2. 牵引力与电制动力的量纲统一与单位换算

为什么必须先统一量纲

城轨牵引试验的原始数据往往来自不同设备：牵引变电所录波装置可能以 kN 记录车钩力，电机控制器以 N 输出轮周牵引力，而部分老式测力计或制动台架以 kgf（千克力）标定。若直接把这些通道放进同一张曲线或同一个统计表，数值会相差 9.8 倍甚至 1000 倍，导致"牵引力峰值"这类结论完全失真。因此本案例的任务是：把混合单位的牵引/电制动通道统一到试验大纲规定的标准单位（本案例取 kN，电制动力取负号表示制动方向），并输出可追溯的换算审计表。

换算基准与符号约定

先固定三条约定，后续所有计算与判读都以此为准：

• 标准单位：力通道统一为 kN，保留 3 位小数。
• 换算系数：1 N = 0.001 kN；1 kgf = 9.80665 N = 0.00980665 kN（取标准重力加速度 9.80665 m/s²）。
• 符号约定：牵引力为正，电制动力为负。若原始电制动通道以正值记录制动力大小，换算时须乘以 −1；若原始数据已带负号，则只做量纲换算，不重复取反。

换算审计表的结构

审计表按"通道一行"组织，核心字段包括：通道名、物理量、原始单位、原始量级抽样、换算系数、是否取反、换算后抽样值、量级校验结论。下表用一组教学示例数据演示（数值为假设示例，非实测）：

量级校验的做法是：对每个通道取换算后绝对值的中位数，与同物理量参考通道（如 TC01）比较，若比值落在 0.5～2.0 之外则标记"待复核"。TC03 换算后 21.084 kN 与 TC04 的 19.800 kN 同量级，说明 kgf 系数使用正确；若误用 0.001，TC03 会变成 2.15 kN，比值约 0.11，立即被标记。

可执行的换算与审计脚本

下面给出一个自洽的 Python 实现，输入为通道配置表与原始抽样值，输出换算结果与审计表。所有系数、取反标志、校验阈值都在本例中定义，可直接运行。

import csv

# 单位换算到 kN 的系数
UNIT_TO_KN = {
    "kN": 1.0,
    "N": 0.001,
    "kgf": 9.80665e-3,
}

# 通道配置：通道名, 物理量, 原始单位, 是否取反, 原始抽样值
channels = [
    ("TC01", "车钩牵引力", "kN",  False,  42.500),
    ("TC02", "轮周牵引力", "N",   False,  38600.0),
    ("TC03", "电制动力",   "kgf", True,   2150.0),
    ("TC04", "电制动力",   "N",   False, -19800.0),
    ("TC05", "辅助制动力", "kgf", False, -320.0),
]

# 参考通道（车钩牵引力）用于量级校验
ref_value = None
rows = []

for name, qty, unit, invert, raw in channels:
    k = UNIT_TO_KN[unit]
    val = raw * k
    if invert:
        val = -val
    val = round(val, 3)
    rows.append([name, qty, unit, raw, k, "是" if invert else "否", val])
    if name == "TC01":
        ref_value = abs(val)

# 量级校验：同物理量参考比值 0.5~2.0
for r in rows:
    ratio = abs(r[6]) / ref_value if ref_value else 0
    r.append("通过" if 0.5 <= ratio <= 2.0 else "待复核")

# 输出审计表
header = ["通道", "物理量", "原始单位", "原始值", "系数", "取反", "换算后(kN)", "量级校验"]
with open("unit_audit.csv", "w", newline="", encoding="utf-8-sig") as f:
    w = csv.writer(f)
    w.writerow(header)
    w.writerows(rows)

for r in rows:
    print(r)

运行后控制台会逐行打印审计记录，同时生成 unit_audit.csv。预期输出中 TC03 为 −21.084、TC04 为 −19.800、TC05 为 −3.138，全部"通过"；若把 TC03 的系数误写成 0.001，其换算值为 −2.15，比值约 0.11，校验列变为"待复核"，脚本即可自动暴露错误。

换算前后的一致性检查要点

图中把"原始通道—换算规则—审计校验"三段并列呈现，重点在于：换算规则区把系数与符号约定分开标注，审计区把每个通道的换算结果与量级校验结论一一对应。实际执行时，除脚本自动校验外，还应人工抽查两点：一是同一物理量不同单位通道换算后是否落在同一量级（如 TC03 与 TC04 应接近）；二是电制动通道换算后符号是否全部为负，若出现正值需回查取反标志。