城市軌道交通車輛乘客載荷檢測方法及試驗應用

李 熙，王海濤，宗立明，張 元

（北京市地鐵運營有限公司 地鐵運營技術研發中心，北京 102208）

城市軌道交通車輛乘客載荷檢測方法及試驗應用

李 熙，王海濤，宗立明，張 元

（北京市地鐵運營有限公司 地鐵運營技術研發中心，北京 102208）

在分析現有客流統計方法不足的基礎上，提出通過采集車輛四個空氣彈簧壓力計算城市軌道交通車輛運行過程中乘客載荷的方法，分別通過三通閥改裝及提取BCU控制箱預留信號獲取空簧壓力信號。在此基礎上開展正線試驗，采集正線運營車輛的乘客載荷信息，通過采集波形、數據提取、載客量轉換及結果分析，計算測試周期內乘客數，滿足車輛乘客載荷計算及安全性分析的需求。

城市軌道交通車輛；載荷檢測；三通閥；BCU；超載

隨著城市軌道交通的快速發展，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，大客流在對城市軌道交通運輸組織帶來巨大沖擊的同時，對城市軌道交通車輛車體、走行部關鍵承載部件、關鍵系統性能及故障運行能力也帶來新的沖擊和考驗[1]～[8]。據運營數據統計，車輛長期處于滿載或滿軸重狀態下運營，將加劇車輪磨耗以及車體、轉向架關鍵部件的疲勞。目前，在北京地鐵多條線路車輛關鍵部件的疲勞破壞問題時有發生[9]。因此，開展車輛在大客流持續長時間超載條件下運行對結構強度等部位產生影響的分析，并提出相應對策，保證車輛運行安全十分必要。

評估客流沖擊對城市軌道交通車輛關鍵承載部件壽命的影響，獲得載荷譜，建立有效的載荷檢測方法是關鍵。目前，全國各地鐵公司每天都在統計各線路的客運量，主要方法有人工計數、利用OD數據優化分析以及視頻識別（雙目識別）[10]等。北京地鐵利用OD數據每天統計各線客流，由進線量、換乘量計算每日客運量，根據小時斷面客運量計算時段滿載率。但僅能統計在某一時段多列車上的乘客載荷，無法統計某一時刻單獨一輛車上的乘客載荷，無法作為依據評估客流沖擊對車輛車體、走行部關鍵承載部件、關鍵系統性能及故障運行能力帶來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方法。

1 載荷檢測方案

針對目前城市軌道交通車輛上進行牽引、制動計算載荷模擬值的不足，提出分別測量車輛4個空氣彈簧壓力的測試方法[5]。由于城市軌道交通車輛制式不同，車下安裝條件不同，采集4個空氣彈簧壓力的方法主要分兩種方式，管路換裝及提取車下BCU控制箱內預留空氣彈簧氣壓信號，如圖1所示。

圖1 空氣彈簧載荷測試方案

圖2給出了車輛用空氣彈簧與垂向載荷之間對應關系。總體上看，二者呈線性關系，但在局部區段有空氣壓力越大，垂向載荷越大。

圖2 空簧內壓與垂向力對應關系

2 在線試驗與數據分析

選取北京地鐵客流量較大的線路進行正線測試，根據車輛運用安全選取試驗車輛，將試驗車輛編組中第2輛車輛（動車）用轉向架進行三通閥改裝、BCU管路連接。將采集設備線路經車底固定連接至司機室，司機室內設置終端采集4個空氣彈簧壓力值。圖3為改裝后三通閥，圖4為現場采集情況。

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

2.1 采集信號波形圖

對測試數據進行處理，獲得4個通道對應的電壓信號。圖5（a）～圖5（d）是測試周期星期一上午第3趟4個通道的電壓信號波形圖。

圖3 改裝后三通閥

圖4 現場采集

圖5 （a）通道1（三通）信號

其中，通道1、通道4是通過改裝三通閥獲得的信號，通道2、通道3是通過連接BCU獲得的信號，兩種方案測試結果的波形總體走勢非常一致，但局部存在細微偏差，這也驗證了三通閥改裝測試具有良好的可信度。

圖5 （b）通道2（BCU）信號

圖5 （c）通道3（BCU）信號

圖5 （d）通道4（三通）信號

2.2 數據提取

圖6為測試周星期一上午第3趟1通道信號波形圖，對應的測試車站數為兩站。圖中A點為車輛關車門時空簧1的輸出電壓，即為該站所要提取的靜態值；B點、C點則為站區間輸出電壓的最大值和最小值。依次利用信號波形圖，提取出每一站關門時刻的靜態值、每兩站之間的運營的最大值和最小值，這些數值對應的類型為電壓信號（mV）。

圖6 某站區間信號波形

2.3 載客量換算

將電壓信號轉換成載客量，需要借助氣壓傳感器輸入信號（氣壓）、氣壓傳感器輸出信號（電壓）、空簧壓力信號（氣壓）與載荷之間的對應關系，方能獲得載客量。

氣壓傳感器輸出電壓值與空簧內壓值具有完全線性關系：10 000 mV對應1 000 kPa，即每1 000 mV對應100 kPa大氣壓；高峰時期靜態值范圍在3 000 mV ～ 5 000 mV之間，因此內壓值在300 kPa～500 kPa；在減去空載時空簧氣壓，得到乘客引起的空簧氣壓變化量，再借助空氣彈簧的內壓與垂向載荷的對應關系，即可獲得車輛載客量。

鑒于最大載客量時，空簧氣壓一般在500 kPa左右，所以取斜率K=24.5（即每100 kPa對應24.5 kN，因此每1 000 mV對應24.5 KN），得到氣壓與乘客質量之間關系。空載時測得4個輸出電壓信號分別為2 838.3 mV、2 864.48 mV、2 843.33 mV、2 824.53 mV，設靜態值為X（mV），則每個空簧測得的車廂載重（N）由式（1）得到。

假設乘客平均體重60 kg，每個空簧測得的車廂載客量如式（2）所示。

獲得這些數值后，分別計算：（1）1、2、3、4通道，4個通道測出的載客量的平均值a；（2）1、4通道，即改裝三通閥通道測出的載客量的平均值b；（3）2、3通道，即BCU通道測出的載客量的平均值c。

2.4 測試結果

表1為星期一上午測試結果。由此可知，星期一早高峰最大客流量約為335人，時間為7: 30分左右。這與早高峰郊區客流進入中心城區有關。

表1 星期一早高峰載客量統計

如圖7（a）為上午第1趟測試結果，測試時間區段為5:09:08 ～ 6:19:10。其中：藍色線表示4個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）。由數據可知，該趟列車屬于正常運營狀態，且因為載客量較少，三通閥數據與BCU數據間有差異。

圖7（b）為第2趟各車站載客量變化（測試時間6:19:40～7:20:48）。該時間段內，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。由數據可知，該趟列車仍屬于正常運營狀態。較第1趟相比，第2趟乘客量明顯上升，但未出現超載情況。三通閥數據與BCU數據走勢具有高度的一致性，數值平均差在10人左右。

圖7（c）為第3趟各車站載客量變化（測試時間7:21:10～8:19:56）。由數據可知，該趟列車存在超載運營狀態，部分區間4個通道平均總載員大于300人。三通閥數據與BCU數據走勢具有高度的一致性，數值平均差在10人以內。

圖7（d）為第4趟各車站載客量變化（測試時間8:20:01～9:20:58）。由數據可知，該趟列車存在超載運營狀態，部分區段4個通道平均總載員大于300人。

按照上述方法分別計算可得測試各時段客流情況如下：

（1）星期日晚高峰出現在19:38分，最大客流量約為301人，接近超載狀態；

（2）星期一早高峰出現在7:30分左右，最大客流量約為335人，主要由于郊區人員進入主城區工作有關；

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）星期一晚高峰出現在18: 30分左右，最大客流量約為381人，屬于嚴重超載狀態，該時刻是下班高峰期，為大量乘客回家或者轉乘到郊區一帶所致。

3 結束語

為評估大客流沖擊對城市軌道交通車輛走行部關鍵承載部件壽命及運行安全性的影響，本文提出通過采集車輛4個空氣彈簧壓力計算城市軌道交通車輛運行過程中的乘客載荷的方法，在正線運營車輛開展測試試驗，通過信號采集、提取、分析及載客量換算分別計算車輛乘客載荷信息，分析結果表明提出的載荷檢測方法能夠滿足城市軌道交通車輛載荷計算要求。

[1] H.Riener,D.PeiskalrLrner,W.Witteveen.Modal durability analysis of a passenger cars front suppoting frame due to full vehicle simulation loads[C]. Adams user conference, North America, 2001.

[2] K,S.Kirn,H.J.Yim,C.B.Kim .Computational durability prediction of body structure in prototype vehicle[J]. International Journal of automotive technology, 2002(3):129-136.

[3] 劉志明.隨機載荷下焊接構架疲勞壽命及可靠性研究[D].北京：北方交通大學，2001.

[4] 王連森.機車走行部運行可靠性研究[J].內燃機車，2010（1）：8-11.

[5] 肖 楠，謝基龍，周素霞.城市軌道交通車輪踏面制動疲勞強度評價方法及應用[J].工程力學，2007，27 （9）：234-239.

[6] 曾全君.地鐵車輛車輪壽命分析[J].電力機車與城軌車輛，2005，28（2）：47-49.

[7] 汪 洋.地鐵列車車輪踏面環狀剝離的分析[J].電力機車與城軌車輛，2003， 26（4）：67-68.

[8] 鄧志剛，孫 綱.地鐵車輛車輪異常磨耗測試分析[J].現代城市軌道交通，2009（1）：19-22.

[9] 李 熙.超載模式下城市軌道交通車輛走行部安全性分析及維修輔助決策[D].北京：北京交通大學，2014.

[10] 潘 浩.基于雙目視覺的客流檢測與跟蹤技術的研究[D]. 上海：上海交通大學，2009.

責任編輯 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

北京市科委科技創新基地培育與發展工程項目（Z131110002813122）；北京地鐵運營有限公司科研項目（2012200510000002）。

李 熙，高級工程師；王海濤，助理工程師。