地铁车辆运行舒适度与平稳性监测系统方案介绍摘要 地铁车辆作为如今普遍使用的公共交通工具，其运行的平稳性和必要的舒适度应被予以保证沿用至今的平稳性指标和国际铁路联盟提出的UIC 513标准已被广泛用于衡量旅客乘坐地铁时的平稳感和舒适程度然而，为获得地铁实际运行时的各项实时参数，一套便于组装、高精度、且能分布式布置和远程监控的监测系统则能有效帮助工程师对列车进行改进，同时列车员也能根据监控数据对列车的运行状况进行即时调整本方案即提出一套符合上述要求的监测系统1. 推荐使用实时监测地铁车辆平稳性和舒适度监测系统的目的随着城市化进程的加快，地铁作为重要的城市交通工具之一的重要性也越来越高今年3月8日，北京地铁路网客运量首次突破1000万人次大关政府对地铁交通的补贴负担也因此不断加大地铁票价的上涨势在必行然而，地铁票价的上涨势必带来乘客对运行的平稳性和舒适度要求的增加而乘客对平稳性和舒适度的感知主要源于乘坐时加速度的变化地铁车辆生产部门在研发生产时已根据国家提出的平稳性指标和国际适用的舒适性标准，对地铁车厢进行反复的调校和测试然而，地铁的运行环境非常复杂，地铁车厢的行动状况会因为铁路条件和乘坐人员分布的差异而不同。
比如，以不同的速度或加速度在某段铁路路段上行驶，不同位置的乘客在车厢内的感受到的振动和倾斜加速度会完全不同而地铁驾驶员或主控中心对其的感知只能通过模拟和实验数据获得一套可以在地铁实际运行时对每节车厢的各个部位进行运行时加速度进行数据采集的监测系统或数据采集系统，辅以软件控制和获得采集结果并按时序存储，能帮助地铁设计人员有根据地对转向架等部位进行调整，同时能帮助地铁驾驶员和主控中心根据实时监测结果对运行速度和加速度等参数进行更改，以增加乘客乘坐地铁时的舒适度和平稳感2. 地铁车辆平稳性和舒适度标准计算方法车辆平稳性和舒适度都有标准的计算方法平稳性指标的计算方法按照中华标准出版社发行的GB5599-1985铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范，而舒适性的计算方法按照国际铁路联盟（UIC）提出的UIC 513标准而来2.1 车辆Sperling平稳性指标计算[1]Sperling指标用于评定车辆本身的运行品质和旅客乘坐舒适度运行品质由车辆动力性能来衡量，而舒适度则还与旅客对振动环境的敏感度有关用于舒适度评价的Sperling平稳性指标，计算公式如下[2]：W=0.896am3fF(f)110 （1）式中，W为平稳性指标；am为振动加速度峰值；f为振动频率；F(f)为为与振动频率相关的加权修正系数，表示人对各种振动频率的不同敏感性，在常用的频率范围内，竖向和横向的加权函数F(f)也各不相同。
以上平稳性指标适用于单一频率的等幅振动，而实际上车辆振动为随机振动从车体上测得的加速度包含了车辆振动的整个自然频率，需将其按频率分组，统计出每一频率中不同加速度的平稳性指标值因此，总平稳性指标采用式(2)计算W总=(W110+W110+W110+…+W110)110 (2)平稳性指标测试时，传感器安装在距转向架中心1 000 mm的地板面上；将加速度值进行快速傅里叶变换得到频谱(所记频谱范围为0．5～40Hz)后，再由频率加权计算获得平稳性值Sperling平稳性指标的评定等级分为3级，如表1所示表1 Sperling平稳性指标的评定等级平稳性等级评定平稳性指标客车货车1级优<2.50<3.502级良好2.50-2.753.50-4.003级合格2.75-3.004.00-4.252.2车辆舒适度指标计算[1]旅客平均舒适度指标的测量和计算参照国际铁路联盟UIC 513标准，分为完全方法和简化方法；其简化方法对站姿和坐姿舒适度的计算都适用简化方法的计算公式为[3]：NMV=6axP95Wd2+ayP95Wd2+azP95Wb2 (3)式中：NMV为舒适度指标，其中下标MV表示舒适度计算简化方法；a 为有效加速度，其上标Wi(i=b,d)为加速度值按频率加权(d表示水平方向，b表示垂直方向)，下标x、y、z分别表示纵向、横向、竖向，P表示测点位于地板面，95表示加速度取95％置信点的有效值。
舒适度指标N 评定标准为：N<1，非常舒适；1≤N<2，很舒适；2≤N<4，较舒适；4≤N<5，不舒适；N≥5，非常不舒适当站姿和坐姿采用简化方法进行计算时，N不得超过下列数值：城市轨道交通车辆为4；普通铁路机车车辆为3；上等铁路机车车辆为23. 地铁车辆运行舒适度与平稳性监测系统本文提出一套实用性高的地铁列车平稳性和舒适度实时监测系统该监测系统被设计可运用于已有和将来生产的地铁车辆中考虑已投入运营或研制完成的地铁车厢数量巨大，因此对实时监测系统的布置应该以对车辆改造最小化为最初设计宗旨监测系统由加速度应变传感器，信号调理模块，高精度A/D转换模块，以及数据传输系统组成加速度的采用基准是可以高敏有效感知车辆运行时加速度的变化，信号调理模块和高精度A/D转换模块负责将传感器传递来的信息进行有效放大，滤波和高精度A/D转换，而数据传输模块负责将转换后的数字信号高速传递给远程主控电脑一辆地铁列车拥有一台主控电脑，对所有设备进行控制，获得采集结果并进行平稳度和舒适度计算，并将计算结果实时显示在终端监视器上，同时按时序存储于硬盘中由于一列地铁火车长度超过百米，传统的数据采集系统通信媒介无法达到如此长度。
因此采用的数据采集系统应使用新型通信媒介，能在该范围内有效高速传输数据3.1监测系统采用设备在应变加速传感器端，本监测系统推荐采用KYOWA加速度应变传感器；同时，本监测系统推荐采用Bustec公司生产的ProDAQ 6100 LXI主机，ProDAQ 3416 A/D转换功能卡，ProDAQ 3202标准电压模块，以及ProDAQ 5716信号调理设备作为数据采集系统本监测系统推荐使用的Bustec ProDAQ 6100 LXI主机使用标准以太网缆线作为传输媒介，能和网内所有其他6100实现误差低于17纳秒的高精度同步，并实现整个地铁列车范围内超过100MB/s的高速数据传输ProDAQ 3416功能卡安装在ProDAQ 6100内，能使得单个6100拥有最大64个独立24-bit精度A/D转换通道ProDAQ 3202提供高精度标准电压，配合6100,3416以及5716能实现全自动高精度校准ProDAQ 5716由标准SCSI缆线和ProDAQ 3416连接，对传感器传递过来的模拟信号进行调理（如图2）使用Bustec数据采集系统的优点如下：a. 体积小巧（ProDAQ 6100+3416为1/2 U, ProDAQ 5716为1U，可按需求进行进一步集成和缩小）。
b. 高密度，一个ProDAQ能对最大64个独立通道进行24-bit精度A/Da. 可适用于各型号地铁列车车厢b. 可用于现有地铁列车加装，或新车型的研发试验c. 分布式，系统自带以太网接口并使用IEEE 1588进行高精度同步和触发整个系统只需一台配置标准以太网接口的PC或笔记本电脑即可对系统内所有设备进行控制和获取测试数据设备间使用一个标准以太网路由器和以太网线即可自动组成系统c. 高数据率和高精度，系统内数据率达到100MB/S，ProDAQ 3416 A/D转换功能卡其采集结果误差低于0.005%，曾荣获2011年度Best in Test大奖，是全球数据采集业界的明星产品ProDAQ 6100 LXI主机 ProDAQ 5716 信号调理盒+ ProDAQ 3416 功能卡图2. 采用的Bustec 设备3.2监测系统示意图监测系统的布置如图3，4，和5图3. 地铁车头（有驾驶室）监测系统布置示意图其中图3是地铁火车车头（有驾驶室）的侧面布置图，而图4是地铁火车乘客车厢（无驾驶室）的侧面布置图如图所示，该系统基本布置于火车的外部安装ProDAQ 3416功能卡的6100主机和5716调理盒被放置在每节火车车厢底部。
一个标准以太网络覆盖整个火车(图中红色缆线表示)，并最终连接放置在驾驶室的主控电脑（图3中的黄色电脑图标所示）；ProDAQ 3416提供16个独立24-bit高精度A/D转换通道，每通道装有独立增益放大器，提供1-2000放大倍数ProDAQ 3416曾荣获2011年度Best in Test大奖；ProDAQ 5716提供激励信号并能完成电桥平衡，同时内置低通滤波器配合3416和6100中的标准电压模块ProDAQ 3202能实现自动校准和误差小于0.005%的采集精度KYOWA加速度应变传感器连接ProDAQ 5716 （图3，4中绿色缆线和多边形），用以测量车体各位置加速度变化量其测点布置图如图5图4. 地铁车厢（无驾驶室）监测系统布置示意图图5是地铁车头（有驾驶室）的测点布置图每辆列车车体纵向中心线5个位置（车辆前后转向架中心，车体中心，以及转向架和车体中心之间）的地板面上各布置纵向、横向与竖向加速度传感器车头驾驶室一个测点各转向架左右1000mm处增加一测点，以监测平稳性总共10个测点，每个方向加速度测量为一个通道，总共30个通道而无驾驶室的乘客车厢，相比车头减少一个驾驶室的测点，总共为9个测点，总共27个通道。
图5. 地铁车头（有驾驶室）测点布置图3.3监测系统工作流程整套监测系统的工作流程如图6所示在列车启动后，系统可由列车司机启动在系统中各设备初始化完成之后，即可开始监控工作各设备在启动后可自动寻找网内所有设备，并以其中一台的时钟为主时钟，并以IEEE 1588标准进行同步时间误差低于17纳秒的高精度同步此时可由主控电脑远程命令系统开始进行数据采集工作设备自动将加速度传感器传来的模拟信号进行调理和高精度A/D转换，并将转换到的结果附上时间戳传给远程主控电脑主控电脑实时计算舒适度和平稳度，并实时显示于监测屏幕上，同时采集到的数据将存储于主控电脑中设备初始化，同步系统中各设备启动加速度传感器设备进行数据采集A/D转换附上时间戳通过LAN发送给电脑计算实时N和W实时显示存储图6. 监测系统工作流程3.4监测系统实时监控软件面板设计地铁列车驾驶员用以实时监控行驶平稳度和舒适度的软件面板如图7和图8考虑到驾驶员需要专注在列车前方状况，因此软件面板的首页需要简单直接（如图7）图7中，每节车厢被编号（如图中的1-6），其中1号为车头，6号为车尾，2-5号为乘客车厢列车各部位的平稳度和舒适度统一用颜色方块表示，绿色则代表非常舒适和平稳，黄色代表感受尚可，橙色代表不适，而红色则代表非常不舒适。
各监测系统的工作状况由右边的带颜色文字表示，如系统工作正常则显示绿色“正常”字样，如系统监测到异常状况（如缆线断裂，接收信号超出有效测量范围等），则文字则变成红色的“异常”每节列车的详细监测状况需要操作人员点击每行最右边的“详细”按钮当某节列车被监测到异常时，列车异常区域的平稳度舒适度表示色块变成灰色，同时“详细”按钮也变成红色（如图7中的第五节列车）图7. 监测系统软件面板首页在操作员点击图7中的“详细”按钮之后，单节列车的详细运行参数需显现在屏幕上（如图8）屏幕上会显示车厢俯视图，并标记各测量点中的位置并编号（如图8中的1-10编号测量点），同时以不同的颜色表示即时平稳度和舒适度状况，色彩变化规则与图7相同点击相应测试点，即时平稳度和舒适度数值，和各轴测点加速度波形图会显示在车厢俯视图下面图8. 监测系统软件详细信息页3.5监测系统结果分析软件设想使用该监测系统。