无线加速度测试技术在过山车检测中的应用

陈卫卫 庞 昂

（中国特种设备检测研究院 北京 100029）

无线加速度测试技术在过山车检测中的应用

陈卫卫 庞 昂

（中国特种设备检测研究院 北京 100029）

过山车运行速度快，乘客承受加速度情况复杂，计算加速度与实测加速度相差较大，开展加速度测试非常必要。本文介绍了游乐设施加速度测试要求和无线加速度传感器测量系统工作原理，基于GB 8408—2008开发了加速度分析与判别软件，开展了某过山车的加速度测试、分析与判别工程应用。最后，总结了经验和教训。

加速度 无线 过山车

过山车上大型主题乐园必不可少的一种游乐设施，深受广大游客的喜爱[1]。目前，世界上最快的过山车上位于阿拉伯联合酋长国阿卜杜比法拉利世界主题乐园的罗萨方程式过山车，由Intamin游乐设备公司设计制造。罗萨方程式过山车车体为法拉利f1赛车造型，液压弹射发车，最高时速240 km/h，0～240km/h加速时间4.9s[2]。国内最快的过山车为南昌万达主题乐园的超高过山车，同样由Intamin游乐设备公司设计制造。超高过山车为传统的链条提升过山车，轨道高度82.8m，最高时速136km/h。过山车轨道设计中通常有各种立环、螺旋环和直线段等元素组成，高速度通常会导致高加速度，增加乘客受伤风险。因此，在过山车检测中进行加速度测试非常必要。

1 游乐设施加速度测试要求

为使乘人不受到伤害，游乐设施乘人的加速度应限制在一定的范围内。美国、欧洲和我国在游乐设施标准中均对加速度允许值做出了要求，美国标准与其他二者有较大不同，我国标准与欧洲标准基本一致[3-5]。下文主要介绍我国标准中对加速度允许值做出的要求。

1.1 基本要求

计算或测量加速度的参考点一般应在座席上方600mm处。在测量加速度做加速度随时间变化的历程图时，应使用10Hz低通高频滤波器（滤波器边界斜度最小6dB/倍频程）。加速度数据用实际加速度与重力加速度g的比值表示。

持续时间小于等于0.1s的加速度为冲击加速度，持续时间大于0.1s的加速度为稳态加速度。当存在冲击载荷时，加速度允许值要降低10%。

1.2 人体坐标系

人体坐标系定义如图1所示。乘客背靠方向定义为x轴正向，面向方向定义为x轴负向。乘客左手方向定义为y轴正向，右手方向定义为y轴负向。座椅面向下方向定义为z轴正向，向上方向定义为z轴负向。

图1 人体坐标系

1.3 侧向加速度（y方向）限制

测量的侧向加速度（y方向），应符合图2的规定。测量的加速度信号按三角形记录。图中虚线部分为频率10Hz以上的区域；Δt为加速度持续时间，单位为s；Δt超过4s的区域尚未验证。

图2 与持续时间有关的加速度允许值|ay|

图3 与持续时间有关的加速度允许值az

1.4 垂直加速度（z方向）限制

测量的垂直加速度（z方向），应符合图3的规定。测量的加速度信号按三角形记录。图中s为加速度持续时间，单位为s；超过4s的区域尚未验证。

1.5 加速度的组合限制

当同时存在侧向加速度ay和垂直加速度az时，应符合图4的规定。图中ay、az分别为实测侧向加速度和垂直加速度，[ay]、[az]分别为侧向加速度允许值和垂直加速度允许值。以az/[az]为横轴，以ay/[ay]为纵轴描点，当所有点落在图中折线下方时，说明测试结果符合标准要求。

图4 ay和az加速度组合允许范围

由于加速度允许值与持续时间有关，实际测试中使用图4难以对结果进行判定。因此，根据图2和图3选取具有代表性的Δt=0.05s、0.1s和0.2s三种情况画出ay和az加速度组合允许区域如图5所示。

图5 典型ay和az加速度组合允许区域

2 无线加速度传感器测量系统

无线加速度传感器测量系统[6]上由无线加速度传感器节点、无线网关和安装了相应数据采集和处理软件的计算机组成，如图6所示。

图6 无线加速度传感器测量系统

2.1 无线加速度传感器节点

无线加速度传感器节点主要由电源、加速度传感器、数据采集处理和无线通信等4个模块组成，如图7所示。其工作原理如下：首先，电源模块为节点提供电量。其次，加速度传感器把力信号转换为电信号；然后，数据采集处理模块把传感器输出的微弱信号经过放大、滤波等调理电路后，送到模数转换器，转变为数字信号，送到主处理器进行数字信号处理，计算出传感器的有效值等。最后，由无线通信模块采用基于IEEE802.15.4标准的无线协议进行数据传输。

图7 无线加速度传感器节点原理框图

根据GB 8408—2008规定，选择适合过山车测试的无线加速度传感器节点见表1。表1中节点的最高采样率均可设置为4kHz，每个通道均设有抗混叠低通滤波器。采集的数据既可以实时无线传输至计算机，也可以存储在节点内置的2M数据存储器内，保证了采集数据的准确性。节点的空中传输速率可以达到250kbps，有效室外通讯距离70～300m。节点设计有专门的电源管理软硬件，在实时不间断传输情况下，节点功耗仅30mA，使用内置的可充电电池，可连续测量12h。A302EX无线加速度传感器节点如图8所示，在表1中可以看到其传输距离最远。因此，采用A302EX无线加速度传感器节点进行过山车加速度测试。

表1 适合过山车测试的无线加速度传感器节点

图8 A302EX无线加速度传感器节点

图9 BS903无线网关

2.2 无线网关

无线网关可以接收无线加速度传感器节点发出的加速度数据，并通过USB接口传输至计算机进行存储。同时，在计算机端通过软件可以将传感器参数设置通过无线网关传输至无线加速度传感器节点。BS903无线网关如图9所示，其具有外置天线、USB、电源和网线接口。BS903无线网关上一款便携式远距离无线设备接收装置，其结构紧凑，体积小巧，可以同时连接多个相同或不同种类传感器节点进行测试。因此，过山车加速度测试中选用了BS903无线网关。

2.3 数据采集和处理软件

计算机端数据采集和处理软件上无线加速度传感器测量系统中的重要组成部分，本文采用了BeeData数据采集软件，软件界面如图10所示。BeeData上界面友好的Windows采集控制软件，可以实现对多个传感器节点采集到的数据同时实时显示、分析和存储。传感器校准参数、通道数据和数字滤波等信息也可以通过BeeData写入传感器节点内部。同时，BeeData可以对网络通信质量和设备上否发生故障进行实时监控，并具有开机自检和传感器节点电量监测功能。

图10 BeeData数据采集软件界面

3 基于GB 8408—2008的加速度分析与判别软件开发

《游乐设施G加速度分析与判别方法》[7]针对GB 8408—2008中4.7节“加速度允许值”进行了深度解析，提出了加速度判别方法，对标准的贯彻执行提供了有力保障。现有加速度软硬件为通用型，没有开发游乐设施加速度分析与判别功能。因此，本文开发了专用软件，大大简化了结果处理过程，提高了工作效率。

3.1 软件基本框架

加速度分析与判别软件原理框图如图11所示，主要包含以下几大模块：数据文件读取、低通高频滤波和符合标准与否判别模块。

图11 加速度分析与判别软件原理框图

3.2 软件主要界面

“游乐设施加速度测试结果数据处理系统v1.0”主要界面如图12所示，基于Matlab GUI（用户图形界面）功能开发[8]。该主界面主要由以下功能模块组成：

1）分别打开3向加速度数据文件、显示文件路径和预览原始加速度-时间历程曲线功能。

2）分别进行3向加速度任意频率（默认10Hz，可更改）低通高频滤波和预览滤波后加速度-时间历程曲线功能。

3）预览并输出滤波后3向加速度-时间历程曲线功能。

4）预览并输出ay和az加速度组合曲线（包含符合标准与否判别）功能。

图12 “游乐设施加速度测试结果数据处理系统v1.0”主要界面

4 过山车加速度测试应用实例

根据《游乐设施加速度测试作业指导书》步骤，应用无线加速度传感器测量系统进行某过山车加速度测试，并通过自编专用软件进行结果分析与判别。

4.1 测试基本步骤

本部门自行开发了一套加速度测试安装架，如图13所示。首先，将安装架牢固安装在过山车压杠上。然后，将万向云台通过燕尾槽安装于L型燕尾块上，调整云台倾斜角度，使水平仪气泡居中。之后，调整加速度节点高度和方向，使之和GB 8408—2008要求一致，如图14所示。最后，开启BeeData软件和无线加速度传感器节点电源，进行参数设置，开始采集。

图13 加速度测试安装架设计图

图14 加速度测试安装架现场安装图

4.2 测试结果分析

该过山车加速度测试结果与设计值比较见表2（实测加速度已使用10Hz低通高频滤波器进行滤波），可以看出侧向加速度ay和垂直加速度az实测值均超过设计值很多。

表2 加速度测试结果与设计值比较

应用自编软件“游乐设施加速度测试结果数据处理系统v1.0”，读取加速度测试结果数据，分别输出“3向加速度-时间历程曲线”与“ay和az加速度组合分析及判别图”，如图15～图18所示。

图15与图16为1号车加速度分析结果，根据《游乐设施G加速度分析与判别方法》[7]，分别按Δt=0.05s、0.1s和0.2s三种情况进行判别如下：

1）超出0.05s连续点数5个，采样间隔0.01s，则持续时间Δt ＞ 0.05s，不符合标准要求；

2）超出0.1s连续点数7个，采样间隔0.01s，则持续时间Δt ＜ 0.1s，符合标准要求；

3）超出0.2s连续点数12个，采样间隔0.01s，则持续时间Δt ＜ 0.2s，符合标准要求。

总之，1号车加速度测试结果不符合标准要求。

图15 1号车3向加速度-时间历程曲线

图16 1号车ay和az加速度组合分析及判别图

图17与图18为4号车加速度分析结果，分别按Δt=0.05s、0.1s和0.2s三种情况进行判别如下：

1）超出0.05s连续点数4个，采样间隔0.01s，则持续时间Δt ＜ 0.05s，符合标准要求；

2）超出0.1s连续点数16个，采样间隔0.01s，则持续时间Δt ＞ 0.1s，不符合标准要求；

3）超出0.2s连续点数36个，采样间隔0.01s，则持续时间Δt ＞ 0.2s，不符合标准要求。

总之，4号车加速度测试结果不符合标准要求。

图17 4号车3向加速度-时间历程曲线

图18 4号车ay和az加速度组合分析及判别图

5 结论

本文将无线加速度测试技术应用于过山车检测，开发了游乐设施加速度测试结果数据处理系统，并开展了十余例工程应用，总结经验如下：

1）首次设计、制造和安装的过山车加速度测试一次通过率很低，存在轨道制造或安装精度差、轮距精度差和车体与车桥连接缓冲差等问题，经过调整后可以通过测试。

2）非空旷场地（室内过山车、坡地或轨道很长）情况，无线传感器节点在线传输不稳定，解决方案为离线存储和到站无线下载。

3）自行设计的加速度测试安装架不能适应型式多变的安全压杠类型，正在开发通用性更好的安装架。

4）开发了“游乐设施加速度测试结果数据处理系统v1.0”，提高了加速度测试结果分析与评判效率。

[1] 张继云．过山车动力学建模与仿真[D]．广州：华南理工大学，2013.

[2] Formula Rossa-Ferrari World Abu Dhabi[EB/OL]. https://ferrariworldabudhabi.com/attraction/formularossa/, 2016-06-17.

[3] GB 8408—2008 游乐设施安全规范[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] 必创科技[EB/OL]．http://www．beetech．cn/product－list．aspx？parentid=962&catid=1113，2016-06-17.

[7] 梁朝虎，沈勇，鄂立军，等．游乐设施G加速度分析与判别方法[J]．中国安全科学学报，2008，18(11)：31-35.

[8] 余胜威，吴婷，罗建桥．MATLAB GUI设计入门与实战[M]．北京：清华大学出版社，2016.

[本文由国家质检总局质检公益性行业科研专项项目“公共安全突发事件一线处置应对标准体系与32项关键技术标准研究”（编号：201510211-6）和中国特检院博士科研基金“高大游乐设施的振动测试与数值模拟研究”（BSJJ-2015-09）资助]

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

陈卫卫(1982～)，男，博士，工程师，从事游乐设施检验检测新技术开发研究。

2016-11-22）