地鐵乘員不同站姿方式的舒適性研究

孫效杰，陶 強，代晨曦，趙宇倫

（上海應用技術大學軌道交通學院，上海 201418）

1 研究背景

隨著我國城市軌道交通的快速發(fā)展，地鐵已成為人們出行的主要交通工具。地鐵作為大容量、短距離通勤工具，乘員大部分時間都是站立的，特別是上下班高峰時段。乘員長時間站立在不斷振動的地鐵環(huán)境中，會給乘員的舒適性帶來負面影響。因此在乘坐地鐵時，如何科學、合理地分析和評價乘員不同站姿方式的舒適性具有一定的研究價值和工程意義[1]。

對于舒適性的評價，目前國際上比較通用的標準是ISO 2631[2-3]和UIC 513[4]。ISO 2631由國際標準化協(xié)會提出，主要用于評估交通工具振動對人體的影響；UIC 513于1994年由國際鐵路聯(lián)盟提出，它可以對車輛振動舒適性進行評價，依據(jù)測量的加速度可以對特殊車輛以及給定運行條件下的乘客乘坐舒適性進行評估；1997年提出的EN 12299也引用了UIC 513標準的濾波器和評價方法[5]。文獻[6]指出澳大利亞利用AS 2670.1標準規(guī)定的評估方法對機車座椅支撐面和站腳處及8 h暴露振動劑量進行評價，其中AS 2670.1沿用了ISO 2631標準中的相關規(guī)定及評價方法；馬來西亞與印度均采用ISO 2631標準規(guī)定的評價方法對地鐵座椅面、地面以及靠背支撐面的振動進行評價。目前，基于ISO 2631或UIC 513進行舒適性評價時，一般將人體忽略或者考慮為一個純剛體，這與實際差異較大，因此有必要考慮人體力學模型。關于人體力學模型，國內(nèi)外已經(jīng)積累了許多成果，具有代表性的研究學者包括Subashi[7]、Matsumoto[8-9]、Wei[10]、Griffin[11]等，人體簡化為多自由度的振動模型已被廣泛認可。本文針對地鐵乘員不同站立方式下的舒適性進行研究，因此借鑒EN 12299標準，首先考慮空站、垂直抓握扶手、水平抓握扶手和抓握吊環(huán)扶手等4種常見站姿方式，搭建包含乘員與地鐵車輛的人-車耦合動力學模型，然后模擬仿真研究不同站姿方式的乘員舒適性，最后在上海某地鐵現(xiàn)場開展站姿乘員的舒適性測試驗證，共同揭示乘員站姿的舒適性規(guī)律。

2 站姿舒適性評價方法

2.1 總體方法

借鑒EN 12299標準，將人體看作一個多質(zhì)點物體，通過采集乘員不同站姿方式在同一器官位置的三向加速

度信號，然后對加速度信號進行濾波加權，最后經(jīng)過分析計算得出舒適性指標。

2.2 濾波加權函數(shù)

EN 12299標準中垂向加速度濾波加權函數(shù)如式（1）所示，橫向加速度濾波加權函數(shù)如式（2）所示。

式（1）、式（2）中，各函數(shù)中相關參數(shù)的計算公式如下：

式（1）～式（6）中，Hh（f）為高通轉(zhuǎn)移函數(shù)；Hl（f）為低通轉(zhuǎn)移函數(shù)；Ht（f）為加速度變換速度的轉(zhuǎn)移函數(shù)；Hs（f）為向上梯度轉(zhuǎn)移函數(shù)；fn為轉(zhuǎn)角頻率，n= 1，2，3，4，5，6；Qn為共振質(zhì)量因素，n= 1，2，3，4；f為頻率；K為增益；i為虛數(shù)單位。上式相關參數(shù)如表1所示。

表1 EN 1299舒適度計算參數(shù)

2.3 舒適性指標計算方法

以5 s為一個基本數(shù)據(jù)段長度進行舒適度統(tǒng)計，可以得到60個舒適度值，取60個舒適度值的95%置信點，綜合7個方向的值合成舒適性指標N，如下式（7）所示：

表2 舒適性指標評價標準

3 乘員不同站姿方式建模

3.1 多自由度人體模型

目前，乘坐地鐵人員常見的站姿方式有空站、抓垂直扶手、抓水平扶手和抓吊環(huán)扶手[12]，由于站姿方式的不同，車體振動傳遞到人體存在差異。在SIMPACK中搭建不同方式下的站姿人體剛度阻尼模型[13]，包括空站模型、抓垂直扶手模型、抓水平扶手模型和抓吊環(huán)扶手模型，車體內(nèi)站立的人等效為多自由度人體模型，包括上部軀干、內(nèi)臟、骨盆、腿和腳，如圖1所示。其中，m1等效為腳，m2等效為腿，m3等效為骨盆，m4等效為上部軀干，m5等效為內(nèi)臟，圖1b、圖1c和圖1d中m6分別為垂直扶手、吊環(huán)和水平扶手，k為等效連接處的剛度，c為等效連接處的阻尼。

圖1 多自由度人體模型

結合上海某地鐵線路實際情況，收集相關參數(shù)，運用SIMPACK軟件搭建地鐵車輛模型，然后在地鐵車輛中創(chuàng)建4種站姿人體模型，在乘員不同站立方式的同一部位安裝傳感器來檢測數(shù)據(jù)，通過檢測同一部位的三軸加速度，將數(shù)據(jù)提取在matlab軟件編程分析，借鑒EN 12299標準，計算舒適性指標的值，根據(jù)評價尺度，對不同站姿方式下的人體舒適性進行對比研究。

試驗測量人體的體重為正常成年人的體重，參考田宏等[14]采用的人體各部分質(zhì)量的常值，具體如表3所示。

表3 人體質(zhì)量 kg

3.2 人車線路耦合模型

首先在SIMPACK軟件中依據(jù)地鐵參數(shù)搭建軌道車輛模型，然后在車體內(nèi)建立不同站姿下的多自由度人體模型。

由于要進行不同站姿方式的對比研究，所以將人體模型建在同一平面區(qū)域內(nèi)，定義地鐵線路為直線，搭建的人車線路耦合模型參考石玉[15]采用的地鐵A型車的基本建模參數(shù)，如圖2、表4所示。

表4 地鐵模型參數(shù)

圖2 人車線路耦合模型

4 仿真試驗對比分析

4.1 模擬上部軀干

依據(jù)GB/T 5599-2019[16]標準，通過計算Sperling指標評價車體運行品質(zhì)為優(yōu)秀，然后根據(jù)在SIMPACK軟件中搭建的人體剛度阻尼模型，在不同站姿方式下的同一上部軀干位置安裝加速度傳感器，借鑒EN 12299標準采集5 min的加速度數(shù)據(jù)，模擬上海某地鐵運行工況，設置0～35 s為加速階段，275～300 s為減速階段，中間時間段為勻速，按照每5 s為一個時間段進行舒適度統(tǒng)計，可以得到60個舒適度值，再由式（7）計算得出5 min試驗區(qū)段的舒適性指標。以時間為橫坐標，舒適性指標為縱坐標，上部軀干模擬反映的舒適度值與時間關系如圖3所示。

圖3 上部軀干模擬

通過圖3反映的上部軀干舒適度值-時間關系可知，不同站姿方式下，地鐵乘員的舒適度值隨著速度的提高而趨于穩(wěn)定，其中在地鐵啟動階段，空站的舒適度值最高；在地鐵加速階段，抓吊環(huán)扶手的舒適度值較其他站姿方式較低；在地鐵勻速階段，抓吊環(huán)、水平扶手和垂直扶手的舒適度值相差不大，其中抓吊環(huán)的舒適度值比抓水平扶手和垂直扶手要低；在地鐵減速階段，空站的舒適度值比其他站姿方式要高。

4.2 模擬腿部

在上文搭建的人體剛度阻尼模型中，將加速度傳感器的安裝位置改為腿部，同樣按照EN 12299標準，采集5 min的加速度數(shù)據(jù)，模擬上海地鐵5號線的運行工況，設置0～35 s為加速階段，275～300 s為減速階段，中間時間段為勻速。以時間為橫坐標，舒適度值為縱坐標，繪制不同速度對應的時間下不同站姿人體同一腿部模擬的乘坐舒適度值與時間關系如圖4所示。

圖4 腿部模擬

通過圖4反映的腿部舒適度值-時間關系圖可知，不同站姿方式下，地鐵乘員的舒適度值隨著速度的提高而趨于穩(wěn)定，并且在各階段的變化趨勢和上部軀干相似，其中在地鐵啟動階段，空站的舒適度值最高；在地鐵加速階段，抓吊環(huán)扶手的舒適度較其他站姿方式低；在地鐵勻速階段，抓吊環(huán)、水平扶手和垂直扶手的舒適度值相差不大；在地鐵減速階段，空站的舒適度值比其他站姿方式高。因為根據(jù)搭建的人體剛度阻尼模型相互耦合影響，表現(xiàn)的規(guī)律具有相似性，所以上部軀干和腿部之間規(guī)律具有相似性。

5 現(xiàn)場試驗對比

5.1 場景再現(xiàn)

以上海地鐵為試驗對象，4個不同站姿的試驗乘員分別為空站、抓水平扶手、垂直扶手和吊環(huán)，站在軌道車輛的中心處，將加速度傳感器安裝在4個試驗乘員的上部軀干和腿部的同一位置，不同站姿試驗乘員如圖 5所示。

圖5 不同站姿試驗乘員

5.2 現(xiàn)場試驗對比分析

依據(jù)GB/T 5599-2019標準，通過計算Sperling指標評價列車運行品質(zhì)為優(yōu)秀，借鑒EN 12299標準，利用加速度傳感器采集上部軀干5 min的數(shù)據(jù)，每隔5 s計算一次舒適度值，可以得到60個舒適度值，其加速階段40 s，勻速階段235 s，減速階段25 s。上部軀干實測舒適度值-時間關系如圖6所示。

通過圖6反映的舒適度值-時間關系圖可知，不同站姿方式下，地鐵乘員的舒適度值隨著速度的提高而降低，勻速階段趨于穩(wěn)定。其中，在地鐵啟動階段，空站的舒適度值最高；在地鐵加速階段，不同站姿的舒適度值隨速度提高而降低；在地鐵勻速階段，由于實測軌道交通地鐵不是始終在同一個速度，所以舒適度值也在變化，不過變化幅度不大，勻速期間，不同站姿基本趨于穩(wěn)定，其中空站的舒適度值最高，其他站姿方式相差不大；在地鐵減速階段，空站的舒適度值比其他站姿方式要高，抓吊環(huán)的舒適度值比其他方式要低。

圖6 上部軀干實測

同樣依據(jù)EN 12299標準，利用加速度傳感器采集腿部5 min的數(shù)據(jù)，每隔5 s計算一次舒適度值，加速階段40 s，勻速階段235 s，減速階段25 s。腿部實測舒適度值-時間關系如圖7所示。

通過圖7反映的舒適度值-時間關系圖可知，與上部軀干表現(xiàn)得特征一致，不同站姿方式下，地鐵乘員的舒適度值隨著速度的提高而降低，勻速階段趨于穩(wěn)定。經(jīng)過現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)，不同站立姿勢的乘員在同一腿部位置綁定傳感器分析得到的結果和上部軀干具有相似性，因為人本身是一個柔性體，身體器官相互關聯(lián)，所以得到的規(guī)律具有相似性。

圖7 腿部實測

6 總結與展望

根據(jù)模擬試驗和現(xiàn)場試驗分析對比可知，在加速階段，不同站姿方式下的舒適度值隨著速度的提高而降低，其中空站的舒適度值最高，水平抓握扶手和垂直抓握扶手相差不大，抓吊環(huán)的舒適度值略低；在勻速階段，不同站姿方式下的舒適度值趨于穩(wěn)定，其中空站的舒適度值最高，其他三者的相差不大；在減速階段，不同站姿方式下的舒適度值會隨著速度的降低而提高，其中空站的舒適度值最大。

根據(jù)Sperling評價指標和EN 12299標準，不同站姿人體的舒適性與軌道車輛運行的速度和車輛本身的品質(zhì)有關。車輛在不同速度時，不同站姿的人體乘坐舒適性不同，空站的舒適性最差，抓吊環(huán)的舒適性優(yōu)于抓水平扶手和垂直扶手。因為吊環(huán)是柔性的，列車加減速時，傳遞給人體的沖擊小于其他站姿方式。

通過上述不同站姿方式下的對比，結合工程實際意義，在保證內(nèi)部空間合理布置和人員走動安全的前提下，可在地鐵內(nèi)部放置更多的吊環(huán)，讓站著的地鐵乘員乘坐舒適性更高，更安全。

因為忽略了現(xiàn)場試驗中地鐵乘員的身高因素和特殊時間段的人流情況，所以不同站姿乘員進行的舒適性對比適用于大多數(shù)的情況，今后研究的方向可以推廣到一般情況，充分考慮各種因素對不同站姿的影響，進行綜合對比研究，得到更為準確的對比結果。