基于乘員心率變異性的純電動公交車乘坐舒適性主觀評價研究

邵琪，李園園

基于乘員心率變異性的純電動公交車乘坐舒適性主觀評價研究

邵琪1，李園園2

（1.長安大學 汽車學院，陜西 西安 710000；2.中國航空工業(yè)第一飛機設計研究院，陜西 西安 710000）

為研究純電動公交車乘員的乘坐舒適性，文章對不同實驗人員乘坐公交車時座椅位置的三向加速度和乘員的心率進行數(shù)據(jù)采集。采用樣本熵的方法進行HRV分析，隨著乘員不舒服程度的增加，歸一化后的SampEN呈遞增趨勢，表明偏離人體正常生理狀態(tài)的程度增大，人體系統(tǒng)內部不規(guī)則性增強。

乘坐舒適性；心率變異性；樣本熵

引言

隨著居民生活質量的提高，人們對高水平乘坐舒適性的需求也日益增長，而公交車作為人們日常生活中重要的交通工具，其乘坐舒適性越來越受到人們的重視。當人體長期處于較強烈的振動和噪聲等不利環(huán)境下時，乘客的乘坐舒適性快速下降，嚴重時危害乘客身體健康，因此，提高公交車的乘坐舒適性是必要的[1-3]。

心率變異性（Heart Rate Variability, HRV）描述的是連續(xù)的心跳間隔或RR（inter-beat interval）間期之間的變化。

B.Lee研究發(fā)現(xiàn)在模擬駕駛環(huán)境下，隨著心率的增加，SDNN、RMSSD和pNN50參數(shù)從靜息狀態(tài)開始降低，隨著車速的提高，除心率降低外，其余均呈增加的趨勢；在實際道路駕駛過程中，心率隨應激程度的增強而增加，SDNN、RMSSD、pNN50呈下降趨勢，其中心率的敏感性最高，夜間駕駛時心率較低，pNN50、SDNN和RMSSD值較高，在短期試驗中HRV的頻域參數(shù)無明顯變化[4]。X.Li在研究在草原公路景觀單一的場景下，駕駛員生理指標與駕駛時間的關系時發(fā)現(xiàn)，隨著駕駛時間的增加，駕駛員的心率和心率增長率均呈現(xiàn)下降趨勢[5]。

西安建筑科技大學的朱文強在研究高速公路的不同路段對駕駛員心率增長率的影響時發(fā)現(xiàn)，在小半徑平曲線路段和平直路段，駕駛員心率與道路圓曲線半徑間呈現(xiàn)二次函數(shù)關系，不同的是隨道路圓曲線半徑的增大，小半徑平曲線路段駕駛員心率增長率先增大后減小；平直路段則剛好相反，心率增長率呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢；在縱坡路段中，隨坡度的增大，駕駛員心率增長率與坡度呈二次方關系增大；在彎坡組合路段中，駕駛員心率增長率隨道路線形組合指標的增大而線性增大[6]。

本文將心率變異性分析引入到乘員乘坐舒適性評價中，對某純電動公交車在整個運行線路上，同步采集座椅處車輛振動響應加速度、乘員主觀感受和乘員的生理信號，通過對某區(qū)間振動響應加權加速度均方根值和相對應的乘員心率變異性的分析，結合乘員主觀感覺，對乘坐舒適性評價開展更加客觀的深入研究。

1 乘坐舒適性評價研究理論基礎

根據(jù)國際標準ISO 2631—2009總加權加速度均方根值a與人體主觀感覺的關系對乘坐舒適性進行評價，具體對應如表1所示[7]。

表1 總加權加速度均方根值與人的主觀感覺之間的關系

總加權加速度均方根值av/（m/s2）人的主觀感覺 <0.315沒有不舒服 0.315～0.63有些不舒服 0.5～1比較不舒服 0.8～1.6不舒服 1.25～2.5很不舒服 >2極不舒服

2 實際場景的乘員乘坐舒適性信號采集與分析

2.1 基于實際場景的信號采集準備

本次采集使用吉利遠程E12純電動公交車，采集人員為身體健康的男性在校研究生。車輛運行線路是以長安大學渭水校區(qū)為始發(fā)站，西安火車站為終點站的214運行路線，該運行路線行駛里程適中，單程長度為17.5 km。

使用設備：筆記本電腦一臺；乘員心電采集設備：心率帶和Acqknowledge數(shù)據(jù)采集軟件；振動加速度采集設備：電容式三軸加速度傳感器、分線盒、DT9837數(shù)據(jù)采集儀和Dewesoft數(shù)據(jù)采集軟件。

2.2 非線性分析方法

2.2.1樣本熵

在HRV分析中，主要應用的是樣本熵和近似熵。樣本熵（SampEn）是一種以Takens定理為基礎理論發(fā)展而來的RR間期時間序列相空間表示方法。樣本熵算法表述如下：

（1）設有長度為的時間序列(1)，(2)，(3)，...，()，規(guī)定一個表示相似度比較的閾值，再確定一個劃分子序列長度的度量。

（2）通過將原序列進行重構，這樣就可以得到(?+1)個子序列(1)，(2)，(3)，…，(?+1)，將每個子序列以()表示如式（1）所示，式中=1，2，…，?+1。

()=[()，(+1)，(+2)，…，(+-1) ] （1）

（3）計算任意兩個重構向量()和()之間的距離[(),()]，其中表示兩個重構向量() (1???+1)與()之間的距離，由兩個向量中對應位置元素的最大差值決定，且≠。

[()，[]]=max{|u+k?u+k||=0，…，?1} （2）

（4）然后統(tǒng)計滿足以下條件的向量個數(shù)，并求出與總的統(tǒng)計數(shù)目之間的比值B()：

(()，() <（3）

式中，B()為任意一個()與模板之間的匹配概率且()≠()，所以總的統(tǒng)計數(shù)就是，此過程稱之為()的模板匹配。

（5）求B()對于每個的平均值，也就是平均相似率，記為B()：

按照步驟（1）—（5），計算+1時的平均相似率B+1()，當取有限值時，有樣本熵：

（6）參數(shù)選擇：嵌入維數(shù)一般選取1或2；相似容限的選擇在很大程度上取決于實際應用場景，通常選擇=0.1?～0.25?，其中表示原時間序列的標準差。

樣本熵數(shù)值的大小表征系統(tǒng)規(guī)則性的強弱，樣本熵值越大，表明系統(tǒng)的不規(guī)則性越強，越趨于隨機狀態(tài)，所包含的頻率范圍越廣泛，機體的適應能力越強；相反，樣本熵值越小，說明系統(tǒng)規(guī)則性越好，信號越近似于周期性，蘊含的頻譜范圍越窄，機體的適應能力顯著降低。

3 純電動公交車乘坐舒適性主觀評價與HRV指標

主觀評價是評估乘坐舒適性最為直接的評價方法，以表1中的主觀感覺分類等級為依據(jù)，進行乘員乘坐純電動公交車的舒適性主觀評價，結果如表2所示。

表2 乘員乘坐舒適性主觀評價結果

乘員主觀評價乘員樣本編號 沒有不舒服5、10、13和14 一些不舒服3、4、8、11和12 比較不舒服2、6、7和9 很不舒服1

為擴大樣本容量，采取如式（7）所示的歸一化方法，消除不同乘員間和乘員不同乘車狀態(tài)HRV的個體差異。

式中X表示歸一化后的HRV指標，X表示乘員在不同乘車狀態(tài)下不同站點的HRV指標，X表示乘員在站姿或坐姿狀態(tài)下靜息時的HRV指標。

在歸一化后的HRV指標中SampEN最能反映乘員的主觀評價，SampEN作為非線性分析結果的一種，更加符合人體HRV信號非平穩(wěn)和非線性的本質特征，能夠有效地反映人體對外界發(fā)生突變的應對能力即適應性，不同乘員樣本歸一化后的SampEN三次擬合曲線如圖1所示。

由圖1可知，當乘員主觀評價為沒有不舒服的感覺時，歸一化后的SampEN三次擬合曲線小于0.2，且樣本點均勻分布在曲線附近；當乘員主觀評價為有一些不舒服時，歸一化后的SampEN三次擬合曲線處在大于0.2，小于0.4的范圍內，且樣本點分布相對有一些分散；當乘員主觀評價為比較不舒服時，歸一化后的SampEN三次擬合曲線大部分處在大于0.2，小于0.4的范圍內，部分樣本點高于0.4，且樣本點分布更加分散；當乘員主觀評價為極度不舒服時，歸一化后的SampEN三次擬合曲線處在大于等于0.4的范圍內，且樣本點分布最為分散。

圖1 歸一化后的SampEN三次擬合曲線

4 結論

由圖1可知，隨著乘員不舒服程度的增加，歸一化后的SampEN呈遞增趨勢，表明偏離人體正常生理狀態(tài)的程度增大，人體系統(tǒng)內部不規(guī)則性增強。同時樣本點的分散程度也隨著乘員不舒服等級的提升而逐漸增加，說明人體內部的平衡調節(jié)能力逐步減弱。

[1] Castellanos J C, Fruett F. Embedded system to evaluate the passenger comfort in public transportation based on dynamical vehicle behav- ior with user’s feedback[J].Measurement,2014(47):442-451.

[2] Eboli L, Mazzulla G, Pungillo G. Measuring bus comfort levels by using acceleration instantaneous values[J].Transportation research procedia, 2016(18):27-34.

[3] Barabino B, Eboli L, Mazzula G, et al. An innovative methodology to define the bus comfort level on-board[C]//Conf.Mobil.TUM-Int.Sci. Conf. Mobility Transp.2018.

[4] Lee H B,Kim J S,Kim Y S,et al.The relationship between HRV para- meters and stressful driving situation in the real road[C]//2007 6th International Special Topic Conference on Information Technol- ogy Applications in Biomedicine. IEEE, 2007: 198-200.

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[7] International Organization for Standardization.Mechanical vibration and shock-Evaluation of human exposere to whole-body vibration- Part 1:General requirements:ISO 2631—1:1997[S].Switzerland,1997.

Subjective Evaluation of Ride Comfort of Pure Electric Bus Based on HRV

SHAO Qi1, LI Yuanyuan2

( 1.School of Automotive, Chang'an University, Shaanxi Xi'an 710000;2.AVIC the First Aircraft Institute, Shaanxi Xi'an 710000 )

In order to study the riding comfort of pure electric bus passengers, the three-dimensional acceleration of seat position and the heart rate of passengers were collected from seven different experimental personnel when they were in the bus standing and sitting posture. Using the method of sample entropy for HRV analysis, with the increase of occupant discomfort, the normalized SampEn shows an increasing trend, indicating that the degree of deviation from the normal physiological state of human body increases, and the internal irregularity of human body system increases.

Ride comfort; Heart rate variability; Sample entropy

U469.72

A

1671-7988(2021)23-05-03

U469.72

A

1671-7988(2021)23-05-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.023.002

邵琪，長安大學汽車學院車輛工程碩士研究生。