基于旅客性质od客流分布研究-学位论文.doc

毕 业 论 文 （设 计） 用 纸

毕业论文（设计）

课题名称 基于旅客性质OD客流分布研究
办学单位 佳木斯大学继续教育学院
专 业 交通运输
班 级 交通运输专本一班
指导教师
学生姓名

佳木斯大学继续教育学院

摘要
铁路项目的设计、建设和运行是一个涉及面大、综合性强的基础设施工程。其关系到国家未来的发展，对其间的城市和老百姓生活产生较大的影响。因此，如何做好铁路交通客流分布研究，如何为铁路项目的规划营造良好的基础，如何高效的发挥铁路的最大效益等，都是目前需要解决的问题。
本文首先介绍了目前铁路客流相关理论知识，其中着重介绍了客流形成机理和OD客流分布的预测模式。在此基础上，系统的分析了铁路旅客出行行为及客流时空分布特征。最后探析了列车开行方案，给出了基于时段客流的列车开行方案，为铁路行业提高资源利用提供一定的参考。

关键词：旅客出行行为；OD客流分布；开行方案

Abstract: Railway project design, construction and operation is a large, comprehensive and comprehensive infrastructure projects. Its relationship to the future development of the country, the city and the people living in the city have a greater impact. Therefore, how to do a good job of railway traffic distribution, how to build a good foundation for the planning of railway projects, how to effectively play the maximum efficiency of the railway, are the problems that need to be solved.
This paper first introduces the current theoretical knowledge of railway passenger flow, which focuses on the formation mechanism of the passenger flow and the prediction model of the distribution of OD. On the basis of this, the analysis of the railway passenger travel behavior and the spatial and temporal distribution characteristics. Finally, the train plan is analyzed, and the train plan based on the time period is given, which provides a reference for the railway industry to improve resource utilization.

Key words: passenger travel behavior; OD passenger flow distribution; operation plan

佳木斯大学继续教育学院 第4页

目录

第1章：绪论 5
（1）研究背景及目的和意义 5
1.1研究背景 5
1.2研究的目的和意义 5
（2）国内外研究现状 5
2.1国外研究现状 5
2.2国内研究现状 6
（3）研究内容 7
第2章：铁路客流相关概述 8
（1）铁路客流形成机理 8
（2）OD客流概述 9
（3）OD客流预测模式 9
第3章：铁路旅客出行行为及客流时空分布分析 10
（1）铁路旅客出行过程分析 10
（2）铁路旅客出行行为影响因素分析 11
2.1旅客自身特性 11
2.2旅客出行特性 11
（3）OD客流时空分布特征分析 12
3.1OD客流时间分布特征 12
3.2OD客流空间分布特征 14
第4章：基于旅客性质和OD分布列车开行方案建议 16
总结 18
致谢 19
参考文献 20

第1章、绪论
（1）研究背景及目的和意义
长久以来，由于我国铁路行业运输能力一直处于供不应求的处境，客货争夺铁路运输量的情况十分严重，从而使得铁路旅客运输和服务水平、质量的上升受到了限制，其服务水平不受到客户的认同。随着铁路的建设，铁路运输能力紧张的局面将得到缓解，铁路运输企业将更加关注旅客需求，并针对不同层次的旅客需求设计运输产品，推出不同的服务。铁路基础设施建设、硬件设备的投入和服务质量的提高将为铁路企业赢得新的市场份额。
1.1研究背景
改革开放以来，我国旅客对火车出行需求也在逐渐演变，特别是对于出行的时间和距离要求越来越突出。旅客的出行不仅仅希望能够顺利的达到所需要到达的地方，同时还比较关注在出行的过程中各项服务情况。旅客出行时空距离的变化促使了不同地方旅客的流动，于此同时也使得客流在时空方面有所波动。所以，对于这些情况，研究旅客出行的特性，探析OD客流分布的规律是有一定意义的。
1.2研究目的和意义
本文目标在于探讨旅客的出行意愿，从而分析出距离不同对出行时间段选择的偏重问题，并且分析了OD客流的时空分布，以此来为铁路相关企业提高运输能力提供合理的依据。
本文的研究意义有以下两点：
（1） 合理了解和探讨距离差异下旅客对出行时间段的选择，从而能够知道旅客出行需求下OD客流分布特性，这样为火车开行方案的制定提供合理的理论依据。
（2） 对旅客出行选择行为探析可以全面熟悉旅客出行的客观规律；针对OD客流时空分布特征来制定科学的开行方案，从而提高铁路行业的服务能力。
（2）国内外研究现状
2.1国外研究现状
自从上世纪70年代，国外的研究学者就开始陆续对旅客的出行行为进行相关研究，并且获得一定的成果。
Watson利用非集计模型，分析了城际旅客运输方式的选择行为。随后McFadden在对Logit模型及改进的Nested Logit模型进行完整论述的基础上，逐步形成了非集计方法的理论体系。Ben-Akiva M和Steven R将经济学中的消费者效用理论引用到交通领域中，并以概率论为基础，运用非集计模型对交通方式划分进行研究，使非集计模型在交通出行选择行为中得到广泛运用。Forinash和Chris-topher在随机效用理论研究中对非集计理论作了进一步完善。在非集计理论的不断完善的基础上，Hensher、Enjian等人在分析个体自身特征、时空限制因素对其出行选择行为的影响研究中取得了丰富的成果。
Nuzzo1o在多级Logit模型基础上，建立了旅客选择模型，主要通过模拟中长距离铁路不同服务水平，包括列车时刻表、运行时间、票价影响因素条件下，建立旅客对列车类型、车次、等级的选择模型，该模型最大特点是考虑了旅客期望的到发时间和相关列车的早晚点惩罚。
总体来讲国外研究重点在于旅客对交通类型的选择问题上，所用的方法主要体现在交通不同类型的花费时间和费用方面，而往往忽视了出发时间、目的地等一些至关重要的因素，通常这些因素都是相互联系的。所以准确的了解影响因素是必要的。
2.2国内研究现状
国内学者在客流分布特征和旅客出行选择行为方面也做了大量研究。
（1）客流分布特征方面
周淮通过分析上海轨道交通实际运行情况，总结了历年来相应的客流数据，得出了具体的客流变化数据，能够指导交通运营管理，为管理决策提供参考。张成在研究城市轨道交通客流分布特征中，主要从规划和运营的角度说明了具体客流数据，能够从换乘客流分布、旅客候车分布以及客流时空分布获得相应的客流情况，并且在规划研究中进行了实例验证，证明了本文研究结论的正确性。郑丽娟主要研究了网络化城市轨道交通客流时空分布特征及变化规律，并且结合客流在OD点对间分配，构建出了多概率选择模型，并以实例验证了所构建模型应用的准确性，为OD对客流分配影响计算提供了指导。
（2）旅客出行选择行为方面
甄静通过镜湖铁路客流数据研究，主要从旅客交通工具、旅客出行次数、客流结构、OD客流时间分布以及日客流量单位变化，说明了当前京沪铁路的客流规律，能够指导未来京沪高速铁路建设。史峰和邓连波在研究中通过层次分析法分析了旅客乘车的影响因素，从乘车方便性、舒适性、乘车成本以及乘车时间等方面，建立了列车乘车模型，从而能够应用于确定客流等级分布。南敬林在研究旅客乘车舒适度中，主要从铁路乘车服务、火车运行平稳度、候车站环境、旅行时间、人均占用面积等因素，同时根据旅行意图和旅客职业设置了相应的圈住，能够体现研究的准确化，从而以旅行舒适度为目标来提升铁路对乘客的吸引能力。刘卫果研究中主要应用了随机效用理论和方法，进行分析旅客乘车效用特征，并且借助交通成本以及旅客主观意见建立了旅客出行效用函数，同时，借助计算机辅助分析进行模拟旅客出行行为特征。此外，通过文献进行分析了旅客出行心理特征，从出行成本、出行时间要求、乘坐舒适性、安全性以及方便性等因素，论述了各个因素关系，最终构建了基于旅客出行意愿的模糊机会约束规划模型。
（3）研究内容
本文的研究思路是建立在旅客的需求上的，通过探讨出行距离差异对旅客出行选择的影响，来解析OD客流分布特征；并在此基础上提出火车开行方案的建议，来提高铁路行业的整体运输能力。

第2章、铁路客流相关概述

2.1铁路客流形成机理
铁路行业是国家发展不可缺少的部门，要想对其客流量进行科学的预测，需要对铁路客流形成机理进行合理的分析和掌握，通常客流形成机理可以归纳为以下几个方面：
（1）社会生产活动
在目前客流中最为重要的部分是商务客流与公务客流，这部分客流的产生原因来源于社会的生产活动。人们在日常的社会活动中，势必需要进行一定的公务和商务交往，所以不可避免的产生公务和商务客流。
（2）资源分布的不均衡
因为目前上存在各种资源分布不均匀，为了满足人类的各种需求，需要进行人类在各种资源点进行一定的流动，从而便产生了一定出行需要，有需要将产生一定量的客流量。例如教育的资源的不平衡，使得寒暑假时产生学生流。
（3）社会生活及文化观念
在这个社会中，每一个人都是单独存在的，都是需要一定社会流动来与其他相互联系起来。但是因为资源的不平衡问题或者一些社会活动使得个体之间存在一定的距离性，所以为了维持个体之间的联系，从而促进了出行的需要，在一定程度上转化为一定的客流量，比如春运探亲客流等。

图2.1 客流的形成机理
2.2 OD客流概述
OD的全称为Original Destination，即其只考虑始发地和终点的客流，不将两者之间的点作为考虑范围的一种分析方法。该方法可以对预测火车开行的数目和类型的确定给予数据支持，其体现出客流作用的范围，OD的准确确定为预测提供了可靠的支持。如今，我国铁路线路在OD点选择的时候可以参考现在已有的铁路客流分布状况，但是还需要达到下面两个条件：（1）最大可能的实现全面地覆盖路线；（2）OD数量需要确保其具有操作性，最大可能降低其计算量。
2.3 OD客流预测模式
OD客流通常分成两块，分别对其客流量完成相对应的预测，汇总后能够预测每年OD的客流量。在此前提下，利用Logit方法对不同运输类型之间进行对应的分配，这样就能够获得每个OD客流量。按照客流的特性，OD客流能够划分为基本客流和诱增客流两方面。
基本客流：如今的客流运输方面，主要有公路、水路、航空、铁路四种运输方法来满足社会的各项需求。在基本客流没有引入的情况下，因为人口、收入等一些社会增长量来产生客流量。
诱增客流：其是在新旅行方式发展的基础上而发展起来的对旅行的新需求。随着铁路覆盖面在不断扩大，建设技术在不断完善，服务水平不断提升的情况下，将不断促使社会对出行的需求，从而来提高客流量。

第3章、铁路旅客出行行为及客流时空分布分析
（1）铁路旅客出行过程分析
铁路旅客出行行为决定了客流在铁路路网上的分布，其行为特征反映了某车站或某一条线路旅客出行形成的特有属性和基本规律。掌握旅客出行行为规律是铁路客运产品结构调整和服务质量提高的重要参考依据。
旅客在选择采用何种交通方式出行时，首先根据出行目的、出行距离、收入水平、交通工具的技术经济特性等因素选择恰当的交通方式，再根据交通方式的运营信息选择出行方案的具体接续和路线。
铁路作为旅客出行的一种重要交通方式，其出行选择与其他交通方式有共同的特点。铁路旅客在选择出行方案时，会考虑到自身的经济水平、出行目的、各种列车的技术经济特性等因素；同时，由于铁路在同一路径上可能有多趟列车开行，因此，旅客出行还会重视列车发车时刻和到达时刻的影响。旅客通过期望的发车时刻与列车时刻表进行匹配，最终确定出行方案。列车发车时刻和到达时刻会影响到旅客两端市内交通出行的方便性，在列车准点到达的情况下，旅客到达时刻一般由旅客所期望的发车时刻决定，所以，旅客所期望发车时刻是影响旅客出行的一个重要因素。铁路旅客的出行过程可用图3-1铁路旅客出行链表示。

图3-1 旅客出行链
图3-1表示旅客从出发地到目的地出行的全过程。从旅客出行全过程来看，以铁路车站为节点，其过程大致可以分为三个阶段：第一个阶段是旅客从出发地到出发车站的市内交通出行阶段，在这个阶段中，旅客通过市内公交、地铁、出租车、私家车、步行等交通方式到达车站；第二阶段是旅客从出发车站到目的车站的铁路通道出行阶段，通常旅客会选择快速、舒适、方便、经济的铁路客运产品来满足出行需求，在此阶段中，由于不能乘坐一趟列车到达目的车站，部分旅客会在换乘车站进行一次及以上次数的换乘到达目的车站；第三阶段是旅客从目的车站到目的地的市内交通出行阶段，旅客到达车站后采用市内交通到达目的地，市内交通的运营时间会影响到旅客的到达时刻，要保证旅客顺利到达目的地，列车到达时刻与市内交通要有良好的接续。
（2）铁路旅客出行行为影响因素分析
2.1旅客自身特性
对旅客出行选择行为具有明显的特征，主要影响因素包括：旅客教育程度、收入情况、职业分布、年龄结构、旅客性别、出行费用来源等。通过分析旅客的年龄结构，老年人主要选择成本较低，安全性高的方式，年轻人选择时间短、舒适性高的方式。通过分析旅客的职业情况，根据出行目的、个人喜好以及单位实际情况都有所不同，政府机关工作人员都是公费出行，对于产品的价格考虑较少，更多的强调产品的快速性和舒适性。学生的乘坐往往是寒暑假，该群体关注较大就是出行成本。旅客收入水平对于旅客的出行方式有着明显的影响，在选择乘坐产品中，高收入人群很少关注乘坐价格，而低收入人群选择乘坐方式主要考虑产品价格。旅客的教育程度也会影响旅客出行选择行为，教育程度高的旅客更多关注安全性、舒适性，对成本关注较少。
2.2旅客出行特性
旅客的出行特性主要包括旅客的出行目的、出行时间和出行距离等。
2.2.1 出行目的
根据旅客出行目的可以将客流划分为消费性和生产性客流，同时，消费性客流还可以划分为购物流、旅游流以及探亲流。生产性客流还可以划分为学生客流、民工流、商务客流以及公务客流；在产品选择中客流类别之间存在明显的差异，商务客流要求旅行必须满足时效性要求，对于旅行成本考虑较少；非公务客流主要考虑实际的收入情况与选择产品的价格，最终确定相应的出行方式。
2.2.2 出行时间
从铁路旅客出行过程分析，出行时间包括旅客从出发地到车站的市内交通时间、旅客到达或离幵车站等待时间、列车运行时间和从车站到目的地的市内交通时间；另外，如果旅客中转换乘，还包括旅客换乘等待时间；其中，列车运行时间与旅客出行距离、选择的列车等级有关，不同等级列车对旅客旅行时间影响较大。旅行时间的长短也会影响到旅客乘坐列车的舒适度，旅行时间过长，旅客会感到明显不适，容易产生疲劳感，列车的舒适度就会明显降低。
2.2.3 出行距离
出行距离因素是不依赖旅客个人的意愿的。顾客出行距离的远近直接影响着旅客出行时间的长短的选择。因为不同类型的火车的技术和经济特性不同，旅客所乘坐的火车类型不同，使得其花费的时间也是不同的，所以可以通过旅客出行的距离来反映旅客所乘坐火车花费的时间。在日常生活中，旅客往往不去关注自己出行距离，而重点在于其出行所需要花费的时间。
（3）OD客流时空分布特征分析
对于相同OD，不同的时间段而言，其OD客流的变化规律也是存在较大差异的，通常相同时间段不同OD，客流情况也是存在一定差异的。所以客流是在时间和空间两个角度存在着差异性，通过研究客流在两个角度方面的变化，可以帮助铁路企业有效的制定开行方案。为了更好地满足旅客的出行需求，铁路部门就要掌握不同OD区间及不同时间段客流量的变化趋势及变化量。
3.1 OD客流时间分布特征
根据客流时间分布即全日客运量在各时间段上的分布。不同跨度的时间段，客流的变化特征也不同。按统计时间度量，客流时间分布可分为客流日分布、客流周(即平常期，工作日一周末)分布和客流节假日分布。
3.1.1 客流日分布
客流日分布简单来讲就是每日不同时间段的客流量分布。其在短途交通客流统计中作用较为明显，利用不同时间段的客流量，来设置每日的行车计划和车辆分配问题。客流量变化通常与人们的生活习惯有关，比如上下班、出差等。一般可以将客流的日客流分布特性划分为单峰型、双峰型、全峰型和突峰型。
A. 单峰型
单峰型特性具有明显的潮汐现象，OD间上下行方向都会出现一个客流量高峰期，同时在时间上两者不重合，通常这些类型的站点的周围用地功能比较简单，旅客分布相比比较集中，其大概趋势如图3-2所示。

图3-2 单峰型
B.双峰型
双峰型特征一般为OD客流在某方向上，每日之内会有两个流量高峰期，高峰期一般出现在上边高峰期和下班高峰期。这种类型的客流分布一般是两个城市之间的往返流。

图3-3 双峰型
C.全峰型
全峰型客流分布通常是每日不同时间点客流量都比较大，客流分布没有显著性的谷。一般出现这种类型的客流分布类型发生在客流量比较大的中间换乘车站，其表现情况如图3-4所示。

图3-4 全峰型
D.突峰型
突峰型分布表现是每日一个时间段客流量出现快速上升的情况，对于这种情况可能是因为某一个城市举办一些盛大的体育比赛、演唱会等。

图3-5 突峰型
客流日流量分布特征和出行距离和花费时间有关。不同的出行距离，客流量分布明显存在差异。例如京津城际高峰时间段客流量变化比较显著，呈现出早高峰和晚高峰的现象，客流量大部分来源于公务、商务。而对于武广线，起始点距离较短长，高峰时间现象并不显著，客流主要以返乡为主。此外，旅客对出行时段的选择偏好也会影响到客流的日分布，由于旅客的出行习惯、出行经验的不同，旅客对出行时段的选择偏好也因人而异，各个时段的客流分布也不同。
3.1.2客流周分布特征
客流周分布指按照日作为单位进行统计每周的客流量变化情况。对周进行研究更符合人们的生活和工作的规律。OD客流每周分布显著的特征是工作日和周末流量的明显波动。比如国内一些发展比较好的城市，其工作日客流量主要以公务和商务流量为主，而周末主要是以旅游和探亲流，所以明显比工作日流量大，而对于每个工作日而言，其也存在较为显著的早高峰和晚高峰的情况。
3.1.3客流节假日分布特征
客流量变化受节假日影响也比较大，主要与节假日的放假时间长短有关，通常节假日高峰主要出现在节日之前和节日之后。比如春运期间，节日前和节日后高峰期都相对较长，然而对于假期较短的国庆等一下节日，客流量高峰期只出现在节日前和节日后几天范围内。此外不同节假日的客流属性所带来流量变化也是不一样的，通常对于春节而言，主要是以探亲流量为主，而对国庆节而言主要是以旅游流量为主，出行的高峰相对来讲比较集中，去向比较明确。
3.2 OD客流空间分布特征
OD客流在空间角度的分布不仅仅在于铁路网方向的不平衡性，还有客运节点的不平衡性。这两方面主要表现如下：
3.2.1 上下行方向客流分布
上下行方向的客流量的不平衡性促使了来往方向上的火车开行量不相等。通常情况下，两个方向的客流量是相等，但是某些时候两个方向的客流也是存在一定的差异的。在方向分布上，客流主要分为双向型和单向性。
双向型指单位时间上下行客运量接近相等。一般在城市性质或经济发展水平相近的两城市之间的客流类型属于双向型的较多。单向型指单位时间上下行的客运量差异很大。一般在节假日高峰期，线路某一方向上出现突发客流或两客运节点等级相差较大时客流分布属于单向型。
3.2.2 客运节点的客流分布
客运节点的客流量对于不同等级节点也是存在一定的不平衡性。按照客运节点分级的规则，我国客运节点通常归纳为四大类：路网性、区域性、地方性和一般性客运节点。不同等级的划分需要参照节点的日均旅客发送量、社会属性、动车检修条件、节点在路网中的地位和功能等因素。一般情况下，节点的等级可以反映出节点客流量的实际情况。

第4章、基于旅客性质和OD分布列车开行方案建议
基于旅客性质和OD分布列车开行方案编制提出几点建议。
1.列车运行区段
确定列车运行区段是确定列车始发、终到及经由线路，主要目的是为了提高列车直达率，合理周转和运用列车车底，减少列车需求数量。
(1) OD客流时空分布特征主要体现了城市间的客流特征。列车运行区段两端应为经济发达、地理位置重要的城市，即两端客运节点等级应较高，保证大客流客运节点之间旅客的出行需求。
(2) 不同子市场下客流表现为不同的分布特征，列车运行区段应覆盖各个子市场重要客运节点，保证区段两端至少一端为子市场的重要客运节点。地方性节点与其他子市场的路网性或区域性重要节点之间，一般通过停站或中转方式接续，若考虑到区段客流量较大，则可确定为运行区段。
(3) 一般性客运节点之间客流时空分布特征不明显，客流量也相对较小。一般性客运节点客流可以通过客流归并，归并到路网性或区域性客运节点之间，通过停站和中转方式运送客流。
2.列车编组方案
列车编组可以灵活编组。列车编组数量与列车长短途性质、高峰时段客流量有关。根据不同子市场旅客发车时段选择比例分布，对于短途通勤流和近程城际流子市场，在7-9点是客流高峰时段可以开行长编组列车，增加列车的运输能力，满足旅客出行需求，吸引客流；而在15-19点客流平峰时段，则可以釆用短编组形式，提高列车上座率，减少运营成本。对于远程城际流和夕发朝至流子市场，则列车采用重联编组形式较为有利，一方面可以减少动车组开行数量，节约运营成本；另一方面，可以充分利用区间的通过能力。
3.基于OD的客运需求
对于站点的客运的需求，可以根据列车的效用函数来计算[13]：

其中，为OD之间不同类型火车的加权效用系数；
为OD之间第i类型火车的费用；
为OD之间旅客的时间价值；
为OD之间第i类型火车的旅行时间；
接着利用Logit模型，可以推到OD之间的第i类型的火车的客流分担量为：

最后根据OD客流预测来计算出火车开行的数量，其为：

其中：为火车开行的数量，为第i类型火车平均定员数，k为火车座位利用率。

佳木斯大学继续教育学院 第19页19

总结
本文系统分析了OD客流时空分布特性，为时段客流分配提供支持。提出了基于时段客流的旅客列车开行方案编制建议。本文的主要工作及结论如下：
1.对铁路旅客的出行过程进行分析，在此基础上明确铁路旅客出行行为的影响因素，然后分析了旅客出行需求的新特点和OD客流时空分布特征。
2.提出了基于时段客流编制列车开行方案的建议，在列车开行数量公式中引入了时段客流与日均客流的比例因子来计算时段客流，为铁路企业提高市场竞争力提供参考。

致谢
本论文的顺利完成，离不开于老师的悉心指导。老师在百忙中，为我指点迷津，循循善导给我提供不少的启迪。虽然在这个过程，指导老师一直严格的要求我，但是其中我学到的知识是任何事物都无法衡量的。
在论文即将完成之际，我的心情无法平静。论文从开始到结束，周围老师、同学和朋友的帮助、关心和支持是功不可没的，尤其是我的伙伴们，万分感谢！ 

参考文献
1.王甦男.旅客运输[M].北京:中国铁道出版社,2003
2.左大杰,王慈光,陈韬.铁路旅客列车开行方案问题的研究综述.铁道运输与经济,2010,32(1) :35-39.
3.陶思宇.铁路旅客列车开行方案经济效益评价研究及其计算机实现[D].南昌:华东交通大学,2006
4.胡华,刘志钢,朱海燕.城市公交枢纽换乘客流OD动态预测方法[J]. 重庆交通大学学报(自然科学版),2013,03:463-466.
5.马芳. 城市轨道交通客流分配研究[D].西南交通大学,2013.
6.史峰,邓连波,霍亮.铁路旅客乘车选择行为及其效用[J].中国铁道科学,2007,28(6):117-120.
7.闫铭,翟轲,周博拓.基于旅客列车开行及停站方案的客流分配[J].交通科技与经济,2009.54(4):32-36.
8.黄鉴,彭其渊.弹性需求条件下旅客列车客流分配研究[J].铁道运输与经济,2009,31(8):78-80.
9.聂磊,胡小风,佟璐,付慧伶.基于旅客列车开行方案的客流分配方法研究[J].交通运输系统与工程,2011,11(3):87-92.
10.李力.高速铁路旅客列车开行方案研究[D].成都:西南交通大学,2012
11.马小毅.广州市轨道交通客流特征分析[J].城市交通.2013.(6).
12.杨军峰.基于公交视频的公交线路客流OD获得方法研究[D].长安大学.2013.
13.张咏.基于O-D客流预测的客运专线列车开行方案编制方法研究[J].中国铁路.2009(3).

电动车跷跷板

摘 要
电动车跷跷板系统是一种通过控制电动车运动使跷跷板在有无配重条件下达到平衡状态的控制系统。它具有体积小、低功耗等优点。本系统硬件部分包括单片机控制模块、电源模块、循迹模块、平衡检测模块、电机驱动模块、无线通信模块。系统以MSP430单片机为控制核心，用塑料板做车架，通过红外对管检测循迹，以六轴倾角传感器来测量跷跷板的倾角，检测到的数据通过无线通信传给上位机，上位机对数据处理和分析后画出跷跷板倾角变化的3D效果图。微控制器微调电动车的运动使跷跷板达到平衡。软件部分应用C语言实现系统的基本功能，采用LABVIEW制作功能完整且精美的上位机界面。
关键词:电动车跷跷板;MSP430;倾角传感器

1 引 言
电动车跷跷板的平衡长期以来都是人们非常感兴趣的研究项目，电动车跷跷板设计所涉及的相关研究结论可应用于飞行器姿态控制、机器人平衡控制等方面。非线性信号处理、非线性信号控制、控制参数自动优化等技术也都在各类控制设计中有很大的应用。随着多领域对倾角检测的需要，各类型倾角传感器应运而生，本系统中就存在对跷跷板倾角变化的检测，故选择了适用的六轴倾角传感器测量。除此之外，对于非线性信号的处理与控制也是越来越多控制系统设计所必须面临的问题。本系统就是以此为背景，设计了通过微处理控制电动车运动使跷跷板在有无配重条件下达到平衡状态的控制系统，实现小车在规定时间内翘翘板上行驶，跷跷板仍保持平衡的功能。
2 方案论证与设计
2.1总体方案与设计
本系统包括单片机控制模块、电源模块、循迹模块、平衡检测模块、电机驱动模块、无线通信模块。系统以MSP430单片机为控制核心，用塑料板做车架，通过红外对管检测黑线来引导电动车在跷跷板上运动以及寻找初步平衡点，采用MPU6050六轴倾角传感器来测量跷跷板的倾角，程序采用PID算法实现非线性信号的转换和控制。微处理器将MPU6050传感器所采集的数据进行转化处理后，输出PWM波来控制电机的运动使跷跷板达到平衡。同时，将检测到的数据通过无线通信传给上位机，上位机对数据处理和分析后画出跷跷板倾角变化的3D效果图。
图1-1为总体设计框图。
图1-1 总体框体图
2.2 单片机模块方案选择与论证
方案一：采用51单片机作为电动车跷跷板系统的主控制芯片。51系列单片机功耗较高，8位微型处理器运算速度慢，无硬件乘法器，片内资源少。但价格低廉，使用简单。
方案二：采用MSP430单片机作为电动车跷跷板系统的主控制芯片。MSP430单片机是一款16位单片机，具有运算速度快，精度高，执行能力强，中断源多等优点。
综上两种方法，MSP430单片机比51单片机运算速度快，精度高，处理能力强，功耗低，同时大大降低了复杂度，整个系统的性价比也很高，我们选择方案二。
2.3 驱动模块方案比较与论证
方案一：采用THB6064H驱动模块。THB6064H是一款专业的PWM斩波两相步进电机驱动芯片。它内部集成了细分、衰减模式设置、电路调节、CMOS功率放大等电路，配合简单的外围电路即可实现高性能、多细分、大电流的驱动电路。适合驱动57、86型步进电机。
方案二：采用以L298N为主芯片的驱动电路。L298N是ST公司生产的一种二相和四相电机的专用驱动器。L298N是可以承受高压大电流的双全桥式驱动器，输出电流大，功率大，可以同时控制两个电机，价格适中，是比较实用的电机驱动模块。
综上两种方法，THB6064H驱动模块更适用于步进电机，而L298N对直流电机驱动方法操作简单，且价格低廉，符合系统对直流电机的驱动要求，故我们选择方案二。
2.4 平衡检测模块方案论证与比较
方案一：采用水银开关探测跷跷板平衡度。跷板左偏水银开关电路导通，右偏水银开关断开电路不通，这样控制电动车在平衡点小角度来回摆动来使跷跷板动态平衡。
方案二：采用MPU6050三轴加速度陀螺仪模块，把陀螺仪的数值传回来，经过单片机的滤波，然后转化成角度来判断跷跷板的倾斜角度。MPU6050对于角度的采集精度高，易于操作。
综上两种方法，水银开关探测跷跷板平衡度安装简单、成本低，但控制精度低，不易实现题目要求，而MPU6050三轴加速度陀螺仪模块体积小、精度高、采集速度快和操作代码简单，故我们选择方案二。
- 6 -

3 硬件与软件设计的实现
3.1硬件模块及电路分析
3.1.1 单片机控制模块设计
基于MSP430单片机的主控电路，MSP430是德州仪器开发的一种超低功耗微控制器，16位的CPU集成寄存器和常数发生器，实现最大化的代码效率，运算速度快，精度高。在整个系统中由单片机控制电机的前进后退、正转反转、倾角传感器数据的采集，转化处理以及无线通信数据的发送接收等。其具有处理能力强，功耗低，执行能力强，中断源多等优点。
图3-1-1为MSP430单片机最小系统电路图。
图2-1-1 MSP430最小系统电路图
3.1.2 平衡检测模块设计
本系统采用MUP6050六轴倾角传感器采集跷跷板倾角数据。MUP6050整合了三轴陀螺仪和三轴加速度器，解决了陀螺仪与加速度计之间的相互影响的问题。MUP6050直接读回来的是个转轴的加速度和角加速度，并不是倾斜角度，而且不稳定。因此，需要对采集回来的数据进行滤波以及融合成需要的角度。采用卡尔曼滤波的方法，并通过自己用LABVIEW写的上位机软件对倾角数据变化进行显示
图3-1-3为MUP6050模块电路图。

图3-1-2 MUP6050模块电路图
3.1.3 驱动模块电路设计
本系统采用L298N为主芯片的驱动电路。L298N内部包括4通逻辑驱动电路，是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号。L298N的5、7、10、12脚接入控制电平，控制电机的正反转，ENA、ENB接控制使能端，控制电机的停转。微处理器对MPU6050倾角传感器所采集的数据进行滤波处理，PID数据处理后，输出PWM波控制电机的停转、加减速来使跷跷板达到平衡。
图3-1-3为L298N驱动电机电路图。

图3-1-3 驱动电路
3.2 软件的设计与实现
3.2.1 软件的设计
在本系统中，对各个模块的调试采用分步进行，确定各个模块的独立工作完整性，然后再对整个系统所有模块进行完糅合，使其完成系统的所有功能。系统以MSP430单片机为控制器，采用C语言对单片机进行编程，上位机采用LABVIEW编程。程序主要起导向和决策的作用，它控制整个系统稳定协调的运作。系统各种功能主要通过调用具体的子程序来实现。
调节小车的运动使跷跷板达到平衡，需要对跷跷板的倾角变化进行检测，并通过对数据的处理分析来调节电机的转动，红外对管控制小车的运动路线。因此程序主要实现MUP6050对各个电机转轴角速度，角加速度数据采集，数据的转化与处理，电机的驱动，微处理器与上位机之间的数据的传送等功能。各个模块的程序之间相互协调共同完成所有的功能。
系统具体的流程图如图3-2-1。

图3-2-1系统具体的流程图
3.2.2 软件的实现
系统以MSP430单片机为控制器，采用C语言对单片机进行编程。程序主要包括将传感器采集的信号进行滤波处理、电机的转动和数据的收发处理等。在IAR Embedded Workbench IDE软件中进行编程，并将程序下到单片机中。
图3-2-2为程序调试下载调试界面。

图3-2-2 程序调试及下载界面
采用LABVIEW编程制作上位机界面，用来反映跷跷板的运动状态。PID效果图实时显示跷跷板倾角变化数据，此数据是控制小车运动参数，红线和绿线为“危险区”，一旦，倾角超过这两条数据线，则小车运动使得跷跷板倾角数据保持在这两条线的中间。跷跷板3D效果图则更为美观和直接的显示跷跷板的运动状态。
图3-2-3为上位机数据显示界面。
图3-2-3 上位机数据显示界面
4 系统测试与分析
4.1 测试环境及仪器
编