）权重函数设计相应的数字滤波器，运用式（3）至式（6）在时域内积分计算可以免除频域算法的FFT变换过程。
在感觉滤波器的一般性评价指标中，通常都需要对车体振动响应信号进行相应的滤波处理，滤波特性是根据乘客舒适度感觉设计的。对于Sperling指标，可依据式（1）和式（2）的[Bw]、[Bs]转换成横向及垂向感觉滤波器，取双线性z变换到z域下的频率计权滤波器，[T=1/Fs]，[Fs]为采样频率，经规格化得到z域下的频率计权滤波器。利用MATLAB中函数[numd，dend]=bitinear（num，den，Fs）直接求出双线性z变换的结果，即得到横向或垂向平稳性的前向系数和反向系数，横向平稳性的前向系数为[0.058 6，-0.051，-0.058 6，0.051]，后向系数为[1，-2.808 7，2.641 2，-0.832 1]，垂向平稳性的前向系数为[0.046 2，-0.040 1，-0.046 2，0.040 1]，后向系数为[1，-2.808 7，2.641 2，-0.832 1]，并将其输入到上面建立的消费者模式中[10]。
3 横向平稳性测试
用502胶水安装压变式加速度传感器，分别在运行速度为30、40、50km/h时测量往返Sperling指数[11]。速度测试方法分为人工定位法、测轮周法和GPS法。本文选用人工定位法，当车速达到一定速度时，便按下记录键进行记录。测量数据利用LabVIEW读文件程序打开：30km/h的测量前面板如图5所示，时域图如图6（a），频域图如图6（b），40km/h及50km/h如图7和图8所示。
图5 30km/h的测量前面板图
（a） 30km/h加速度时域图
（b） 30km/h加速度频域图
图6 30km/h加速度时域图和频域图
（a） 40km/h加速度时域图
（b） 40km/h加速度频域图
图7 40km/h加速度时域图和频域图
（a） 50km/h加速度时域图
（b） 50km/h加速度频域图
图8 50km/h加速度时域图和频域图
从测量的各速度条件下的加速度频域图可以看出，启动和制动时的振动波动较大，30km/h时制动的频率值为3.1Hz；40km/h时制动的最大频率值为3.6Hz，启动时也达到了3.4Hz左右；50km/h时制动的最大频率值达到4.3Hz，启动为4.8Hz。随着速度的增加，启动和制动频率也不断增加，40km/h时的频率值更为密集，振动频率很高[12]。
4 垂向平稳性测试
垂向数据采集后，在LabVIEW读文件中打开，30km/h的测量图前面板图如图9，时域图如图10（a），频域图如图10（b）；40km/h时域图如图11（a）所示，频域图如图11（b）所示，50km/h时域图如图12（a）所示，频域图如图12（b）所示。
图9 30km/h的测量前面板图
（a） 30km/h加速度时域图
（b） 30km/h加速度频域图
图10 30km/h加速度时域图和频域图
（a） 40km/h加速度时域图
（b） 40km/h加速度频域图
图11 40km/h加速度时域图和频域图
（a） 50km/h加速度时域图
（b） 50km/h加速度频域图
图12 50km/h加速度时域图和频域图
从测量的各速度条件下的加速度频域图可以看出，启动和制动时的振动波动较大，30km/h时制动的频率值达到5Hz；40km/h时制动的最大频率值达到7.9Hz，并在启动时也达到了8.2Hz左右；50km/h时制动的最大频率值达到8.2Hz，并在启动时也达到了15.6Hz左右。随着速度的增加，各启动和制动频率也不断增加，垂向振动的频率平均峰值却都小于横向振动的频率。车体的横向振动频率高于垂向振动频率。
5 测试数据及结论分析
由试验得到的横向Sperling指数值和垂向Sperling指数值绘制不同速度下的Sperling值的变化，横向平均Sperling值对比如图13所示，垂向平均Sperling值对比如图14所示；根据《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》（GB5599—1985）得出客车运行平稳性等级如表1所示。
图13 横向Sperling指数值
图14 垂向Sperling指数值
表1 车辆平稳性指标
[等级评价平稳性指标客车机车货车1优<2.50<2.75<3.502良2.50～2.752.75～3.103.50～4.003合格2.75～3.003.1～3.454.00～4.25]
从试验结果可以看出，车体的垂向不稳定性低于横向不稳定性，随着速度的增加，Sperling指数也在增加。结合《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》（GB 5599—1985），可以得到本列车的平稳性指标为優。而人体对2Hz左右的水平振动很敏感，而对垂直振动4～8Hz最敏感。从测量的频谱图可以看出，在车辆启动和制动时，我们能明显的感觉到车体的垂向振动，对横向振动的感觉不是很明显。
6 结语
感觉滤波器的设计使平稳性测量更准确，生产-消费者模式不仅使并行循环方便传输数据，并大幅提高了程序的运行效率，也提高了程序的维护性与复用性。通过车体加速度采集及Sperling指数的测量，阐明生产-消费者模式在LabVIEW软件中的实现与应用，证明了在多任务处理和实时性、连续性要求严格的程序设计中，生产-消费者模式具有一定的优势。随着速度的增长，Sperling指数随之增加，本列车的横向Sperling最大值为2.222，垂向Sperling最大值为2.427。本列车的舒适性为优，同时在车辆的启动和制动时，车辆振动剧烈。车辆运行时的横向振动频率高于垂向振动频率。
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