虛擬軌道車輛廣義綜合舒適度研究

中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司 花明磊

虛擬軌道列車是一種特殊的公路列車，特殊在其軌道是采用特殊材料鋪設(shè)在地上的感應(yīng)識(shí)別標(biāo)識(shí)而不是傳統(tǒng)的鋼軌，因此也被稱作智軌列車。虛擬軌道列車是一種結(jié)合了公共汽車、有軌電車和動(dòng)車組的部分特點(diǎn)的新型城市軌道交通工具，其設(shè)計(jì)開發(fā)的目的是解決城市路面交通擁堵問(wèn)題，在很大的程度上緩解這種壓力。

本文研究了虛擬軌道車輛的廣義綜合舒適度。首先，分析總結(jié)了影響舒適度的三個(gè)因素，并論證了它們之間的關(guān)系；其次，建立了單因素舒適度的評(píng)價(jià)指標(biāo)與方法，結(jié)合單因素舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo)與層次分析法的權(quán)重建立了基于層次分析法的綜合舒適度指標(biāo)體系；最后，設(shè)計(jì)建立了綜合舒適度評(píng)價(jià)裝置。

1 舒適度評(píng)價(jià)因素

虛擬軌道列車綜合舒適度的受體為人，因此舒適度評(píng)價(jià)因素主要圍繞人展開。人體主要通過(guò)神經(jīng)系統(tǒng)和感官系統(tǒng)感知外界壞境，感官系統(tǒng)在接受外界的刺激作用下，將刺激轉(zhuǎn)換為能量作用于神經(jīng)系統(tǒng)，從而完成人體對(duì)外界世界感知的整個(gè)過(guò)程，因此乘客對(duì)乘車環(huán)境的主要接受因素也就是列車綜合舒適度的評(píng)價(jià)因素。外界的物理作用會(huì)使得人體產(chǎn)生不同的舒適感，同時(shí)與外界環(huán)境共同作用而引起人體生理與心理的變化，所以舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo)可以用三個(gè)因素來(lái)概括，分別是物理因素、生理因素和心理因素。舒適度三因素與舒適度研究關(guān)系如圖1所示。

圖1 舒適度三因素與舒適度研究關(guān)系

1.1 物理因素

對(duì)于虛擬軌道列車而言，物理因素包括列車上的振動(dòng)、噪聲、壓力、溫度、濕度和濕度。振動(dòng)的基本物理量主要有振幅、頻率、速度以及加速度，其中頻率和加速度是評(píng)價(jià)振動(dòng)對(duì)人體舒適度評(píng)價(jià)的重要參數(shù)。噪聲主要是通過(guò)人的聽覺(jué)和主觀感受影響人的舒適感覺(jué)，列車噪聲包括車外噪聲和車內(nèi)噪聲，列車舒適性主要研究的是車內(nèi)噪聲。溫度舒適性從主觀條件上，主要受季節(jié)、年齡、性別、體質(zhì)等因素的影響。濕度影響舒適性主要體現(xiàn)在人體的生理方面，舒適的濕度一般為40%-60%。照度是指單位面積上所接受可見光的光通量，虛擬軌道列車的運(yùn)行時(shí)間為白天，照明主要靠自然采光，自然采光能滿足基本照明需求，只需要在陰天和傍晚自然采光不足的情況下，通過(guò)照明進(jìn)行彌補(bǔ)，使得整體照度滿足300lx的工作要求。氣壓是作用在單位面積上的大氣壓力，氣壓的高低與氣壓大小變化會(huì)引起人體不適。列車車內(nèi)壓力會(huì)在明線會(huì)車、通過(guò)隧道、隧道會(huì)車等情況下發(fā)生變化，由于虛擬軌道列車在運(yùn)行時(shí)不會(huì)存在以上這些情況，所以虛擬軌道列車的舒適度指標(biāo)分析不將氣壓因素考慮在內(nèi)。

1.2 生理因素

當(dāng)機(jī)體處于環(huán)境中，環(huán)境的變化能夠被機(jī)體感受到，這種外界變化對(duì)機(jī)體的影響叫做刺激，機(jī)體器官能夠最敏感的感受到的刺激稱作適宜刺激。人的感受器官都有一定的感受性和感受限閾，感受限閾是指外界變化對(duì)機(jī)體的刺激剛好可以被機(jī)體感受到的刺激值；感受性是機(jī)體器官感受外界變化引起的刺激的主觀感受能力，在乘車過(guò)程中，感受性是乘客感覺(jué)強(qiáng)弱的重要標(biāo)志。在乘車過(guò)程中，外界刺激太強(qiáng)會(huì)造成乘客的極度不舒適，因此要降低外界刺激對(duì)乘客的作用，從刺激源頭解決刺激作用是一種有效的快速方法，刺激來(lái)源如圖2所示。

圖2 刺激來(lái)源分析

人體在外界刺激的作用下，生理產(chǎn)生不適，這就是影響舒適度的生理因素。對(duì)生理因素進(jìn)行評(píng)價(jià)，一般是采用儀器對(duì)人體生理的變化進(jìn)行記錄分析，主要分析人體各生理組成的變化，同時(shí)結(jié)合實(shí)際與理論給出有效的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1.3 心理因素

乘客在乘車過(guò)程中的心理現(xiàn)象包括兩方面，一方面包含了如個(gè)性、偏好、興趣等因素的主觀生理心理機(jī)制；另一方面是外界環(huán)境的客觀因素，如乘車環(huán)境狀態(tài)、自身情況和乘客特征等因素。因此在乘車過(guò)程中，乘客的心理現(xiàn)象總是變化多端的，其與乘車環(huán)境息息相關(guān)，兩者都比較復(fù)雜。同時(shí)乘客在乘車過(guò)程中，乘客的身心狀況總是受到心理要素的影響，外界環(huán)境和個(gè)人情況總是會(huì)引起不同的心理狀態(tài)要素，各個(gè)要素之間有存在著千絲萬(wàn)縷的關(guān)系，各要素之間會(huì)互相聯(lián)系、作用，因此在乘客心理就構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一的過(guò)程。人體在外界刺激與環(huán)境的作用下，心理發(fā)生不同的變化，而產(chǎn)生的不適，這就是影響舒適度的心理因素。對(duì)心理要素的評(píng)價(jià)，主要從主觀的方式進(jìn)行，對(duì)測(cè)試者的心理變化進(jìn)行記錄并分析，最后通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方式獲得評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2 虛擬車輛廣義舒適度指標(biāo)體系

2.1 綜合舒適度的定義

綜合舒適度是一個(gè)包含多種因素的綜合性評(píng)價(jià)指標(biāo)，比如物理因素、生理因素和心理因素等，不同類型的舒適度定義如圖3所示。

圖3 舒適度定義的涵蓋范圍擴(kuò)展

2.2 單因素評(píng)價(jià)指標(biāo)

在進(jìn)行綜合舒適度評(píng)價(jià)之前需要對(duì)單一因素的舒適度進(jìn)行評(píng)價(jià)，虛擬軌道列車的舒適度影響因素包括物理因素，生理因素和心理因素，各個(gè)因素的評(píng)價(jià)指標(biāo)與方法如表1所示。

表1 單因素評(píng)價(jià)指標(biāo)與方法

表3 不同樣本之間一級(jí)指標(biāo)層權(quán)重值

表1所示是單因素評(píng)價(jià)指標(biāo)及方法，在這些評(píng)價(jià)指標(biāo)之下，可以獲得單因素指標(biāo)是如何對(duì)乘客的舒適性進(jìn)行影響的。

2.3 基于層次分析法的綜合舒適度指標(biāo)體系建立

層次分析法是基于定量與定性分析的一種決策方法。分析第一步：劃分決策層元素，如目標(biāo)、決策、方案或指標(biāo)；第二步：求解，求解各層指標(biāo)權(quán)重。在虛擬軌道列車綜合舒適度求解過(guò)程中，運(yùn)營(yíng)與服務(wù)、車輛運(yùn)行、車內(nèi)環(huán)境是三個(gè)決策層指標(biāo)。一級(jí)指標(biāo)層指標(biāo)包括運(yùn)行組織、售票、服務(wù)水平、振動(dòng)、噪聲、氣壓、空氣、照度、設(shè)計(jì)和人群密度。最底層指標(biāo)如表4所示。在層次分析法(AHP)的基礎(chǔ)上可以求解各層之間的權(quán)重關(guān)系，于是可以得到各層之間的權(quán)重如表2、3、4所示。

表2 不同樣本決策層權(quán)重值

表4 不同樣本最低層指標(biāo)權(quán)重值

單因素評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)合基于層次分析法得到的權(quán)重，便能得到列車的綜合舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。設(shè)綜合舒適度指標(biāo)為S，單因素指標(biāo)為Si(i=0,1,2,3...)，其對(duì)應(yīng)的權(quán)重值為βi(i=0,1,2,3...)，則有：

3 舒適度評(píng)價(jià)裝置

為了進(jìn)一步對(duì)列車舒適性進(jìn)行研究，研制了動(dòng)態(tài)綜合舒適度評(píng)價(jià)裝置，該裝置集信息采集、分析、顯示于一體，主要包含信息檢測(cè)部分、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)部分以及支撐機(jī)械結(jié)構(gòu)部分，整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 綜合舒適度評(píng)價(jià)裝置整體結(jié)構(gòu)

裝置采用PCI采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡可直接插在IBM-PC/AT或與之兼容的計(jì)算機(jī)的任一PCI插槽中，從而構(gòu)成了實(shí)驗(yàn)室、產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)中心等各種領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集、波形分析和處理的集成系統(tǒng)。

3.1 檢測(cè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

檢測(cè)系統(tǒng)主要由電源供電模塊、傳感器模塊、采集模塊、數(shù)據(jù)分析及顯示模塊組成。其中傳感器模塊主要包括溫度傳感器、濕度傳感器、大氣壓力傳感器、照度傳感器、噪音傳感器、振動(dòng)傳感器以及色溫計(jì)，所有的傳感器（除色溫計(jì)外）均與端子板相連接，主要采集相關(guān)參數(shù)，轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)輸送到采集卡；采集模塊由采集卡與端子板組成，采集卡與端子板通過(guò)PCL電纜線連接，達(dá)到傳輸電信號(hào)的目的；數(shù)據(jù)分析模塊主要是工控機(jī)，工控機(jī)通過(guò)PCI卡槽與采集卡相連接，將采集卡采集的電信號(hào)進(jìn)行提取并得到所需的各項(xiàng)參數(shù)，并在工控機(jī)系統(tǒng)內(nèi)建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析；顯示模塊主要是顯示屏，該顯示屏通過(guò)HDMI線纜與工控機(jī)相連接，具有界面顯示功能。另外，色溫計(jì)與工控機(jī)通過(guò)RS232串口連接從而讀取實(shí)時(shí)的色溫?cái)?shù)據(jù)，通過(guò)外接鍵盤與工控機(jī)連接，提高操作的便捷性。該檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2 機(jī)械部分設(shè)計(jì)

舒適度動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括電源安裝區(qū)域、處理器安裝區(qū)域、伸縮桿安裝區(qū)域以及溫差感應(yīng)區(qū)域，如圖6所示。電源安裝區(qū)域設(shè)計(jì)在該評(píng)價(jià)裝置的底部，處理器安裝區(qū)域在中部，伸縮桿安裝區(qū)域在上部、溫差感應(yīng)區(qū)域在該裝置的側(cè)面，其中伸縮桿安裝可通過(guò)法蘭盤與上底板連接安裝。

圖6 舒適度動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)裝置結(jié)構(gòu)分布圖

本文分析總結(jié)了車輛廣義舒適度中所涉及的參數(shù)指標(biāo)，包括物理因素，生理因素以及心理因素；在此基礎(chǔ)上，分析了單一因素舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo)，并獲得了評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與方法；通過(guò)定性與定量分析獲得了層次分析法中各因素指標(biāo)的權(quán)重值，基于單一因素評(píng)價(jià)指標(biāo)與層次分析法的權(quán)重值建立了基于層次分析法的車輛廣義舒適度指標(biāo)體系，進(jìn)一步的設(shè)計(jì)開發(fā)了舒適度評(píng)價(jià)裝置。本文從理論出發(fā)，建立了一套計(jì)算綜合舒適度指標(biāo)的理論方法，基于理論方法設(shè)計(jì)了可用于實(shí)際測(cè)量綜合舒適度指標(biāo)的評(píng)價(jià)裝置。