基于安卓系統的軌道車輛ISO2631舒適度測量儀

常順華，王卉捷，任利惠

（同濟大學 鐵道與城市軌道交通研究院，上海 201804）

車輛運行時使乘客處于機械振動之下，這種振動影響他們的舒適感，甚至會影響健康和安全。因此，為了降低振動產生的不適感，滿足人們出行舒適健康的需求，有必要對客車進行振動舒適度的測量[1]。

車輛振動舒適度評價標準主要有ISO2631標準、EN12299標準、Sperling指標等。在車輛振動舒適度測量儀器研發方面，國內研究學者已經取得了一定的成就：朱亮等人發明了一種基于ISO2631標準的RCM-0201型乘坐舒適性測量儀[2]，任利惠等人設計了基于Sperling指標的虛擬儀器平穩性測量儀[3]，陳海波等人開發出基于UIC513評價標準的舒適性測量系統[4]，彭波提出了鐵道客車振動舒適性虛擬試驗系統構架[5]，楊志等人研制了一種基于DSP的噪聲舒適性測量裝置[6]。這些儀器盡管能夠實現車輛舒適度的測量，但都存在采集設備攜帶不方便，后期數據處理繁瑣，推廣程度不高的問題。隨著移動終端設備的普及，安卓智能手機已經成為人們日常生活的必需品，其內置各類加速度傳感器、全球定位系統（GPS），以及CPU，為列車舒適度測量儀的開發提供了良好的平臺，魏麗麗等人設計了能在安卓智能終端查看測試數據的便攜式AF904數字軌道測試儀[7]，王卉捷等人基于安卓手機開發了Sperling平穩性測量儀[8]?；谏鲜龅难芯浚瑸榱藢崿F軌道車輛ISO2631標準測量設備的便攜化、通用化，本文通過雙線性z變換和差分方程設計了ISO2631數字濾波器算法，借助高度模塊化程序，設計開發了基于安卓系統的軌道車輛舒適度測量儀應用軟件。

1 ISO2631頻率計權數字濾波器設計

1.1 ISO2631標準

ISO2631給出了1 Hz～80 Hz的低頻振動環境中人體舒適度的評價方法，該標準指出：振動頻譜包含多個振動分量或是一個寬頻帶的振動時，使用加權加速度有效值方法更合適[9]。正交坐標系下振動所決定的計權均方根加速度的振動總量 （簡稱：ISO振動總量）按式（1）計算：

式中，kx、ky、kz分別為對應于正交坐標軸x、y、z的方向因數。awx、awy、awz為對應于3個方向的頻率計權均方根加速度，由窄帶數據或1/3倍頻程帶數據的計權求和確定，按式（2）計算。

式中，wi是1/3倍頻程中第i個頻帶的計權因數，可在文獻[9]中查找；ai是相應的第i個頻帶的均方根加速度。文獻[9]和文獻[10]分別給出了水平方向（x，y）和垂直方向（z）用于振動對固定導軌運輸系統中人員舒適度影響的預測頻率計權因數，為Wd、Wb，對應的站立狀態下的方向因數為kx=ky=kz=1，傳遞函數如式（3）和式（4）所示：

式中，Hd是水平頻率計權傳遞函數，由頻域下的高通濾波、低通濾波、加速度–速度轉換、高階傳遞函數組成；Hb是垂向頻率計權傳遞函數，由帶通濾波器、權重濾波器的傳遞函數組成。

1.2 IIR數字濾波器設計

數字濾波器是完成頻率選擇或頻率分辨任務的線性時不變系統，它實際上是一種數據流的運算過程，具有高精度、高準確度、高魯棒性、高可靠性、低功耗和低成本的特點[11]。如果一個線性時不變系統的沖擊響應具有無限長度，則稱其為IIR數字濾波器。本文設計的濾波器因為對線性相位沒有要求，所以選擇比FIR濾波器設計階數低、計算簡單、占用內存少、價格低廉的IIR濾波器。

IIR數字濾波器典型傳遞函數是z的有理函數，其表達式如式（5）所示：

式中，bm和an為分子和分母系數，多數情況下M≤N。

假設IIR濾波器的采樣信號X(z)，輸出信號Y(z)，那么可得：

對式（6）進行z的逆變換，在時域，輸入信號x(t)，濾波后的輸出信號為y(t)，兩者滿足差分方程，如式（7）[11]。

數字濾波器間接設計的方法之一是通過模擬濾波器轉換而成，即需要找到模擬濾波器和數字濾波器的映射關系。常見的映射辦法有沖激響應不變法和雙線性z變換法，由于后者具有不存在頻率特性混疊失真、變換方法簡單等特點，本文采用雙線性z變換方法進行數字濾波器的設計。其變換關系如式（8）：

式中T是采樣周期，滿足T=1/fs，fs是采樣頻率。

Matlab中的bilinear函數基本原理是雙線性z變換法，借助函數式（3）和式（4）的分子分母系數和采樣頻率，即可得到數字水平計權因數傳遞函數Wd(z)的分子分母系數，如表1所示，對應的表達式為式（9），垂向計權因數傳遞函數Wb(z)的分子分母系數，如表2所示，對應的表達式為式（10）。

表1 數字水平計權因數傳遞函數Wd(z)的系數

表2 數字垂向計權因數傳遞函數Wb(z)的系數

2 ISO2631測量儀應用軟件設計

2.1 軟件目標功能與結構

ISO2631舒適度測量儀的主要功能分為3部分：數據采集與處理，數據實時顯示，數據選擇性存儲。

（1）數據采集與處理：利用安卓內置的加速度傳感器采集坐標軸x、y、z三向加速度，當采集的數據達到一定數量時，對數據進行降噪和濾波處理，再根據式（1）計算ISO振動總量。同時利用GPS獲取時間、經緯度和速度信息。

（2）數據實時顯示：用戶界面實時顯示獲取的速度、經緯度、ISO振動總量信息；可供用戶選擇是否存儲數據的功能按鈕；三向加速度動態顯示曲線。

（3）數據選擇性存儲：用戶根據需要選擇性存儲所需數據，包含可記錄時間、速度、經緯度、ISO振動總量的文本文件；能記錄三向加速度和時間的輕量數據庫文件。

根據上述的目標功能設計程序模塊及其接口，如圖1所示。數據采集與處理模塊通過傳感器、GPS獲取的信息為另外兩個模塊提供了數據。數據實時顯示模塊是用戶交互界面，可將采集信息打印在屏幕上，用戶根據需要控制數據是否存儲。數據選擇性存儲模塊在前兩個模塊的基礎上記錄相關信息，記錄加速度的輕量庫為ISO振動總量的計算提供控制條件，文本文件則便于用戶后期導出查看。

2.2 算法設計

2.2.1 數據采集與處理算法

2.2.1.1 數據采集算法

安卓系統提供了GPS開發接口，在on Location Changed方法中，通過Location Listener進行監聽，得到設備的經緯度、速度信息。速度單位是m/s，程序里換算為km/h。在on Status Changed方法中，通過Gps Status Listener監聽，得到設備時間信息，時間格式為：年_月_日時：分：秒。

圖1 程序運行流程圖

安卓手機內置有加速度傳感器Sensor.TYPE_ACCELEROMETER，重力傳感器Sensor.TYPE.GRAVITY。在onSensorChanged方法中，通過switch-case方式，分別調用加速度傳感器和重力傳感器，SensorListener進行監聽，SensorEvent返回傳感器數值，并在每次傳感器數據更新時獲取三向加速度，單位m/s2。安卓坐標系統中，當手機屏幕正面朝上時，坐標原點位于屏幕左下角，x軸正方向水平向右，y軸正方向水平指向頂部，z軸正方向垂直屏幕向下。由于軌道車輛車體振動頻率在40 Hz以內，設置程序采樣頻率為100 Hz，滿足采樣定理。

2.2.1.2 降噪處理算法

該算法目的是引入降噪系數alpha，降低重力對采集數據的影響。通過式（11）對初始的加速度進行處理。式中，alpha=0.8[8]，gravity[i]為重力傳感器采集的加速度值，sensorEvent.values[i]為加速度傳感器采集的加速度值。i={0，1，2}對應坐標軸x、y、z3個方向。

gravity[i]=alpha*gravity[i]+(1-alpha)*sensorEvent.values[i];

2.2.1.3 IIR濾波和ISO振動總量計算算法

通過式（9）、式（10）和差分方程式（7），實現對降噪后加速度的濾波，此時得到的振動加速度值即為影響舒適度的值。再由式（1）計算得到ISO振動總量，從而實現對人體乘坐列車舒適度的評價。

2.2.2 數據實時顯示算法

如圖2所示，ISO2631測量儀用戶界面從上至下依次為：速度、經緯度、振動總量數據顯示區；用戶根據所需記錄相應時段數據的操作按鈕；將三向加速度值以動態曲線形式實時展現的圖表區。

圖2 用戶界面

其中，動態曲線的繪制方案為，建立固定長度的數組，將數據不斷從頭至尾添加進去，每添加一條數據，所有數據前移一位，同時更新圖表，即可實現動態曲線的效果。具體步驟如下：

（1）建立數據集用于存放繪制表格用的三向加速度數據；

（2）設置圖表、曲線的各項屬性；

（3）在on Sensor Changed方法中添加up date Chart()和up date Chart1()函數，實時更新圖表中三向加速度數據信息；

（4）在主線程中添加句柄和延時函數完成定時更新圖表的功能。

2.2.3 數據記錄算法

2.2.3.1 加速度記錄算法

安卓系統提供了輕量型數據庫SQLite和其相應的接口供開發者使用。獲取寫入手機內存權限和SQLite數據庫讀寫權限后，通過addDB函數將獲取的加速度值其寫入命名為note的數據庫中。該數據庫除了三向加速度列和一個時間列外，還包含一個識別碼列。當采集的數據量達到一個時間段，識別碼為1，這部分數據用于計算ISO振動總量。每次執行完一次完成計數段，將之前所有數據的識別碼置0。

2.2.3.2 控制按鈕算法

該算法的目標功能是用戶通過用戶界面的“開始記錄”和“停止記錄”按鈕選擇性記錄數據。設置與按鈕控件相關聯的按鈕變量和監聽器，當監聽器監聽到按鈕動作時，觸發相應函數。數據記錄函數插入在延時函數中，實現“開始記錄”按鈕按下時，記錄數據。“停止記錄”按鈕通過改變一個布爾量的值停止記錄。

2.2.3.3 ISO2631振動總量、速度、經緯度記錄

當存儲函數第一次觸發時，創建以時間命名的txt文件，此后，每隔7 s進行一次函數寫入操作，連續寫入4組數據，每組數據相隔1 s，依次記錄時間、經緯度、速度、ISO振動總量信息，同時增加圖表刷新功能，防止數據覆蓋。當停止按鈕變量值變化后，停止記錄。

2.3 使用說明

（1）該軟件需要在Android4.2.2及以上版本中運行；

（2）軟件運行時需打開手機GPS，允許GPS定位，否則無法獲得速度和經緯度信息；

（3）測試時，手機屏幕朝上，左下角為坐標原點，向右為x軸方向，即列車的前進方向。手機放置地板上測試站立時舒適度，手機放置座位上測試坐著的舒適度；

（4）數據庫文件和txt文件存在手機根目錄下，開啟root權限后，可在data/com.sh.iso2631目錄下找到相應文件。

3 軟件測試

根據上述算法設計完成的ISO2631舒適度指標測量儀應用軟件能否使用，還需對其性能做進一步測試。

3.1 測試設備

舒適度指標測試方法有2種：（1）通過加速度傳感器采集數據，采用Labview軟件分析數據，后續文中稱該方法為參考標準法；（2）采用裝有ISO2631舒適度測量儀的安卓手機。本次試驗所需的測試設備，如表3所示。

表3 測試設備

3.2 測試方法

對上海張江Translohr膠輪有軌電車張東金秋路—張江地鐵站進行舒適度測試，按照GB/T4970–2009《汽車平順性試驗方法》進行測點布置如圖3所示。為不影響車輛正常運營，選擇圖3中的3個測點，人體姿態站立。測試的車速為20 km/h、30 km/h、40 km/h、50 km/h。

圖3 車體測點布置示意圖

3.3 測試結果

從手機的根目錄中導出txt文件，選擇每4 s數據中最后一組數據進行分析，圖4給出了測點3的7 min內共60組數據時間歷程圖，可以看出加減速時，ISO振動總量增大，這是因為x方向加速度突然增大造成的。圖5給出了ISO振動總量與車速的關系，車速越高，振動總量越大，人體感覺越不舒適。

對比參考標準法的結果，如表4所示，可知ISO舒適度測量儀的結果比參考標準法偏大，基本在15%以內。當車速達到50 km/h時，差值達到20%左右。差值隨著車速的增高有增大的趨勢。圖6給出了3個測點分別采用兩種測試方法的結果對比，可以看出，同一車速下，頭車的舒適度最差，尾車的舒適度最好。

圖4 測點3時間歷程圖

圖5 ISO振動總量與速度關系

表4 測試對比結果

4 結束語

本文參考國際舒適度評價標準，借助了安卓手機內置的各類傳感器以及CPU計算功能，通過高度模塊化的程序設計，利用Java語言編寫了ISO2631舒適度測試儀應用軟件。與通過傳統的加速度傳感器測試結果比較，差值基本在15%以內，足以保證該軟件可用于軌道車輛舒適度的簡單評估，并且具有通用便攜的特點。

圖6 結果對比圖