虚拟轨道车辆广义综合舒适度研究

中车长春轨道客车股份有限公司 花明磊

虚拟轨道列车是一种特殊的公路列车，特殊在其轨道是采用特殊材料铺设在地上的感应识别标识而不是传统的钢轨，因此也被称作智轨列车。虚拟轨道列车是一种结合了公共汽车、有轨电车和动车组的部分特点的新型城市轨道交通工具，其设计开发的目的是解决城市路面交通拥堵问题，在很大的程度上缓解这种压力。

本文研究了虚拟轨道车辆的广义综合舒适度。首先，分析总结了影响舒适度的三个因素，并论证了它们之间的关系；其次，建立了单因素舒适度的评价指标与方法，结合单因素舒适度评价指标与层次分析法的权重建立了基于层次分析法的综合舒适度指标体系；最后，设计建立了综合舒适度评价装置。

1 舒适度评价因素

虚拟轨道列车综合舒适度的受体为人，因此舒适度评价因素主要围绕人展开。人体主要通过神经系统和感官系统感知外界坏境，感官系统在接受外界的刺激作用下，将刺激转换为能量作用于神经系统，从而完成人体对外界世界感知的整个过程，因此乘客对乘车环境的主要接受因素也就是列车综合舒适度的评价因素。外界的物理作用会使得人体产生不同的舒适感，同时与外界环境共同作用而引起人体生理与心理的变化，所以舒适度评价指标可以用三个因素来概括，分别是物理因素、生理因素和心理因素。舒适度三因素与舒适度研究关系如图1所示。

图1 舒适度三因素与舒适度研究关系

1.1 物理因素

对于虚拟轨道列车而言，物理因素包括列车上的振动、噪声、压力、温度、湿度和湿度。振动的基本物理量主要有振幅、频率、速度以及加速度，其中频率和加速度是评价振动对人体舒适度评价的重要参数。噪声主要是通过人的听觉和主观感受影响人的舒适感觉，列车噪声包括车外噪声和车内噪声，列车舒适性主要研究的是车内噪声。温度舒适性从主观条件上，主要受季节、年龄、性别、体质等因素的影响。湿度影响舒适性主要体现在人体的生理方面，舒适的湿度一般为40%-60%。照度是指单位面积上所接受可见光的光通量，虚拟轨道列车的运行时间为白天，照明主要靠自然采光，自然采光能满足基本照明需求，只需要在阴天和傍晚自然采光不足的情况下，通过照明进行弥补，使得整体照度满足300lx的工作要求。气压是作用在单位面积上的大气压力，气压的高低与气压大小变化会引起人体不适。列车车内压力会在明线会车、通过隧道、隧道会车等情况下发生变化，由于虚拟轨道列车在运行时不会存在以上这些情况，所以虚拟轨道列车的舒适度指标分析不将气压因素考虑在内。

1.2 生理因素

当机体处于环境中，环境的变化能够被机体感受到，这种外界变化对机体的影响叫做刺激，机体器官能够最敏感的感受到的刺激称作适宜刺激。人的感受器官都有一定的感受性和感受限阈，感受限阈是指外界变化对机体的刺激刚好可以被机体感受到的刺激值；感受性是机体器官感受外界变化引起的刺激的主观感受能力，在乘车过程中，感受性是乘客感觉强弱的重要标志。在乘车过程中，外界刺激太强会造成乘客的极度不舒适，因此要降低外界刺激对乘客的作用，从刺激源头解决刺激作用是一种有效的快速方法，刺激来源如图2所示。

图2 刺激来源分析

人体在外界刺激的作用下，生理产生不适，这就是影响舒适度的生理因素。对生理因素进行评价，一般是采用仪器对人体生理的变化进行记录分析，主要分析人体各生理组成的变化，同时结合实际与理论给出有效的评价指标。

1.3 心理因素

乘客在乘车过程中的心理现象包括两方面，一方面包含了如个性、偏好、兴趣等因素的主观生理心理机制；另一方面是外界环境的客观因素，如乘车环境状态、自身情况和乘客特征等因素。因此在乘车过程中，乘客的心理现象总是变化多端的，其与乘车环境息息相关，两者都比较复杂。同时乘客在乘车过程中，乘客的身心状况总是受到心理要素的影响，外界环境和个人情况总是会引起不同的心理状态要素，各个要素之间有存在着千丝万缕的关系，各要素之间会互相联系、作用，因此在乘客心理就构成一个统一的过程。人体在外界刺激与环境的作用下，心理发生不同的变化，而产生的不适，这就是影响舒适度的心理因素。对心理要素的评价，主要从主观的方式进行，对测试者的心理变化进行记录并分析，最后通过数据统计方式获得评价指标。

2 虚拟车辆广义舒适度指标体系

2.1 综合舒适度的定义

综合舒适度是一个包含多种因素的综合性评价指标，比如物理因素、生理因素和心理因素等，不同类型的舒适度定义如图3所示。

图3 舒适度定义的涵盖范围扩展

2.2 单因素评价指标

在进行综合舒适度评价之前需要对单一因素的舒适度进行评价，虚拟轨道列车的舒适度影响因素包括物理因素，生理因素和心理因素，各个因素的评价指标与方法如表1所示。

表1 单因素评价指标与方法

表3 不同样本之间一级指标层权重值

表1所示是单因素评价指标及方法，在这些评价指标之下，可以获得单因素指标是如何对乘客的舒适性进行影响的。

2.3 基于层次分析法的综合舒适度指标体系建立

层次分析法是基于定量与定性分析的一种决策方法。分析第一步：划分决策层元素，如目标、决策、方案或指标；第二步：求解，求解各层指标权重。在虚拟轨道列车综合舒适度求解过程中，运营与服务、车辆运行、车内环境是三个决策层指标。一级指标层指标包括运行组织、售票、服务水平、振动、噪声、气压、空气、照度、设计和人群密度。最底层指标如表4所示。在层次分析法(AHP)的基础上可以求解各层之间的权重关系，于是可以得到各层之间的权重如表2、3、4所示。

表2 不同样本决策层权重值

表4 不同样本最低层指标权重值

单因素评价指标结合基于层次分析法得到的权重，便能得到列车的综合舒适度评价指标体系。设综合舒适度指标为S，单因素指标为Si(i=0,1,2,3...)，其对应的权重值为βi(i=0,1,2,3...)，则有：

3 舒适度评价装置

为了进一步对列车舒适性进行研究，研制了动态综合舒适度评价装置，该装置集信息采集、分析、显示于一体，主要包含信息检测部分、数据分析系统部分以及支撑机械结构部分，整体结构如图4所示。

图4 综合舒适度评价装置整体结构

装置采用PCI采集卡进行数据采集，PCI总线的数据采集卡可直接插在IBM-PC/AT或与之兼容的计算机的任一PCI插槽中，从而构成了实验室、产品质量检测中心等各种领域的数据采集、波形分析和处理的集成系统。

3.1 检测结构设计

检测系统主要由电源供电模块、传感器模块、采集模块、数据分析及显示模块组成。其中传感器模块主要包括温度传感器、湿度传感器、大气压力传感器、照度传感器、噪音传感器、振动传感器以及色温计，所有的传感器（除色温计外）均与端子板相连接，主要采集相关参数，转变为电压信号输送到采集卡；采集模块由采集卡与端子板组成，采集卡与端子板通过PCL电缆线连接，达到传输电信号的目的；数据分析模块主要是工控机，工控机通过PCI卡槽与采集卡相连接，将采集卡采集的电信号进行提取并得到所需的各项参数，并在工控机系统内建立数学模型进行数据分析；显示模块主要是显示屏，该显示屏通过HDMI线缆与工控机相连接，具有界面显示功能。另外，色温计与工控机通过RS232串口连接从而读取实时的色温数据，通过外接键盘与工控机连接，提高操作的便捷性。该检测系统的结构图如图5所示。

图5 检测系统结构设计

3.2 机械部分设计

舒适度动态评价装置的机械结构主要包括电源安装区域、处理器安装区域、伸缩杆安装区域以及温差感应区域，如图6所示。电源安装区域设计在该评价装置的底部，处理器安装区域在中部，伸缩杆安装区域在上部、温差感应区域在该装置的侧面，其中伸缩杆安装可通过法兰盘与上底板连接安装。

图6 舒适度动态评价装置结构分布图

本文分析总结了车辆广义舒适度中所涉及的参数指标，包括物理因素，生理因素以及心理因素；在此基础上，分析了单一因素舒适度评价指标，并获得了评价标准与方法；通过定性与定量分析获得了层次分析法中各因素指标的权重值，基于单一因素评价指标与层次分析法的权重值建立了基于层次分析法的车辆广义舒适度指标体系，进一步的设计开发了舒适度评价装置。本文从理论出发，建立了一套计算综合舒适度指标的理论方法，基于理论方法设计了可用于实际测量综合舒适度指标的评价装置。