基于集成模糊推理的列車(chē)運(yùn)行舒適度評(píng)價(jià)方法及應(yīng)用

侯 贊，陳德旺，李 焱

（北京交通大學(xué)軌道交通控制與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100044）

隨著軌道交通的日益發(fā)展和人們生活品質(zhì)的提高，列車(chē)的舒適度已成為衡量列車(chē)控制的一個(gè)重要指標(biāo)。目前，國(guó)際上評(píng)價(jià)舒適度的方法很多，主要有斯佩林平穩(wěn)性指標(biāo)、狄克曼指標(biāo)、杰奈威舒適性系數(shù)等。日本學(xué)者從座椅形態(tài)、材料、車(chē)內(nèi)空氣壓力、溫度、濕度、振動(dòng)、噪聲、空氣清新度、照度等對(duì)人體產(chǎn)生生理影響的因素展開(kāi)試驗(yàn)研究，采用因子分析和多元回歸計(jì)算等方法對(duì)多種影響因素進(jìn)行分類(lèi)和賦權(quán)，作為舒適度指標(biāo)。我國(guó)在舒適度評(píng)價(jià)方面還沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，雖然國(guó)外軌道交通發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，但由于國(guó)情、路情不盡相同，也不能生搬硬套，因此，研究我國(guó)列車(chē)舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo)具有現(xiàn)實(shí)的意義。

列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，可以在線獲取列車(chē)的運(yùn)行信息，大量的數(shù)據(jù)為分析舒適度等指標(biāo)提供了依據(jù)。在力學(xué)界，加速度和加速度變化率都能夠反映列車(chē)的沖動(dòng)，使用加速度變化率能夠更全面的反映列車(chē)的縱向沖動(dòng)情況。《旅客列車(chē)縱向沖動(dòng)評(píng)定方法》規(guī)定，用列車(chē)沖動(dòng)的加速度變化率來(lái)考核和評(píng)定旅客列車(chē)司機(jī)的平穩(wěn)操縱技能。

1 北京地鐵亦莊線及數(shù)據(jù)的提取

北京地鐵亦莊線是連接北京市中心城區(qū)和亦莊經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)的軌道交通線路，正線全長(zhǎng)23.23 km，全程運(yùn)營(yíng)時(shí)間33 min。亦莊線的信號(hào)系統(tǒng)是目前我國(guó)第一條國(guó)產(chǎn)化示范線，通過(guò)了國(guó)際獨(dú)立第三方最高安全等級(jí)SIL4的產(chǎn)品安全認(rèn)證。

亦莊線整體運(yùn)行線路圖如圖1。

圖1 亦莊線運(yùn)行線路圖

北京地鐵亦莊線列車(chē)自動(dòng)駕駛過(guò)程中，通過(guò)調(diào)試PC與列車(chē)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)（ATO）的串行輸出接口連接，可以在線獲取車(chē)載ATO的運(yùn)行信息，大量的數(shù)據(jù)為分析ATO的舒適度等指標(biāo)提供了依據(jù)。根據(jù)ATO行車(chē)數(shù)據(jù)，得到列車(chē)的加速度變化率用J表示。圖2為一段路程的加速度變化率情況，取自地鐵亦莊線宋家莊站至肖村站。

圖2 加速度變化率J

2 舒適度評(píng)價(jià)模型

加速度變化率大于人體能忍受的范圍，乘客就會(huì)覺(jué)得不舒適。由于個(gè)體差別，對(duì)舒適度的感知程度是不一樣的，模糊集合理論中的“不兼容原則”指出：傳統(tǒng)的系統(tǒng)分析技術(shù)本質(zhì)上不能處理人文系統(tǒng)，它的行為受人類(lèi)判斷、感知和情緒影響很大。人們對(duì)舒適性的判斷同樣遵循模糊集合理論，根據(jù)隸屬度函數(shù)，為舒適度建立了3種評(píng)價(jià)模型，用1代表舒適度最高，0代表最差，舒適度用C表示。

2.1 三角形模型

表達(dá)式如下：

其中a,b,c代表了三角形3個(gè)角的橫坐標(biāo)。加速度變化率為0時(shí)，人感受不到?jīng)_動(dòng)，顯然舒適度為1。當(dāng)加速度變化率大于3m/s3時(shí)，乘客受縱向沖動(dòng)的影響很大，舒適度設(shè)為0。此時(shí)a=－3，b=0，c=3，評(píng)價(jià)模型如圖3。

圖3 三角形舒適度模型

2.2 高斯模型

高斯模型表示簡(jiǎn)潔，具有平滑性，在概率和統(tǒng)計(jì)中，具有很多優(yōu)良的屬性。模型表示如下：

高斯模型完全由c和σ確定，c表示模型的中心，σ決定了模型的寬度。模型的中心為0，即c=0；由f(3;σ,0)=0得σ=0.8，此時(shí)模型如圖4。

2.3 鐘形模型

根據(jù)人體感知的實(shí)際情況，加速度變化率在一個(gè)非常小的范圍內(nèi)（－0.5 m/s3～0.5 m/s3），人感覺(jué)不到?jīng)_擊，此范圍內(nèi)的舒適性非常好，為了更好的反應(yīng)人的生理感覺(jué)，應(yīng)用鐘形模型來(lái)評(píng)價(jià)舒適度。模型表示如下：

圖4 高斯舒適度模型

其中a,c代表模型的寬度和中心，b通常是正值（如果b是負(fù)值，模型將會(huì)是一個(gè)顛倒的鐘形），通過(guò)b來(lái)調(diào)整交叉點(diǎn)處的斜度。模型的中心為0，即c=0；同時(shí)由f(3;a,b,c)=0和f(0.5;a,b,c)=1，得a=1, b=4。此時(shí)，鐘形模型如圖5。

圖5 鐘形舒適度模型

3 應(yīng)用模型評(píng)價(jià)列車(chē)運(yùn)行舒適度

用三角型模型得出地鐵亦莊線宋家莊站—肖村站、小紅門(mén)站—舊宮站、亦莊橋站—亦莊文化園站、次渠南站—次渠站4段路程的舒適度情況，如圖6。

取其平均值定義為整段路程之間的舒適度標(biāo)準(zhǔn)值，即：

得到4個(gè)站間的舒適度情況，如表1。

表1 舒適度統(tǒng)計(jì)表

同樣應(yīng)用高斯模型和鐘形模型得到的舒適度情況分別如表2和表3。

圖6 各站間舒適度情況

表2 舒適度統(tǒng)計(jì)表

表3 舒適度統(tǒng)計(jì)表

為了方便直觀的對(duì)舒適度進(jìn)行評(píng)定，舒適度劃分為5個(gè)等級(jí)，用N=1,2,3,4,5表示,如表4。

表4 舒適度等級(jí)劃分

3種模型求得的舒適度對(duì)比如表5。

表5 3種模型的舒適度對(duì)比

由表5可知：盡管3種模型求得的舒適度值有所不同，但整體趨勢(shì)基本一致，對(duì)于某些情況，3種評(píng)價(jià)模型得出的舒適度等級(jí)有所不同，如宋家莊—肖村站高斯模型得到的舒適度等級(jí)和另外2種模型不同，這時(shí)需要用集成的方法進(jìn)行統(tǒng)一。集成方法：（1）3種模型得出的舒適度等級(jí)相同時(shí)，以此舒適度等級(jí)為最終舒適度等級(jí)。（2）3種模型得出的舒適度有2種等級(jí)相同，另一種不同時(shí)，按少數(shù)服從多數(shù)的原則，以舒適度等級(jí)相同的2種模型結(jié)果為最終舒適度等級(jí)值。（3）3種模型得出的舒適度等級(jí)各不相同時(shí)，取中間值為最終的舒適度等級(jí)。

最終的舒適度情況如表6。

表6 舒適性統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用加速度的變化率評(píng)價(jià)列車(chē)的運(yùn)行舒適度，通過(guò)模糊隸屬度函數(shù)，建立了3種舒適度評(píng)價(jià)模型，每一種模型都能夠很好的評(píng)價(jià)列車(chē)的運(yùn)行舒適度，并且具有很好的一致性。應(yīng)用集成學(xué)習(xí)算法，將3種模型的結(jié)果集合成綜合的舒適度評(píng)價(jià)方法，魯棒性更強(qiáng)。通過(guò)北京地鐵亦莊線的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，收到了良好的效果。

[1] 張磊. 令人矚目的城際列車(chē)舒適度[J] . 國(guó)際鐵道雜志，2008（7）：52-53.

[2] 鈴木浩明. 列車(chē)舒適度的評(píng)價(jià)[J] . 國(guó)外鐵道車(chē)輛，199（92）：26-32.

[3] 佘守憲，趙雁. 加速度（加速度變化率）—沖擊、乘坐舒適性、緩和曲線[J] . 物理與工程，2001，11（3）：7-12.

[4] L.A.Zadeh. Outline of a new approach to the analysis of complex systems and decision processes[J] . IEEE Transaction on System, Man and Cybernetics, 1973,3 (1): 28-44.

[5] Gray AW, Daniels As, Singer DJ. Impacts of Fuzzy Logic Modeling for Constraints Opimization[J] .Naval Engineers Journal,2010, 112(2): 121-132.

[6] 潘運(yùn)平，解金芳，莫易敏，趙剛. 列車(chē)縱向沖動(dòng)的判定和檢測(cè)儀標(biāo)準(zhǔn)的探討[J] . 機(jī)車(chē)車(chē)輛工藝，2005，2（1）：15-17.

[7] 陳金，趙文輝，李潔，江雨燕. 選擇性集成學(xué)習(xí)算法的研究[J] . 計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2010，20（2）：87-94.