动车组智能座椅系统设计

刘雅浓，潘振华，马浩然，王 杰，于 群

（大连交通大学 机车车辆工程学院，辽宁 大连 116028）

动车组作为轨道交通行业的重要装备，已成为中国制造业的名片，也是国家实施“走出去”战略的重要载体[1]。但动车组的车上检票仍是传统的人工检票，工作效率较低且工作强度大。因此，研究一款能够保证旅客信息安全且同时能够降低乘务员工作强度的新型座椅结构，对我国高铁智能化发展具有重要意义。

动车组的出现大大改善了人们的出行体验，尽管如此，动车组系统仍有一些不尽人意的地方。目前，国内外的动车二等座椅均不具备扶手折叠与身份识别的功能，在进入站台前的身份证识别环节到车上人工检票环节期间身份证件存在安全风险，在乘客上车时，时常会出现找不到座位甚至“霸座”的现象。目前列车乘务员依然需要在车厢中对乘客进行依次检票，尤其是学生票，乘务员需要额外检查学生证等相应证件，工作效率较低，工作量极大。目前动车组的二等座座椅结构虽然能够满足乘客的基本需求和舒适度要求[2]，但是在某些方面，其结构还不能满足众多乘客的多方面要求。比如，由于前座座椅角度的可调性导致在其后座的小桌板发生晃动，在一些情况下，会对后座乘客的乘坐体验产生影响[3]。

本文以动车组座椅为研究对象，设计一种具有身份识别功能的动车组智能座椅结构，增添了扶手折叠结构与身份识别功能，对小桌板进行结构改良。设计的座椅增加了扶手折叠与身份识别的功能，同时对小桌板进行了一定的改良。当座椅未经身份认证时，座椅扶手向座椅内呈现折叠状态，此时乘客无法入座；经身份认证后，扶手自动展开，乘客方可坐下；当乘客下车前，应再次识别身份信息，使座椅扶手自动折叠，以待下位乘客进行身份认证。同时，该身份识别系统还需要进行大数据信息收集，通过乘客购票系统获取每位乘客的座位号，以便对每个座位进行身份认证。小桌板晃动的问题则选择以齿轮结构固定的方式来予以解决。本设计不仅可以严格执行铁路旅客车票实名制管理办法，保护旅客的合法权益，还可以满足乘客对舒适度的需求，为我国铁路事业和智能化高铁建设提供了新思路。

1 身份认证系统设计

身份认证系统由电器系统、机械系统组成，是本动车组座椅结构设计的核心。身份认证系统可以避免乘客信息泄露，保障乘客信息安全，并取代传统的人工检票环节，既可以改善乘客乘坐体验，又能提高乘务员工作效率，减轻其工作量。电气系统用于乘客信息与电子锁的关联，为下一步扶手转动做出准备工作；机械系统可将扶手按照电子锁发出的指令进行展开与折叠。两个子系统构成了身份认证系统，保障乘客安全，降低乘务员工作强度。

1.1 电器系统设计

乘客购票乘车时，找到自己对应的座位后，需在读卡器上识别本人身份证，座椅上的电子锁才会打开，乘客方可入座；乘客离开时，再次在读卡器上识别本人身份证，乘客离开，电子锁关闭。其认证设备参考当前较为流行的智能门禁系统：以射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID）为核心，利用二代身份证的高安全性、高防伪级别和唯一性，设计一款对二代身份证进行识别的智能电子锁[4-5]。

1.2 机械系统设计

本次设计将座椅扶手旋转装置固定于距靠背1/4处，旋转装置设计为圆筒形，其直径与扶手等宽，高度与扶手厚度相同，这样可以确保舒适度。对于装置内部，在近靠背端设置机电结构，旋转装置内部与机电装置输出端均为齿轮结构[6]。同时设定旋转角，使扶手折叠端活动范围为90°。座椅总体效果如图1 所示。

扶手的旋转和折叠装置由齿轮组与驱动齿轮组运转的驱动器组成，通过主控模块控制电机驱动装置带动齿轮转动，实现座椅扶手的自动折叠和打开[7]。座椅扶手展开状态如图2 所示。

图2 自动识别系统动车组座椅识别后座椅图

座椅扶手的机械装置如图3 所示。通过齿轮的上下两层设计降低电机转速，提高电机扭矩，更高效地完成扶手的打开和折叠。合页与座椅固定连接。由于定齿轮固定在合页上，驱动减速齿轮和动齿轮在自转的同时共同围绕定齿轮的齿轮圆心做公转，进而带动扶手杆绕着合页轴转动，实现扶手杆的折叠和展开。

减速装置即减速齿轮。动齿轮、上齿轮、下齿轮和定齿轮的分度圆直径依次递增。该减速齿轮设计为上下两层齿轮，这种结构能有效降低电机转速，并提高扭矩。

工作时，由主控制器接收到解除锁定或锁定信号后，发送控制信号给稳压驱动保护模块[8]。稳压驱动保护模块通过电机调节功率输出，驱动电机工作。由电机带动齿轮旋转，进而带动减速轮旋转，实现座椅扶手杆的展开或折叠。动齿轮跟随电机保持同样的角速度转动，减速齿轮作为过渡齿轮，其目的在于降低动齿轮的角速度，进而使扶手转动的过程轻盈自然。同时，定齿轮固定在合页上，提供反向扭矩实现扶手杆转动。

当扶手需要展开时，电机逆时针转动，驱动减速齿轮顺时针转动，减速齿轮会作用于定齿轮，由于定齿轮固定于座椅，根据力的相互作用，会导致减速齿轮、动齿轮在自转的同时共同围绕定齿轮的齿轮圆心沿顺时针方向做公转，实现扶手展开。

当扶手需要折叠时，电机顺时针转动，其余部分做扶手展开工况时的反向转动，实现锁定。

1.3 工作原理及性能分析

乘客利用身份证在12306 等网站购买车票，网站向Web 服务器发送请求命令，电子锁管理系统生成该乘客的身份证开锁信息指令，暂时保存于电子锁管理系统的数据库中，并通过Web 服务器向乘客返回相应的车次座位等信息。电子锁每10 分钟请求一次Web服务器，Web 服务器通过调取电子锁管理系统数据库中存储的开锁身份证信息数据发送给电子锁，存储到电子锁的控制主板中。当用户使用身份证在电子锁的刷卡区域刷卡时，通过RFID 系统对存储在控制主板里的开锁身份证信息和读取到的身份证信息进行比较。若一致，电子锁开锁电路将控制扶手由折叠状态变为伸直状态，乘客入座。当乘客再次使用身份证在电子锁的身份证刷卡区域刷卡时，通过RFID 系统的作用，电子锁开锁电路会控制扶手由伸直状态还原为折叠状态。图4 为工作原理流程图。

图4 工作原理流程图

1.4 身份证开锁性能安全性分析

本系统中用来识别身份证的读卡器交由公安部门进行管控，系统各部分之间的通信都经过SSL 数字证书加密处理，不会泄漏用户的身份证信息。而且实现实名制开锁，有利于强化社会管理，是对人们财产安全的一种保障。

类比目前各火车站进站需持身份证、车票或人脸识别的技术，我们的系统设计在车厢里，再次保证了站内及列车内的身份认证准确性，更加保障了乘客信息的安全。

2 小桌板改进

座椅结构如图5 所示，其部分尺寸：椅面高度为370-480mm（可调节）；扶手高度为160mm；椅面倾角为5°-10°；座位深度为400mm；坐垫滑出的最大尺寸为60mm；小桌板高度取650mm；靠背的调节角度为25°[9]。

图5 座椅结构示意图（单位：mm）

2.1 数据改进

由于动车组二等座椅设置了后置小桌板，小桌板的位置固定并保持独立，不受椅背调整的影响，始终保持在水平位置。桌板面积为400mm×250mm，当桌板支起后，下方必须有足够的空间可供小腿与大腿成85°-115°之间自由活动。小桌板高度由坐姿肘部高度决定，太高会使乘客手臂长时间在抬起状态下工作，易产生疲劳酸痛，太低则会使身体前倾，影响乘坐舒适度[10]。考虑到男女身材尺寸不同及衣服修正量3mm，小桌板高度为min[E（3.5）男+E（3.5）女]+椅面高度，对于椅面高度取420mm，小桌板高度为650mm 左右。此外，座椅的高度由靠背和椅面角度确定，大约为1150mm。为了不影响小桌板的使用，当座椅倾斜到最大角度时，小桌板边缘应与座椅背面持平，因此座椅纵向总长约为（1150-420）×sin25°+250+400=980mm。小桌板打开状态下，后排乘客起身不碰到小桌板的最小距离为前后两座间距。小桌板的高度大体与人站立时大腿部相当，考虑到衣服厚度，所以该数据为980+E（3.6）+13，可取1100mm。

2.2 结构改进

考虑到不同年龄段的人在使用小桌时臂长不同，对小桌板设置了抽拉功能，按GB 100000-88 标准10～60 岁男性前臂长数值，5%为216mm，95%为258mm，差异42mm，因此，小桌板设置了50mm 的抽拉数值，保证满足绝大多数人使用。

2.3 可行性分析

本次改造是在原座椅基础上进行改进的，主要改变小桌板尺寸并增加小桌板的抽拉功能，通过资料的查找以及三维软件的学习，可以很好的实现，实用性强，可行性大。

2.3.1 技术可行性

本项目使用的核心技术为现有的RFID 技术，该技术在市面上已有较为完善的应用，即门禁识别技术。本项目受其启发，结合当下车厢内乘务员需人工核实乘客信息这一行动，对上述行动进行了智能化改良。乘客信息来源为铁路信息管理系统，储存信息的电子锁管理系统为项目内部系统，机电结构为齿轮结构，动力来源为电机。对于小桌板的改良，我们增加了齿轮结构与抽拉结构。故总体上项目的技术可行性较高，同时也能保证乘客的信息安全，又能大大减轻乘务员工作量。

2.3.2 市场需求可行性

对于身份识别系统：乘客进入车厢时乘务员可以在车门处要求乘客进行身份识别，而无需对每位乘客进行检票。从乘客角度来看，乘客进站即需手持身份证，进入站台后可将身份证收好，而往往人工检票环节在列车开动后的一段时间，这期间证件的安全性得不到保障，还是有丢失证件的可能。本系统可以避免身份证件在上述的安全风险，对证件的安全性有了一定的提升。

小桌板的改良可以改善乘客对小桌板的使用体验，大大减少桌板上液体洒落的可能性。综上，市场需求可行性较好。

2.3.3 应用前景可行性

当今社会大环境愈发向智能化发展。本项目的工作内容是取代乘务员人工检票环节，取而代之的是智能化“一键式”检票。符合当代发展趋势。如果投入使用，将大大减少车内工作人员的工作量，同时对乘客的信息与合法权益提供了保障。小桌板的改良可以大大改善乘客的乘坐体验，且可减少桌板方面事故的发生。故发展前景与可行性较好。

综上所述，可行性良好。

3 结论

（1）本设计中的自动检票系统是在现有动车组座椅扶手上增添身份识别设备，通过识别乘客的身份证实现自动检票的功能。这种电子检票方便快捷，大幅度减少了乘务员的工作量和工作时间，提高了工作效率，消除了人为原因所造成的工作失误，使乘坐高铁动车的流程更加便捷化。而且这种检票方式可以有效地防止“霸座”现象的发生，保护乘客合法权益。

（2）本设计中对动车组座椅后方小桌板的改进是将桌板的位置进行调整，并增加了抽拉装置，对小桌板在物品摆放和临时休息这两个方面做出了优化，使小桌板的稳定性有了一定的提升，进一步提升了乘客的使用舒适性，即使是在长时间乘车过程中，乘客依旧能够有一个良好的乘车体验。