特别策划
0 引言
电子信息技术与铁路产业的快速发展使传统铁路技术与管理模式正在产生深刻变革，铁路应用技术的信息化和智能化已成为重要的发展方向[1]。当前，装备在动车组上的列控设备只能起到超速防护保障行车安全的作用，列车的正常驾驶还是依靠司机。司机驾驶列车不仅要实时观察运行前方路况，还需实时观察动车组状态显示及车载信号设备的人机界面显示，劳动强度大，也容易发生人因事故。自动驾驶（ATO）技术的应用可有效减轻司机劳动强度、提高运输能力、降低运行能耗，是智能高铁列车控制系统的核心技术，也是世界各国高速铁路的发展趋势。
近年来，城市建设与发展对轨道交通行业也提出了更高要求，高速、高效、高舒适性都是衡量列车运行质量的重要指标。ATO作为列车控制系统的重要组成部分，不仅关系到列车驾驶的安全，也是列车平稳性和舒适性的重要影响因素。目前针对高速铁路自动驾驶系统舒适度检测的标准和方法还未形成，我国机务段多采用木棒倾倒法来判断列车运行是否平稳。这种方法比较直观，但缺乏具体的量化数据。研究
如何准确检测和自动记录列车在运行过程中的舒适度变化，并给出量化标准用于判断ATO驾驶水平，对ATO的安全驾驶和保证旅客乘坐舒适度具有重要意义。
1 舒适度评价方法
舒适度在广义上的解释是指旅客在乘坐列车时，对于旅行品质的综合评价，受到车内噪声、温度、压力、异臭味、厕所设施、振动等诸多因素的影响[2]。舒适度在狭义上的解释是列车运行时产生的振动，包括
高速铁路自动驾驶系统舒适度测量系统设计与实现
李博
（中国铁道科学研究院集团有限公司 通信信号研究所，北京 100081）
基金项目：中国铁路总公司科技研究开发计划项目（2017X002）； 中国铁道科学研究院集团有限公司科技研究开发计划 项目（2017YJ055）
作者简介：李博（1985—），男，副研究员。 摘 要：自动驾驶（ATO）技术对列车运行曲线的控制为多目标控制，按照控制优先级自高至低依次为：准点运行、舒适度、节能运行。列车运行的准点率
以及节能性能评估已有相关的标准或明确的方法，但针对高速铁路自动驾驶系统舒适度检测的标准和方法还未形成。因此需要建立评判标准、开发专用的测量系统，以实现高速铁路自动驾驶曲线对旅客乘车体验的影响量化检测，从旅客舒适度的角度来判断该曲线的合理性，为评判和优化高速铁路ATO的驾驶策略提供依据。关键词：高速铁路；自动驾驶；ATO；舒适度；测量系统
中图分类号：U284 文献标识码：A 文章编号：1001-683X（2018）10-0007-07DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2018.10.007
高速铁路自动驾驶系统舒适度测量系统设计与实现 李博
列车纵向、横向和垂向的加速度对乘坐感受的影响，即列车的“平稳性”和“振动舒适度”[3]。
1.1 既有舒适度评价方法
1.1.1客车运行平稳性评价标准GB/T 5599—1985
《高速列车设计方法研究》中指出，CRH系列动车组利用车体振动加速度对其舒适度进行衡量，主要的评价指标为GB/T 5599—1985《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》，该标准是用于标准轨铁路客货车运行动力学性能试验鉴定的国家标准。标准指出列车运行平稳性需按照平稳性指标和平均最大振动加速度来评定，各种运行状态下的列车及其动力学性能都不应低于评价指标的合格等级。客
车运行平稳性指标采用Spering的平稳性指数，计算公式为[4]：
W=7.0810 √a3F（f）， （1）
f
式中：W为平稳性指标；a为振动加速度；f为振动频率；F（f）为振动频率加权系数。
标准中将平稳性指标分为3个等级：优秀、良好、合格，并同时规定“良好”是列车平稳性指标的最低标准。
1.1.2 列车制动系统设计标准TB/T 2370—1993
TB/T 2370—1993《铁路旅客列车纵向动力学试验方法与评定指标》是关于列车动力学性能评价方面的现行标准。标准规定了速度低于120 km/h的标准轨列车纵向动力学性能的试验方法、计算方法和评价指标。其中要求在列车制动时，纵向加（减）速度需满足以下指标[5]：
（1）在启动、调速及常用制动时，纵向加（减）速度的绝对值应小于0.08g。
（2）在紧急制动时，平均纵向减速度应小于0.12g，在初速度40 km/h以下时，允许可不超过0.14g。
（3）在紧急制动时，最大纵向减速度应小于
0.34g。
1.1.3 国际铁路联盟规程UIC 513《铁路车辆内旅客振动舒适性评价标准》
国际铁路联盟在参考各国舒适度研究的基础上，制定了UIC 513《铁路车辆内旅客振动舒适性评价标准》。该标准是基于统计学方法制定的，其振动舒适度评价方法为：以5 min为间隔，利用加速度采集器获取列车加速度信息与旅客小组给出的振动舒适度平均值之间的关系，综合得出列车振动舒适度评价指标。由加速度推导坐姿完整评价计算公式如下[6]：
N VA=4×（a Z P95 ）+2×√（a Y A95）2+（a Y A95）2 +4×（a X D95）， （2）站姿完整评价计算公式为：
N VD=3×√16×（a X P50）2+4×（a Y P50）2+（a Z P50）2 + 5×（a X P50）， （3）简化评价公式为：
N MV=6×√（a X P95）2+（a Y P95）2+（a Z P95）2， （4）式中：N VA为坐姿完整舒适度指数，N VD为站姿完整舒适度指数，N MV为简化舒适度指数；a X D95、a Y A95和a Z P95分别为纵向座椅靠背、横向座椅面和垂向车地板面加速度均方根（取95％置信点的有效值）；a X P50、a Y P50和a Z
P50分别为纵向车地板面、横向车地板面和垂向车地板面加速度均方根（取50％置信点的有效值）；a X P95、a Y P95和a Z P95分别为纵向车地板面、横向车地板面和垂向车地板面加速度均方根（取95％置信点的有效值）；X、Y、Z为加速度的方向；D、P、A为加速度测量的位置，A为座椅面，P为车地板面，D为座椅靠背；W i为计权曲线所采用的频率计权值，W b、W c和W d分别为垂向、座椅背上和水平的频率计权值。
UIC 513标准中加速度的采集间隔为5 s，在5 min的采集时间间隔内，共采集60组数据。采集后的数据按照IS0 2631进行频率计权，之后取数据值的50％或95％置信点，由列车横向、纵向和垂向3个方向的加速度值计算得到舒适度，并将舒适度分为5个等级。
TB/T 2370—1993属于列车制动系统的设计标准，在考虑舒适度判断时具有一定参考意义，但是最新的中国标准动车组中有关于车辆特性准则的相关参数已经高于该标准，所以该标准并不适用于高速铁路ATO 的舒适度判断。UIC 513标准使用统计学分析方法将3轴方向的加速度信号计权并计算均方根值，并建立了与舒适度对应的关系式。GB/T 5599—1985同时考虑将加速度和振动频点信息进行加权计算，并给出明确的计算公式。但UIC 513标准与GB/T 5599—1985标准都主要针对稳态情况，并不适用于ATO驾驶列车的场景。
1.2 面向高速铁路ATO的舒适度评价方法
从A T O控车的角度而言，影响旅客舒适度的因慕尚
W b
W d
W d W d
W d
W d W b
W b
W d
W c
W b
高速铁路自动驾驶系统舒适度测量系统设计与实现 李博
素是列车运行方向的冲击，即纵向冲击。列车在启动、ATO模式转换、区间调速、分相区运行、区间巡航和精确停车等过程中所产生的纵向冲击会影响旅客乘坐的舒适度以及行车安全，纵向冲击也是作为考核ATO驾驶平稳性的重要依据。纵向冲击的特征量是纵向加速度，这也是大多数纵向舒适度评判标准采用加速度值的主要原因，但目前国内外对于高速铁路列车的纵向冲击评定尚无统一标准，对于非高速列车的纵向冲击评定主要是针对列车自身牵引制动特性。TB/T 2543—1995《旅客列车纵向冲动评定方法》指出：可利用列车冲动的加速度变化率来评价列车司机操作的平稳性，以此为基础，在此采用列车纵向加速度变化率（即冲击率）作为评价高速ATO系统舒适度的指标。
由于高速铁路的站间距较长，ATO控车曲线具有明显的阶段性，可根据不同阶段ATO控车策略对舒适度的影响设置不同的评估阈值。高速铁路ATO结合现代科技前沿技术，采用程序化控制，多传感器融合技术等先进方法，可提供比人工驾驶更加舒适的标准化驾驶曲线，其检测标准应该高于TB/T 2543—1995，具体参考数值见表1。
2 系统方案
2.1 总体设计
高速铁路自动驾驶系统舒适度测量系统（简称舒适度测量系统）主要由数据记录模块、人机交互模块、中央处理单元、加速度测量模块、控车信息接口模块和卫星测速定位模块等组成，系统结构示意见图1。
加速度测量模块将采集到的被测信号转换成电压信号，再经过模数转换为数字信号，通过通信总线发送给中央处理单元。控车信息接口模块可通过以太网
或MVB总线接收来自于车辆或者ATO系统的控制状态以及命令信息，包括ATO发送的牵引/制动命令、车辆反馈的牵引/制动状态、列车速度、列车位置等信息。控车接口模块的设计可使系统实现智能化检测，利用上述信息可有效过滤不属于ATO控车因素导致的舒适度超标情况，例如排除由于线路情况和车辆系统因素等的影响。卫星测速定位模块为辅助测试模块，用于提供列车的参考速度以及位置信息。数据记录模块能够实时存储原始数据和分析结果，并能提供数据下载接口供测试人员进行进一步处理和分析。人机交互模块可实时显示列车运行加速度、冲击率和测试结果等实时数据。数据记录模块存储生成的测试报告和日志。中央处理单元对所有采集到的信息进行数据处理，执行数据处理算法和舒适度检测逻辑，并将处理结果实时发送给人机交互模块与数据记录模块。
2.2 软件设计
系统包含上位机软件和下位机软件。上位机为Windows环境的图形显示界面；下位机软件环境为Linux系统，采用Qt开发平台，完成的主要功能包括数据采集、数据处理、生成测试报告和数据记录等。系统软件流程见图2。
2.2.1 数据采集
数据采集主要由中央处理单元和外围模块通过通
表1 高速铁路ATO驾驶阶段分类及相应冲击率指标
车子被划奔腾汽车b70图1 系统结构示意图
测试数据、测试报告 实时数据显示 测试命令
数据记录模块
上位机 LCD
人机交互模块
中央处理单元
加速度测量模块
控车信息接口模块 以太网 MVB
卫星测速定位模块
列车命令以及车辆反馈、列车速度、列车位置等
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信的方式实现，主要包括：
（1）加速度采集。采用RS485，采集原始纵向加速度信息。
（2）控车接口信息采集。系统有2种控车接口采集方式：以太网和MVB。可采用以太网UDP协议与ATO系统进行通信，接收控车接口信息。也可采用MVB总线接口接入ATO与车辆系统的总线，通过侦听的方式获得控车接口信息。
（3）人机交互接口。采用以太网UDP协议，接收来自于LCD的测试控制命令，并将系统的实时状态发
送给上位机显示界面软件以及LCD显示模块。
2.2.2 数据处理
根据接收的加速度信息通过计算得出列车运行时的冲击率，其算法原理见图3。
为消除车体振动对加速度计测量的干扰，使检测结果更为清晰直观，需要先对加速度信息进行处理。首先对原始加速度信息进行低通滤波；然后以一定的采样频率将数据离散；使用预设的滑动窗口对数据进行滑动平均。具体计算公式如下：
y（k）=
1
∑x（k+i）， （5）
N
式中：y（k）为滑动平均后的结果；N为滑动平均的步长；x（k+i）为第k+i个原始数据值，k为第k个采样时刻，i为滑动窗口内的第i个采样点。对滑动平均后的加速度值求导即可得到冲击率。
2.2.3 报告生成
系统不但可记录日志信息，还可自动生成实时的测试报告。报告内容包括：（1）测试过程中所有冲击率的统计信息，共设置4个冲击率分布范围，分别为0～0.30、0.30～0.40、0.40～0.75、0.75以上，并且范围的分界值可根据不同需求自主配置；（2）对于超过阈值的冲击率的详细信息，系统可设置阈值冲击率，当冲击率超过此阈值时，系统会将此时的时间和公里标等相关信息一并记录。由于高速铁路的站间距较长，ATO控车曲线具有明显的阶段性，可根据不同阶段ATO控车策略对舒适度的影响设置不同的阈值，以便于研究人员优化算法。关于冲击率的统计信息以及超过阈值的冲击率的时刻和公里标等信息可以帮助ATO研究人员优化控车算法，提升列车舒适度。系统收集了列车多种数据信息并实时记录，当列车发生异常时，可协助查故障原因。
2.2.4 显示模块
系统显示模块可分为2部分：（1）上位机显示软件。软件界面包含基本信息、ATO控车信息、车辆反馈信息、ATO运行计划信息等（见图4），并绘制了列车运行速度、牵引制动控制量、加速度和冲击率的曲线和表盘，具有全面直观的呈现效果，便于对比观察。（2）LCD触摸屏。位于在线监测仪的前部，大小为7 in，界面包含ATO控车信息、车辆反馈信息等，并且绘制列车运行速度、牵引制动控制量和冲击率的曲线（见图5）。此外，触摸屏设置2个虚拟按钮，如图5中红箭头所指，可通过此按钮向下位机发送开始测试和结束测试的命令。
图2 系统软件流程
图3 冲击率的算法原理N-1 i=0
开始
系统初始化
数据采集
数据处理
进入AM或按下
长安悦翔2012款开始测试按钮
是
否
计算冲击率分布
冲击率超过阈值
是
否
记录详细信息
退出AM或按下
结束测试按钮
是
否
生成测试报告
发送实时数据至
上位机和LCD
记录日志
结束
加速度计
原始测量结果
低通滤波 数据采样 滑动平均 求导得到冲击率
高速铁路自动驾驶系统舒适度测量系统设计与实现 李博
3 现场试验
将舒适度测量系统应用于京沈高铁中国标准动车组自动驾驶系统，具体实测数据如下：
（1）列车自静止状态启动。列车在自动驾驶模式（AM）下进行区间或站台停车时，当司机按压“ATO”按钮后ATO系统将向车辆发送牵引指令，控制车辆启动并加速至巡航速度。此控制过程中，列车会在牵引力施加的瞬间和牵引力突变的时刻产生明显冲击（见图6）。
如何提高汽车舒适性（2）列车自运动状态转ATO模式。列车处于人工驾驶模式，当具备进入ATO
模式条件后司机按压“ATO”按钮，ATO
系统将向车辆发送牵引指令，控制车辆运行。此控制过程中，列车牵引工况的转换会产生明显冲击（见图7）。
（3）区间调速运行。当列车在区间运行时，因列车收到临时限速信息，
出现调速。此控制过程中，制动工况与牵引工况的转换、牵引力或制动力的变化以及制动级位的影响都会产生冲击（见图8）。
（4）区间巡航运行。当列车在区间运行时，因区间存在坡道、摩擦力、空气阻力等因素，会出现速度变化，需要ATO系统调整速度。此控制过程中，惰行工况至牵引或制动工况的转换和牵引力或制动力的变化会产生冲击（见图9）。
（5）分相区运行。列车在经过分相区断开主断路器时，车辆牵引及制动电流将被切除。若列车处于牵引或制动工况进入分相区，由于牵引的切除或电制动
切除空气制动施加，将带来一定冲击，影响控车的舒
图4 上位机软件界面图5 LCD触摸屏界面
图6 列车自静止状态启动的测试数据
图7 列车自运动状态转ATO模式的测试数据
0.70.60.50.40.30.20.10
-0.10.70.60.50.4
0.30.20.10
-0.1
时间/10 ms
0 50 100 150 200 250 300 350
Jerk max =0.287
列车牵引力施加
原始加速度/（m·s -2）滤波后的加速度/（m·s -2
）冲击率（Jerk ）/（m·s -3）
6040200
0 50 100 150 200 250 300 350
ATO速度/（km·h -1）
0.4 0.2
-0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1.0 -1.2
0.4
0.2 0
-
0.2
-0.4 -0.6 -0.8 -1.0
-1.2
时间/10 ms
0 200 400 600 800 1 000 1 200 1 400 1 600 1 800Jerk max =0.293
ATO模式转换
原始加速度/（m·s -2）
滤波后的加速度/（m·s -2）冲击率（Jerk ）/（m·s -3）
250
200
150 100 50
0 200 400 600 800 1 000 1 200 1 400 1 600 1 800
ATO速度/（km·h -1）加速度/（m ·s -2）
加速度/（m ·s -2）
速度/（k m ·h -1）奔驰s级历史
速度/（k m ·h -1）
冲击率/（m ·s -3）
冲击率/（m ·s -3）
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