虛擬軌道車輛廣義綜合舒適度研究

中車長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在地上的感應識別標識而不是傳統的鋼軌，因此也被稱作智軌列車。虛擬軌道列車是一種結合了公共汽車、有軌電車和動車組的部分特點的新型城市軌道交通工具，其設計開發的目的是解決城市路面交通擁堵問題，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，分析總結了影響舒適度的三個因素，并論證了它們之間的關系；其次，建立了單因素舒適度的評價指標與方法，結合單因素舒適度評價指標與層次分析法的權重建立了基于層次分析法的綜合舒適度指標體系；最后，設計建立了綜合舒適度評價裝置。

1 舒適度評價因素

虛擬軌道列車綜合舒適度的受體為人，因此舒適度評價因素主要圍繞人展開。人體主要通過神經系統和感官系統感知外界壞境，感官系統在接受外界的刺激作用下，將刺激轉換為能量作用于神經系統，從而完成人體對外界世界感知的整個過程，因此乘客對乘車環境的主要接受因素也就是列車綜合舒適度的評價因素。外界的物理作用會使得人體產生不同的舒適感，同時與外界環境共同作用而引起人體生理與心理的變化，所以舒適度評價指標可以用三個因素來概括，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系如圖1所示。

圖1 舒適度三因素與舒適度研究關系

1.1 物理因素

對于虛擬軌道列車而言，物理因素包括列車上的振動、噪聲、壓力、溫度、濕度和濕度。振動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價振動對人體舒適度評價的重要參數。噪聲主要是通過人的聽覺和主觀感受影響人的舒適感覺，列車噪聲包括車外噪聲和車內噪聲，列車舒適性主要研究的是車內噪聲。溫度舒適性從主觀條件上，主要受季節、年齡、性別、體質等因素的影響。濕度影響舒適性主要體現在人體的生理方面，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，虛擬軌道列車的運行時間為白天，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，通過照明進行彌補，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引起人體不適。列車車內壓力會在明線會車、通過隧道、隧道會車等情況下發生變化，由于虛擬軌道列車在運行時不會存在以上這些情況，所以虛擬軌道列車的舒適度指標分析不將氣壓因素考慮在內。

1.2 生理因素

當機體處于環境中，環境的變化能夠被機體感受到，這種外界變化對機體的影響叫做刺激，機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機體的刺激剛好可以被機體感受到的刺激值；感受性是機體器官感受外界變化引起的刺激的主觀感受能力，在乘車過程中，感受性是乘客感覺強弱的重要標志。在乘車過程中，外界刺激太強會造成乘客的極度不舒適，因此要降低外界刺激對乘客的作用，從刺激源頭解決刺激作用是一種有效的快速方法，刺激來源如圖2所示。

圖2 刺激來源分析

人體在外界刺激的作用下，生理產生不適，這就是影響舒適度的生理因素。對生理因素進行評價，一般是采用儀器對人體生理的變化進行記錄分析，主要分析人體各生理組成的變化，同時結合實際與理論給出有效的評價指標。

1.3 心理因素

乘客在乘車過程中的心理現象包括兩方面，一方面包含了如個性、偏好、興趣等因素的主觀生理心理機制；另一方面是外界環境的客觀因素，如乘車環境狀態、自身情況和乘客特征等因素。因此在乘車過程中，乘客的心理現象總是變化多端的，其與乘車環境息息相關，兩者都比較復雜。同時乘客在乘車過程中，乘客的身心狀況總是受到心理要素的影響，外界環境和個人情況總是會引起不同的心理狀態要素，各個要素之間有存在著千絲萬縷的關系，各要素之間會互相聯系、作用，因此在乘客心理就構成一個統一的過程。人體在外界刺激與環境的作用下，心理發生不同的變化，而產生的不適，這就是影響舒適度的心理因素。對心理要素的評價，主要從主觀的方式進行，對測試者的心理變化進行記錄并分析，最后通過數據統計方式獲得評價指標。

2 虛擬車輛廣義舒適度指標體系

2.1 綜合舒適度的定義

綜合舒適度是一個包含多種因素的綜合性評價指標，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展

2.2 單因素評價指標

在進行綜合舒適度評價之前需要對單一因素的舒適度進行評價，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，各個因素的評價指標與方法如表1所示。

表1 單因素評價指標與方法

表3 不同樣本之間一級指標層權重值

表1所示是單因素評價指標及方法，在這些評價指標之下，可以獲得單因素指標是如何對乘客的舒適性進行影響的。

2.3 基于層次分析法的綜合舒適度指標體系建立

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、決策、方案或指標；第二步：求解，求解各層指標權重。在虛擬軌道列車綜合舒適度求解過程中，運營與服務、車輛運行、車內環境是三個決策層指標。一級指標層指標包括運行組織、售票、服務水平、振動、噪聲、氣壓、空氣、照度、設計和人群密度。最底層指標如表4所示。在層次分析法(AHP)的基礎上可以求解各層之間的權重關系，于是可以得到各層之間的權重如表2、3、4所示。

表2 不同樣本決策層權重值

表4 不同樣本最低層指標權重值

單因素評價指標結合基于層次分析法得到的權重，便能得到列車的綜合舒適度評價指標體系。設綜合舒適度指標為S，單因素指標為Si(i=0,1,2,3...)，其對應的權重值為βi(i=0,1,2,3...)，則有：

3 舒適度評價裝置

為了進一步對列車舒適性進行研究，研制了動態綜合舒適度評價裝置，該裝置集信息采集、分析、顯示于一體，主要包含信息檢測部分、數據分析系統部分以及支撐機械結構部分，整體結構如圖4所示。

圖4 綜合舒適度評價裝置整體結構

裝置采用PCI采集卡進行數據采集，PCI總線的數據采集卡可直接插在IBM-PC/AT或與之兼容的計算機的任一PCI插槽中，從而構成了實驗室、產品質量檢測中心等各種領域的數據采集、波形分析和處理的集成系統。

3.1 檢測結構設計

檢測系統主要由電源供電模塊、傳感器模塊、采集模塊、數據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、振動傳感器以及色溫計，所有的傳感器（除色溫計外）均與端子板相連接，主要采集相關參數，轉變為電壓信號輸送到采集卡；采集模塊由采集卡與端子板組成，采集卡與端子板通過PCL電纜線連接，達到傳輸電信號的目的；數據分析模塊主要是工控機，工控機通過PCI卡槽與采集卡相連接，將采集卡采集的電信號進行提取并得到所需的各項參數，并在工控機系統內建立數學模型進行數據分析；顯示模塊主要是顯示屏，該顯示屏通過HDMI線纜與工控機相連接，具有界面顯示功能。另外，色溫計與工控機通過RS232串口連接從而讀取實時的色溫數據，通過外接鍵盤與工控機連接，提高操作的便捷性。該檢測系統的結構圖如圖5所示。

圖5 檢測系統結構設計

3.2 機械部分設計

舒適度動態評價裝置的機械結構主要包括電源安裝區域、處理器安裝區域、伸縮桿安裝區域以及溫差感應區域，如圖6所示。電源安裝區域設計在該評價裝置的底部，處理器安裝區域在中部，伸縮桿安裝區域在上部、溫差感應區域在該裝置的側面，其中伸縮桿安裝可通過法蘭盤與上底板連接安裝。

圖6 舒適度動態評價裝置結構分布圖

本文分析總結了車輛廣義舒適度中所涉及的參數指標，包括物理因素，生理因素以及心理因素；在此基礎上，分析了單一因素舒適度評價指標，并獲得了評價標準與方法；通過定性與定量分析獲得了層次分析法中各因素指標的權重值，基于單一因素評價指標與層次分析法的權重值建立了基于層次分析法的車輛廣義舒適度指標體系，進一步的設計開發了舒適度評價裝置。本文從理論出發，建立了一套計算綜合舒適度指標的理論方法，基于理論方法設計了可用于實際測量綜合舒適度指標的評價裝置。