城市軌道交通列車舒適度評價系統(tǒng)研究與開發(fā)

盧凱，賀德強，鄧建新，王合良，劉衛(wèi)

（廣西制造系統(tǒng)與先進制造技術重點實驗室（廣西大學機械工程學院），廣西南寧530004）

城市軌道交通列車舒適度評價系統(tǒng)研究與開發(fā)

盧凱，賀德強，鄧建新，王合良，劉衛(wèi)

（廣西制造系統(tǒng)與先進制造技術重點實驗室（廣西大學機械工程學院），廣西南寧530004）

設計了一套接入列車車載網絡的軌道交通列車舒適度評價系統(tǒng)，能夠實現對列車相關數據的監(jiān)測，對舒適度進行量化評價，從而為列車舒適度評價提供依據和數據支持。開發(fā)了列車舒適度評價系統(tǒng)仿真軟件，并進行了測試實驗。

舒適度；評價；噪聲；振動；軌道交通列車

發(fā)展城市軌道交通是緩解城市交通壓力、調整城市空間布局及帶動城市均衡發(fā)展的重要途徑。近年來，我國城市軌道交通迎來了快速發(fā)展時期。截止2015年底，我國有26座城市修建軌道交通線路，共計116條投入運營，總運營里程達3 612 km[1]。市民在享受軌道交通帶來了方便快捷的出行體驗的同時，對乘坐的舒適性要求也是越來越高。而提高舒適性是當前既有運營線路普遍面臨和亟待解決的問題。要提出提高乘坐舒適度的解決方案，就必須首先對乘坐舒適度進行量化的評價。為此，構建了城市軌道交通列車舒適度評價系統(tǒng)。

本舒適度評價系統(tǒng)通過對城市軌道交通列車的乘坐舒適度做出科學評價，為既有線路和車輛的舒適度提升提供數據支持，對新車型的開發(fā)提供經驗參考，對提高舒適度提供評價支撐[2]；系統(tǒng)利用速度、加速度、噪聲、振動、溫度、濕度等傳感器，采集相應的實時數據，量化分析各指標，不但可從提高舒適度角度，對列車狀態(tài)參數和車內溫度、濕度進行實時反饋和提供優(yōu)化建議，而且能夠將數據傳輸給地面控制中心，通過數據分析，為列車走行部故障及線路方案優(yōu)化提供參考。

1系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)主要由數據采集模塊、控制器模塊、數據存儲模塊、網絡通信模塊、顯示模塊和電源模塊等組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構圖

數據采集模塊將采集到的被測信號轉換成模電信號，再經過模數轉換為數字信號，傳輸給控制器模塊?？刂破鲗斎氲臄祿M行處理和運算，根據連續(xù)采集到的數據實時計算出振動舒適度、等效聲級和總體評價，并將數據通過列車通信網絡傳送至司機室的顯示模塊進行實時的顯示。數據存儲模塊能夠實時存儲原始數據和計算結果，并能夠將數據下載至地面中央控制中心進行進一步的處理和分析。電源模塊為控制器等模塊提供電源。網絡通信模塊，將控制模塊和存儲模塊等，利用內部的車載網關實現車載以太網與列車通信網絡的連接，進行數據傳輸和通信。顯示模塊，在司機室對各個指標的評價值、數據變化曲線等進行實時顯示。存儲模塊，對采集的數據進行存儲，待下載傳輸到地面控制中心，對數據進行深入的處理分析。

2主要硬件設計

2.1 數據采集模塊

數據采集模塊包括速度傳感器、MEMS三軸加速度傳感器、車載傳聲器、車載空調系統(tǒng)溫度傳感器、車載空調系統(tǒng)濕度傳感器。本系統(tǒng)中，車速作為參考數據，使用列車牽引系統(tǒng)已加裝的速度傳感器數據。MEMS三軸加速度傳感器測量三個方向加速度?？紤]其加速度的變化范圍以及采樣頻率，該傳感器選用Inelta KS823B型三軸MEMS加速度計，其量程為±12 g，內部集成濾波、A/D轉換、SPI接口等，滿足系統(tǒng)數據采集需求。

2.2 數據處理模塊

由于舒適度的計算、等效聲級計算等涉及數模轉換和FFT等數據預處理和算法運算，這要求控制器要具有較強大的數據處理功能。設計采用ARM Cortex M3內核的互聯(lián)型STM32F107RB微控制器，其最高時鐘頻率為72 MHz，具有64 KB FLASH和20 KB RAM，并且具有豐富的外設，包括USB2.0 FS OTG、SPI、CAN 2.0、Ethernet等，滿足系統(tǒng)使用需求。

按照UIC513-1994標準計算和評價振動舒適度。

簡化公式為：

其中：a為加速度值，下標X、Y、Z分別表示列車橫向、縱向和豎向，P表示測點位于地板上，95表示加速度去95%置信度的有效值，上標為加速度值按頻率加權（d表示水平方向，b表示豎直方向）[3]。根據標準，所記頻譜范圍為0.4～80 Hz，每5 s為一個計算單元，求得加權有效值，取連續(xù)60個加權有效值的95%的置信點，最后合成3個方向的加速度計算得到舒適度[4]。由于地鐵站間距離較短，停站時間較長，因此無法連續(xù)取到60個加權有效值，暫以20個加權有效值來調整算法。

按照GB14892-2006標準計算等效聲級LAeq.

計算公式：

式中：LAeq，T為等效聲級，單位為分貝（dB）；t2-t1為規(guī)定的時間間隔，單位為秒（s）；pA（t）為噪聲瞬時A計權聲壓，單位為帕（Pa）；p0為基準聲壓（20μPa）。

標準規(guī)定，在客室測量時，傳聲器位置應置于客室縱軸中部，距地板高度為1.2 m的位置上，方向朝上。而此設計中利用的是列車車載傳聲器，其位置在車頂和車側交匯處，方向朝向車內空間。由于位置的差異，引入修正系數ξ（ξ的值因車型和設備的不同，需要實測數據擬合得到）。

按照ISO7730、GB50157-2013標準，結合季節(jié)等環(huán)境因素設定溫度、濕度舒適區(qū)間。

由于上述因素中只有振動舒適度有明確判定標準，擬將噪聲、溫度、濕度因素轉化成振動舒適度判定標準的形式，即利用統(tǒng)計學等方法，將各值數據擬合轉化為量化值形式（依次標為C1，C2，C3，C4），最后結合AHP法和Delphi法設定權重系數（具體權重系數根據車型實測擬定），計算列車綜合舒適度C值[5]。系統(tǒng)計算流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)計算框圖

根據計算C值得出“非常舒適”、“舒適”、“合格”、“不舒適”、“非常不舒適”之綜合舒適度評價。綜合舒適度評價標準見表1.

表1 綜合舒適度評價標準

根據綜合舒適度評價標準，若C＞4，則會發(fā)出報警提示。

3軟件仿真設計

基于系統(tǒng)需求，利用C#語言編寫了城市軌道交通列車舒適度評價仿真系統(tǒng)，用于系統(tǒng)的仿真實現。

系統(tǒng)由主界面、噪聲圖像、振動舒適度、溫度圖像、濕度圖像等幾個子界面構成。機車編號、系統(tǒng)時間、報警信息欄為界面始終顯示的信息。各個界面可由顯示器的相應按鍵來進行切換。

3.1 系統(tǒng)主界面

主界面，如圖3所示，用于顯示列車和線路的相關信息，包括列車型號、列車編組、檢測線路、運行速度，以及各個參數的實時值和報警信息。

圖3 系統(tǒng)主界面

3.2 噪聲監(jiān)控界面

噪聲監(jiān)控界面顯示隨采樣數據實時變化的曲線。80 dB直線表示客室的噪聲限值，如果超出，則定會判定為不舒適，顯示報警提示。如圖4所示。

圖4 噪聲監(jiān)控界面

3.3 振動舒適度監(jiān)控界面

振動舒適度監(jiān)控界面顯示隨采樣數據實時變化的曲線，如圖5所示。舒適度等于4的直線為舒適度的限值，如果超出，則會判定為不舒適，顯示報警提示。

圖5 振動舒適度監(jiān)控界面

3.4 溫度監(jiān)控界面

溫度監(jiān)控界面顯示溫度隨時間的變化曲線，如圖6所示。

圖6 溫度監(jiān)控界面

3.5 濕度監(jiān)控界面

濕度監(jiān)控界面，如圖7所示，顯示濕度隨時間的變化曲線。

圖7 濕度監(jiān)控界面

4結束語

本文設計了一套接入列車車載網絡的軌道交通列車舒適度評價系統(tǒng)。

（1）能夠實時地采集速度、振動（橫向加速度、縱向加速度、垂向加速度）、噪聲（響度、尖銳度、粗糙度、抖動度）、溫度、濕度等數據，實時、全面、量化地評價列車的舒適度。

（2）通過數據的采集和分析能夠為提出有關優(yōu)化解決方案做參考和指導。如可以通過對不同速度與振動噪聲數據的分析，找出速度、與產生振動噪聲大小規(guī)律，從提高乘坐舒適度角度，為列車的運行操縱提供參考；能夠通過對某一條軌道線路上多車數據的分析，找出軌道線路中產生振動噪聲比較大的路段，為改進線路減振降噪提供依據；另外，可以通過多車數據的橫向對比，找出數據異常的列車，及時發(fā)現列車走行部等部件的故障問題。

（3）能夠實時反饋車廂的溫度、濕度狀況，如果超出了溫度設定范圍，能夠及時發(fā)出提示信息，并調整空調系統(tǒng)，以提高旅客乘坐舒適度。

[1]翟婉明，趙春發(fā).現代軌道交通工程科技前沿與挑戰(zhàn)[J].西南交通大學學報，2016，51（02）：209-226.

[2]鈴木浩明.列車舒適度的評價[J].國外鐵道車輛，1999，36（02）：28-34.

[3]International Union of Railway s（UIC）&European Commit tee for Standardization（CEN）.UIC Code 513 Guide lines for Evaluating Passenger Comfort in Relation to Vibration in Railway Vehicles[Z].Paris：International Union of Railways（UIC）&European Committee for Standardization（CEN），1994.

[4]朱劍月，朱良光，周勁松，等.地鐵車輛運行舒適度與平穩(wěn)性評價[J].城市軌道交通究，2007，10（06）：28-31.

[5]陳衛(wèi)，方廷健，蔣旭東.基于Delphi法和AHP法的群體決策研究及應用[J].計算機工程，2003，29（05）：18-20.

Research and Design of Evaluation System for RailTransit Com fort

LU Kai，HE De-qiang，DENG Jian-xin，WANG He-liang，LIUWei
（Key laboratory of Guangximanufacturing system and advancedmanufacturing technology，College ofmechanical engineering of Guangxi University，Nanning 530004，China）

This paper presented a train com fort system connected with train network.It can realize themeasurement of the train data and the quantitative evaluation of the comfort，so as to provide the basis and support for the improvementof comfort.The software of the simulation system is developed and the testexperiment is carried out.

stability；evaluation；noise；vibration；rail transit

TP391.9；U260

A

1672-545X（2016）11-0007-04

2016-09-02

廣西科技攻關項目（桂科攻1598009-6）；南寧市科技攻關項目（20151021）；廣西制造系統(tǒng)與先進制造技術重點實驗室主任課程（15-140-30S003）

盧凱（1990-），男，碩士研究生，研究方向：先進制造技術及智能檢測；賀德強（1973-），男，湖南桃江人，博士，教授，博士生導師，研究方向：列車信息系統(tǒng)、故障診斷與智能維護。