城市轨道交通列车舒适度评价系统研究与开发

卢凯，贺德强，邓建新，王合良，刘卫

（广西制造系统与先进制造技术重点实验室（广西大学机械工程学院），广西南宁530004）

城市轨道交通列车舒适度评价系统研究与开发

卢凯，贺德强，邓建新，王合良，刘卫

（广西制造系统与先进制造技术重点实验室（广西大学机械工程学院），广西南宁530004）

设计了一套接入列车车载网络的轨道交通列车舒适度评价系统，能够实现对列车相关数据的监测，对舒适度进行量化评价，从而为列车舒适度评价提供依据和数据支持。开发了列车舒适度评价系统仿真软件，并进行了测试实验。

舒适度；评价；噪声；振动；轨道交通列车

发展城市轨道交通是缓解城市交通压力、调整城市空间布局及带动城市均衡发展的重要途径。近年来，我国城市轨道交通迎来了快速发展时期。截止2015年底，我国有26座城市修建轨道交通线路，共计116条投入运营，总运营里程达3 612 km[1]。市民在享受轨道交通带来了方便快捷的出行体验的同时，对乘坐的舒适性要求也是越来越高。而提高舒适性是当前既有运营线路普遍面临和亟待解决的问题。要提出提高乘坐舒适度的解决方案，就必须首先对乘坐舒适度进行量化的评价。为此，构建了城市轨道交通列车舒适度评价系统。

本舒适度评价系统通过对城市轨道交通列车的乘坐舒适度做出科学评价，为既有线路和车辆的舒适度提升提供数据支持，对新车型的开发提供经验参考，对提高舒适度提供评价支撑[2]；系统利用速度、加速度、噪声、振动、温度、湿度等传感器，采集相应的实时数据，量化分析各指标，不但可从提高舒适度角度，对列车状态参数和车内温度、湿度进行实时反馈和提供优化建议，而且能够将数据传输给地面控制中心，通过数据分析，为列车走行部故障及线路方案优化提供参考。

1系统总体设计

系统主要由数据采集模块、控制器模块、数据存储模块、网络通信模块、显示模块和电源模块等组成，系统框图如图1所示。

图1 系统结构图

数据采集模块将采集到的被测信号转换成模电信号，再经过模数转换为数字信号，传输给控制器模块。控制器对输入的数据进行处理和运算，根据连续采集到的数据实时计算出振动舒适度、等效声级和总体评价，并将数据通过列车通信网络传送至司机室的显示模块进行实时的显示。数据存储模块能够实时存储原始数据和计算结果，并能够将数据下载至地面中央控制中心进行进一步的处理和分析。电源模块为控制器等模块提供电源。网络通信模块，将控制模块和存储模块等，利用内部的车载网关实现车载以太网与列车通信网络的连接，进行数据传输和通信。显示模块，在司机室对各个指标的评价值、数据变化曲线等进行实时显示。存储模块，对采集的数据进行存储，待下载传输到地面控制中心，对数据进行深入的处理分析。

2主要硬件设计

2.1 数据采集模块

数据采集模块包括速度传感器、MEMS三轴加速度传感器、车载传声器、车载空调系统温度传感器、车载空调系统湿度传感器。本系统中，车速作为参考数据，使用列车牵引系统已加装的速度传感器数据。MEMS三轴加速度传感器测量三个方向加速度。考虑其加速度的变化范围以及采样频率，该传感器选用Inelta KS823B型三轴MEMS加速度计，其量程为±12 g，内部集成滤波、A/D转换、SPI接口等，满足系统数据采集需求。

2.2 数据处理模块

由于舒适度的计算、等效声级计算等涉及数模转换和FFT等数据预处理和算法运算，这要求控制器要具有较强大的数据处理功能。设计采用ARM Cortex M3内核的互联型STM32F107RB微控制器，其最高时钟频率为72 MHz，具有64 KB FLASH和20 KB RAM，并且具有丰富的外设，包括USB2.0 FS OTG、SPI、CAN 2.0、Ethernet等，满足系统使用需求。

按照UIC513-1994标准计算和评价振动舒适度。

简化公式为：

其中：a为加速度值，下标X、Y、Z分别表示列车横向、纵向和竖向，P表示测点位于地板上，95表示加速度去95%置信度的有效值，上标为加速度值按频率加权（d表示水平方向，b表示竖直方向）[3]。根据标准，所记频谱范围为0.4～80 Hz，每5 s为一个计算单元，求得加权有效值，取连续60个加权有效值的95%的置信点，最后合成3个方向的加速度计算得到舒适度[4]。由于地铁站间距离较短，停站时间较长，因此无法连续取到60个加权有效值，暂以20个加权有效值来调整算法。

按照GB14892-2006标准计算等效声级LAeq.

计算公式：

式中：LAeq，T为等效声级，单位为分贝（dB）；t2-t1为规定的时间间隔，单位为秒（s）；pA（t）为噪声瞬时A计权声压，单位为帕（Pa）；p0为基准声压（20μPa）。

标准规定，在客室测量时，传声器位置应置于客室纵轴中部，距地板高度为1.2 m的位置上，方向朝上。而此设计中利用的是列车车载传声器，其位置在车顶和车侧交汇处，方向朝向车内空间。由于位置的差异，引入修正系数ξ（ξ的值因车型和设备的不同，需要实测数据拟合得到）。

按照ISO7730、GB50157-2013标准，结合季节等环境因素设定温度、湿度舒适区间。

由于上述因素中只有振动舒适度有明确判定标准，拟将噪声、温度、湿度因素转化成振动舒适度判定标准的形式，即利用统计学等方法，将各值数据拟合转化为量化值形式（依次标为C1，C2，C3，C4），最后结合AHP法和Delphi法设定权重系数（具体权重系数根据车型实测拟定），计算列车综合舒适度C值[5]。系统计算流程如图2所示。

图2 系统计算框图

根据计算C值得出“非常舒适”、“舒适”、“合格”、“不舒适”、“非常不舒适”之综合舒适度评价。综合舒适度评价标准见表1.

表1 综合舒适度评价标准

根据综合舒适度评价标准，若C＞4，则会发出报警提示。

3软件仿真设计

基于系统需求，利用C#语言编写了城市轨道交通列车舒适度评价仿真系统，用于系统的仿真实现。

系统由主界面、噪声图像、振动舒适度、温度图像、湿度图像等几个子界面构成。机车编号、系统时间、报警信息栏为界面始终显示的信息。各个界面可由显示器的相应按键来进行切换。

3.1 系统主界面

主界面，如图3所示，用于显示列车和线路的相关信息，包括列车型号、列车编组、检测线路、运行速度，以及各个参数的实时值和报警信息。

图3 系统主界面

3.2 噪声监控界面

噪声监控界面显示随采样数据实时变化的曲线。80 dB直线表示客室的噪声限值，如果超出，则定会判定为不舒适，显示报警提示。如图4所示。

图4 噪声监控界面

3.3 振动舒适度监控界面

振动舒适度监控界面显示随采样数据实时变化的曲线，如图5所示。舒适度等于4的直线为舒适度的限值，如果超出，则会判定为不舒适，显示报警提示。

图5 振动舒适度监控界面

3.4 温度监控界面

温度监控界面显示温度随时间的变化曲线，如图6所示。

图6 温度监控界面

3.5 湿度监控界面

湿度监控界面，如图7所示，显示湿度随时间的变化曲线。

图7 湿度监控界面

4结束语

本文设计了一套接入列车车载网络的轨道交通列车舒适度评价系统。

（1）能够实时地采集速度、振动（横向加速度、纵向加速度、垂向加速度）、噪声（响度、尖锐度、粗糙度、抖动度）、温度、湿度等数据，实时、全面、量化地评价列车的舒适度。

（2）通过数据的采集和分析能够为提出有关优化解决方案做参考和指导。如可以通过对不同速度与振动噪声数据的分析，找出速度、与产生振动噪声大小规律，从提高乘坐舒适度角度，为列车的运行操纵提供参考；能够通过对某一条轨道线路上多车数据的分析，找出轨道线路中产生振动噪声比较大的路段，为改进线路减振降噪提供依据；另外，可以通过多车数据的横向对比，找出数据异常的列车，及时发现列车走行部等部件的故障问题。

（3）能够实时反馈车厢的温度、湿度状况，如果超出了温度设定范围，能够及时发出提示信息，并调整空调系统，以提高旅客乘坐舒适度。

[1]翟婉明，赵春发.现代轨道交通工程科技前沿与挑战[J].西南交通大学学报，2016，51（02）：209-226.

[2]铃木浩明.列车舒适度的评价[J].国外铁道车辆，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]朱剑月，朱良光，周劲松，等.地铁车辆运行舒适度与平稳性评价[J].城市轨道交通究，2007，10（06）：28-31.

[5]陈卫，方廷健，蒋旭东.基于Delphi法和AHP法的群体决策研究及应用[J].计算机工程，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

广西科技攻关项目（桂科攻1598009-6）；南宁市科技攻关项目（20151021）；广西制造系统与先进制造技术重点实验室主任课程（15-140-30S003）

卢凯（1990-），男，硕士研究生，研究方向：先进制造技术及智能检测；贺德强（1973-），男，湖南桃江人，博士，教授，博士生导师，研究方向：列车信息系统、故障诊断与智能维护。