摘 要 針對 GB/T36287—2018《城市軌道交通列車再生制動能量地面利用系統》涉 及 的 回 饋 型、存 儲 型 和 混 合 型再生制動能量地面利用系統產品的型式試驗需求，提出了一種基于 LabVIEW 的數據監控系 統。充 分 利 用 虛 擬 儀器、數據庫等技術，實現對試驗參數實時監控、即時 存 儲、動態更新數據庫、同步調用庫中數據判斷試驗狀態;完 善數據導出和分析功能，采用數據可視化顯示令數據更加直觀表現。該系統已開始應用于再生制動能量地面利用 系統產品的檢驗和認證工作，為產品型式試驗提供可靠的測控平臺。

　　關鍵詞 城軌裝備試驗;數據監控;LabVIEW;數據庫;數據可視化

　　隨著我國城市軌道交通的快速發展，各地對城市軌 道交通的能耗要求日趨嚴格，在新建和既有線供電系統 改造過程中，均將列車再生制動能量地面利用系統作為 項目建設的必要部分之一。列車再生制動能量地面利 用系統通過將列車再生制動產生的電能進行存 儲 或 回 饋電網，避免了傳統牽引供電系統通過電阻消耗再生制 動能量，大大降低城市軌道交通的運行能耗。 GB/T36287—2018《城市軌道交通列車再生制動 能量地面利用系統》中提出了評價回饋型、存儲 型 和 混 合型3種再生制動能量地面利用系統產品的性 能 的 試 驗方法。

　　現階段再生制動相關產品試驗過程中，多采用 直接讀取測量儀器數據的現場測量方法，不具備集成或 完善的測量系統，僅能觀測和記錄單點的參數，無 法 對 試驗動態過程進行全過程的觀測和記錄，未能對不同參 數(如電壓、電流、溫度等)進行相關性分析，一定程度上 影響試驗狀態的實時性判斷，降低了試驗效率和精確程 度。 為解決上述存在的問題，基于 LabVIEW 設計并開 發了具備數據采集、存儲、處理等功能的列車再生制動 能量地面利用系統試驗平臺數據監控系統，并通過數據 庫技術和數字可視化顯示的應用，實現實時監測試驗運 行狀態、保證上限報警，設計并完善數據管理系統、降低 了數據處理分析的工作量。

　　1 列車再生制動能量地面利用系統試驗平臺

　　列車再生制動能量地面利用系統試驗平臺主電路 結構，包括城市軌道交通直流供電電源、城 市軌 道 交 通 交 流 試 驗 電 源 等 兩 部 分。平 臺 設 備 主 要 由整流變壓器、整流器、變壓器、雙 向 變 流 柜、三 相 感 應 調 壓器、三 相 變 壓 器、六 脈 波 整 流 器、三 相 變 頻 電 源 等 組 成，實現為牽引變流器、儲能裝置(超級 電 容 儲 能 裝 置、 飛輪儲能裝置)、再生電能吸收裝置、直流快速斷路器等 產品提供直流供電電源;給斷 路 器、接 觸 器、制 動 電 阻、 牽引電機、齒輪箱等設備試驗提供試驗電源。

　　城軌列車牽引供電系統機組聯調試驗時，被試變壓 器輸入端連接到10kV 電網上，模擬運行時中壓網絡供 電，牽引整流器輸出端連接到電源逆變回路變流器直流 側，實現電能回饋;單獨逆變器試驗時，電能經變壓器降 為1180V 或590V 交流電整流后給被試逆變器供電， 輸出電能回饋到電網�；�于試驗系統需要和檢測數據 要求，監控系統必須實時監測各測量點電參量及溫度數據，以保證設備運行狀態判斷和后續試驗分析質量。

　　2 分布式數據監控系統硬件設計

　　考慮到試驗平臺最大試驗能力投入使用時，可滿足 兩路整流、兩路逆變同時使用，測量系統 則 需 要 采 集 直 流側電參量(兩路直流電壓、電流)、逆變回饋側 交 流 電 參量(兩路三相電壓、電流)、10kV 側交流電參量(一路 三相電壓、電流)等11路電信號;被試產 品 性 能 測 試 過 程中，多數元器件具有溫度限值要求，要 保 證 產 品 安 全 運行，必須監測各點溫度數據用于判斷狀態及溫升試驗 等。

　　為了保證上述試驗 數 據 質 量，更 加 準 確、迅 速 判 斷 運行狀態，要求監控系統具備較快的采集速度和數據處 理速度，采用功率分析儀、記錄 儀、工 控 機 等 傳 輸 速 度 快、處理效率高的監測裝備。系統利用分布式電壓、電流、溫度傳感器實 時 測 量 電 參 數 和溫度數據，經信號處理和放大后接入 數 據 采 集 系 統， 完成數據初步處理;通過以太網交換機將功率分析儀和 記錄儀中的數據信息發送到工控機中，使用監控系統軟 件實現數據顯示、篩 選、存 儲;控 制 按 照IPv4通 信 協 議 完成數據交換、信息處理、指令發送等過程。

　　3 基于有限狀態機的系統軟件設計

　　3.1 數據監控系統主程序設計

　　軟件部分是數據監控系統信息與控制的交互中心， 負責對監測設備發送配置命令和采集指令、顯示現場返 還數據信息。根據系統使用環境要求，軟件需具備響應 速度快、能夠長時間工作、性能穩定等特點，主要功能包 括：參數 設 置;數 據 顯 示;波 形 顯 示;溫 升 計 算;趨 勢 查 詢;數據導出及分析等。

　　系統基于 Labview 虛擬儀器軟件進行編寫和開發， 通過 VISA 庫函數[1]調用硬件資源，利用 NI-MAX 添 加數據監測設備I/O 地址，從而使用以太網交換機實現 信息交互，對監測設備發送配置命令、完 成 數 據 信 息 采 集、狀態信息轉換等。系統采用有限狀態機設計，狀 態 機 設 計 包 括 “初 始 化”、“設 置”、“準 備 開 始”、“開始”、“配置參數”、“數據采集”、“資源釋放”、“停 止”、“選擇 波 形”、“溫 升 計 算”、“查 看 波 形”、“查 詢 參 數”、“導出數據”等13個狀態。狀態機控制子模塊負責 操作指令轉發、控制系統進程。功能按鈕值改變后，狀 態機隊列輸出更新，系統程序能夠實現集中調用各功能 子 VI。

　　數據監控系統登錄成功后，軟件自動初始化，完成 各儀器參數設置后系統隨時等待“開始采集”的指令;若系統已進行相應數據采集，過程中需停止，“停止采集” 值改變后占用 資 源 釋 放，系 統 再 次 進 入“準 備 開 始”狀態，等待指令。“開始采集”值改變，檢查配置是否更新， 若系統配置改變，狀態機發送新的狀態指令、更新隊列 輸出，跳轉到“配置參數”開始配置狀態，調用接線配置、 掃描配置、故障處理等多個子 VI，完成數據采集前個監 測儀器的參數設置。系統將儀器參數配置到各個監控 設備后，“配置參數”狀態結束直接跳轉到“數據采集”狀 態，開始采集數據，“運行狀態”顯示“進入采集狀態”;若 “開始采集”值改變，系統配置未更新，則狀態機直接跳 轉到“數據采集”狀態，基于此狀態軟件進一步拓展功能 應用。

　　3.2 數據監控系統數據采集子模塊設計

　　為實現數據操作管理等功能設計，“數據采集”作為 數據庫應用和可視化顯示的應用程序基礎，是一個重要 狀態分支，該狀態的程序設計和正常運行是監控系統解 決的核心問題。“數據 采集”狀態下，系統能夠獲取所有監測儀器數據，包括電 壓和電流的實測值、基波有效值、全波有效值、頻率以及 溫度等試驗參數，將通道名稱與參數信息捆綁輸出創建 全局變量。

　　軟件進行實時數據采集、篩選、顯示存儲等 多個子程序進 程，應 用“測 量 數 據”全局變量傳遞數據 流，對數據進行入庫預處理，通過SQL操作將信息存儲 到數據庫內，釋放數據庫連接，完成數據存儲過程。在 采集系統完善的基礎上，系統設計“選擇波形”、“溫升計 算”、“查看波形”、“電參量趨勢”、“導出數據”等多個功 能應用，用戶可通過點選功能按鈕進入子 VI實現進一 步數據操作。

　　3.3 數據監控系統關系數據庫子模塊設計

　　試驗臺測試測量過程中采集到的數據需要實時存 儲，并同步調用數據用于判定試驗狀態，存在大量數據 查詢和管理工作，若通過人工管理和讀寫文件實現則會 加長系統響應時間、降低處理速度、影響試驗效果的準 確性[2-4]，因此文中設計采用數據庫保存數據、完成數據 處理。 系統應 用 MicrosoftOfficeAccess關 系 數 據 庫 管 理系統建立參數數據庫。

　　根據實際應用需求，數據庫內容包括試驗 配置和 試 驗 數 據 兩 個 表 單，涵 蓋ID 地 址、試 驗 負 責 人 ID、試驗 負 責 人 姓 名、登 錄 密 碼、權 限、試 驗 類 型、試 驗 編碼、存儲時間、以及實測參量等多項數據，通過系統程 序調用庫中內容可判斷試驗工程師是否有權限使用數 據監控系統、修改數據信息，用于軟件使用權限管理;對 表單內的數據進行寫入、查詢、調用、導出，實現數據集 中處理和分析。

　　4 數據處理與可視化應用設計

　　4.1 數據查詢、篩選與導出應用設計

　　較之傳統數據監控系統后期數據分析過程繁雜，本 系統在虛擬儀器技術和數據庫應用相結合的基礎上，設 計實現了數據查詢、篩選及導出子模塊。 程序通過“while”循環實現主程序對本模塊的調 用，子 VI啟用后數據庫后臺自動連接，檢測人員可 通 過 選 擇 試驗起始時間、試驗終止時間、樣品編號、試驗類型中任 何試驗條件查詢數據情況，后臺程序通過“where”操作 符自動掃描信息位置，導出該部分內容。

　　但隨著試驗數 據的不斷累積，實時存儲的數據量逐漸龐大，用于檢測 分析的只是能夠代表被測設備性能的典型值，為使試驗 數據更加簡潔，系統增設“多重查詢”方法�？梢愿鶕�試 驗需求通過“for”循環使用“where”、“and”等 操 作 符 直 接定位選擇特定內容數據。該功能的實現大幅度提高 了試驗數據處理效率，同時也保證所有試驗數據有效存 儲、防止數據丟失。

　　4.2 數據可視化應用設計

　　數據可視化通過圖形、圖像處理、計算機視覺及用 戶界面等圖形化方式，能夠更加直觀的表現出數據信息 和關鍵特征[5-6]�，F場試驗過程中，檢測人員為 了 方 便 判斷產品運行狀態及試驗環境特點，往往需要大量示波 器、記錄儀等能夠實現圖形化顯示的儀器，不僅提高了 試驗成本，也增加了試驗環境復雜程度。為解決這一問 題，監控系統通過數據可視化設計實現了數據信息最優 化顯示。

　　程序設計過程中完善所有信息的讀取應用，通過采 樣頻率的合理設置保證信息傳遞的實時性，采用以太網 交換機控制數據傳輸，以字符串格式在主界面上顯示實 時電壓、電流、功率、頻率、溫度等名稱及數值。在滿足 基本數據測量的前提下，系統應用 VISA 會話句柄可以 隨時調用功率分析儀任何通道的原始波形和計算后數 據波形，以二維圖表的形式、通過點選所需參量名稱有 選擇性的顯示特征波形。不會因采樣通道數量、引線距 離、試驗費用等問題影響試驗進度和質量。除此之外， 系統應用布爾型變量設計各個限值超高指示，直觀反映 運行狀態，便于判斷試驗進程;應用外推法計算溫差，采 用描點圖和線性擬合曲線圖顯示溫度變化實際曲線和 計算曲線。

　　5 系統實現與功能驗證

　　為驗證數據監控系統設計方案的可行性，在列車再 生制動能量地面利用系統試驗平臺基礎上，開發了試驗 平臺數 據 監 控 系 統，集成所有功能選項，界面簡單明了，便于操作。通過地鐵牽引整流機組變流柜、再生能量逆變回饋 裝置、儲能式有軌電車充電裝置、制動電阻等設備現場 試驗驗證顯示，該系統運行良好，對比現場設備讀數信 息，數據采集準確一致、顯示同步。系統控制與測量功 能符合試驗要求，拓展功能使用正常，實現了既定的設 計目標。

　　6 結 論

　　本系統應用以太網交換機、現場監測儀器和工控機 等硬件設備，設計完成了狀態機控制、信號量控制、數據 采集、數據記錄等4個核心模塊，保證列車再生制動能 量地面利用系統試驗平臺數據監控軟件功能;通過 VI- SA 串口通 信 和 數 據 庫 管 理 技 術，實現數據可視化顯 示，試驗全過程可快速判斷運行狀態;數據集中存儲、管 理，設計開發了“數據導出及分析”功能，可選擇性查詢、 導出有效信 息，解決了數據量龐大難以處理分析的問 題。

　　通過系統搭建和軟件測試，驗證了文中列車再生制 動能量地面利用系統試驗平臺數據監控系統的可行性。該系統的應用將有利于提高試驗人員現場操作安全性， 提高整體工作效率，集成顯示各類型試驗參數便于發現 問題，降低后續數據處理工作量，具備一定推廣應用價 值。接下來可進一步開發系統軟件和移動設備相結合，通過無線局 域 網 技 術 實 現 數 據 傳 輸，著 重 網 絡 安 全 防 范，便于試驗人員隨時掌握現場運行狀態，提升試驗能力。

　　測量方向論文投稿刊物：計算機測量與控制(月刊)創刊于1993年，由中國計算機自動測量與控制技術協會主辦。報道內容：1計算機技術、自動測試技術和自動控制技術的研究成果及發展方向的綜述與評論。

　　參考文獻

　　[1] 尹洪濤，付 平，郭論平.LXI-GPIB控制器及 VISA 庫設 計[J].計算機測量與控制，2013，21(5)：1263-1265.

　　[2] 劉 杰，張 亮，陽元澤.基于 LabSQL的 LabVIEW 數據 庫訪問[J].數字技術與應用，2014(11)：98-99.

　　[3] 張麗彬，陳曉 寧.基 于 LabSQL 的 LabVIEW 與 數 據 庫 接 口技術[J].數字技術與應用，2012(1)：106-107.

　　[4] 胡 平，胡 域.基 于 Labview 的數據庫程序設計方法 [J].計量與測試技術，2016

　　作者：魯培琳