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摘要： 为了丰富选线设计方案比选方法，在选线设计阶段基于安全性和舒适性对铁路线路方案进行评价，进而进行线路方案的比选和优化，使设计的线路方案满足安全性和舒适性要求，提高选线设计水平，保证高速列车运行的乘坐舒适性。
关键词： 高铁； 线路设计； 舒适度；
一、前言
在高速铁路蓬勃发展的今天，开展舒适度研究已在国内外达成广泛共识。针对舒适度研究，各国制定了适合本国应用的具体方案。德国的Sperling 通过振动台试验给出了平稳性指标，并在其后的研究引进频率修正项，提高了精度，同时将垂向振动和横向振动分开研究； 美国的Janeway借助许多研究者的积累资料作线性近似拟合，提出了车辆垂向振动的舒适度标准，日本的舒适度评价方法就是在此基础发展而成的； 英国的Loach 将已有的研究成果做了分析比较后，用等舒适度曲线表述的疲劳时间来评定客车的舒适度。
国内相关高校和科研院所对舒适度也做了大量研究。伍川辉、丁鹏芳运用DSP 处理器，通过对列车车体振动加速度的实时检测，实现了列车舒适度、平稳性指标的分析计算； 余先涛、郑晓娟采用虚拟仪器技术，不仅对振动加速度进行了检测，还对温度、湿度、噪声、CO2浓度等影响旅客舒适度的因素进行了测试；陈允卫等以ARM 处理器为平台，实现了列车振动测试和铁道车辆运行平稳性测试研究； 铁道部科学研究院的三维加速度及平稳性指标仪，采用DSP 技术实现计算平稳性指标，通过内置计数器及GPS 提供准确速度信息。
然而，现有舒适度研究大多面向既有线路或试验线路进行实测分析评价，属于事后评价。同时，在高速铁路的线路设计中，线路设计参数是采用静态或准静态的方法确定，无法反映列车与线路之间的动态作用。且满足线路设计规范的设计方案，不一定符合舒适度标准的要求。因此，在线路设计阶段进行基于舒适度评价的动力学仿真研究是高速铁路线路设计理论向纵深发展的必由之路。
依据舒适度评价原理，面向高速铁路线路设计阶段，通过在线路动力学理论中引入列车运行仿真技术，为现有的动力学模型加入实时性特质，提高与实际车线动力作用的切合性，实现线路设计方案舒适度的实时动态评价，辅助设计人员检测出线路设计方案中的舒适度缺陷路段并提出改进措施，对提高线路设计质量、保证旅客乘坐舒适性具有重要意义。
二、舒适度评价原理
舒适度通常被定义为个人处于特定环境中的满意状态。从广义上讲，旅客舒适度是乘坐铁道车辆旅行的人对乘车旅行品质的综合反应评价，是一个物理、生理和心理等要素在内的综合指标； 从狭义上来说，旅客舒适度是列车运行产生的振动（ 加速度） 对乘坐铁道车辆的人的影响问题，即“振动舒适度”或“平稳性”。旅客舒适度是一项衡量运输质量的综合指标，既有研究已建立了旅客舒适度评价指标体系。
列车在铁路运行中将产生各种各样的振动，将对旅行舒适度产生影响，一般有以下4 项作为评价的指标体系：
（1） 车体振动加速度（ 横向、垂向、纵向） ；
（2） 车体未均衡离心加速度；
（3） 未均衡离心加速度的变化率；
（4） 侧滚角速度。
其中，车体振动加速度是最常用的舒适度评价指标。通过在现有线路动力学理论基础上结合列车运行仿真技术，建立满足数字选线设计方案舒适性实时动态评价的车辆- 线路耦合动力学理论模型，实现了线路方案全线列车在线路方案上仿真运行的实时动态响应计算，求解出振动加速度，并选择合适的舒适度评价标准进行线路方案舒适度评价。整体技术路线如图1所示。
三、 列车牵引仿真技术要点
高速铁路牵引计算是研究高速列车在外力（ 包括机车牵引力、列车阻力、列车制动力） 的作用下沿轨道运行及其有关问题的科学计算。
研究成果表明，列车牵引仿真计算在能耗、自动驾驶等方面取得了较为广泛的研究成果。本文采用的是双向分单元计算法。
1、数据处理要点
进行牵引计算所需提取的原始数据包括线路平、纵面设计数据，列车的编组数据与机车车辆各项参数等。计算模型中，新建单线铁路中，正、反2 个方向进行所提取的线路数据相同； 在双线铁路方案中，正向牵引提取基线线路设计数据，反向牵引计算则提取二线所对应的线路设计数据。对线路复杂地段，如果设置了相关的人工速度控制点，也需要将其考虑在内。
2、分段计算概述
根据线路各约束条件，将整条线路分为若干限制速度段（ 曲线限速段、道岔限速段等） ，列车在每个限速段上运行时均不能超过该段的速度上限，使其符合线路限速的规定。
根据线路数据特征，将每相邻两停车站之间的距离划分为一个区段，牵引计算模型中每区段设置为一独立的牵引计算单元。进行牵引计算时，按顺序依次对每一计算单元（ 区段） 进行计算，直至计算完最后一单元，保存计算结果。
四、线路方案模型
1、动力学
动力學模型是进行动力学分析研究的基础，包括机车车辆和轨道结构两大体系的动力耦合模型。（1） 线路线型条件主要作用是对系统产生激励作用，是车线动力学建模的重要组成部分，在建模中需考虑其影响。（2） 车辆是一个复杂的多自由度振动系统，将车辆简化为由1 个车体、2 个转向架及4 个轮对组成的刚体系统，刚体和刚体间的各种悬挂和减震装置简化为弹簧阻尼元件。（3） 轨道结构模型采用连续弹性离散点支撑Euler
梁模型，以长枕埋入式无砟轨道模型为例开展研究。
2、轮轨关系模型
轮轨关系是车线动力系统的核心，包括轮轨接触几何关系以及轮轨相互作用力，是车辆子系统与轨道子系统之间联系的桥梁。轮轨相互作用力是通过对轮对浮沉和侧滚运动方程联立来求解的。
五、舒适度评价标准
针对旅客乘坐舒适性的评价问题，国际上还没有统一的舒适度评价标准。用包含频率在内的车体振动加速度作为舒适度评价指标时，日本国铁是以Jeneway舒适度系数J 作为评价标准，法国则以疲劳时间t，欧洲铁路联盟（ UIC） 采用欧洲铁路标准———铁路车辆内旅客振动舒适性评价准则（ UIC 513） ，ISO（ 国际标准组织） 以振动和冲击对人的影响评价准则（ ISO 2631）作为评定标准。目前我国对舒适度和平稳性指标进行评价，主要采用GB 5599 - 85《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》和Sperling 评价标准，同时参照ISO 2631 和UIC 513 标准。本课题采用GB 5599 - 85平稳性指标和欧洲UIC 513 舒适度值这2 种评价方法。
1994 年国际铁路联盟正式以UIC 513 编号颁布《铁路车辆内旅客振动舒适度评价准则》。该标准运用统计学理论，在舒适度等级建立过程中引入计权均方根值概念。振动研究在不同的位置开展，包括只在地板面测量的站姿简化舒适度研究、在座椅和地板面同时测量的坐姿完整舒适度研究、只在地板面测量的站姿完整舒适度研究3 种形式.UIC513 标准的舒适度评价指标分为5 级，如表1所示。
六、总述
本研究面向高速铁路线路设计阶段，通过在线路动力学理论中引入列车运行仿真技术，为现有的动力学模型加入实时性特质，提高与实际车线动力作用的切合性，实现线路设计方案舒适度评价，辅助设计人员检测出线路设计方案中的舒适度缺陷路段并提出改进措施，对提高线路设计质量、保证旅客乘坐舒适性具有重要意义。
参考文献：
[1] 胡建平. 300 ～ 500km/h 客运专线平竖曲线重叠设置对舒适度的影响[J]. 高速铁路技术，2010（ 2） ： 34 - 39.
[2] 王悦明，王新锐. 客车舒适度的评定[J]. 铁道机车车辆，2000（3） ： 1 - 4.
[3] UIC 513 - 1994. 对于有关铁路车辆振动中评估乘客乘坐舒适性的指导[S].
（作者单位：中设设计集团股份有限公司）
关键词： 高铁； 线路设计； 舒适度；
一、前言
在高速铁路蓬勃发展的今天，开展舒适度研究已在国内外达成广泛共识。针对舒适度研究，各国制定了适合本国应用的具体方案。德国的Sperling 通过振动台试验给出了平稳性指标，并在其后的研究引进频率修正项，提高了精度，同时将垂向振动和横向振动分开研究； 美国的Janeway借助许多研究者的积累资料作线性近似拟合，提出了车辆垂向振动的舒适度标准，日本的舒适度评价方法就是在此基础发展而成的； 英国的Loach 将已有的研究成果做了分析比较后，用等舒适度曲线表述的疲劳时间来评定客车的舒适度。
国内相关高校和科研院所对舒适度也做了大量研究。伍川辉、丁鹏芳运用DSP 处理器，通过对列车车体振动加速度的实时检测，实现了列车舒适度、平稳性指标的分析计算； 余先涛、郑晓娟采用虚拟仪器技术，不仅对振动加速度进行了检测，还对温度、湿度、噪声、CO2浓度等影响旅客舒适度的因素进行了测试；陈允卫等以ARM 处理器为平台，实现了列车振动测试和铁道车辆运行平稳性测试研究； 铁道部科学研究院的三维加速度及平稳性指标仪，采用DSP 技术实现计算平稳性指标，通过内置计数器及GPS 提供准确速度信息。
然而，现有舒适度研究大多面向既有线路或试验线路进行实测分析评价，属于事后评价。同时，在高速铁路的线路设计中，线路设计参数是采用静态或准静态的方法确定，无法反映列车与线路之间的动态作用。且满足线路设计规范的设计方案，不一定符合舒适度标准的要求。因此，在线路设计阶段进行基于舒适度评价的动力学仿真研究是高速铁路线路设计理论向纵深发展的必由之路。
依据舒适度评价原理，面向高速铁路线路设计阶段，通过在线路动力学理论中引入列车运行仿真技术，为现有的动力学模型加入实时性特质，提高与实际车线动力作用的切合性，实现线路设计方案舒适度的实时动态评价，辅助设计人员检测出线路设计方案中的舒适度缺陷路段并提出改进措施，对提高线路设计质量、保证旅客乘坐舒适性具有重要意义。
二、舒适度评价原理
舒适度通常被定义为个人处于特定环境中的满意状态。从广义上讲，旅客舒适度是乘坐铁道车辆旅行的人对乘车旅行品质的综合反应评价，是一个物理、生理和心理等要素在内的综合指标； 从狭义上来说，旅客舒适度是列车运行产生的振动（ 加速度） 对乘坐铁道车辆的人的影响问题，即“振动舒适度”或“平稳性”。旅客舒适度是一项衡量运输质量的综合指标，既有研究已建立了旅客舒适度评价指标体系。
列车在铁路运行中将产生各种各样的振动，将对旅行舒适度产生影响，一般有以下4 项作为评价的指标体系：
（1） 车体振动加速度（ 横向、垂向、纵向） ；
（2） 车体未均衡离心加速度；
（3） 未均衡离心加速度的变化率；
（4） 侧滚角速度。
其中，车体振动加速度是最常用的舒适度评价指标。通过在现有线路动力学理论基础上结合列车运行仿真技术，建立满足数字选线设计方案舒适性实时动态评价的车辆- 线路耦合动力学理论模型，实现了线路方案全线列车在线路方案上仿真运行的实时动态响应计算，求解出振动加速度，并选择合适的舒适度评价标准进行线路方案舒适度评价。整体技术路线如图1所示。
三、 列车牵引仿真技术要点
高速铁路牵引计算是研究高速列车在外力（ 包括机车牵引力、列车阻力、列车制动力） 的作用下沿轨道运行及其有关问题的科学计算。
研究成果表明，列车牵引仿真计算在能耗、自动驾驶等方面取得了较为广泛的研究成果。本文采用的是双向分单元计算法。
1、数据处理要点
进行牵引计算所需提取的原始数据包括线路平、纵面设计数据，列车的编组数据与机车车辆各项参数等。计算模型中，新建单线铁路中，正、反2 个方向进行所提取的线路数据相同； 在双线铁路方案中，正向牵引提取基线线路设计数据，反向牵引计算则提取二线所对应的线路设计数据。对线路复杂地段，如果设置了相关的人工速度控制点，也需要将其考虑在内。
2、分段计算概述
根据线路各约束条件，将整条线路分为若干限制速度段（ 曲线限速段、道岔限速段等） ，列车在每个限速段上运行时均不能超过该段的速度上限，使其符合线路限速的规定。
根据线路数据特征，将每相邻两停车站之间的距离划分为一个区段，牵引计算模型中每区段设置为一独立的牵引计算单元。进行牵引计算时，按顺序依次对每一计算单元（ 区段） 进行计算，直至计算完最后一单元，保存计算结果。
四、线路方案模型
1、动力学
动力學模型是进行动力学分析研究的基础，包括机车车辆和轨道结构两大体系的动力耦合模型。（1） 线路线型条件主要作用是对系统产生激励作用，是车线动力学建模的重要组成部分，在建模中需考虑其影响。（2） 车辆是一个复杂的多自由度振动系统，将车辆简化为由1 个车体、2 个转向架及4 个轮对组成的刚体系统，刚体和刚体间的各种悬挂和减震装置简化为弹簧阻尼元件。（3） 轨道结构模型采用连续弹性离散点支撑Euler
梁模型，以长枕埋入式无砟轨道模型为例开展研究。
2、轮轨关系模型
轮轨关系是车线动力系统的核心，包括轮轨接触几何关系以及轮轨相互作用力，是车辆子系统与轨道子系统之间联系的桥梁。轮轨相互作用力是通过对轮对浮沉和侧滚运动方程联立来求解的。
五、舒适度评价标准
针对旅客乘坐舒适性的评价问题，国际上还没有统一的舒适度评价标准。用包含频率在内的车体振动加速度作为舒适度评价指标时，日本国铁是以Jeneway舒适度系数J 作为评价标准，法国则以疲劳时间t，欧洲铁路联盟（ UIC） 采用欧洲铁路标准———铁路车辆内旅客振动舒适性评价准则（ UIC 513） ，ISO（ 国际标准组织） 以振动和冲击对人的影响评价准则（ ISO 2631）作为评定标准。目前我国对舒适度和平稳性指标进行评价，主要采用GB 5599 - 85《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》和Sperling 评价标准，同时参照ISO 2631 和UIC 513 标准。本课题采用GB 5599 - 85平稳性指标和欧洲UIC 513 舒适度值这2 种评价方法。
1994 年国际铁路联盟正式以UIC 513 编号颁布《铁路车辆内旅客振动舒适度评价准则》。该标准运用统计学理论，在舒适度等级建立过程中引入计权均方根值概念。振动研究在不同的位置开展，包括只在地板面测量的站姿简化舒适度研究、在座椅和地板面同时测量的坐姿完整舒适度研究、只在地板面测量的站姿完整舒适度研究3 种形式.UIC513 标准的舒适度评价指标分为5 级，如表1所示。
六、总述
本研究面向高速铁路线路设计阶段，通过在线路动力学理论中引入列车运行仿真技术，为现有的动力学模型加入实时性特质，提高与实际车线动力作用的切合性，实现线路设计方案舒适度评价，辅助设计人员检测出线路设计方案中的舒适度缺陷路段并提出改进措施，对提高线路设计质量、保证旅客乘坐舒适性具有重要意义。
参考文献：
[1] 胡建平. 300 ～ 500km/h 客运专线平竖曲线重叠设置对舒适度的影响[J]. 高速铁路技术，2010（ 2） ： 34 - 39.
[2] 王悦明，王新锐. 客车舒适度的评定[J]. 铁道机车车辆，2000（3） ： 1 - 4.
[3] UIC 513 - 1994. 对于有关铁路车辆振动中评估乘客乘坐舒适性的指导[S].
（作者单位：中设设计集团股份有限公司）