王萬寶，彭嵩琪，王志鵬，劉仍奎

（1.北京市地鐵運(yùn)營有限公司 線路分公司， 北京 100082；2. 北京交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，北京 100044）

由于北京地鐵列車座位設(shè)置較少且客流量巨大，大部分乘客在車廂內(nèi)需要長時(shí)間站立。在這種情況下，列車振動不僅會使乘客站立不穩(wěn)，還容易使乘客感到疲倦不堪，甚至可能造成人體內(nèi)部器官與列車振動產(chǎn)生諧振或共振，影響乘客的乘坐舒適性[1]。

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，乘客越來越重視地鐵列車的乘坐舒適性[2]。如何科學(xué)有效地評價(jià)地鐵列車乘坐舒適度，如何深入地分析地鐵列車乘坐舒適度數(shù)據(jù)，從而通過針對性的改善措施提高乘客舒適度，是北京地鐵運(yùn)營管理中亟需解決的實(shí)際問題。

本文基于國際鐵路聯(lián)盟UIC513《鐵路車輛內(nèi)旅客振動舒適性評價(jià)準(zhǔn)則》[3]標(biāo)準(zhǔn)和北京地鐵的實(shí)際情況，提出適用于北京地鐵的乘坐舒適度計(jì)算模型。同時(shí)為了對北京地鐵乘坐舒適度檢查數(shù)據(jù)進(jìn)行信息化管理，本文開發(fā)了北京地鐵舒適度管理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了乘坐舒適度數(shù)據(jù)的處理與分析，為改進(jìn)北京地鐵乘坐舒適度提供決策支持。

1 北京地鐵乘坐舒適度計(jì)算模型

1.1 國內(nèi)外相關(guān)研究

有關(guān)乘坐舒適度的綜合性指標(biāo)最初的提出者是德國聯(lián)邦鐵路的Helberg和Spelling[4]，他們基于振動臺試驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)振動強(qiáng)度和振動頻率評價(jià)運(yùn)行平穩(wěn)性，給出了平穩(wěn)性指數(shù)的定義及計(jì)算公式。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）于1974年頒布了ISO2631《人體承受全身振動評價(jià)指南》，并在1997年根據(jù)學(xué)者對于長時(shí)間作用的隨機(jī)振動和多輸入點(diǎn)多軸向的振動環(huán)境對人體影響的研究，修訂和補(bǔ)充了ISO2631，頒布了ISO2631-1:1997（E）《人體承受全身振動評價(jià)—第一部分：一般要求》，更好地體現(xiàn)了人的主觀感覺[5]。針對鐵路客車的特殊性，國際鐵路聯(lián)盟參考ISO2631標(biāo)準(zhǔn)的要求，經(jīng)過長達(dá)十幾年的研究于1994年頒布了UIC513《鐵路車輛內(nèi)旅客振動舒適性評價(jià)準(zhǔn)則》標(biāo)準(zhǔn)[3]。UIC513標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)客車車廂內(nèi)振動的客觀測定值和人體主觀感受之間的關(guān)系，采用一種考慮振動非穩(wěn)態(tài)特性的方法對乘坐舒適度進(jìn)行評價(jià)。

國內(nèi)有很多學(xué)者利用UIC513標(biāo)準(zhǔn)研究了如何評價(jià)城市軌道交通列車的乘坐舒適度。陳忱[6]將UIC513標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于中國城市軌道交通列車，并根據(jù)城市軌道交通列車的特點(diǎn)對測評方案進(jìn)行了調(diào)整：將原來的5 min單段采樣時(shí)間設(shè)置為程序中可調(diào)，由測量人員根據(jù)地鐵兩站間距離進(jìn)行調(diào)整；將傳感器放置于車廂地板，主要測量站姿人群的乘坐舒適度；采用數(shù)字加速度傳感器替代模擬加速度計(jì)。朱劍月[7]等人對上海地鐵1號線進(jìn)行了乘坐舒適度和平穩(wěn)性指標(biāo)的在線實(shí)測及計(jì)算分析，指出乘坐舒適度指標(biāo)適用于評價(jià)旅客感知到的舒適性，而平穩(wěn)性指標(biāo)更適用于評價(jià)車輛自身動力性能。盧凱[8]等人構(gòu)建了城市軌道交通列車舒適度評價(jià)硬件系統(tǒng)，通過微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）三軸加速度傳感器測量車體3個(gè)方向上的加速度，利用UIC513標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算及評價(jià)城市軌道交通列車乘坐舒適度。此外，還有一些專家[9-10]研究了如何利用管理信息系統(tǒng)對軌道交通檢查檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行信息化管理與分析。

1.2 乘坐舒適度計(jì)算模型

UIC513標(biāo)準(zhǔn)中提出了3種乘坐舒適度的計(jì)算模型，即坐姿狀態(tài)模型、站姿狀態(tài)模型、不區(qū)分坐姿和站姿的簡易模型?？紤]到與坐姿乘客相比，站姿乘客受列車振動的影響更大，乘坐舒適性也更差。因此，管理者應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注站姿乘客感受到的乘坐舒適度。根據(jù)北京地鐵實(shí)際情況，本文選擇UIC513標(biāo)準(zhǔn)中的站姿狀態(tài)模型作為北京地鐵乘坐舒適度計(jì)算的依據(jù)。

北京地鐵乘坐舒適度計(jì)算模型的輸入是地鐵列車車體的三軸加速度數(shù)據(jù)，即垂直加速度、水平加速度和縱向加速度。通過考慮這3個(gè)方向上產(chǎn)生的振動，量化乘客在接觸點(diǎn)上感受到的振動程度進(jìn)行乘坐舒適度評價(jià)。目前，北京地鐵可用于獲取車體三軸加速度數(shù)據(jù)的設(shè)備有軌檢車和便攜式添乘儀2種。軌檢車由于檢測成本和設(shè)備數(shù)量限制，檢測頻率僅為2月一次；而便攜式添乘儀的檢測頻率不受限制，可頻繁進(jìn)行隨車檢測。

為便于表述，本文在站姿乘客的足部與地板接觸點(diǎn)建立右手坐標(biāo)系，設(shè)定垂直于地板的方向?yàn)閦向，列車的前進(jìn)方向?yàn)閤向，垂直于x向與z向的方向?yàn)閥向，用ax、ay、az表示三軸加速度的檢測值。

由于人體對地鐵列車不同頻率的振動感受不同，為了使計(jì)算出的乘坐舒適度更貼近乘客的主觀感受，UIC513標(biāo)準(zhǔn)對采集到的加速度檢測值進(jìn)行了變換處理。該標(biāo)準(zhǔn)中以5 s內(nèi)采集到的數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)單元，對每個(gè)單元中的數(shù)據(jù)進(jìn)行了包括頻率加權(quán)在內(nèi)的一系列處理，并將計(jì)算結(jié)果定義為加速度有效值，用Ax、Ay、Az表示三軸加速度的有效值，具體計(jì)算過程可參見UIC513標(biāo)準(zhǔn)。

參考UIC513標(biāo)準(zhǔn)中的站姿狀態(tài)計(jì)算模型，北京地鐵乘坐舒適度N的計(jì)算模型如公式（1）。

為了將計(jì)算出的乘坐舒適度N值用于北京地鐵舒適度管理工作，參考UIC513標(biāo)準(zhǔn)中的乘坐舒適性劃分方法，將北京地鐵乘坐舒適度劃分為5個(gè)等級，評價(jià)方法如表1所示。

表1 北京地鐵乘坐舒適度評價(jià)方法

2 北京地鐵乘坐舒適度管理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了對北京地鐵舒適度進(jìn)行方便有效的管理，本文設(shè)計(jì)了北京地鐵乘坐舒適度管理信息系統(tǒng)，以輔助北京地鐵的乘坐舒適度管理工作。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

北京地鐵乘坐舒適度管理信息系統(tǒng)需要處理大量由添乘人員上傳的便攜式添乘儀三軸加速度檢查數(shù)據(jù)，并向不同用戶提供結(jié)果查詢功能。用戶需要系統(tǒng)能及時(shí)響應(yīng)請求、操作方便且界面美觀。根據(jù)上述特點(diǎn)，使用ASP.NET MVC+ EntityFramework +Bootstrap + JQuery + HighCharts + Matlab組合設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架，如圖 1所示。

圖1 北京地鐵乘坐舒適度管理信息系統(tǒng)架構(gòu)圖

在系統(tǒng)中，Oracle數(shù)據(jù)庫為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)管理服務(wù)；IIS服務(wù)器支持系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行；Matlab為系統(tǒng)提供科學(xué)計(jì)算及模型實(shí)現(xiàn)。

2.2 系統(tǒng)功能

根據(jù)北京地鐵乘坐舒適度管理的需求，系統(tǒng)包括乘坐舒適度計(jì)算和乘坐舒適度評價(jià)2個(gè)子系統(tǒng)，如圖 2所示。

圖2 北京地鐵乘坐舒適度管理信息系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

在實(shí)際的管理工作中，北京地鐵一般按照一定區(qū)段長度作為單元區(qū)段或站間區(qū)間評價(jià)乘坐舒適度，因此需要分別計(jì)算單元區(qū)段和站間區(qū)間的乘坐舒適度。

乘坐舒適度計(jì)算子系統(tǒng)采用上文給出的乘坐舒適度計(jì)算模型，處理由添乘人員上傳的原始添乘數(shù)據(jù)，并將計(jì)算后的數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中。單元區(qū)段乘坐舒適度計(jì)算模塊將地鐵線路劃分為若干200 m單元區(qū)段，利用單元區(qū)段內(nèi)的三軸加速度數(shù)據(jù)使用公式（1）計(jì)算該單元區(qū)段的乘坐舒適度值；站間區(qū)段乘坐舒適度計(jì)算模塊按地鐵車站將線路劃分為若干站間區(qū)間，以站間區(qū)間內(nèi)的單元區(qū)段乘坐舒適度平均值作為該站間區(qū)間的乘坐舒適度值。

乘坐舒適度評價(jià)子系統(tǒng)為用戶提供按照單元區(qū)段、站間區(qū)間的乘坐舒適度檢查數(shù)據(jù)疊加查詢，輔助用戶識別一條線路中乘坐舒適度較差的處所。

2.3 數(shù)據(jù)庫

根據(jù)系統(tǒng)需求及功能設(shè)計(jì)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫包括添乘儀檢查日志表、單元區(qū)段字典表、站間區(qū)間字典表、檢查波形數(shù)據(jù)表、單元區(qū)段乘坐舒適度數(shù)據(jù)表、站間區(qū)間乘坐舒適度數(shù)據(jù)表等，如圖 3所示。

圖3 北京地鐵乘坐舒適度管理信息數(shù)據(jù)模型圖

3 北京地鐵舒適度管理信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 功能實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)以C#為主要開發(fā)語言，采用ASP.NET架構(gòu)進(jìn)行開發(fā)，選用Visual Studio作為集成開發(fā)環(huán)境，后臺架構(gòu)使用ASP.NET MVC + EntityFramework，前臺采用Bootstrap+JQuery框架，使用Highcharts做圖表展示。其中，乘坐舒適度計(jì)算子系統(tǒng)后臺程序以Matlab為科學(xué)計(jì)算平臺，通過C#與Matlab混合編程，實(shí)現(xiàn)舒適度檢查數(shù)據(jù)的計(jì)算與處理，以及添乘檢查記錄的上傳、查詢等功能；乘坐舒適度評價(jià)子系統(tǒng)包括添乘歷史數(shù)據(jù)疊加查詢、單點(diǎn)歷史數(shù)據(jù)趨勢查詢等功能，實(shí)現(xiàn)從單元區(qū)段和站間區(qū)間兩個(gè)維度對任意線路、任意時(shí)間、任意位置的乘坐舒適度進(jìn)行評價(jià)分析。

3.2 效果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性，北京地鐵乘坐舒適度管理信息系統(tǒng)在北京地鐵1號線進(jìn)行了試運(yùn)行，在2018年7月26日—10月17日間利用便攜式添乘儀對北京地鐵1號線進(jìn)行了9次數(shù)據(jù)采集。將采集的三軸加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳，從系統(tǒng)中獲取北京地鐵1號線的乘坐舒適度評價(jià)結(jié)果，如圖 4、圖5所示。

圖4 單元區(qū)段乘坐舒適度疊加分析圖

圖5 站間區(qū)間乘坐舒適度疊加分析圖

圖4 為按單元區(qū)段計(jì)算的乘坐舒適度疊加圖，圖5為按站間區(qū)間計(jì)算的乘坐舒適度疊加圖。從圖4中可以看出，9次檢查中所有單元區(qū)段的乘坐舒適度值都在3.5以下，根據(jù)表1的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，北京地鐵1號線上行的單元區(qū)段乘坐舒適度整體都處于合格及以上的評價(jià)區(qū)間。從圖5中可以看出，北京地鐵1號線上行的站間區(qū)間乘坐舒適度都在1.8以下，整體處于好及以上評價(jià)區(qū)間，其中，較好的站間區(qū)間有南禮士路—復(fù)興門、天安門東—王府井等，相對較差的站間區(qū)間有古城—八角游樂園、八角游樂園—八寶山、四惠—四惠東等。以上結(jié)果與北京地鐵在2018年10月進(jìn)行的旅客乘坐舒適性調(diào)查反饋意見結(jié)果一致，表明該系統(tǒng)評價(jià)結(jié)果具備一定的科學(xué)性和有效性。

4 結(jié)束語

（1）基于UIC513標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合北京地鐵的特點(diǎn)，本文選擇UIC513標(biāo)準(zhǔn)中的站姿狀態(tài)模型作為北京地鐵乘坐舒適度計(jì)算的依據(jù)，提出了北京地鐵乘坐舒適度計(jì)算模型和評價(jià)方法。

（2）設(shè)計(jì)了北京地鐵乘坐舒適度管理信息系統(tǒng)，依據(jù)北京地鐵對乘坐舒適度的管理需求，對系統(tǒng)架構(gòu)、功能、數(shù)據(jù)庫進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

（3）開發(fā)實(shí)現(xiàn)了北京地鐵乘坐舒適度管理信息系統(tǒng)，并進(jìn)行了系統(tǒng)試運(yùn)行。采用便攜式添乘儀在北京地鐵1號線上進(jìn)行了9次車體三軸加速度數(shù)據(jù)采集，使用系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)，并對結(jié)果進(jìn)行了分析，系統(tǒng)試運(yùn)行效果良好。

在未來的研究中，仍需繼續(xù)完善北京地鐵乘坐舒適度管理信息系統(tǒng)功能，并結(jié)合軌檢車檢測結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化北京地鐵乘坐舒適度計(jì)算模型，為北京地鐵乘坐舒適度管理工作提供理論依據(jù)。