李 熙，王海濤，宗立明，張 元

（北京市地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司 地鐵運(yùn)營(yíng)技術(shù)研發(fā)中心，北京 102208）

城市軌道交通車(chē)輛乘客載荷檢測(cè)方法及試驗(yàn)應(yīng)用

李 熙，王海濤，宗立明，張 元

（北京市地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司 地鐵運(yùn)營(yíng)技術(shù)研發(fā)中心，北京 102208）

在分析現(xiàn)有客流統(tǒng)計(jì)方法不足的基礎(chǔ)上，提出通過(guò)采集車(chē)輛四個(gè)空氣彈簧壓力計(jì)算城市軌道交通車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中乘客載荷的方法，分別通過(guò)三通閥改裝及提取BCU控制箱預(yù)留信號(hào)獲取空簧壓力信號(hào)。在此基礎(chǔ)上開(kāi)展正線試驗(yàn)，采集正線運(yùn)營(yíng)車(chē)輛的乘客載荷信息，通過(guò)采集波形、數(shù)據(jù)提取、載客量轉(zhuǎn)換及結(jié)果分析，計(jì)算測(cè)試周期內(nèi)乘客數(shù)，滿(mǎn)足車(chē)輛乘客載荷計(jì)算及安全性分析的需求。

城市軌道交通車(chē)輛；載荷檢測(cè)；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(wàn)，大客流在對(duì)城市軌道交通運(yùn)輸組織帶來(lái)巨大沖擊的同時(shí)，對(duì)城市軌道交通車(chē)輛車(chē)體、走行部關(guān)鍵承載部件、關(guān)鍵系統(tǒng)性能及故障運(yùn)行能力也帶來(lái)新的沖擊和考驗(yàn)[1]～[8]。據(jù)運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，車(chē)輛長(zhǎng)期處于滿(mǎn)載或滿(mǎn)軸重狀態(tài)下運(yùn)營(yíng)，將加劇車(chē)輪磨耗以及車(chē)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(chē)輛關(guān)鍵部件的疲勞破壞問(wèn)題時(shí)有發(fā)生[9]。因此，開(kāi)展車(chē)輛在大客流持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間超載條件下運(yùn)行對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等部位產(chǎn)生影響的分析，并提出相應(yīng)對(duì)策，保證車(chē)輛運(yùn)行安全十分必要。

評(píng)估客流沖擊對(duì)城市軌道交通車(chē)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(cè)方法是關(guān)鍵。目前，全國(guó)各地鐵公司每天都在統(tǒng)計(jì)各線路的客運(yùn)量，主要方法有人工計(jì)數(shù)、利用OD數(shù)據(jù)優(yōu)化分析以及視頻識(shí)別（雙目識(shí)別）[10]等。北京地鐵利用OD數(shù)據(jù)每天統(tǒng)計(jì)各線客流，由進(jìn)線量、換乘量計(jì)算每日客運(yùn)量，根據(jù)小時(shí)斷面客運(yùn)量計(jì)算時(shí)段滿(mǎn)載率。但僅能統(tǒng)計(jì)在某一時(shí)段多列車(chē)上的乘客載荷，無(wú)法統(tǒng)計(jì)某一時(shí)刻單獨(dú)一輛車(chē)上的乘客載荷，無(wú)法作為依據(jù)評(píng)估客流沖擊對(duì)車(chē)輛車(chē)體、走行部關(guān)鍵承載部件、關(guān)鍵系統(tǒng)性能及故障運(yùn)行能力帶來(lái)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(cè)方法。

1 載荷檢測(cè)方案

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

圖1 空氣彈簧載荷測(cè)試方案

圖2給出了車(chē)輛用空氣彈簧與垂向載荷之間對(duì)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(duì)應(yīng)關(guān)系

2 在線試驗(yàn)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(cè)試，根據(jù)車(chē)輛運(yùn)用安全選取試驗(yàn)車(chē)輛，將試驗(yàn)車(chē)輛編組中第2輛車(chē)輛（動(dòng)車(chē)）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(chē)底固定連接至司機(jī)室，司機(jī)室內(nèi)設(shè)置終端采集4個(gè)空氣彈簧壓力值。圖3為改裝后三通閥，圖4為現(xiàn)場(chǎng)采集情況。

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

2.1 采集信號(hào)波形圖

對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得4個(gè)通道對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)。圖5（a）～圖5（d）是測(cè)試周期星期一上午第3趟4個(gè)通道的電壓信號(hào)波形圖。

圖3 改裝后三通閥

圖4 現(xiàn)場(chǎng)采集

圖5 （a）通道1（三通）信號(hào)

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

圖5 （b）通道2（BCU）信號(hào)

圖5 （c）通道3（BCU）信號(hào)

圖5 （d）通道4（三通）信號(hào)

2.2 數(shù)據(jù)提取

圖6為測(cè)試周星期一上午第3趟1通道信號(hào)波形圖，對(duì)應(yīng)的測(cè)試車(chē)站數(shù)為兩站。圖中A點(diǎn)為車(chē)輛關(guān)車(chē)門(mén)時(shí)空簧1的輸出電壓，即為該站所要提取的靜態(tài)值；B點(diǎn)、C點(diǎn)則為站區(qū)間輸出電壓的最大值和最小值。依次利用信號(hào)波形圖，提取出每一站關(guān)門(mén)時(shí)刻的靜態(tài)值、每?jī)烧局g的運(yùn)營(yíng)的最大值和最小值，這些數(shù)值對(duì)應(yīng)的類(lèi)型為電壓信號(hào)（mV）。

圖6 某站區(qū)間信號(hào)波形

2.3 載客量換算

將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成載客量，需要借助氣壓傳感器輸入信號(hào)（氣壓）、氣壓傳感器輸出信號(hào)（電壓）、空簧壓力信號(hào)（氣壓）與載荷之間的對(duì)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(duì)應(yīng)1 000 kPa，即每1 000 mV對(duì)應(yīng)100 kPa大氣壓；高峰時(shí)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(shí)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(duì)應(yīng)關(guān)系，即可獲得車(chē)輛載客量。

鑒于最大載客量時(shí)，空簧氣壓一般在500 kPa左右，所以取斜率K=24.5（即每100 kPa對(duì)應(yīng)24.5 kN，因此每1 000 mV對(duì)應(yīng)24.5 KN），得到氣壓與乘客質(zhì)量之間關(guān)系。空載時(shí)測(cè)得4個(gè)輸出電壓信號(hào)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(gè)空簧測(cè)得的車(chē)廂載重（N）由式（1）得到。

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

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

2.4 測(cè)試結(jié)果

表1為星期一上午測(cè)試結(jié)果。由此可知，星期一早高峰最大客流量約為335人，時(shí)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(jì)

如圖7（a）為上午第1趟測(cè)試結(jié)果，測(cè)試時(shí)間區(qū)段為5:09:08 ～ 6:19:10。其中：藍(lán)色線表示4個(gè)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(chē)屬于正常運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，且因?yàn)檩d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(chē)站載客量變化（測(cè)試時(shí)間6:19:40～7:20:48）。該時(shí)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(chē)仍屬于正常運(yùn)營(yíng)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(shì)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(chē)站載客量變化（測(cè)試時(shí)間7:21:10～8:19:56）。由數(shù)據(jù)可知，該趟列車(chē)存在超載運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，部分區(qū)間4個(gè)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(shì)具有高度的一致性，數(shù)值平均差在10人以?xún)?nèi)。

圖7（d）為第4趟各車(chē)站載客量變化（測(cè)試時(shí)間8:20:01～9:20:58）。由數(shù)據(jù)可知，該趟列車(chē)存在超載運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，部分區(qū)段4個(gè)通道平均總載員大于300人。

按照上述方法分別計(jì)算可得測(cè)試各時(shí)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(shí)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(yǔ)

為評(píng)估大客流沖擊對(duì)城市軌道交通車(chē)輛走行部關(guān)鍵承載部件壽命及運(yùn)行安全性的影響，本文提出通過(guò)采集車(chē)輛4個(gè)空氣彈簧壓力計(jì)算城市軌道交通車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中的乘客載荷的方法，在正線運(yùn)營(yíng)車(chē)輛開(kāi)展測(cè)試試驗(yàn)，通過(guò)信號(hào)采集、提取、分析及載客量換算分別計(jì)算車(chē)輛乘客載荷信息，分析結(jié)果表明提出的載荷檢測(cè)方法能夠滿(mǎn)足城市軌道交通車(chē)輛載荷計(jì)算要求。

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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(xiàng)目（Z131110002813122）；北京地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司科研項(xiàng)目（2012200510000002）。

李 熙，高級(jí)工程師；王海濤，助理工程師。