盧凱，賀德強(qiáng)，鄧建新，王合良，劉衛(wèi)

（廣西制造系統(tǒng)與先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院），廣西南寧530004）

城市軌道交通列車舒適度評價(jià)系統(tǒng)研究與開發(fā)

盧凱，賀德強(qiáng)，鄧建新，王合良，劉衛(wèi)

（廣西制造系統(tǒng)與先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院），廣西南寧530004）

設(shè)計(jì)了一套接入列車車載網(wǎng)絡(luò)的軌道交通列車舒適度評價(jià)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對列車相關(guān)數(shù)據(jù)的監(jiān)測，對舒適度進(jìn)行量化評價(jià)，從而為列車舒適度評價(jià)提供依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。開發(fā)了列車舒適度評價(jià)系統(tǒng)仿真軟件，并進(jìn)行了測試實(shí)驗(yàn)。

舒適度；評價(jià)；噪聲；振動(dòng)；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(diào)整城市空間布局及帶動(dòng)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(shí)期。截止2015年底，我國有26座城市修建軌道交通線路，共計(jì)116條投入運(yùn)營，總運(yùn)營里程達(dá)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(yàn)的同時(shí)，對乘坐的舒適性要求也是越來越高。而提高舒適性是當(dāng)前既有運(yùn)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(jìn)行量化的評價(jià)。為此，構(gòu)建了城市軌道交通列車舒適度評價(jià)系統(tǒng)。

本舒適度評價(jià)系統(tǒng)通過對城市軌道交通列車的乘坐舒適度做出科學(xué)評價(jià)，為既有線路和車輛的舒適度提升提供數(shù)據(jù)支持，對新車型的開發(fā)提供經(jīng)驗(yàn)參考，對提高舒適度提供評價(jià)支撐[2]；系統(tǒng)利用速度、加速度、噪聲、振動(dòng)、溫度、濕度等傳感器，采集相應(yīng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，量化分析各指標(biāo)，不但可從提高舒適度角度，對列車狀態(tài)參數(shù)和車內(nèi)溫度、濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋和提供優(yōu)化建議，而且能夠?qū)?shù)據(jù)傳輸給地面控制中心，通過數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、控制器模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、網(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)采集模塊將采集到的被測信號轉(zhuǎn)換成模電信號，再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，傳輸給控制器模塊?？刂破鲗斎氲臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理和運(yùn)算，根據(jù)連續(xù)采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算出振動(dòng)舒適度、等效聲級和總體評價(jià)，并將數(shù)據(jù)通過列車通信網(wǎng)絡(luò)傳送至司機(jī)室的顯示模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示。數(shù)據(jù)存儲模塊能夠?qū)崟r(shí)存儲原始數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果，并能夠?qū)?shù)據(jù)下載至地面中央控制中心進(jìn)行進(jìn)一步的處理和分析。電源模塊為控制器等模塊提供電源。網(wǎng)絡(luò)通信模塊，將控制模塊和存儲模塊等，利用內(nèi)部的車載網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)車載以太網(wǎng)與列車通信網(wǎng)絡(luò)的連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和通信。顯示模塊，在司機(jī)室對各個(gè)指標(biāo)的評價(jià)值、數(shù)據(jù)變化曲線等進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。存儲模塊，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，待下載傳輸?shù)降孛婵刂浦行?，對?shù)據(jù)進(jìn)行深入的處理分析。

2主要硬件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)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(diào)系統(tǒng)溫度傳感器、車載空調(diào)系統(tǒng)濕度傳感器。本系統(tǒng)中，車速作為參考數(shù)據(jù)，使用列車牽引系統(tǒng)已加裝的速度傳感器數(shù)據(jù)。MEMS三軸加速度傳感器測量三個(gè)方向加速度。考慮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(jì)，其量程為±12 g，內(nèi)部集成濾波、A/D轉(zhuǎn)換、SPI接口等，滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集需求。

2.2 數(shù)據(jù)處理模塊

由于舒適度的計(jì)算、等效聲級計(jì)算等涉及數(shù)模轉(zhuǎn)換和FFT等數(shù)據(jù)預(yù)處理和算法運(yùn)算，這要求控制器要具有較強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能。設(shè)計(jì)采用ARM Cortex M3內(nèi)核的互聯(lián)型STM32F107RB微控制器，其最高時(shí)鐘頻率為72 MHz，具有64 KB FLASH和20 KB RAM，并且具有豐富的外設(shè)，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(biāo)準(zhǔn)計(jì)算和評價(jià)振動(dòng)舒適度。

簡化公式為：

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

按照GB14892-2006標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算等效聲級LAeq.

計(jì)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(shí)間間隔，單位為秒（s）；pA（t）為噪聲瞬時(shí)A計(jì)權(quán)聲壓，單位為帕（Pa）；p0為基準(zhǔn)聲壓（20μPa）。

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在客室測量時(shí)，傳聲器位置應(yīng)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(shè)計(jì)中利用的是列車車載傳聲器，其位置在車頂和車側(cè)交匯處，方向朝向車內(nèi)空間。由于位置的差異，引入修正系數(shù)ξ（ξ的值因車型和設(shè)備的不同，需要實(shí)測數(shù)據(jù)擬合得到）。

按照ISO7730、GB50157-2013標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合季節(jié)等環(huán)境因素設(shè)定溫度、濕度舒適區(qū)間。

由于上述因素中只有振動(dòng)舒適度有明確判定標(biāo)準(zhǔn)，擬將噪聲、溫度、濕度因素轉(zhuǎn)化成振動(dòng)舒適度判定標(biāo)準(zhǔn)的形式，即利用統(tǒng)計(jì)學(xué)等方法，將各值數(shù)據(jù)擬合轉(zhuǎn)化為量化值形式（依次標(biāo)為C1，C2，C3，C4），最后結(jié)合AHP法和Delphi法設(shè)定權(quán)重系數(shù)（具體權(quán)重系數(shù)根據(jù)車型實(shí)測擬定），計(jì)算列車綜合舒適度C值[5]。系統(tǒng)計(jì)算流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)計(jì)算框圖

根據(jù)計(jì)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(jià)。綜合舒適度評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表1.

表1 綜合舒適度評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)綜合舒適度評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，若C＞4，則會發(fā)出報(bào)警提示。

3軟件仿真設(shè)計(jì)

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(jià)仿真系統(tǒng)，用于系統(tǒng)的仿真實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)由主界面、噪聲圖像、振動(dòng)舒適度、溫度圖像、濕度圖像等幾個(gè)子界面構(gòu)成。機(jī)車編號、系統(tǒng)時(shí)間、報(bào)警信息欄為界面始終顯示的信息。各個(gè)界面可由顯示器的相應(yīng)按鍵來進(jìn)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(guān)信息，包括列車型號、列車編組、檢測線路、運(yùn)行速度，以及各個(gè)參數(shù)的實(shí)時(shí)值和報(bào)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(shù)據(jù)實(shí)時(shí)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(bào)警提示。如圖4所示。

圖4 噪聲監(jiān)控界面

3.3 振動(dòng)舒適度監(jiān)控界面

振動(dòng)舒適度監(jiān)控界面顯示隨采樣數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)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(bào)警提示。

圖5 振動(dòng)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(shí)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(shí)間的變化曲線。

圖7 濕度監(jiān)控界面

4結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一套接入列車車載網(wǎng)絡(luò)的軌道交通列車舒適度評價(jià)系統(tǒng)。

（1）能夠?qū)崟r(shí)地采集速度、振動(dòng)（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(dòng)度）、溫度、濕度等數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)、全面、量化地評價(jià)列車的舒適度。

（2）通過數(shù)據(jù)的采集和分析能夠?yàn)樘岢鲇嘘P(guān)優(yōu)化解決方案做參考和指導(dǎo)。如可以通過對不同速度與振動(dòng)噪聲數(shù)據(jù)的分析，找出速度、與產(chǎn)生振動(dòng)噪聲大小規(guī)律，從提高乘坐舒適度角度，為列車的運(yùn)行操縱提供參考；能夠通過對某一條軌道線路上多車數(shù)據(jù)的分析，找出軌道線路中產(chǎn)生振動(dòng)噪聲比較大的路段，為改進(jìn)線路減振降噪提供依據(jù)；另外，可以通過多車數(shù)據(jù)的橫向?qū)Ρ?，找出?shù)據(jù)異常的列車，及時(shí)發(fā)現(xiàn)列車走行部等部件的故障問題。

（3）能夠?qū)崟r(shí)反饋車廂的溫度、濕度狀況，如果超出了溫度設(shè)定范圍，能夠及時(shí)發(fā)出提示信息，并調(diào)整空調(diào)系統(tǒng)，以提高旅客乘坐舒適度。

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

[2]鈴木浩明.列車舒適度的評價(jià)[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(yùn)行舒適度與平穩(wěn)性評價(jià)[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(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)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(guān)項(xiàng)目（桂科攻1598009-6）；南寧市科技攻關(guān)項(xiàng)目（20151021）；廣西制造系統(tǒng)與先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任課程（15-140-30S003）

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