动车组牵引制动冲击评价方法与数据处理研究*

邵 林，杨 欣，黄 金

(中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京100081)

动车组牵引制动冲击评价方法与数据处理研究*

邵 林，杨 欣，黄 金

(中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京100081)

基于国内外纵向冲击相关标准和理论研究，针对评价对象是瞬时冲击或平均冲击、冲击限值的确定、不同的数据处理方法等问题进行了分析，并提出了数据处理方法的建议，应用此方法对动车组实测冲击指标进行了计算，验证了该方法的合理性。最后针对制动冲击的产生区段进行了总结，并对冲击的优化控制方法提供了建议。

动车组;冲击;评价方法;数据处理

随着中国高速铁路事业的发展，做为其重要核心技术的高速动车组在要求安全、高效运行的基础上，对乘车舒适度同样提出了很高要求。

车辆稳态运行下的舒适度，是基于各方向加速度的计算而得出，相关标准中对于信号的处理方法，评价指标都有明确统一的规定。在保证了稳态舒适度指标的基础上，在动车组牵引制动过程中的纵向冲击做为一个瞬态的舒适度指标，也成为一个值得关注的问题。

“冲击(jerk)”也被翻译为冲动、冲击率等，几种说法在概念上有很小差别。冲动通常为广义概念，包括车间的作用力、车体加速度和加速度的变化率等参数;冲击定义为加速度的一阶导数，表现为连续曲线;冲击率定义为冲击的数值，二者常互换使用。

列车的牵引和制动过程中产生了加、减速度，直接对应于列车施加于乘客的作用力，此作用力过大显然会影响舒适度。根据日本60年代在山梨线进行的制动减速度与冲击不同组合对舒适度的影响试验［1］，得出结论:不仅制动减速度的增大会降低舒适度，制动冲击也是影响乘客舒适度的重要指标。因此，从动车组设计角度出发，在牵引和制动系统设计时应该对冲击指标进行关注。

由于大级位的制动减速度大于满级牵引的加速度，制动过程的冲击指标通常更大，故下文均基于制动过程的冲击问题进行讨论分析。

国内外现行标准中对制动冲击的评价方法和数据处理方法尚无统一明确的规定，在评价动车组冲击时容易引起混淆，主要体现在以下几个方面:(1)评价对象是瞬时冲击还是平均冲击;(2)冲击评价指标的取值; (3)冲击数据处理的方式:采用不同的滤波方式处理数据，会得到不同的峰值。

1 平均冲击与瞬时冲击

德国及欧洲标准 DIN EN 13452-1－2005《铁路应用—制动—公共交通制动系统－第 1部分:性能要求》［2］中区分了瞬时冲击和平均冲击的概念。瞬时冲击为加、减速度的微分，随时间实时计算得出;平均冲击为在给定时间内加、减速度的变化量，例如，采用平均冲击计算制动起始阶段的冲击时，以制动力由10%升至90%的建立时间(build－up time)为基准，计算该时间内加、减速度的变化量。

以制动起始阶段为研究对象，即车辆由惰行转为制动的瞬间。若制动力由10%匀速上升至90%，则此阶段的瞬时冲击与平均冲击相等，任意选取其中一个指标进行评价即可。若制动力在10%～90%区段内非匀速上升，例如在制动力10%～45%区段快速上升，在制动力45%～90%区段慢速上升，用瞬时冲击进行评价时，会在10%～45%的制动力快速上升区段产生一个较大的极值，在45%～90%的制动力慢速上升区段产生一个较小的极值;计算10%～90%制动力上升区段所得平均冲击会将前半段的较大值抵消掉，得到介于二者中间的结果，未能表现前半段对舒适度产生较大影响的情况。基于以上分析，出于对动车组制动阶段舒适度的反映，建议采用瞬时冲击指标进行计算和评价。

2 冲击评价指标取值的研究

对于制动冲击指标的评价标准值，国内现行标准尚无明确的规定。在各平台动车组的供货技术条件内一般规定为0.75m/s3，关于此限值的研究最初来源于对乘客感受的统计研究。

60年代初原日本国铁铁道技术研究所以乘客感受统计为基础，进行了一系列与乘坐舒适度有关的试验，其中也包括了制动过程中的舒适度试验［1］。试验中要求被试乘客给出允许或不允许的判定，给出不允许减速度的观测者比例和对应的减速度及其变化率结果如表1。这些试验结果成为日本国铁减速舒适度执行标准的基础。

表1 日本国铁舒适度试验减速度允许试验结果［1］

如表1所示，日本国铁采用的制动舒适度标准值为减速度≤0.8 m/s2(0.08g)，减速度变化率≤0.7 m/s3(0.07 g/s)。

DIN EN 13452-1－2005《铁路应用—制动—公共交通制动系统－第1部分:性能要求》中规定了对于钢制车轮的地铁车辆，减速度与冲击等级如表2所示，另外规定了在车辆停止前瞬间的冲击不受表中限值约束。

如表2所见，EN 13452中钢制车轮地铁车辆常用制动的最大瞬时减速度可达2 m/s2，大于国内动车组规定的紧急制动瞬时减速度1.4 m/s2的限值［3］，相应的1.5 m/s3的最大冲击也高于国内动车组水平。

在标准DIN EN 50215－2010《铁路应用-机车车辆-轨道交通建设完成并投入运营前的测试》［4］中规定了在合同未做另外规定的前提下，除紧急制动外，冲击不大于1 m/s3。

地铁相关标准GB/T 7928－2003《地铁车辆通用技术条件》［5］中规定，常用制动平均减速度不低于1.0 m/s2;紧急制动平均减速度不低于1.2 m/s2。列车纵向冲击不应大于1 m/s3。

而在某些地铁项目的招标文件中规定，常用制动(含快速制动)时的列车冲击限值为0.75 m/s3，紧急制动时冲击通常不做评价，此指标较GB/T 7928－2003和EN 50215中的标准更为严格，是基于提高轨道交通舒适度的要求而提出。

表2 EN 13452中规定的钢制车轮的地铁车辆的减速度与冲击等级

参照国外动车组和地铁项目中冲击的指标要求，国内各动车组平台也多采用0.75 m/s3的标准，表3汇总了国内各主要动车组供货技术条件中对制动冲击指标的要求。

表3 国内动车组供货技术条件中对于制动冲击的要求

由前述对国内外标准和国内动车组技术条件的总结可以看出，冲击是反映制动过程舒适度的重要指标，其限值的制定要与减速度水平相适应，按照现行动车组的减速度水平和现有平台应用经验，建议在今后的动车组标准中，将常用制动的冲击限值统一为0.75 m/s3。

3 冲击数据处理方法研究

动车组牵引制动时的纵向冲击为一个复杂信号，其瞬时值包含多种频率成份，不同频率的响应对应人体的感知差异较大。目前国内外标准中对牵引和制动过程中冲击信号的处理方法尚没有明确说明，因此，对信号采用的处理方式尤其是滤波截止频率选取的差异会得出不同的冲击结果，易导致误判，影响了评价的准确性和公正性。

3.1 基于标准的冲击数据处理方法分析

对冲击的数据处理方法最根本的依据是人体对于不同方向振动的感知差异。ISO 2631－1—1997《机械振动与冲击－人体承受整体振动的评定－第1部分:一般要求》［6］中提出了人体对不同方向振动的频率计权曲线，在基本计权方法中横向和纵向采用同样的频率计权曲线。根据此标准，ERRI B153提出了UIC 513—1994《关于有关铁路车辆振动中评估乘客乘坐舒适性的指导》［7］，规定了稳态振动情况下数据处理的方法，即使用统计学分析方法将加速度信号计权并计算均方根值，并将其与舒适度等级建立起对应关系式。但UIC 513标准只针对稳态情况。

ENV 12299《铁路应用—旅客乘坐舒适性—测量和评估》［8］中对舒适性的稳态和瞬态情况都进行了评价方法的规定。其中对于过渡曲线运行的横向舒适度问题中，提出了瞬时减速度一阶导数、即冲击的数据处理方法:

(1)采用加速度计测试车体、转向架等位置的横向加速度y¨;

(2)对加速度信号进行模拟低通滤波，滤波器传递函数如式1所示，滤波器特性图如图1所示。

式中f3，f4为截止频率，f3=f4=2 HZ;Q2，K分别为滤波器系数，取值Q2=0.63，K=1.0。

图1 模拟低通滤波器特性

(3)以≥10样本/s的采样频率对信号进行离散(数字化)，以1 s为基准进行平均，1/10 s滑动滤波，得到数字处理后的加速度y¨1;

(4)以相距1 s的两个y¨1的最大变化取为最大横向冲击。

以上的数据处理方法应用于横向。由于ISO 2631中对横向和纵向采用同样的频率计权曲线，所以认为人体对横向和纵向振动感知的频率范围近似一致，在计算纵向的冲击时，应采用与上述同样的方法。

3.2 冲击数据处理算法的软硬件实现

为了在动车组运行过程中测试牵引制动过程中的冲击，以数字采集设备构建测试系统，原理图如图2所示。

图2 冲击测试系统原理图

如图2所示，测试系统构成如下:

(1)数字采集器为核心设备，要求具备模数转换、数据采集与处理等功能。实际选用设备具有100 kHz以上的采样频率，精度0.1%;

(2)工控计算机作为上位机，通过以太网与数字采集器进行连接，对数字采集器进行配置，具有显示、存储数据等功能;

(3)加速度计为主要测试传感器。参照公共交通中较大的冲击数值2.5 m/s2，选用的传感器测量范围0～3g(1g=9.8m/s2)，精度1%，对于车体纵向加速度而言量程可用;

(4)速度传感器测量动车组实时速度;

(5)牵引制动指令信号确定牵引或制动开始施加的精确时刻，以此为依据开始记录并计算一次牵引或制动过程的各种测试数据;

(6)其他测试信号，包括动车组牵引功率发挥、空气与制动施加情况等。

按照前述冲击数据处理方法，对加速度计的测量信号软件处理流程如图3所示。

图3 对加速度信号进行软件处理流程图

测试系统由底层软件IMC Device和上位机的前台软件基于Labview开发的测试系统组成。在底层软件中，对硬件进行采集通道的配置、数据采集和滤波、滑动平均等预处理过程;在前台软件中对预处理后的数据进行再采样，降低数据量，便于数据的显示存储和快速查看等操作。

3.3 冲击数据处理算法的验证

按以上软件处理流程对实测值进行计算处理，得到某型动车组的实测瞬时减速度和冲击试验曲线，并与未良好滤波的信号进行比较，如图4所示。

如图4所示，软件处理后的减速度和冲击曲线较之未良好滤波的数据更为平滑，且对信号的完整趋势有了准确表现，数据处理结果较为合理。由此可以看出，在滤波方式不当的情况下对冲击峰值进行判断可能导致不正确的结果，另一方面也体现了该信号处理方法的必要性。

图4 某型动车组减速度、冲击信号处理比较曲线

4 制动冲击的产生区段研究

在制动过程中，一般会在3个区段产生明显冲击: (1)车辆由惰行转制动的瞬间，减速度由0逐渐升至最大;(2)停车瞬间，减速度由最大降至0;(3)空电制动工况转换瞬间。

某型动车组最大常用制动的冲击试验曲线见图5所示。

图5 某型动车组最大常用制动冲击试验曲线

由图5可见，整个制动过程中出现了两次冲击，第1次发生在制动开始建立阶段，冲击为0.58 m/s3，第2次发生在停车阶段，冲击为0.83 m/s3。

从乘坐舒适度的角度出发，动车组由惰行转制动的瞬间动车组运行速度相对较高，且乘客处于无准备状态，所以此时对舒适度要求较高，应做为重点控制冲击的区段。

另外，在制动过程中发生空电制动的工况转换，也会产生冲击。例如，动车组在一次空电复合制动的过程中，短暂经过了无电的分相区，其电制动突然失效，为对总制动力进行补充，空气制动迅速投入。随着电制动的消退和空气制动力的投入，会产生减速度的瞬时变化而产生冲击。图6为某型动车组在复合制动过程中经过分相区的试验曲线。

图6 某型动车组制动过分相冲击试验曲线

由图6可见，在电制动失效后，动车组提高了空气制动力对总制动力进行补充，从而引起了一次冲击，达到0.30 m/s3。若此时空气制动补充速率的控制不当，同样会造成对乘坐舒适度的影响。

鉴于不同制动区段产生的冲击均可达到与前述推荐限值0.75 m/s3相同的量级，因此均会对乘坐舒适度产生不同程度的影响，在动车组设计阶段，应分别采取合适的控制策略予以优化。

5 制动冲击控制方式研究

对制动冲击的控制方法是采用具有时间常数的柔性控制［9］，即对制动力的增大和减小的速率进行控制。控制冲击的代价，就是在制动力增大和减小阶段牺牲了少量的响应时间和制动距离，在保证制动距离不变的前提下，需要制动力在稳定维持的过程中适当提高。

一些动车组厂家已开始着手对制动冲击进行研究和优化。参考某型动车组针对停车瞬间制动冲击过大的解决方案，控制原理如图7所示。

图7 某型动车组低速制动冲击控制解决方案原理图

由图7可见，在制动进入＜20 km/h的低速区段，制动力逐渐减小至5 km/h时的74%制动力，在停车瞬间减速度变化的幅值也相应减小到约74%，在停车前减速度降至0(车速至0)的时间近似不变的情况下，冲击也减小至74%。假设图中100%制动力为0.8 m/s2(参照CRH380B型动车组)，近似计算此段由于冲击控制对制动距离的损失，约为20 m，将制动力在稳定维持的过程中微量提高既可抵消其制动距离损失。此优化策略对制动系统设计改进要求不大，仅需控制制动力阶段退出即可实现。

由前所述，建议动车组在设计阶段，采用阶段增大或减小制动力的策略，对制动冲击进行控制，同时对冲击控制引起的制动距离增大进行评估，在制动力稳态维持的过程中对制动力的损失进行补偿。

6 结论与建议

(1)对冲击指标进行计算时，冲击的瞬时值更能反映人体的乘坐感受，而其平均值不能完全表现出对舒适度的阶段性影响，建议采用冲击的瞬时值进行评价。

(2)冲击限值的研究最初是基于人体感受的统计。根据部分动车组技术条件中的指标，建议在未来的动车组标准中将常用制动冲击限值统一规定为0.75 m/s3。

(3)对于冲击的数据处理方法，建议在未来的标准中给出明确统一的规定，以保证评判的准确和公正性，并更好的指导制动系统设计。建议参考ENV12299中过渡曲线运行评价中的横向冲击数据处理方法。应用此方法，构建数字采集系统进行测试和数据处理，可以对冲击指标进行合理评价。

(4)动车组制动过程中会有3个产生明显冲击的区段:由惰行转制动的瞬间、停车瞬间、制动工况转换瞬间。此3个区段均会产生影响舒适度量级的冲击，建议动车组在设计时对不同过程的冲击控制均予以考虑。

(5)建议动车组在采用阶段增大或减小制动力的策略，对制动冲击进行控制，同时评估冲击控制的代价，对制动力损失进行补偿。

［1］ 王悦明，王新锐.客车舒适度的评定［J］.铁道机车车辆，2000，20(3):1-4.

［2］ DIN EN 13452－2005 Railway applications-Braking-Mass transit brake systems-Part 1:Performance requirements［S］.

［3］ 中华人民共和国铁道部.铁运［2008］28号.高速动车组整车试验规范［S］.

［4］ DIN EN 50215－2010 Railway applications-Rolling stock-Testing of rolling stock on completion of construction and before entry into service［S］.

［5］ GB/T 7928－2003地铁车辆通用技术条件［S］.

［6］ ISO 2631-1－1997 Mechanical vibration and shock-Evaluation of human exposure to whole-body vibration-Part1:General requirements［S］.

［7］ UIC 513－1994 Guidelines for evaluating passenger comfort in relation to vibration in railway vehicles［S］.

［8］ ENV12299－1999 Railway applications-Ride comfort for passengers-Measurement and evaluation［S］.

［9］ 李和平，严霄蕙，曹宏发.动车组旅客舒适度与制动控制［J］.铁道机车车辆，2011，31(5):111-114.

Evaluation Methods and Data Processing Research of EMU's Traction and Braking

SHAO Lin，YANG Xin，HUANG Jin
(Locomotive＆Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

In this paper，based on the relevant standards and theoretical researches，we analyzed problems like determining instantaneous or average rate，the judgment value，and different data processing methods and so on，and then the proposed data processing methods were used to calculate the result of jerk，which verified its reasonableness.Finally，the characteristics of different sections of braking jerk were summarized，and the suggestions of the optimal control method were provided.

EMU;jerk;evaluation methods;data processing methods

U266.11+1

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2015.02.10

1008－7842(2015)02－41－05

*中国铁道科学研究院机车车辆研究所青年基金(1350JL05)邵林(1985—)男，助理研究员(

2014－09－09)