基于EN12299：2009的中國高鐵乘坐舒適性評價研究

關(guān)鍵詞：長時舒適性；瞬態(tài)舒適性；高速列車；EN12299：2009；中國高鐵 中圖分類號：U238 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.202312028

Ridecomfort evaluation of Chinese high-speed trains basedonEN12299：2009

MAHui1，NIULiubin2，YUZhihao1，HOUZhichao1 （1.School of Vehicle and Mobility，Tsinghua University，Beijing lOoo84，China; 2.Infrastructure InspectionResearch Institute，China AcademyofRailwaySciences Co.，Ltd.，BeijinglOoo81，China）

Abstract：Ridecomfortevaluationofhighsped trainshasvitalimportanceforcontinuously improvingthestructuraldesignand pasengers’ridesatisfaction.Thispapertries toevaluatethelong-termandmomentaryridecomfortofhighspeedtrainsinChinain thelightoftheEuropeanstandardEN2299：2O09，anddiscuss theaplicabilityofthestandard.Objectivevibrationtestandsub jectivecomfortevaluationwerecariedoutinacomprehensiveinspectiontrain.Averagecomfortidexanddiscreteeventscomfort indexrecommendedbytheEN2299：2o9 standard werebrefly itroduced，andthetwoindexes wereselectedforlong-tercomfortevaluationandmomentaryomfortevaluationrespectivelyForthetheekindsoftracksectionswithdiferentsubjectivefeelings，basedonthe measured vibrationacelerationdata，thelongtimeand momentarycomfort evaluation indexes werecalculated respectively，thecomfortofhighspedtrainand trackqualitywereanalyzed.Combined withthesubjective evaluatioresults，the applicabilityof thecorrspondingindexes wasanalyzed，andattempts were madetoputforward suggestionsforimprovemet.ac cording towhichthecomfortofhighspedrailrdeandthequalityoftetrackintothestandardisanalyzed.Theapplicabilityof theseindices wasanalyzedbyreferrng tothesubjectiveevaluation，andcertainsuggestionwasproposedtomodifytheindexes.

Keywords：long-termridecomfort;momentary ridecomfort;high-speed train; EN12299：2009;China high-speed railway

高速列車的舒適性評價對于改善乘坐舒適性、提高乘客乘車滿意度具有重要意義。迄今尚無針對高鐵舒適性的評價標(biāo)準(zhǔn)，而是參照已有的列車標(biāo)準(zhǔn)或其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價[1-4]。其中，歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN12299：2009由于頒布年代較近，且其采用的統(tǒng)計方法消除了人為因素的影響，評價結(jié)果被認(rèn)為相較于ISO

2631-1：1997等標(biāo)準(zhǔn)更加精確，已被多數(shù)國家采用[5-6]EN12299：2009推薦的舒適性評價指標(biāo)可分為兩類，分別為關(guān)注對較長線路或較長時間內(nèi)列車振動累計效應(yīng)的長時舒適性評價，和關(guān)注外界突發(fā)激勵引起的短時列車振動的瞬態(tài)舒適性評價。MU-NAWIR等[5和NOVILLO等分別采集了西班牙昆卡市和馬來西亞吉隆坡市有軌列車運行過程中的加速度數(shù)據(jù)，使用EN12299：2009和Sperling方法分析了列車的長時乘坐舒適性。研究表明，兩種方法在評價結(jié)果上彼此接近，可用于評價列車的舒適性；并指出應(yīng)綜合應(yīng)用不同的評價標(biāo)準(zhǔn)評判列車舒適性。DIZO等基于動力學(xué)仿真，采用EN12299：2009推薦的長時舒適性評價指標(biāo)，分析了懸架參數(shù)變化對非高速列車乘坐舒適性的影響。結(jié)果表明，列車的乘坐舒適性取決于懸架參數(shù)和列車的運行速度；列車運行速度越快，乘坐舒適性越差。列車運行速度也同樣影響車輛懸架等部件的工作特性和振動傳遞特性[9-11]。LIU等[12-13]參照EN12299：2009推薦的離散舒適性指標(biāo)，提出了瞬時不適感評價指標(biāo)，并基于仿真分析研究了風(fēng)速變化率、峰值風(fēng)速持續(xù)時間和風(fēng)速變化幅度對高速列車瞬態(tài)舒適性的影響。對比分析表明，EN12299：2009所推薦的舒適性指標(biāo)無法準(zhǔn)確評估高速列車在強風(fēng)條件下車身的低頻側(cè)傾運動和橫向運動；所提出的評價指標(biāo)對風(fēng)速引起的乘坐不適性更加敏感。

顯然，將EN12299：2009應(yīng)用于高速列車舒適性評價還需要更多地結(jié)合工程實際。隨著列車速度不斷提高、車身輕量化技術(shù)的廣泛應(yīng)用，車輛系統(tǒng)對外部激勵將變得更加敏感。實際上，由于乘員、車輛結(jié)構(gòu)、軌道條件和運行環(huán)境等的差異，不同的國家或地區(qū)需要結(jié)合實際探索建立自己的高鐵舒適性評價標(biāo)準(zhǔn)[8.14]

為此，本文基于圖1所示流程，在國內(nèi)多個區(qū)域開展高鐵振動測試與主觀舒適性評價，應(yīng)用EN12299：2009對中國高速列車舒適性進(jìn)行客觀評價，進(jìn)而探討該標(biāo)準(zhǔn)的適應(yīng)性，并嘗試提出改進(jìn)建議。

1試驗概要

主、客觀試驗在一輛高速綜合檢測列車的1號、3號、6號和8號車廂中進(jìn)行。列車在中國華北、華中和華東地區(qū)的鐵路路段執(zhí)行正常檢測任務(wù)，車速區(qū)間為 0～300km/h 。

主觀試驗由6名添乘人員以 5min 為單位對列車行駛時的振動情況進(jìn)行評價[15]。為此，開發(fā)了專門軟件，并安裝在手機上用于主觀評價。評價結(jié)束，數(shù)據(jù)自動上傳至云服務(wù)器。主觀評價分4個等級，不同等級對應(yīng)著不同的分值。對于同一時段，取6名添乘人員各自給出分?jǐn)?shù)的平均值作為最終評分。

客觀試驗與主觀試驗同時進(jìn)行，如圖2所示。在地板、車窗和車頂?shù)任恢貌贾萌蚣铀俣葌鞲衅鳎≒CB356A16），在選定的座椅上安置HybridIⅢ 50分位男性坐姿假人和座墊傳感器。假人頭部、胸部和臀部布置有三向加速度傳感器。為研究假人的適用性，在假人同排座椅上布置了相同的坐墊傳感器，一名主觀評價人員就坐于該位置，在主觀舒適性評價的同時采集座墊傳感器數(shù)據(jù)。傳感器和假人布置如圖3所示，對應(yīng)的傳感器序號見表1。采用LMSSCADAS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集各測點加速度信息，采樣頻率為 1024Hz 。

圖2主客觀試驗現(xiàn)場

Fig.2Subjective and objective test site

圖3加速度傳感器與假人布置示意圖

Fig.3 Schematic diagram of acceleration transducers and dummy locations

表1加速度傳感器安裝位置與通道設(shè)定

Tab.1 Acceleration transducers positions and channel setting

2 EN12299：2009舒適性評價指標(biāo)

對于長時舒適性評價，EN12299：2009考慮三個方向的振動，定義了舒適性指標(biāo)：

式中， 和 分別表示 5min 內(nèi)在 X，Y 和Z 方向上加權(quán)加速度均方根值的 95% 分位數(shù)； W_d 、W_b 為不同方向的權(quán)重系數(shù)，其中， X 和 Y 向的權(quán)函數(shù) W_d 與ISO2631-1：1997規(guī)定值相同， Z 向權(quán)重系數(shù) W_b 取值則不同。

EN12299：2009還推薦了舒適性指標(biāo) N_MV 數(shù)值范圍與人體主觀感覺之間的對應(yīng)關(guān)系，如表2所示。

表2 N_MV"值與人體主觀感覺的對應(yīng)關(guān)系Tab.2Valuesof N_MV andcorrespondinghuman subjective feeling

對于瞬態(tài)舒適性評價，標(biāo)準(zhǔn)沒有給出相應(yīng)的評價方法。本文采用EN12299：2009第8節(jié)定義的基于離散事件的舒適性評價指標(biāo)，該指標(biāo)適用于評估乘客在乘坐高鐵期間遭遇任何與橫向加速度突變相關(guān)的事件的情況，本文使用這一指標(biāo)評估瞬態(tài)舒適性。首先以2s的步進(jìn)時間窗口計算車體 y 向加權(quán)加速度 a_y，wp（τ） ，然后通過 a_y，wp（τ） 計算2s內(nèi) y 向加權(quán)加速度的峰值和平均值，進(jìn)而得到舒適性指標(biāo) P_DE ，即

P_DE=100?max[k₁?a_pp（t）+k₂?|a_2s（t）||-k₃，0] （2）式中， k₁，k₂，k₃ 為常數(shù)，取值見表 3;a_pp 為2s時間窗內(nèi)的車體 y 向加權(quán)加速度的峰峰值， a_2s（t） 為對應(yīng)時間窗口內(nèi) y 向加權(quán)加速度的平均值，二者的計算式分別為：

表3 P_DE"評價指標(biāo)中的常數(shù)

Tab.3 Constants for comfort index P_DE

式中， T 為時間窗口長度，取值為 2s 0

需注意，EN12299：2009中未對 P_DE 取值定義對應(yīng)的人體主觀感受。

表4依據(jù)主觀分?jǐn)?shù)的軌段分級Tab.4 Track gradingbased onsubjective scores

3案例分析

基于所得到的測試數(shù)據(jù)，經(jīng)過對主、客觀數(shù)據(jù)的匹配和合理性評估，篩選得到了3679組數(shù)據(jù)。由于測試列車采用雙端駕駛，因此本節(jié)采用處于頭尾部的1號車廂和處于中間位置的6號車廂的測試數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析。進(jìn)一步分析顯示，假人座椅和11F車窗的加速度信號與主觀測試結(jié)果的相關(guān)性較高[15]。因此選擇這兩處的加速度信息進(jìn)行指標(biāo)計算。

依據(jù)主觀舒適性評價的最終分值，將軌段分為舒適、中等、較差三個等級，如表4所示。針對每一種等級的軌段，取相鄰兩個 5min 內(nèi)的有效數(shù)據(jù)，分別計算舒適性指標(biāo) N_MV 和 P_DE ，再與主觀評價結(jié)果相對照，實現(xiàn)對綜合檢測列車的長時和瞬態(tài)舒適性的評價，并探討兩個指標(biāo)的適用性。

需要指出的是，1號和6號車廂的分析結(jié)果趨勢一致，因此，僅展示6號車廂的相關(guān)數(shù)據(jù)或結(jié)果。

3.1 長時舒適性

如表5所示為按照EN12299：2009計算得到的長時舒適性評價指標(biāo)。括號內(nèi)的數(shù)字表示該等級軌道段相較于上一等級軌段同一位置 N_MV 值增長的百分比。

可以看出，三種軌段對應(yīng)的 N_MV 值均小于2.5。由表2可知，三種軌段對應(yīng)人體的主觀感覺為“舒適”或“非常舒適”。這與受試者的主觀評價結(jié)果不符。

另一方面，表5顯示： N_MV 值隨著軌段等級變差而升高，說明在等級較差的軌段上列車的乘坐舒適性低于等級較好的軌段。進(jìn)一步還可以發(fā)現(xiàn)， N_MV 隨著軌段等級變差的增長率均超過了 20% ，表明N_MV 對軌段等級惡化或軌段差異的識別度較高。

表5三種軌段等級對應(yīng)的 N_MV 值

Tab.5 N_MV values of three track levels

注： ↑ 表示增長。

3.2 瞬態(tài)舒適性

圖4所示為三種軌段等級下座椅 y 向振動加速度時程曲線與對應(yīng)的 P_DE 時程曲線。可以看出，不

論軌段等級如何變化， P_DE 始終為0。這是因為該處振動加速度較低，使得式（2）中的 與 |a_2s（t）| 均較小，導(dǎo)致 k₁?a_pp（t）+k₂?a_2s（t）|-k₃lt;0

圖4座椅 y 向加速度與對應(yīng) P_DE 的時程曲線Fig.4Time-history curves of acceleration in y-direction and corresponding P_DE

3.3對 P_DE 計算式的改進(jìn)

鑒于在本文采用的試驗數(shù)據(jù)下原標(biāo)準(zhǔn)給出的P_DE 計算式無法評估瞬態(tài)舒適性的問題，根據(jù)上文分析，對其進(jìn)行修改。

作為嘗試，令 k₃=0 ，重新計算11B通道 y 方向振動加速度對應(yīng)的 P_DE ，結(jié)果如圖 5～7 所示。可以看出，修正后的 P_DE 可同步反映出 y 向加權(quán)加速度的突變：當(dāng)加權(quán)加速度增大時，相應(yīng)的 P_DE 曲線沿縱軸升高。換言之，隨著主觀感覺變差， P_DE 的整體數(shù)值增大。以上分析表明，修改 P_DE 的計算式可提高該指標(biāo)的適用性。

需要指出的是，這里的修改只是一個初步的嘗

試。做出準(zhǔn)確、適用的修改還需要更為系統(tǒng)、深人的研究。

3.4引入假人進(jìn)行舒適性評價的合理性討論

本文采用碰撞假人進(jìn)行舒適性評價，原因主要在于以下三點：

（1）假人上各測點測得的振動數(shù)據(jù)與添乘人員的主觀感受具有較高的相關(guān)性。如圖8所示為主觀測試打分均值與假人臀部y向振動加速度RMS值之間的關(guān)系圖，二者呈現(xiàn)較強的正相關(guān)關(guān)系，進(jìn)一步計算二者的皮爾遜相關(guān)系數(shù)為0.74，可知假人臀部振動和人體主觀感覺之間具備較高的相關(guān)性，經(jīng)驗證明假人胸部和頭部也具備相同的特征。

圖8假人臀部振動和人體主觀感覺之間關(guān)系 Fig.8The relationship between dummy’s hip vibration and subjective feeling

（2）相對普通添乘人員/志愿者，假人在振動測試全過程中能夠保持穩(wěn)定的姿態(tài)，有助于采集更為穩(wěn)定的加速度數(shù)據(jù)；

（3）在高鐵中，坐姿人體的晃動是低頻運動，可以應(yīng)用少自由度多剛體的假人測定對應(yīng)的振動特性。

4結(jié)論

本文在某高速綜合檢測列車上進(jìn)行了高鐵列車振動舒適性的客觀振動測試與主觀評價試驗。依據(jù)主觀評價結(jié)果，選擇三種等級的典型軌道路段，應(yīng)用歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN：12299：2009推薦的指標(biāo)，分別進(jìn)行了高速列車長時和瞬態(tài)舒適性評價。主要結(jié)論如下：

（1）EN12299：2009標(biāo)準(zhǔn)所推薦的2個指標(biāo)均不能準(zhǔn)確評價高速綜合檢測列車的乘坐舒適性。（2）該標(biāo)準(zhǔn)推薦的長時舒適性評價指標(biāo) N_MV"可以有效識別不同軌段對車輛舒適性的影響。（3）對瞬態(tài)舒適性評價指標(biāo) P_DE"的計算進(jìn)行改進(jìn)，可以更準(zhǔn)確地反映出車輛橫向加權(quán)加速度的突然變化，從而保證與添乘人員的主觀評價一致。

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第一作者：馬輝 （1994-） ，男，博士研究生。E-mail：mah_mahui@163.com

通信作者：侯之超（1966一），男，博士，教授。E-mail：houzc@tsinghua.edu.cn