高速铁路环境噪声自动监测系统设计

何财松，李晏良

(中国铁道科学研究院集团有限公司 节能环保劳卫研究所，北京 100081)

0 引言

从2008年京津城际高速铁路通车以来，我国高速铁路运营时间已经超过10年，并且基本建成了“四纵四横”的高铁网络。截至2017年底，我国高速铁路营业里程达到2.5万km[1]。与运营初期相比，部分线路的车内外噪声出现增大现象，针对既有动车组的型式试验和服役期噪声数据进行了大量的统计分析后[2-3]，发现既有数据存在较大的离散性和随机性，而且缺少与之同步的动车组运行状态数据，无法完全满足服役动车组噪声演变规律研究的需求，因此需要对高速铁路开展长期的噪声现场跟踪监测。

目前，我国高速铁路环境噪声测试[4-6]，主要采用的仪器设备为多通道数据采集仪+装有相应测试软件的笔记本电脑，每天测试前现场安装仪器设备，列车通过前开启测试软件，等待被测列车通过后，人工停止测试；然后根据列车速度，计算出列车通过时间，通过人工目视波形图的方式截取车头车尾数据，并对数据进行处理分析，读取Leq、Lmax、TEL等噪声指标数据。采用这种人工定期抽样监测的方法，不仅耗费大量的人力物力，而且噪声样本数亦无法满足系统分析高速铁路噪声变化的要求。因此，亟需研发适合高速铁路测试环境的噪声自动监测系统，采用实时、连续的方式对高速铁路噪声数据进行自动采集、分析、上报、存储、预警、展示等，以满足高速铁路服役期噪声自动监测的需求。

通过调研发现，在铁路噪声自动测试领域，特别是高速铁路车外噪声自动监测方面，目前还缺少运用的先例，但在城市噪声自动监测[7-8]和普速铁路安全监测方面[9]已经有一些类似的案例，如某城市以互联网为纽带，与云技术相结合，组建现场数据监测端到监控平台的城域网环境噪声自动监测系统，以及我国成熟的铁路车辆运行安全监控系统(5T系统)。

1 系统设计

既有的环境噪声测试仪器设备，无论是硬件还是软件系统，均无法满足高速铁路环境噪声自动监测的要求，特别是无法对每一趟通过列车进行车外噪声的自动采集、车型车号识别、车头车尾数据自动截取，以及对数据进行实时分析处理。所有数据采集、识别、分析，以及统计、报表、存储等工作无法实现自动化，必须人工操作完成。因此，基于服役动车组噪声演变规律研究的需求，开展高速铁路环境噪声自动监测系统的设计与研发工作，搭建高速铁路噪声自动监测系统，获得实时、持续的高速铁路噪声数据显得非常必要。

1.1 系统组成

高速铁路噪声自动监测系统，包括前端数据监测站和后端数据管理平台2个部分，整个系统能够实现高速铁路噪声、车速、车号、气象等数据的实时采集、处理、传输等数据监测功能，以及对数据的存储、查询、分析、预警、下载、展示等数据管理功能。高速铁路噪声自动监测系统组成如图1所示。

图1 高速铁路噪声自动监测系统组成

1.2 系统要求

高速铁路噪声自动监测站需要满足以下目标：①噪声数据采集满足《声学 轨道机车车辆发射噪声测量》(GB 5111—2011)和《Acoustics-Railway Applications-Measurement of Noise Emitted by Railbound Vehicles》(ISO 3095∶2013)标准的相关规定；②噪声数据采集与处理平台的性能满足一级设备的技术要求；③动车组速度测量范围为100～400 km/h；④自动识别通过动车组车型车号；⑤气象数据上报频次满足每分钟1次；⑥监测站具备数据传输功能，且传输速率不低于1 M/s；⑦动车组列车通过监测站后系统自动处理数据并上传至数据管理平台；⑧监测站具备自动供电功能，且能满足5 d阴雨天气的储能；⑨监测站具备自我防护功能；⑩监测站具备运行状态自检及故障报警功能；系统满足铁路电磁兼容标准。

高速铁路噪声数据管理平台需满足以下目标：①具备自动抓取监测站数据的功能；②具备数据存储、备份的功能；③具备数据查询、预警、展示、下载的功能；④具备自动统计报表功能；⑤具备安全防护功能。

2 前端数据监测站设计

高速铁路噪声自动监测站，包括数据处理、数据采集、数据远程传输、供电保障和安全防护模块等部分。

2.1 数据采集与处理设计

高速铁路噪声数据采集与处理，应具有开发容易、可扩展性高、组合简易、上位机程序灵活、结构紧凑、体积小等优点。

高速铁路噪声自动监测系统采用National Instruments的模块化硬件平台cDAQ9136控制器，cDAQ9136适用于在将数据记录到板载或可移动SD存储器的同时，执行波形采集和在线软件分析，与其适配的C系列模块能够提供高精度I/O和针对特定测量的信号调理功能，能够提供广泛的标准连接和扩展选项，如USB、以太网、CAN/LIN和RS232串行，可运行NI Linux实时操作系统或Windows操作系统，可以使用包括LabVIEW在内的多种编程语言自定义和部署测量应用程序。高速铁路噪声数据采集与处理软件，采用National Instruments系统设计软件Labview进行软件开发，该软件可实现高速铁路噪声监测系统的自动触发，噪声、车速、车型车号、气象等数据的实时连续采集与处理，信号波形显示、被测参数实时输出与存储、设备状态自检等功能。

2.2 数据采集传感器要求

2.2.1 噪声传感器

由于高速铁路噪声自动监测站常年处于野外，因此噪声传感器需具备耐腐蚀，耐高温、低温、高湿等耐候性特性，具有灵敏度高、动态方位宽、固有噪声低、稳定性好等优点，并具备在户外环境连续使用1年而不需要进行灵敏度的重大调整。

2.2.2 气象传感器

气象传感器具备测量气象六因素(温度、湿度、气压、降雨量、风速、风向)的功能，6个传感器集成于一体，体型小巧、便于安装；具备标准的RS485数据接口，自身拥有大容量内存。

2.2.3 车速与触发传感器

根据高速铁路和噪声采集的特点，车速测量和信号触发可采用接触式和非接触式2种工作模式。最常用的接触式传感器为磁钢，在钢轨上安装一对磁钢传感器，当列车轮对切割第一个磁钢的磁感线时，传感器发出一次脉冲信号，为整个数据采集系统提供触发信号，当此轮对切割第二个磁钢的磁感线时，再次发出一个脉冲信号，2个传感器的距离与2次脉冲信号时间差的比，即为通过列车的运行速度。最常用的非接触式传感器为激光传感器，即在线路一侧安装一对激光传感器，信号触发与车速测量原理与磁钢基本相同。

2.2.4 车号识别传感器

车号识别模块采用线阵扫描相机采集通过列车的图像，同时加装激光光源对相机进行补光，最后利用深度学习的图像识别技术对动车车组号进行识别，得到通过列车的车型车号。

2.3 数据传输模块设计

数据传输模块需具备双向通信功能，实现噪声监测站数据上传至数据服务器，以及管理中心对监测站的通信控制；支持在没有4G信号或4G信号弱的环境下，自动切换到3G网络；支持信号受到干扰等原因造成临时数据传输中断后，对数据进行存储，待信号恢复正常后继续进行数据传输。

2.4 稳定供电模块设计

通过对高速铁路噪声自动监测站各模块耗电量的统计，整个前端数据监测站的耗电量为150 W/h，设计工作时间为18 h/d，而且需保证恶劣天气下5 d的稳定供电；系统设计采用太阳能发电站+锂离子电池方案进行供电，太阳能和储能电池数量设计冗余。

2.5 安全防护模块设计

高速铁路噪声自动监测站安全防护采用“硬件+软件”双模方式进行。硬件防护设计：①在测量杆周围安装铁栅栏，上部加装刺龙；②控制箱安装在离地面一定高度的测量杆上；③测量杆上张贴安全防护标志；④测量杆顶安装全景网络摄像头，能够实时查看现场状态。软件防护设计：当供电受到干扰、数据传输中断或设备箱遭到破坏时，系统能够自动向用户发送报警信息和实时视频数据。

3 后端数据管理平台设计

高速铁路噪声自动监测数据管理平台是对前端监测站传输回来的数据进行存储、查询、分析、展示、下载等的管理与应用，以及对前端监测站进行控制的系统。

3.1 系统性能要求

高速铁路噪声自动监测数据管理平台应具备以下性能。

(1)灵活性。系统采用B/S结构，不需要安装其他软件，用户使用浏览器即可实现数据的管理和访问，满足多地办公需求，方便安装配置和维护。

(2)可操作性。中文操作界面、简洁友好、易于操作；对各项操作具有详细的在线帮助提示信息，提示信息应简洁、清楚；符合科研、试验人员的使用习惯，适合高速铁路噪声监测数据种类多、数据量大的特点。

(3)可扩展性。系统具备灵活的用户自定义功能，可自主定义基础数据库、数据模板、报告模板、提示报警信息等。

(4)兼容性。系统预留接口，可以与技术兼容的其他第三方分析工具进行集成。

(5)安全性。系统必须采用身份验证、访问控制、电子签名等多层次的安全技术手段加以保证，对相关的主机系统、应用数据库提供严密的保护；对上传到系统的数据进行校验；提供操作日志和操作审计跟踪的功能。

(6)可靠性。系统维护方便，备份及数据恢复快速简单；系统应采用先进的仪器连接、计算机和网络技术，保证整个系统的正常运行；当系统一旦出现意外，能够提供快速有效的恢复机制，保障数据的安全性，并使系统的损失降至最低，确保系统数据万无一失。

(7)知识共享。具有丰富的统计分析和查询功能，能够满足各种日常查询需要、自动生成报表和报告。

3.2 数据管理模块设计

高速铁路噪声自动监测数据管理模块包括以下内容：数据存储、数据查询、数据展示、数据预警、数据下载和报告生成等。

(1)数据存储。前端监测站处理后的结果数据，通过公网传送到数据存储服务器上，系统自动解析文件获取指定位置的数据；前端监测站采集到的原始数据，人工拷贝、人工现场备份后，本地上传到数据存储服务器上。

(2)数据查询。根据设定的不同条件查询需要的数据，主要查询条件包括测试时间段、线路、监测站、速度、车辆编组、车型、车号、气象参数等。

(3)数据展示。数据展示包括对监测站实时状况、实时监测数据、预警数据、自动统计分析图表等信息的展示。

(4)数据预警。根据线路条件、列车类型、行车速度、测点位置等参数，设定噪声阈值，当噪声数值高于或低于设定阈值时，系统自动将相应数据归档至预警模块，同时向用户发送预警信息。

(5)数据下载。根据用户权限，单独下载、打包下载原始数据、处理后数据或统计分析数据等。

(6)报告生成。根据预设模板或自定义模板自动生成需要的图表及报告。

3.3 前端控制模块设计

系统支持与高速铁路噪声自动监测站之间的通信和控制。

(1)系统开闭。支持整个系统或某个模块的开闭或重启。

(2)视频监控。通过公网对前端监测站的网络摄像头进行开闭、拍摄、方向等参数调整。

(3)参数修改。支持对前端数据采集系统的参数进行修改。

(4)数据传输。支持对选定的原始数据、结果数据、视频数据等进行定向传输。

3.4 安全管理模块设计

与其他任何信息系统相同，需要从用户管理、角色管理、登录管理、审核跟踪、系统日志、帮助系统等方面对系统进行管理。

(1)用户管理。系统的安全性首先体现在为访问系统的每一用户定义唯一的账号(用户名)，用户可以设定和修改自己的口令(密码)。

(2)角色管理。系统在角色管理模块中可以设置每一个角色能够进入的各功能模块，并细化到使用模块中各功能都必须经过授权。通过角色授权后，每一客户只能进入自己角色范围内的功能模块。

(3)登录管理。系统对登录用户的基础权限进行检查，将符合当前登录人员访问权限的数据显示出来，符合权限后，才可继续后续的操作(编辑、删除、数据上传等)。

(4)审核跟踪。审核跟踪功能记录每个操作人员对所有原始数据的修改，包括修改时间、修改前后的数据。

(5)系统日志。系统管理员可以观察当前所有进入系统的人员和登录所在的工作站，以及所有人员登录的历史记录，同时也可以记录进出系统的人员、访问的模块、停留时间及对数据做出的改动。

(6)帮助系统。系统具备在线帮助系统，可在操作的同时打开对应的帮助页面，全方位提供帮助信息。

4 结束语

高速铁路噪声自动监测系统，是在对国内外相关噪声监测案例、动车组车号识别方式、信号触发方式、数据远程数据传输方式、数据管理等相关技术调研的基础上，结合高速铁路噪声采集、数据处理、标准要求、铁路技术规范及现场应用环境等条件下设计的噪声自动监测系统。系统的设计与开发完成，可以有效提高高速铁路噪声测试工作效率，降低工作人员劳动强度，同时为分析高速铁路噪声变化规律、研究解决对策、制定相关技术规范及噪声环境影响评价提供实时、持续、大量的数据支持，对提升高速铁路噪声研究水平具有重要意义。