無線加速度測試技術在過山車檢測中的應用

陳衛衛 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

陳衛衛 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工作原理，基于GB 8408—2008開發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、螺旋環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）。加速度數據用實際加速度與重力加速度g的比值表示。

持續時間小于等于0.1s的加速度為沖擊加速度，持續時間大于0.1s的加速度為穩態加速度。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以上的區域；Δt為加速度持續時間，單位為s；Δt超過4s的區域尚未驗證。

圖2 與持續時間有關的加速度允許值|ay|

圖3 與持續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的規定。測量的加速度信號按三角形記錄。圖中s為加速度持續時間，單位為s；超過4s的區域尚未驗證。

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加速度組合允許區域如圖5所示。

圖5 典型ay和az加速度組合允許區域

2 無線加速度傳感器測量系統

無線加速度傳感器測量系統[6]上由無線加速度傳感器節點、無線網關和安裝了相應數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

2.1 無線加速度傳感器節點

無線加速度傳感器節點主要由電源、加速度傳感器、數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，送到模數轉換器，轉變為數字信號，送到主處理器進行數字信號處理，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標準的無線協議進行數據傳輸。

圖7 無線加速度傳感器節點原理框圖

根據GB 8408—2008規定，選擇適合過山車測試的無線加速度傳感器節點見表1。表1中節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。采集的數據既可以實時無線傳輸至計算機，也可以存儲在節點內置的2M數據存儲器內，保證了采集數據的準確性。節點的空中傳輸速率可以達到250kbps，有效室外通訊距離70～300m。節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，節點功耗僅30mA，使用內置的可充電電池，可連續測量12h。A302EX無線加速度傳感器節點如圖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點

圖8 A302EX無線加速度傳感器節點

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點發出的加速度數據，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設置通過無線網關傳輸至無線加速度傳感器節點。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 數據采集和處理軟件

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

圖10 BeeData數據采集軟件界面

3 基于GB 8408—2008的加速度分析與判別軟件開發

《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“加速度允許值”進行了深度解析，提出了加速度判別方法，對標準的貫徹執行提供了有力保障。現有加速度軟硬件為通用型，沒有開發游樂設施加速度分析與判別功能。因此，本文開發了專用軟件，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據處理系統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[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據處理系統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指導書》步驟，應用無線加速度傳感器測量系統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點電源，進行參數設置，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據處理系統v1.0”，讀取加速度測試結果數據，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連續點數5個，采樣間隔0.01s，則持續時間Δt ＞ 0.05s，不符合標準要求；

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

3）超出0.2s連續點數12個，采樣間隔0.01s，則持續時間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連續點數4個，采樣間隔0.01s，則持續時間Δt ＜ 0.05s，符合標準要求；

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

3）超出0.2s連續點數36個，采樣間隔0.01s，則持續時間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，開發了游樂設施加速度測試結果數據處理系統，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，無線傳感器節點在線傳輸不穩定，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，正在開發通用性更好的安裝架。

4）開發了“游樂設施加速度測試結果數據處理系統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[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科研專項項目“公共安全突發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

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

2016-11-22）