城市軌道交通車輛乘客載荷檢測方法及試驗應(yīng)用

李 熙，王海濤，宗立明，張 元

（北京市地鐵運營有限公司 地鐵運營技術(shù)研發(fā)中心，北京 102208）

城市軌道交通車輛乘客載荷檢測方法及試驗應(yīng)用

李 熙，王海濤，宗立明，張 元

（北京市地鐵運營有限公司 地鐵運營技術(shù)研發(fā)中心，北京 102208）

在分析現(xiàn)有客流統(tǒng)計方法不足的基礎(chǔ)上，提出通過采集車輛四個空氣彈簧壓力計算城市軌道交通車輛運行過程中乘客載荷的方法，分別通過三通閥改裝及提取BCU控制箱預(yù)留信號獲取空簧壓力信號。在此基礎(chǔ)上開展正線試驗，采集正線運營車輛的乘客載荷信息，通過采集波形、數(shù)據(jù)提取、載客量轉(zhuǎn)換及結(jié)果分析，計算測試周期內(nèi)乘客數(shù)，滿足車輛乘客載荷計算及安全性分析的需求。

城市軌道交通車輛；載荷檢測；三通閥；BCU；超載

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，城市軌道交通在城市綜合交通中的比例逐年上升。2013年3月8日起，北京城市軌道交通客流量突破1 000萬，大客流在對城市軌道交通運輸組織帶來巨大沖擊的同時，對城市軌道交通車輛車體、走行部關(guān)鍵承載部件、關(guān)鍵系統(tǒng)性能及故障運行能力也帶來新的沖擊和考驗[1]～[8]。據(jù)運營數(shù)據(jù)統(tǒng)計，車輛長期處于滿載或滿軸重狀態(tài)下運營，將加劇車輪磨耗以及車體、轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件的疲勞。目前，在北京地鐵多條線路車輛關(guān)鍵部件的疲勞破壞問題時有發(fā)生[9]。因此，開展車輛在大客流持續(xù)長時間超載條件下運行對結(jié)構(gòu)強度等部位產(chǎn)生影響的分析，并提出相應(yīng)對策，保證車輛運行安全十分必要。

評估客流沖擊對城市軌道交通車輛關(guān)鍵承載部件壽命的影響，獲得載荷譜，建立有效的載荷檢測方法是關(guān)鍵。目前，全國各地鐵公司每天都在統(tǒng)計各線路的客運量，主要方法有人工計數(shù)、利用OD數(shù)據(jù)優(yōu)化分析以及視頻識別（雙目識別）[10]等。北京地鐵利用OD數(shù)據(jù)每天統(tǒng)計各線客流，由進(jìn)線量、換乘量計算每日客運量，根據(jù)小時斷面客運量計算時段滿載率。但僅能統(tǒng)計在某一時段多列車上的乘客載荷，無法統(tǒng)計某一時刻單獨一輛車上的乘客載荷，無法作為依據(jù)評估客流沖擊對車輛車體、走行部關(guān)鍵承載部件、關(guān)鍵系統(tǒng)性能及故障運行能力帶來新的沖擊和壽命影響。因此，亟需建立一種有效的客流載荷檢測方法。

1 載荷檢測方案

針對目前城市軌道交通車輛上進(jìn)行牽引、制動計算載荷模擬值的不足，提出分別測量車輛4個空氣彈簧壓力的測試方法[5]。由于城市軌道交通車輛制式不同，車下安裝條件不同，采集4個空氣彈簧壓力的方法主要分兩種方式，管路換裝及提取車下BCU控制箱內(nèi)預(yù)留空氣彈簧氣壓信號，如圖1所示。

圖1 空氣彈簧載荷測試方案

圖2給出了車輛用空氣彈簧與垂向載荷之間對應(yīng)關(guān)系?？傮w上看，二者呈線性關(guān)系，但在局部區(qū)段有空氣壓力越大，垂向載荷越大。

圖2 空簧內(nèi)壓與垂向力對應(yīng)關(guān)系

2 在線試驗與數(shù)據(jù)分析

選取北京地鐵客流量較大的線路進(jìn)行正線測試，根據(jù)車輛運用安全選取試驗車輛，將試驗車輛編組中第2輛車輛（動車）用轉(zhuǎn)向架進(jìn)行三通閥改裝、BCU管路連接。將采集設(shè)備線路經(jīng)車底固定連接至司機室，司機室內(nèi)設(shè)置終端采集4個空氣彈簧壓力值。圖3為改裝后三通閥，圖4為現(xiàn)場采集情況。

為有效檢測載荷檢測方法的有效性，選取客流量較大的線路連續(xù)測試星期六、星期一早晚高峰的載荷情況，總里程超過300 km。

2.1 采集信號波形圖

對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得4個通道對應(yīng)的電壓信號。圖5（a）～圖5（d）是測試周期星期一上午第3趟4個通道的電壓信號波形圖。

圖3 改裝后三通閥

圖4 現(xiàn)場采集

圖5 （a）通道1（三通）信號

其中，通道1、通道4是通過改裝三通閥獲得的信號，通道2、通道3是通過連接BCU獲得的信號，兩種方案測試結(jié)果的波形總體走勢非常一致，但局部存在細(xì)微偏差，這也驗證了三通閥改裝測試具有良好的可信度。

圖5 （b）通道2（BCU）信號

圖5 （c）通道3（BCU）信號

圖5 （d）通道4（三通）信號

2.2 數(shù)據(jù)提取

圖6為測試周星期一上午第3趟1通道信號波形圖，對應(yīng)的測試車站數(shù)為兩站。圖中A點為車輛關(guān)車門時空簧1的輸出電壓，即為該站所要提取的靜態(tài)值；B點、C點則為站區(qū)間輸出電壓的最大值和最小值。依次利用信號波形圖，提取出每一站關(guān)門時刻的靜態(tài)值、每兩站之間的運營的最大值和最小值，這些數(shù)值對應(yīng)的類型為電壓信號（mV）。

圖6 某站區(qū)間信號波形

2.3 載客量換算

將電壓信號轉(zhuǎn)換成載客量，需要借助氣壓傳感器輸入信號（氣壓）、氣壓傳感器輸出信號（電壓）、空簧壓力信號（氣壓）與載荷之間的對應(yīng)關(guān)系，方能獲得載客量。

氣壓傳感器輸出電壓值與空簧內(nèi)壓值具有完全線性關(guān)系：10 000 mV對應(yīng)1 000 kPa，即每1 000 mV對應(yīng)100 kPa大氣壓；高峰時期靜態(tài)值范圍在3 000 mV ～ 5 000 mV之間，因此內(nèi)壓值在300 kPa～500 kPa；在減去空載時空簧氣壓，得到乘客引起的空簧氣壓變化量，再借助空氣彈簧的內(nèi)壓與垂向載荷的對應(yīng)關(guān)系，即可獲得車輛載客量。

鑒于最大載客量時，空簧氣壓一般在500 kPa左右，所以取斜率K=24.5（即每100 kPa對應(yīng)24.5 kN，因此每1 000 mV對應(yīng)24.5 KN），得到氣壓與乘客質(zhì)量之間關(guān)系?？蛰d時測得4個輸出電壓信號分別為2 838.3 mV、2 864.48 mV、2 843.33 mV、2 824.53 mV，設(shè)靜態(tài)值為X（mV），則每個空簧測得的車廂載重（N）由式（1）得到。

假設(shè)乘客平均體重60 kg，每個空簧測得的車廂載客量如式（2）所示。

獲得這些數(shù)值后，分別計算：（1）1、2、3、4通道，4個通道測出的載客量的平均值a；（2）1、4通道，即改裝三通閥通道測出的載客量的平均值b；（3）2、3通道，即BCU通道測出的載客量的平均值c。

2.4 測試結(jié)果

表1為星期一上午測試結(jié)果。由此可知，星期一早高峰最大客流量約為335人，時間為7: 30分左右。這與早高峰郊區(qū)客流進(jìn)入中心城區(qū)有關(guān)。

表1 星期一早高峰載客量統(tǒng)計

如圖7（a）為上午第1趟測試結(jié)果，測試時間區(qū)段為5:09:08 ～ 6:19:10。其中：藍(lán)色線表示4個通道載客量的平均值a，紅色線表示三通閥通道1、4載客量的平均值b，綠色線表示BCU通道2、3載客量的平均值c（以下同）。由數(shù)據(jù)可知，該趟列車屬于正常運營狀態(tài)，且因為載客量較少，三通閥數(shù)據(jù)與BCU數(shù)據(jù)間有差異。

圖7（b）為第2趟各車站載客量變化（測試時間6:19:40～7:20:48）。該時間段內(nèi)，a的最大值為大望路136人，b的最大值為大望路132人，c的最大值為大望路139人。由數(shù)據(jù)可知，該趟列車仍屬于正常運營狀態(tài)。較第1趟相比，第2趟乘客量明顯上升，但未出現(xiàn)超載情況。三通閥數(shù)據(jù)與BCU數(shù)據(jù)走勢具有高度的一致性，數(shù)值平均差在10人左右。

圖7（c）為第3趟各車站載客量變化（測試時間7:21:10～8:19:56）。由數(shù)據(jù)可知，該趟列車存在超載運營狀態(tài)，部分區(qū)間4個通道平均總載員大于300人。三通閥數(shù)據(jù)與BCU數(shù)據(jù)走勢具有高度的一致性，數(shù)值平均差在10人以內(nèi)。

圖7（d）為第4趟各車站載客量變化（測試時間8:20:01～9:20:58）。由數(shù)據(jù)可知，該趟列車存在超載運營狀態(tài)，部分區(qū)段4個通道平均總載員大于300人。

按照上述方法分別計算可得測試各時段客流情況如下：

（1）星期日晚高峰出現(xiàn)在19:38分，最大客流量約為301人，接近超載狀態(tài)；

（2）星期一早高峰出現(xiàn)在7:30分左右，最大客流量約為335人，主要由于郊區(qū)人員進(jìn)入主城區(qū)工作有關(guān)；

圖7 （a） 第1趟載客量折線圖

圖7 （b） 第2趟載客量折線圖

圖7 （c） 第3趟載客量折線圖

圖7 （d） 第4趟載客量折線圖

（3）星期一晚高峰出現(xiàn)在18: 30分左右，最大客流量約為381人，屬于嚴(yán)重超載狀態(tài)，該時刻是下班高峰期，為大量乘客回家或者轉(zhuǎn)乘到郊區(qū)一帶所致。

3 結(jié)束語

為評估大客流沖擊對城市軌道交通車輛走行部關(guān)鍵承載部件壽命及運行安全性的影響，本文提出通過采集車輛4個空氣彈簧壓力計算城市軌道交通車輛運行過程中的乘客載荷的方法，在正線運營車輛開展測試試驗，通過信號采集、提取、分析及載客量換算分別計算車輛乘客載荷信息，分析結(jié)果表明提出的載荷檢測方法能夠滿足城市軌道交通車輛載荷計算要求。

[1] H.Riener,D.PeiskalrLrner,W.Witteveen.Modal durability analysis of a passenger cars front suppoting frame due to full vehicle simulation loads[C]. Adams user conference, North America, 2001.

[2] K,S.Kirn,H.J.Yim,C.B.Kim .Computational durability prediction of body structure in prototype vehicle[J]. International Journal of automotive technology, 2002(3):129-136.

[3] 劉志明.隨機載荷下焊接構(gòu)架疲勞壽命及可靠性研究[D].北京：北方交通大學(xué)，2001.

[4] 王連森.機車走行部運行可靠性研究[J].內(nèi)燃機車，2010（1）：8-11.

[5] 肖 楠，謝基龍，周素霞.城市軌道交通車輪踏面制動疲勞強度評價方法及應(yīng)用[J].工程力學(xué)，2007，27 （9）：234-239.

[6] 曾全君.地鐵車輛車輪壽命分析[J].電力機車與城軌車輛，2005，28（2）：47-49.

[7] 汪 洋.地鐵列車車輪踏面環(huán)狀剝離的分析[J].電力機車與城軌車輛，2003， 26（4）：67-68.

[8] 鄧志剛，孫 綱.地鐵車輛車輪異常磨耗測試分析[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2009（1）：19-22.

[9] 李 熙.超載模式下城市軌道交通車輛走行部安全性分析及維修輔助決策[D].北京：北京交通大學(xué)，2014.

[10] 潘 浩.基于雙目視覺的客流檢測與跟蹤技術(shù)的研究[D]. 上海：上海交通大學(xué)，2009.

責(zé)任編輯 方 圓

Method of passenger load detection and experimental application for vehicle of Urban Transit

LI Xi, WANG Haitao, ZONG Liming, ZHANG Yuan
( Subway Operation Technology Centre, Mass Transit Railway Operation Corporation LTD, Beijing 102208, China )

Based on disadvantage analysis of existing passenger fl ow statistical method, the method of passengers load detection through collecting the pressure of four air springs of the vehicle was put forward. By conversing a threeway valve and extracting the obligating signal of BCU control, the signal of air spring pressure was obtained. The online test was taken through collecting waveform, extracting data, converting trainload and analyzing the results, the number of passengers within the testing period was calculated which could meet the requirements of load calculation and safety analysis.

vehicle of Urban Transit; load detection; three-way valve; BCU; overload

U293.13∶TP39

A

1005-8451（2015）04-0039-05

2014-09-15

北京市科委科技創(chuàng)新基地培育與發(fā)展工程項目（Z131110002813122）；北京地鐵運營有限公司科研項目（2012200510000002）。

李 熙，高級工程師；王海濤，助理工程師。