陳衛(wèi)衛(wèi) 龐 昂

（中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

無線加速度測試技術在過山車檢測中的應用

陳衛(wèi)衛(wèi) 龐 昂

（中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

過山車運行速度快，乘客承受加速度情況復雜，計算加速度與實測加速度相差較大，開展加速度測試非常必要。本文介紹了游樂設施加速度測試要求和無線加速度傳感器測量系統(tǒng)工作原理，基于GB 8408—2008開發(fā)了加速度分析與判別軟件，開展了某過山車的加速度測試、分析與判別工程應用。最后，總結了經驗和教訓。

加速度 無線 過山車

過山車上大型主題樂園必不可少的一種游樂設施，深受廣大游客的喜愛[1]。目前，世界上最快的過山車上位于阿拉伯聯(lián)合酋長國阿卜杜比法拉利世界主題樂園的羅薩方程式過山車，由Intamin游樂設備公司設計制造。羅薩方程式過山車車體為法拉利f1賽車造型，液壓彈射發(fā)車，最高時速240 km/h，0～240km/h加速時間4.9s[2]。國內最快的過山車為南昌萬達主題樂園的超高過山車，同樣由Intamin游樂設備公司設計制造。超高過山車為傳統(tǒng)的鏈條提升過山車，軌道高度82.8m，最高時速136km/h。過山車軌道設計中通常有各種立環(huán)、螺旋環(huán)和直線段等元素組成，高速度通常會導致高加速度，增加乘客受傷風險。因此，在過山車檢測中進行加速度測試非常必要。

1 游樂設施加速度測試要求

為使乘人不受到傷害，游樂設施乘人的加速度應限制在一定的范圍內。美國、歐洲和我國在游樂設施標準中均對加速度允許值做出了要求，美國標準與其他二者有較大不同，我國標準與歐洲標準基本一致[3-5]。下文主要介紹我國標準中對加速度允許值做出的要求。

1.1 基本要求

計算或測量加速度的參考點一般應在座席上方600mm處。在測量加速度做加速度隨時間變化的歷程圖時，應使用10Hz低通高頻濾波器（濾波器邊界斜度最小6dB/倍頻程）。加速度數(shù)據用實際加速度與重力加速度g的比值表示。

持續(xù)時間小于等于0.1s的加速度為沖擊加速度，持續(xù)時間大于0.1s的加速度為穩(wěn)態(tài)加速度。當存在沖擊載荷時，加速度允許值要降低10%。

1.2 人體坐標系

人體坐標系定義如圖1所示。乘客背靠方向定義為x軸正向，面向方向定義為x軸負向。乘客左手方向定義為y軸正向，右手方向定義為y軸負向。座椅面向下方向定義為z軸正向，向上方向定義為z軸負向。

圖1 人體坐標系

1.3 側向加速度（y方向）限制

測量的側向加速度（y方向），應符合圖2的規(guī)定。測量的加速度信號按三角形記錄。圖中虛線部分為頻率10Hz以上的區(qū)域；Δt為加速度持續(xù)時間，單位為s；Δt超過4s的區(qū)域尚未驗證。

圖2 與持續(xù)時間有關的加速度允許值|ay|

圖3 與持續(xù)時間有關的加速度允許值az

1.4 垂直加速度（z方向）限制

測量的垂直加速度（z方向），應符合圖3的規(guī)定。測量的加速度信號按三角形記錄。圖中s為加速度持續(xù)時間，單位為s；超過4s的區(qū)域尚未驗證。

1.5 加速度的組合限制

當同時存在側向加速度ay和垂直加速度az時，應符合圖4的規(guī)定。圖中ay、az分別為實測側向加速度和垂直加速度，[ay]、[az]分別為側向加速度允許值和垂直加速度允許值。以az/[az]為橫軸，以ay/[ay]為縱軸描點，當所有點落在圖中折線下方時，說明測試結果符合標準要求。

圖4 ay和az加速度組合允許范圍

由于加速度允許值與持續(xù)時間有關，實際測試中使用圖4難以對結果進行判定。因此，根據圖2和圖3選取具有代表性的Δt=0.05s、0.1s和0.2s三種情況畫出ay和az加速度組合允許區(qū)域如圖5所示。

圖5 典型ay和az加速度組合允許區(qū)域

2 無線加速度傳感器測量系統(tǒng)

無線加速度傳感器測量系統(tǒng)[6]上由無線加速度傳感器節(jié)點、無線網關和安裝了相應數(shù)據采集和處理軟件的計算機組成，如圖6所示。

圖6 無線加速度傳感器測量系統(tǒng)

2.1 無線加速度傳感器節(jié)點

無線加速度傳感器節(jié)點主要由電源、加速度傳感器、數(shù)據采集處理和無線通信等4個模塊組成，如圖7所示。其工作原理如下：首先，電源模塊為節(jié)點提供電量。其次，加速度傳感器把力信號轉換為電信號；然后，數(shù)據采集處理模塊把傳感器輸出的微弱信號經過放大、濾波等調理電路后，送到模數(shù)轉換器，轉變?yōu)閿?shù)字信號，送到主處理器進行數(shù)字信號處理，計算出傳感器的有效值等。最后，由無線通信模塊采用基于IEEE802.15.4標準的無線協(xié)議進行數(shù)據傳輸。

圖7 無線加速度傳感器節(jié)點原理框圖

根據GB 8408—2008規(guī)定，選擇適合過山車測試的無線加速度傳感器節(jié)點見表1。表1中節(jié)點的最高采樣率均可設置為4kHz，每個通道均設有抗混疊低通濾波器。采集的數(shù)據既可以實時無線傳輸至計算機，也可以存儲在節(jié)點內置的2M數(shù)據存儲器內，保證了采集數(shù)據的準確性。節(jié)點的空中傳輸速率可以達到250kbps，有效室外通訊距離70～300m。節(jié)點設計有專門的電源管理軟硬件，在實時不間斷傳輸情況下，節(jié)點功耗僅30mA，使用內置的可充電電池，可連續(xù)測量12h。A302EX無線加速度傳感器節(jié)點如圖8所示，在表1中可以看到其傳輸距離最遠。因此，采用A302EX無線加速度傳感器節(jié)點進行過山車加速度測試。

表1 適合過山車測試的無線加速度傳感器節(jié)點

圖8 A302EX無線加速度傳感器節(jié)點

圖9 BS903無線網關

2.2 無線網關

無線網關可以接收無線加速度傳感器節(jié)點發(fā)出的加速度數(shù)據，并通過USB接口傳輸至計算機進行存儲。同時，在計算機端通過軟件可以將傳感器參數(shù)設置通過無線網關傳輸至無線加速度傳感器節(jié)點。BS903無線網關如圖9所示，其具有外置天線、USB、電源和網線接口。BS903無線網關上一款便攜式遠距離無線設備接收裝置，其結構緊湊，體積小巧，可以同時連接多個相同或不同種類傳感器節(jié)點進行測試。因此，過山車加速度測試中選用了BS903無線網關。

2.3 數(shù)據采集和處理軟件

計算機端數(shù)據采集和處理軟件上無線加速度傳感器測量系統(tǒng)中的重要組成部分，本文采用了BeeData數(shù)據采集軟件，軟件界面如圖10所示。BeeData上界面友好的Windows采集控制軟件，可以實現(xiàn)對多個傳感器節(jié)點采集到的數(shù)據同時實時顯示、分析和存儲。傳感器校準參數(shù)、通道數(shù)據和數(shù)字濾波等信息也可以通過BeeData寫入傳感器節(jié)點內部。同時，BeeData可以對網絡通信質量和設備上否發(fā)生故障進行實時監(jiān)控，并具有開機自檢和傳感器節(jié)點電量監(jiān)測功能。

圖10 BeeData數(shù)據采集軟件界面

3 基于GB 8408—2008的加速度分析與判別軟件開發(fā)

《游樂設施G加速度分析與判別方法》[7]針對GB 8408—2008中4.7節(jié)“加速度允許值”進行了深度解析，提出了加速度判別方法，對標準的貫徹執(zhí)行提供了有力保障?，F(xiàn)有加速度軟硬件為通用型，沒有開發(fā)游樂設施加速度分析與判別功能。因此，本文開發(fā)了專用軟件，大大簡化了結果處理過程，提高了工作效率。

3.1 軟件基本框架

加速度分析與判別軟件原理框圖如圖11所示，主要包含以下幾大模塊：數(shù)據文件讀取、低通高頻濾波和符合標準與否判別模塊。

圖11 加速度分析與判別軟件原理框圖

3.2 軟件主要界面

“游樂設施加速度測試結果數(shù)據處理系統(tǒng)v1.0”主要界面如圖12所示，基于Matlab GUI（用戶圖形界面）功能開發(fā)[8]。該主界面主要由以下功能模塊組成：

1）分別打開3向加速度數(shù)據文件、顯示文件路徑和預覽原始加速度-時間歷程曲線功能。

2）分別進行3向加速度任意頻率（默認10Hz，可更改）低通高頻濾波和預覽濾波后加速度-時間歷程曲線功能。

3）預覽并輸出濾波后3向加速度-時間歷程曲線功能。

4）預覽并輸出ay和az加速度組合曲線（包含符合標準與否判別）功能。

圖12 “游樂設施加速度測試結果數(shù)據處理系統(tǒng)v1.0”主要界面

4 過山車加速度測試應用實例

根據《游樂設施加速度測試作業(yè)指導書》步驟，應用無線加速度傳感器測量系統(tǒng)進行某過山車加速度測試，并通過自編專用軟件進行結果分析與判別。

4.1 測試基本步驟

本部門自行開發(fā)了一套加速度測試安裝架，如圖13所示。首先，將安裝架牢固安裝在過山車壓杠上。然后，將萬向云臺通過燕尾槽安裝于L型燕尾塊上，調整云臺傾斜角度，使水平儀氣泡居中。之后，調整加速度節(jié)點高度和方向，使之和GB 8408—2008要求一致，如圖14所示。最后，開啟BeeData軟件和無線加速度傳感器節(jié)點電源，進行參數(shù)設置，開始采集。

圖13 加速度測試安裝架設計圖

圖14 加速度測試安裝架現(xiàn)場安裝圖

4.2 測試結果分析

該過山車加速度測試結果與設計值比較見表2（實測加速度已使用10Hz低通高頻濾波器進行濾波），可以看出側向加速度ay和垂直加速度az實測值均超過設計值很多。

表2 加速度測試結果與設計值比較

應用自編軟件“游樂設施加速度測試結果數(shù)據處理系統(tǒng)v1.0”，讀取加速度測試結果數(shù)據，分別輸出“3向加速度-時間歷程曲線”與“ay和az加速度組合分析及判別圖”，如圖15～圖18所示。

圖15與圖16為1號車加速度分析結果，根據《游樂設施G加速度分析與判別方法》[7]，分別按Δt=0.05s、0.1s和0.2s三種情況進行判別如下：

1）超出0.05s連續(xù)點數(shù)5個，采樣間隔0.01s，則持續(xù)時間Δt ＞ 0.05s，不符合標準要求；

2）超出0.1s連續(xù)點數(shù)7個，采樣間隔0.01s，則持續(xù)時間Δt ＜ 0.1s，符合標準要求；

3）超出0.2s連續(xù)點數(shù)12個，采樣間隔0.01s，則持續(xù)時間Δt ＜ 0.2s，符合標準要求。

總之，1號車加速度測試結果不符合標準要求。

圖15 1號車3向加速度-時間歷程曲線

圖16 1號車ay和az加速度組合分析及判別圖

圖17與圖18為4號車加速度分析結果，分別按Δt=0.05s、0.1s和0.2s三種情況進行判別如下：

1）超出0.05s連續(xù)點數(shù)4個，采樣間隔0.01s，則持續(xù)時間Δt ＜ 0.05s，符合標準要求；

2）超出0.1s連續(xù)點數(shù)16個，采樣間隔0.01s，則持續(xù)時間Δt ＞ 0.1s，不符合標準要求；

3）超出0.2s連續(xù)點數(shù)36個，采樣間隔0.01s，則持續(xù)時間Δt ＞ 0.2s，不符合標準要求。

總之，4號車加速度測試結果不符合標準要求。

圖17 4號車3向加速度-時間歷程曲線

圖18 4號車ay和az加速度組合分析及判別圖

5 結論

本文將無線加速度測試技術應用于過山車檢測，開發(fā)了游樂設施加速度測試結果數(shù)據處理系統(tǒng)，并開展了十余例工程應用，總結經驗如下：

1）首次設計、制造和安裝的過山車加速度測試一次通過率很低，存在軌道制造或安裝精度差、輪距精度差和車體與車橋連接緩沖差等問題，經過調整后可以通過測試。

2）非空曠場地（室內過山車、坡地或軌道很長）情況，無線傳感器節(jié)點在線傳輸不穩(wěn)定，解決方案為離線存儲和到站無線下載。

3）自行設計的加速度測試安裝架不能適應型式多變的安全壓杠類型，正在開發(fā)通用性更好的安裝架。

4）開發(fā)了“游樂設施加速度測試結果數(shù)據處理系統(tǒng)v1.0”，提高了加速度測試結果分析與評判效率。

[1] 張繼云．過山車動力學建模與仿真[D]．廣州：華南理工大學，2013.

[2] Formula Rossa-Ferrari World Abu Dhabi[EB/OL]. https://ferrariworldabudhabi.com/attraction/formularossa/, 2016-06-17.

[3] GB 8408—2008 游樂設施安全規(guī)范[S].

[4] EN 13814—2004 Fairground and amusement park machinery and structures-Safety[S].

[5] ASTM F2291—04 Standard Practice for Design of Amusement Rides and Devices[S].

[6] 必創(chuàng)科技[EB/OL]．http://www．beetech．cn/product－list．aspx？parentid=962&catid=1113，2016-06-17.

[7] 梁朝虎，沈勇，鄂立軍，等．游樂設施G加速度分析與判別方法[J]．中國安全科學學報，2008，18(11)：31-35.

[8] 余勝威，吳婷，羅建橋．MATLAB GUI設計入門與實戰(zhàn)[M]．北京：清華大學出版社，2016.

[本文由國家質檢總局質檢公益性行業(yè)科研專項項目“公共安全突發(fā)事件一線處置應對標準體系與32項關鍵技術標準研究”（編號：201510211-6）和中國特檢院博士科研基金“高大游樂設施的振動測試與數(shù)值模擬研究”（BSJJ-2015-09）資助]

The Application of Wireless Acceleration Testing Technology in Roller Coasters’ Inspection

Chen Weiwei Pang Ang
(China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029)

As the roller coasters’ running speeds are very high, the accelerations of passengers are complex, and the difference between calculated and measured acceleration is large, it’s very important to carry out acceleration testing. Acceleration testing requirements of amusement rides and the principal of wireless accelerometer measurement system were introduced in this paper. The acceleration analysis and judgment software was developed based on the requirements of GB 8408—2008. The engineering application of acceleration test, analysis and judgment of a roller coaster were carried out. Finally, some experiences were summarized.

Acceleration Wireless Roller coaster

X924

B

1673-257X(2017)02-0001-06

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.02.001

陳衛(wèi)衛(wèi)(1982～)，男，博士，工程師，從事游樂設施檢驗檢測新技術開發(fā)研究。

2016-11-22）