劉雅濃，潘振華，馬浩然，王 杰，于 群

（大連交通大學(xué) 機(jī)車車輛工程學(xué)院，遼寧 大連 116028）

動(dòng)車組作為軌道交通行業(yè)的重要裝備，已成為中國制造業(yè)的名片，也是國家實(shí)施“走出去”戰(zhàn)略的重要載體[1]。但動(dòng)車組的車上檢票仍是傳統(tǒng)的人工檢票，工作效率較低且工作強(qiáng)度大。因此，研究一款能夠保證旅客信息安全且同時(shí)能夠降低乘務(wù)員工作強(qiáng)度的新型座椅結(jié)構(gòu)，對(duì)我國高鐵智能化發(fā)展具有重要意義。

動(dòng)車組的出現(xiàn)大大改善了人們的出行體驗(yàn)，盡管如此，動(dòng)車組系統(tǒng)仍有一些不盡人意的地方。目前，國內(nèi)外的動(dòng)車二等座椅均不具備扶手折疊與身份識(shí)別的功能，在進(jìn)入站臺(tái)前的身份證識(shí)別環(huán)節(jié)到車上人工檢票環(huán)節(jié)期間身份證件存在安全風(fēng)險(xiǎn)，在乘客上車時(shí)，時(shí)常會(huì)出現(xiàn)找不到座位甚至“霸座”的現(xiàn)象。目前列車乘務(wù)員依然需要在車廂中對(duì)乘客進(jìn)行依次檢票，尤其是學(xué)生票，乘務(wù)員需要額外檢查學(xué)生證等相應(yīng)證件，工作效率較低，工作量極大。目前動(dòng)車組的二等座座椅結(jié)構(gòu)雖然能夠滿足乘客的基本需求和舒適度要求[2]，但是在某些方面，其結(jié)構(gòu)還不能滿足眾多乘客的多方面要求。比如，由于前座座椅角度的可調(diào)性導(dǎo)致在其后座的小桌板發(fā)生晃動(dòng)，在一些情況下，會(huì)對(duì)后座乘客的乘坐體驗(yàn)產(chǎn)生影響[3]。

本文以動(dòng)車組座椅為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)一種具有身份識(shí)別功能的動(dòng)車組智能座椅結(jié)構(gòu)，增添了扶手折疊結(jié)構(gòu)與身份識(shí)別功能，對(duì)小桌板進(jìn)行結(jié)構(gòu)改良。設(shè)計(jì)的座椅增加了扶手折疊與身份識(shí)別的功能，同時(shí)對(duì)小桌板進(jìn)行了一定的改良。當(dāng)座椅未經(jīng)身份認(rèn)證時(shí)，座椅扶手向座椅內(nèi)呈現(xiàn)折疊狀態(tài)，此時(shí)乘客無法入座；經(jīng)身份認(rèn)證后，扶手自動(dòng)展開，乘客方可坐下；當(dāng)乘客下車前，應(yīng)再次識(shí)別身份信息，使座椅扶手自動(dòng)折疊，以待下位乘客進(jìn)行身份認(rèn)證。同時(shí)，該身份識(shí)別系統(tǒng)還需要進(jìn)行大數(shù)據(jù)信息收集，通過乘客購票系統(tǒng)獲取每位乘客的座位號(hào)，以便對(duì)每個(gè)座位進(jìn)行身份認(rèn)證。小桌板晃動(dòng)的問題則選擇以齒輪結(jié)構(gòu)固定的方式來予以解決。本設(shè)計(jì)不僅可以嚴(yán)格執(zhí)行鐵路旅客車票實(shí)名制管理辦法，保護(hù)旅客的合法權(quán)益，還可以滿足乘客對(duì)舒適度的需求，為我國鐵路事業(yè)和智能化高鐵建設(shè)提供了新思路。

1 身份認(rèn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)

身份認(rèn)證系統(tǒng)由電器系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)組成，是本動(dòng)車組座椅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心。身份認(rèn)證系統(tǒng)可以避免乘客信息泄露，保障乘客信息安全，并取代傳統(tǒng)的人工檢票環(huán)節(jié)，既可以改善乘客乘坐體驗(yàn)，又能提高乘務(wù)員工作效率，減輕其工作量。電氣系統(tǒng)用于乘客信息與電子鎖的關(guān)聯(lián)，為下一步扶手轉(zhuǎn)動(dòng)做出準(zhǔn)備工作；機(jī)械系統(tǒng)可將扶手按照電子鎖發(fā)出的指令進(jìn)行展開與折疊。兩個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成了身份認(rèn)證系統(tǒng)，保障乘客安全，降低乘務(wù)員工作強(qiáng)度。

1.1 電器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

乘客購票乘車時(shí)，找到自己對(duì)應(yīng)的座位后，需在讀卡器上識(shí)別本人身份證，座椅上的電子鎖才會(huì)打開，乘客方可入座；乘客離開時(shí)，再次在讀卡器上識(shí)別本人身份證，乘客離開，電子鎖關(guān)閉。其認(rèn)證設(shè)備參考當(dāng)前較為流行的智能門禁系統(tǒng)：以射頻識(shí)別技術(shù)（Radio Frequency Identification，RFID）為核心，利用二代身份證的高安全性、高防偽級(jí)別和唯一性，設(shè)計(jì)一款對(duì)二代身份證進(jìn)行識(shí)別的智能電子鎖[4-5]。

1.2 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)將座椅扶手旋轉(zhuǎn)裝置固定于距靠背1/4處，旋轉(zhuǎn)裝置設(shè)計(jì)為圓筒形，其直徑與扶手等寬，高度與扶手厚度相同，這樣可以確保舒適度。對(duì)于裝置內(nèi)部，在近靠背端設(shè)置機(jī)電結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)裝置內(nèi)部與機(jī)電裝置輸出端均為齒輪結(jié)構(gòu)[6]。同時(shí)設(shè)定旋轉(zhuǎn)角，使扶手折疊端活動(dòng)范圍為90°。座椅總體效果如圖1 所示。

扶手的旋轉(zhuǎn)和折疊裝置由齒輪組與驅(qū)動(dòng)齒輪組運(yùn)轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)器組成，通過主控模塊控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)座椅扶手的自動(dòng)折疊和打開[7]。座椅扶手展開狀態(tài)如圖2 所示。

圖2 自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)動(dòng)車組座椅識(shí)別后座椅圖

座椅扶手的機(jī)械裝置如圖3 所示。通過齒輪的上下兩層設(shè)計(jì)降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，提高電機(jī)扭矩，更高效地完成扶手的打開和折疊。合頁與座椅固定連接。由于定齒輪固定在合頁上，驅(qū)動(dòng)減速齒輪和動(dòng)齒輪在自轉(zhuǎn)的同時(shí)共同圍繞定齒輪的齒輪圓心做公轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)扶手桿繞著合頁軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)扶手桿的折疊和展開。

減速裝置即減速齒輪。動(dòng)齒輪、上齒輪、下齒輪和定齒輪的分度圓直徑依次遞增。該減速齒輪設(shè)計(jì)為上下兩層齒輪，這種結(jié)構(gòu)能有效降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，并提高扭矩。

工作時(shí)，由主控制器接收到解除鎖定或鎖定信號(hào)后，發(fā)送控制信號(hào)給穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)保護(hù)模塊[8]。穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)保護(hù)模塊通過電機(jī)調(diào)節(jié)功率輸出，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作。由電機(jī)帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)減速輪旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)座椅扶手桿的展開或折疊。動(dòng)齒輪跟隨電機(jī)保持同樣的角速度轉(zhuǎn)動(dòng)，減速齒輪作為過渡齒輪，其目的在于降低動(dòng)齒輪的角速度，進(jìn)而使扶手轉(zhuǎn)動(dòng)的過程輕盈自然。同時(shí)，定齒輪固定在合頁上，提供反向扭矩實(shí)現(xiàn)扶手桿轉(zhuǎn)動(dòng)。

當(dāng)扶手需要展開時(shí)，電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)減速齒輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，減速齒輪會(huì)作用于定齒輪，由于定齒輪固定于座椅，根據(jù)力的相互作用，會(huì)導(dǎo)致減速齒輪、動(dòng)齒輪在自轉(zhuǎn)的同時(shí)共同圍繞定齒輪的齒輪圓心沿順時(shí)針方向做公轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)扶手展開。

當(dāng)扶手需要折疊時(shí)，電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，其余部分做扶手展開工況時(shí)的反向轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鎖定。

1.3 工作原理及性能分析

乘客利用身份證在12306 等網(wǎng)站購買車票，網(wǎng)站向Web 服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求命令，電子鎖管理系統(tǒng)生成該乘客的身份證開鎖信息指令，暫時(shí)保存于電子鎖管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中，并通過Web 服務(wù)器向乘客返回相應(yīng)的車次座位等信息。電子鎖每10 分鐘請(qǐng)求一次Web服務(wù)器，Web 服務(wù)器通過調(diào)取電子鎖管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的開鎖身份證信息數(shù)據(jù)發(fā)送給電子鎖，存儲(chǔ)到電子鎖的控制主板中。當(dāng)用戶使用身份證在電子鎖的刷卡區(qū)域刷卡時(shí)，通過RFID 系統(tǒng)對(duì)存儲(chǔ)在控制主板里的開鎖身份證信息和讀取到的身份證信息進(jìn)行比較。若一致，電子鎖開鎖電路將控制扶手由折疊狀態(tài)變?yōu)樯熘睜顟B(tài)，乘客入座。當(dāng)乘客再次使用身份證在電子鎖的身份證刷卡區(qū)域刷卡時(shí)，通過RFID 系統(tǒng)的作用，電子鎖開鎖電路會(huì)控制扶手由伸直狀態(tài)還原為折疊狀態(tài)。圖4 為工作原理流程圖。

圖4 工作原理流程圖

1.4 身份證開鎖性能安全性分析

本系統(tǒng)中用來識(shí)別身份證的讀卡器交由公安部門進(jìn)行管控，系統(tǒng)各部分之間的通信都經(jīng)過SSL 數(shù)字證書加密處理，不會(huì)泄漏用戶的身份證信息。而且實(shí)現(xiàn)實(shí)名制開鎖，有利于強(qiáng)化社會(huì)管理，是對(duì)人們財(cái)產(chǎn)安全的一種保障。

類比目前各火車站進(jìn)站需持身份證、車票或人臉識(shí)別的技術(shù)，我們的系統(tǒng)設(shè)計(jì)在車廂里，再次保證了站內(nèi)及列車內(nèi)的身份認(rèn)證準(zhǔn)確性，更加保障了乘客信息的安全。

2 小桌板改進(jìn)

座椅結(jié)構(gòu)如圖5 所示，其部分尺寸：椅面高度為370-480mm（可調(diào)節(jié)）；扶手高度為160mm；椅面傾角為5°-10°；座位深度為400mm；坐墊滑出的最大尺寸為60mm；小桌板高度取650mm；靠背的調(diào)節(jié)角度為25°[9]。

圖5 座椅結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

2.1 數(shù)據(jù)改進(jìn)

由于動(dòng)車組二等座椅設(shè)置了后置小桌板，小桌板的位置固定并保持獨(dú)立，不受椅背調(diào)整的影響，始終保持在水平位置。桌板面積為400mm×250mm，當(dāng)桌板支起后，下方必須有足夠的空間可供小腿與大腿成85°-115°之間自由活動(dòng)。小桌板高度由坐姿肘部高度決定，太高會(huì)使乘客手臂長時(shí)間在抬起狀態(tài)下工作，易產(chǎn)生疲勞酸痛，太低則會(huì)使身體前傾，影響乘坐舒適度[10]。考慮到男女身材尺寸不同及衣服修正量3mm，小桌板高度為min[E（3.5）男+E（3.5）女]+椅面高度，對(duì)于椅面高度取420mm，小桌板高度為650mm 左右。此外，座椅的高度由靠背和椅面角度確定，大約為1150mm。為了不影響小桌板的使用，當(dāng)座椅傾斜到最大角度時(shí)，小桌板邊緣應(yīng)與座椅背面持平，因此座椅縱向總長約為（1150-420）×sin25°+250+400=980mm。小桌板打開狀態(tài)下，后排乘客起身不碰到小桌板的最小距離為前后兩座間距。小桌板的高度大體與人站立時(shí)大腿部相當(dāng)，考慮到衣服厚度，所以該數(shù)據(jù)為980+E（3.6）+13，可取1100mm。

2.2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

考慮到不同年齡段的人在使用小桌時(shí)臂長不同，對(duì)小桌板設(shè)置了抽拉功能，按GB 100000-88 標(biāo)準(zhǔn)10～60 歲男性前臂長數(shù)值，5%為216mm，95%為258mm，差異42mm，因此，小桌板設(shè)置了50mm 的抽拉數(shù)值，保證滿足絕大多數(shù)人使用。

2.3 可行性分析

本次改造是在原座椅基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的，主要改變小桌板尺寸并增加小桌板的抽拉功能，通過資料的查找以及三維軟件的學(xué)習(xí)，可以很好的實(shí)現(xiàn)，實(shí)用性強(qiáng)，可行性大。

2.3.1 技術(shù)可行性

本項(xiàng)目使用的核心技術(shù)為現(xiàn)有的RFID 技術(shù)，該技術(shù)在市面上已有較為完善的應(yīng)用，即門禁識(shí)別技術(shù)。本項(xiàng)目受其啟發(fā)，結(jié)合當(dāng)下車廂內(nèi)乘務(wù)員需人工核實(shí)乘客信息這一行動(dòng)，對(duì)上述行動(dòng)進(jìn)行了智能化改良。乘客信息來源為鐵路信息管理系統(tǒng)，儲(chǔ)存信息的電子鎖管理系統(tǒng)為項(xiàng)目內(nèi)部系統(tǒng)，機(jī)電結(jié)構(gòu)為齒輪結(jié)構(gòu)，動(dòng)力來源為電機(jī)。對(duì)于小桌板的改良，我們?cè)黾恿她X輪結(jié)構(gòu)與抽拉結(jié)構(gòu)。故總體上項(xiàng)目的技術(shù)可行性較高，同時(shí)也能保證乘客的信息安全，又能大大減輕乘務(wù)員工作量。

2.3.2 市場需求可行性

對(duì)于身份識(shí)別系統(tǒng)：乘客進(jìn)入車廂時(shí)乘務(wù)員可以在車門處要求乘客進(jìn)行身份識(shí)別，而無需對(duì)每位乘客進(jìn)行檢票。從乘客角度來看，乘客進(jìn)站即需手持身份證，進(jìn)入站臺(tái)后可將身份證收好，而往往人工檢票環(huán)節(jié)在列車開動(dòng)后的一段時(shí)間，這期間證件的安全性得不到保障，還是有丟失證件的可能。本系統(tǒng)可以避免身份證件在上述的安全風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)證件的安全性有了一定的提升。

小桌板的改良可以改善乘客對(duì)小桌板的使用體驗(yàn)，大大減少桌板上液體灑落的可能性。綜上，市場需求可行性較好。

2.3.3 應(yīng)用前景可行性

當(dāng)今社會(huì)大環(huán)境愈發(fā)向智能化發(fā)展。本項(xiàng)目的工作內(nèi)容是取代乘務(wù)員人工檢票環(huán)節(jié)，取而代之的是智能化“一鍵式”檢票。符合當(dāng)代發(fā)展趨勢。如果投入使用，將大大減少車內(nèi)工作人員的工作量，同時(shí)對(duì)乘客的信息與合法權(quán)益提供了保障。小桌板的改良可以大大改善乘客的乘坐體驗(yàn)，且可減少桌板方面事故的發(fā)生。故發(fā)展前景與可行性較好。

綜上所述，可行性良好。

3 結(jié)論

（1）本設(shè)計(jì)中的自動(dòng)檢票系統(tǒng)是在現(xiàn)有動(dòng)車組座椅扶手上增添身份識(shí)別設(shè)備，通過識(shí)別乘客的身份證實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢票的功能。這種電子檢票方便快捷，大幅度減少了乘務(wù)員的工作量和工作時(shí)間，提高了工作效率，消除了人為原因所造成的工作失誤，使乘坐高鐵動(dòng)車的流程更加便捷化。而且這種檢票方式可以有效地防止“霸座”現(xiàn)象的發(fā)生，保護(hù)乘客合法權(quán)益。

（2）本設(shè)計(jì)中對(duì)動(dòng)車組座椅后方小桌板的改進(jìn)是將桌板的位置進(jìn)行調(diào)整，并增加了抽拉裝置，對(duì)小桌板在物品擺放和臨時(shí)休息這兩個(gè)方面做出了優(yōu)化，使小桌板的穩(wěn)定性有了一定的提升，進(jìn)一步提升了乘客的使用舒適性，即使是在長時(shí)間乘車過程中，乘客依舊能夠有一個(gè)良好的乘車體驗(yàn)。