動車組智能座椅系統(tǒng)設(shè)計

劉雅濃，潘振華，馬浩然，王 杰，于 群

（大連交通大學 機車車輛工程學院，遼寧 大連 116028）

動車組作為軌道交通行業(yè)的重要裝備，已成為中國制造業(yè)的名片，也是國家實施“走出去”戰(zhàn)略的重要載體[1]。但動車組的車上檢票仍是傳統(tǒng)的人工檢票，工作效率較低且工作強度大。因此，研究一款能夠保證旅客信息安全且同時能夠降低乘務員工作強度的新型座椅結(jié)構(gòu)，對我國高鐵智能化發(fā)展具有重要意義。

動車組的出現(xiàn)大大改善了人們的出行體驗，盡管如此，動車組系統(tǒng)仍有一些不盡人意的地方。目前，國內(nèi)外的動車二等座椅均不具備扶手折疊與身份識別的功能，在進入站臺前的身份證識別環(huán)節(jié)到車上人工檢票環(huán)節(jié)期間身份證件存在安全風險，在乘客上車時，時常會出現(xiàn)找不到座位甚至“霸座”的現(xiàn)象。目前列車乘務員依然需要在車廂中對乘客進行依次檢票，尤其是學生票，乘務員需要額外檢查學生證等相應證件，工作效率較低，工作量極大。目前動車組的二等座座椅結(jié)構(gòu)雖然能夠滿足乘客的基本需求和舒適度要求[2]，但是在某些方面，其結(jié)構(gòu)還不能滿足眾多乘客的多方面要求。比如，由于前座座椅角度的可調(diào)性導致在其后座的小桌板發(fā)生晃動，在一些情況下，會對后座乘客的乘坐體驗產(chǎn)生影響[3]。

本文以動車組座椅為研究對象，設(shè)計一種具有身份識別功能的動車組智能座椅結(jié)構(gòu)，增添了扶手折疊結(jié)構(gòu)與身份識別功能，對小桌板進行結(jié)構(gòu)改良。設(shè)計的座椅增加了扶手折疊與身份識別的功能，同時對小桌板進行了一定的改良。當座椅未經(jīng)身份認證時，座椅扶手向座椅內(nèi)呈現(xiàn)折疊狀態(tài)，此時乘客無法入座；經(jīng)身份認證后，扶手自動展開，乘客方可坐下；當乘客下車前，應再次識別身份信息，使座椅扶手自動折疊，以待下位乘客進行身份認證。同時，該身份識別系統(tǒng)還需要進行大數(shù)據(jù)信息收集，通過乘客購票系統(tǒng)獲取每位乘客的座位號，以便對每個座位進行身份認證。小桌板晃動的問題則選擇以齒輪結(jié)構(gòu)固定的方式來予以解決。本設(shè)計不僅可以嚴格執(zhí)行鐵路旅客車票實名制管理辦法，保護旅客的合法權(quán)益，還可以滿足乘客對舒適度的需求，為我國鐵路事業(yè)和智能化高鐵建設(shè)提供了新思路。

1 身份認證系統(tǒng)設(shè)計

身份認證系統(tǒng)由電器系統(tǒng)、機械系統(tǒng)組成，是本動車組座椅結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心。身份認證系統(tǒng)可以避免乘客信息泄露，保障乘客信息安全，并取代傳統(tǒng)的人工檢票環(huán)節(jié)，既可以改善乘客乘坐體驗，又能提高乘務員工作效率，減輕其工作量。電氣系統(tǒng)用于乘客信息與電子鎖的關(guān)聯(lián)，為下一步扶手轉(zhuǎn)動做出準備工作；機械系統(tǒng)可將扶手按照電子鎖發(fā)出的指令進行展開與折疊。兩個子系統(tǒng)構(gòu)成了身份認證系統(tǒng)，保障乘客安全，降低乘務員工作強度。

1.1 電器系統(tǒng)設(shè)計

乘客購票乘車時，找到自己對應的座位后，需在讀卡器上識別本人身份證，座椅上的電子鎖才會打開，乘客方可入座；乘客離開時，再次在讀卡器上識別本人身份證，乘客離開，電子鎖關(guān)閉。其認證設(shè)備參考當前較為流行的智能門禁系統(tǒng)：以射頻識別技術(shù)（Radio Frequency Identification，RFID）為核心，利用二代身份證的高安全性、高防偽級別和唯一性，設(shè)計一款對二代身份證進行識別的智能電子鎖[4-5]。

1.2 機械系統(tǒng)設(shè)計

本次設(shè)計將座椅扶手旋轉(zhuǎn)裝置固定于距靠背1/4處，旋轉(zhuǎn)裝置設(shè)計為圓筒形，其直徑與扶手等寬，高度與扶手厚度相同，這樣可以確保舒適度。對于裝置內(nèi)部，在近靠背端設(shè)置機電結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)裝置內(nèi)部與機電裝置輸出端均為齒輪結(jié)構(gòu)[6]。同時設(shè)定旋轉(zhuǎn)角，使扶手折疊端活動范圍為90°。座椅總體效果如圖1 所示。

扶手的旋轉(zhuǎn)和折疊裝置由齒輪組與驅(qū)動齒輪組運轉(zhuǎn)的驅(qū)動器組成，通過主控模塊控制電機驅(qū)動裝置帶動齒輪轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)座椅扶手的自動折疊和打開[7]。座椅扶手展開狀態(tài)如圖2 所示。

圖2 自動識別系統(tǒng)動車組座椅識別后座椅圖

座椅扶手的機械裝置如圖3 所示。通過齒輪的上下兩層設(shè)計降低電機轉(zhuǎn)速，提高電機扭矩，更高效地完成扶手的打開和折疊。合頁與座椅固定連接。由于定齒輪固定在合頁上，驅(qū)動減速齒輪和動齒輪在自轉(zhuǎn)的同時共同圍繞定齒輪的齒輪圓心做公轉(zhuǎn)，進而帶動扶手桿繞著合頁軸轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)扶手桿的折疊和展開。

減速裝置即減速齒輪。動齒輪、上齒輪、下齒輪和定齒輪的分度圓直徑依次遞增。該減速齒輪設(shè)計為上下兩層齒輪，這種結(jié)構(gòu)能有效降低電機轉(zhuǎn)速，并提高扭矩。

工作時，由主控制器接收到解除鎖定或鎖定信號后，發(fā)送控制信號給穩(wěn)壓驅(qū)動保護模塊[8]。穩(wěn)壓驅(qū)動保護模塊通過電機調(diào)節(jié)功率輸出，驅(qū)動電機工作。由電機帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，進而帶動減速輪旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)座椅扶手桿的展開或折疊。動齒輪跟隨電機保持同樣的角速度轉(zhuǎn)動，減速齒輪作為過渡齒輪，其目的在于降低動齒輪的角速度，進而使扶手轉(zhuǎn)動的過程輕盈自然。同時，定齒輪固定在合頁上，提供反向扭矩實現(xiàn)扶手桿轉(zhuǎn)動。

當扶手需要展開時，電機逆時針轉(zhuǎn)動，驅(qū)動減速齒輪順時針轉(zhuǎn)動，減速齒輪會作用于定齒輪，由于定齒輪固定于座椅，根據(jù)力的相互作用，會導致減速齒輪、動齒輪在自轉(zhuǎn)的同時共同圍繞定齒輪的齒輪圓心沿順時針方向做公轉(zhuǎn)，實現(xiàn)扶手展開。

當扶手需要折疊時，電機順時針轉(zhuǎn)動，其余部分做扶手展開工況時的反向轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)鎖定。

1.3 工作原理及性能分析

乘客利用身份證在12306 等網(wǎng)站購買車票，網(wǎng)站向Web 服務器發(fā)送請求命令，電子鎖管理系統(tǒng)生成該乘客的身份證開鎖信息指令，暫時保存于電子鎖管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中，并通過Web 服務器向乘客返回相應的車次座位等信息。電子鎖每10 分鐘請求一次Web服務器，Web 服務器通過調(diào)取電子鎖管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中存儲的開鎖身份證信息數(shù)據(jù)發(fā)送給電子鎖，存儲到電子鎖的控制主板中。當用戶使用身份證在電子鎖的刷卡區(qū)域刷卡時，通過RFID 系統(tǒng)對存儲在控制主板里的開鎖身份證信息和讀取到的身份證信息進行比較。若一致，電子鎖開鎖電路將控制扶手由折疊狀態(tài)變?yōu)樯熘睜顟B(tài)，乘客入座。當乘客再次使用身份證在電子鎖的身份證刷卡區(qū)域刷卡時，通過RFID 系統(tǒng)的作用，電子鎖開鎖電路會控制扶手由伸直狀態(tài)還原為折疊狀態(tài)。圖4 為工作原理流程圖。

圖4 工作原理流程圖

1.4 身份證開鎖性能安全性分析

本系統(tǒng)中用來識別身份證的讀卡器交由公安部門進行管控，系統(tǒng)各部分之間的通信都經(jīng)過SSL 數(shù)字證書加密處理，不會泄漏用戶的身份證信息。而且實現(xiàn)實名制開鎖，有利于強化社會管理，是對人們財產(chǎn)安全的一種保障。

類比目前各火車站進站需持身份證、車票或人臉識別的技術(shù)，我們的系統(tǒng)設(shè)計在車廂里，再次保證了站內(nèi)及列車內(nèi)的身份認證準確性，更加保障了乘客信息的安全。

2 小桌板改進

座椅結(jié)構(gòu)如圖5 所示，其部分尺寸：椅面高度為370-480mm（可調(diào)節(jié)）；扶手高度為160mm；椅面傾角為5°-10°；座位深度為400mm；坐墊滑出的最大尺寸為60mm；小桌板高度取650mm；靠背的調(diào)節(jié)角度為25°[9]。

圖5 座椅結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

2.1 數(shù)據(jù)改進

由于動車組二等座椅設(shè)置了后置小桌板，小桌板的位置固定并保持獨立，不受椅背調(diào)整的影響，始終保持在水平位置。桌板面積為400mm×250mm，當桌板支起后，下方必須有足夠的空間可供小腿與大腿成85°-115°之間自由活動。小桌板高度由坐姿肘部高度決定，太高會使乘客手臂長時間在抬起狀態(tài)下工作，易產(chǎn)生疲勞酸痛，太低則會使身體前傾，影響乘坐舒適度[10]。考慮到男女身材尺寸不同及衣服修正量3mm，小桌板高度為min[E（3.5）男+E（3.5）女]+椅面高度，對于椅面高度取420mm，小桌板高度為650mm 左右。此外，座椅的高度由靠背和椅面角度確定，大約為1150mm。為了不影響小桌板的使用，當座椅傾斜到最大角度時，小桌板邊緣應與座椅背面持平，因此座椅縱向總長約為（1150-420）×sin25°+250+400=980mm。小桌板打開狀態(tài)下，后排乘客起身不碰到小桌板的最小距離為前后兩座間距。小桌板的高度大體與人站立時大腿部相當，考慮到衣服厚度，所以該數(shù)據(jù)為980+E（3.6）+13，可取1100mm。

2.2 結(jié)構(gòu)改進

考慮到不同年齡段的人在使用小桌時臂長不同，對小桌板設(shè)置了抽拉功能，按GB 100000-88 標準10～60 歲男性前臂長數(shù)值，5%為216mm，95%為258mm，差異42mm，因此，小桌板設(shè)置了50mm 的抽拉數(shù)值，保證滿足絕大多數(shù)人使用。

2.3 可行性分析

本次改造是在原座椅基礎(chǔ)上進行改進的，主要改變小桌板尺寸并增加小桌板的抽拉功能，通過資料的查找以及三維軟件的學習，可以很好的實現(xiàn)，實用性強，可行性大。

2.3.1 技術(shù)可行性

本項目使用的核心技術(shù)為現(xiàn)有的RFID 技術(shù)，該技術(shù)在市面上已有較為完善的應用，即門禁識別技術(shù)。本項目受其啟發(fā)，結(jié)合當下車廂內(nèi)乘務員需人工核實乘客信息這一行動，對上述行動進行了智能化改良。乘客信息來源為鐵路信息管理系統(tǒng)，儲存信息的電子鎖管理系統(tǒng)為項目內(nèi)部系統(tǒng)，機電結(jié)構(gòu)為齒輪結(jié)構(gòu)，動力來源為電機。對于小桌板的改良，我們增加了齒輪結(jié)構(gòu)與抽拉結(jié)構(gòu)。故總體上項目的技術(shù)可行性較高，同時也能保證乘客的信息安全，又能大大減輕乘務員工作量。

2.3.2 市場需求可行性

對于身份識別系統(tǒng)：乘客進入車廂時乘務員可以在車門處要求乘客進行身份識別，而無需對每位乘客進行檢票。從乘客角度來看，乘客進站即需手持身份證，進入站臺后可將身份證收好，而往往人工檢票環(huán)節(jié)在列車開動后的一段時間，這期間證件的安全性得不到保障，還是有丟失證件的可能。本系統(tǒng)可以避免身份證件在上述的安全風險，對證件的安全性有了一定的提升。

小桌板的改良可以改善乘客對小桌板的使用體驗，大大減少桌板上液體灑落的可能性。綜上，市場需求可行性較好。

2.3.3 應用前景可行性

當今社會大環(huán)境愈發(fā)向智能化發(fā)展。本項目的工作內(nèi)容是取代乘務員人工檢票環(huán)節(jié)，取而代之的是智能化“一鍵式”檢票。符合當代發(fā)展趨勢。如果投入使用，將大大減少車內(nèi)工作人員的工作量，同時對乘客的信息與合法權(quán)益提供了保障。小桌板的改良可以大大改善乘客的乘坐體驗，且可減少桌板方面事故的發(fā)生。故發(fā)展前景與可行性較好。

綜上所述，可行性良好。

3 結(jié)論

（1）本設(shè)計中的自動檢票系統(tǒng)是在現(xiàn)有動車組座椅扶手上增添身份識別設(shè)備，通過識別乘客的身份證實現(xiàn)自動檢票的功能。這種電子檢票方便快捷，大幅度減少了乘務員的工作量和工作時間，提高了工作效率，消除了人為原因所造成的工作失誤，使乘坐高鐵動車的流程更加便捷化。而且這種檢票方式可以有效地防止“霸座”現(xiàn)象的發(fā)生，保護乘客合法權(quán)益。

（2）本設(shè)計中對動車組座椅后方小桌板的改進是將桌板的位置進行調(diào)整，并增加了抽拉裝置，對小桌板在物品擺放和臨時休息這兩個方面做出了優(yōu)化，使小桌板的穩(wěn)定性有了一定的提升，進一步提升了乘客的使用舒適性，即使是在長時間乘車過程中，乘客依舊能夠有一個良好的乘車體驗。