城市轨道交通车辆乘客载荷检测方法及试验应用

李 熙，王海涛，宗立明，张 元

（北京市地铁运营有限公司 地铁运营技术研发中心，北京 102208）

城市轨道交通车辆乘客载荷检测方法及试验应用

李 熙，王海涛，宗立明，张 元

（北京市地铁运营有限公司 地铁运营技术研发中心，北京 102208）

在分析现有客流统计方法不足的基础上，提出通过采集车辆四个空气弹簧压力计算城市轨道交通车辆运行过程中乘客载荷的方法，分别通过三通阀改装及提取BCU控制箱预留信号获取空簧压力信号。在此基础上开展正线试验，采集正线运营车辆的乘客载荷信息，通过采集波形、数据提取、载客量转换及结果分析，计算测试周期内乘客数，满足车辆乘客载荷计算及安全性分析的需求。

城市轨道交通车辆；载荷检测；三通阀；BCU；超载

随着城市轨道交通的快速发展，城市轨道交通在城市综合交通中的比例逐年上升。2013年3月8日起，北京城市轨道交通客流量突破1 000万，大客流在对城市轨道交通运输组织带来巨大冲击的同时，对城市轨道交通车辆车体、走行部关键承载部件、关键系统性能及故障运行能力也带来新的冲击和考验[1]～[8]。据运营数据统计，车辆长期处于满载或满轴重状态下运营，将加剧车轮磨耗以及车体、转向架关键部件的疲劳。目前，在北京地铁多条线路车辆关键部件的疲劳破坏问题时有发生[9]。因此，开展车辆在大客流持续长时间超载条件下运行对结构强度等部位产生影响的分析，并提出相应对策，保证车辆运行安全十分必要。

评估客流冲击对城市轨道交通车辆关键承载部件寿命的影响，获得载荷谱，建立有效的载荷检测方法是关键。目前，全国各地铁公司每天都在统计各线路的客运量，主要方法有人工计数、利用OD数据优化分析以及视频识别（双目识别）[10]等。北京地铁利用OD数据每天统计各线客流，由进线量、换乘量计算每日客运量，根据小时断面客运量计算时段满载率。但仅能统计在某一时段多列车上的乘客载荷，无法统计某一时刻单独一辆车上的乘客载荷，无法作为依据评估客流冲击对车辆车体、走行部关键承载部件、关键系统性能及故障运行能力带来新的冲击和寿命影响。因此，亟需建立一种有效的客流载荷检测方法。

1 载荷检测方案

针对目前城市轨道交通车辆上进行牵引、制动计算载荷模拟值的不足，提出分别测量车辆4个空气弹簧压力的测试方法[5]。由于城市轨道交通车辆制式不同，车下安装条件不同，采集4个空气弹簧压力的方法主要分两种方式，管路换装及提取车下BCU控制箱内预留空气弹簧气压信号，如图1所示。

图1 空气弹簧载荷测试方案

图2给出了车辆用空气弹簧与垂向载荷之间对应关系。总体上看，二者呈线性关系，但在局部区段有空气压力越大，垂向载荷越大。

图2 空簧内压与垂向力对应关系

2 在线试验与数据分析

选取北京地铁客流量较大的线路进行正线测试，根据车辆运用安全选取试验车辆，将试验车辆编组中第2辆车辆（动车）用转向架进行三通阀改装、BCU管路连接。将采集设备线路经车底固定连接至司机室，司机室内设置终端采集4个空气弹簧压力值。图3为改装后三通阀，图4为现场采集情况。

为有效检测载荷检测方法的有效性，选取客流量较大的线路连续测试星期六、星期一早晚高峰的载荷情况，总里程超过300 km。

2.1 采集信号波形图

对测试数据进行处理，获得4个通道对应的电压信号。图5（a）～图5（d）是测试周期星期一上午第3趟4个通道的电压信号波形图。

图3 改装后三通阀

图4 现场采集

图5 （a）通道1（三通）信号

其中，通道1、通道4是通过改装三通阀获得的信号，通道2、通道3是通过连接BCU获得的信号，两种方案测试结果的波形总体走势非常一致，但局部存在细微偏差，这也验证了三通阀改装测试具有良好的可信度。

图5 （b）通道2（BCU）信号

图5 （c）通道3（BCU）信号

图5 （d）通道4（三通）信号

2.2 数据提取

图6为测试周星期一上午第3趟1通道信号波形图，对应的测试车站数为两站。图中A点为车辆关车门时空簧1的输出电压，即为该站所要提取的静态值；B点、C点则为站区间输出电压的最大值和最小值。依次利用信号波形图，提取出每一站关门时刻的静态值、每两站之间的运营的最大值和最小值，这些数值对应的类型为电压信号（mV）。

图6 某站区间信号波形

2.3 载客量换算

将电压信号转换成载客量，需要借助气压传感器输入信号（气压）、气压传感器输出信号（电压）、空簧压力信号（气压）与载荷之间的对应关系，方能获得载客量。

气压传感器输出电压值与空簧内压值具有完全线性关系：10 000 mV对应1 000 kPa，即每1 000 mV对应100 kPa大气压；高峰时期静态值范围在3 000 mV ～ 5 000 mV之间，因此内压值在300 kPa～500 kPa；在减去空载时空簧气压，得到乘客引起的空簧气压变化量，再借助空气弹簧的内压与垂向载荷的对应关系，即可获得车辆载客量。

鉴于最大载客量时，空簧气压一般在500 kPa左右，所以取斜率K=24.5（即每100 kPa对应24.5 kN，因此每1 000 mV对应24.5 KN），得到气压与乘客质量之间关系。空载时测得4个输出电压信号分别为2 838.3 mV、2 864.48 mV、2 843.33 mV、2 824.53 mV，设静态值为X（mV），则每个空簧测得的车厢载重（N）由式（1）得到。

假设乘客平均体重60 kg，每个空簧测得的车厢载客量如式（2）所示。

获得这些数值后，分别计算：（1）1、2、3、4通道，4个通道测出的载客量的平均值a；（2）1、4通道，即改装三通阀通道测出的载客量的平均值b；（3）2、3通道，即BCU通道测出的载客量的平均值c。

2.4 测试结果

表1为星期一上午测试结果。由此可知，星期一早高峰最大客流量约为335人，时间为7: 30分左右。这与早高峰郊区客流进入中心城区有关。

表1 星期一早高峰载客量统计

如图7（a）为上午第1趟测试结果，测试时间区段为5:09:08 ～ 6:19:10。其中：蓝色线表示4个通道载客量的平均值a，红色线表示三通阀通道1、4载客量的平均值b，绿色线表示BCU通道2、3载客量的平均值c（以下同）。由数据可知，该趟列车属于正常运营状态，且因为载客量较少，三通阀数据与BCU数据间有差异。

图7（b）为第2趟各车站载客量变化（测试时间6:19:40～7:20:48）。该时间段内，a的最大值为大望路136人，b的最大值为大望路132人，c的最大值为大望路139人。由数据可知，该趟列车仍属于正常运营状态。较第1趟相比，第2趟乘客量明显上升，但未出现超载情况。三通阀数据与BCU数据走势具有高度的一致性，数值平均差在10人左右。

图7（c）为第3趟各车站载客量变化（测试时间7:21:10～8:19:56）。由数据可知，该趟列车存在超载运营状态，部分区间4个通道平均总载员大于300人。三通阀数据与BCU数据走势具有高度的一致性，数值平均差在10人以内。

图7（d）为第4趟各车站载客量变化（测试时间8:20:01～9:20:58）。由数据可知，该趟列车存在超载运营状态，部分区段4个通道平均总载员大于300人。

按照上述方法分别计算可得测试各时段客流情况如下：

（1）星期日晚高峰出现在19:38分，最大客流量约为301人，接近超载状态；

（2）星期一早高峰出现在7:30分左右，最大客流量约为335人，主要由于郊区人员进入主城区工作有关；

图7 （a） 第1趟载客量折线图

图7 （b） 第2趟载客量折线图

图7 （c） 第3趟载客量折线图

图7 （d） 第4趟载客量折线图

（3）星期一晚高峰出现在18: 30分左右，最大客流量约为381人，属于严重超载状态，该时刻是下班高峰期，为大量乘客回家或者转乘到郊区一带所致。

3 结束语

为评估大客流冲击对城市轨道交通车辆走行部关键承载部件寿命及运行安全性的影响，本文提出通过采集车辆4个空气弹簧压力计算城市轨道交通车辆运行过程中的乘客载荷的方法，在正线运营车辆开展测试试验，通过信号采集、提取、分析及载客量换算分别计算车辆乘客载荷信息，分析结果表明提出的载荷检测方法能够满足城市轨道交通车辆载荷计算要求。

[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] 刘志明.随机载荷下焊接构架疲劳寿命及可靠性研究[D].北京：北方交通大学，2001.

[4] 王连森.机车走行部运行可靠性研究[J].内燃机车，2010（1）：8-11.

[5] 肖 楠，谢基龙，周素霞.城市轨道交通车轮踏面制动疲劳强度评价方法及应用[J].工程力学，2007，27 （9）：234-239.

[6] 曾全君.地铁车辆车轮寿命分析[J].电力机车与城轨车辆，2005，28（2）：47-49.

[7] 汪 洋.地铁列车车轮踏面环状剥离的分析[J].电力机车与城轨车辆，2003， 26（4）：67-68.

[8] 邓志刚，孙 纲.地铁车辆车轮异常磨耗测试分析[J].现代城市轨道交通，2009（1）：19-22.

[9] 李 熙.超载模式下城市轨道交通车辆走行部安全性分析及维修辅助决策[D].北京：北京交通大学，2014.

[10] 潘 浩.基于双目视觉的客流检测与跟踪技术的研究[D]. 上海：上海交通大学，2009.

责任编辑 方 圆

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

北京市科委科技创新基地培育与发展工程项目（Z131110002813122）；北京地铁运营有限公司科研项目（2012200510000002）。

李 熙，高级工程师；王海涛，助理工程师。