地铁客室乘坐设备人机功能尺寸设计

2018-07-12徐伯初支锦亦董石羽

西南交通大学学报 2018年4期

魏　峰,　徐伯初,　支锦亦,　董石羽

(西南交通大学人机环境系统设计研究所, 四川成都 610031)

自1965年北京地铁的建造以来,我国目前已有30多个城市相继开通了地铁.作为蓬勃发展的城市快速轨道交通工具,地铁具有方便快捷、安全、准时和低碳环保等优点[1].随着技术的不断发展和生活水平的提高,地铁车辆的设计要求也在向着更加人性化的水平不断迈进.

地铁车辆客室的人性化设计是在车体、转向架、电气系统、制动系统和安全应急系统等相关工程技术研究的基础上,根据人的生理结构、心理特征、行为规律和思维方式等对客室车厢内的座椅和扶手等旅客乘坐设备进行的设计研究.

1　地铁客室乘坐设备人机工程学概述

1.1　研究现状

随着人性化研究的不断深入,人机工程学的分析方法在地铁车辆的工业设计中得到了更广泛的应用.人机工程学是采用系统科学的方法研究人、机、环境三大要素之间的关系[2].在轨道交通客车内室的人机工程学研究中,文献[3]通过舒适性仿真客舱模拟列车运行中的振动和噪声环境,对影响通勤车客室舒适度的人-机-环境因素进行了研究;文献[4]应用人机工程学原理对地铁内装设备的布局和尺寸进行了分析;文献[5]从轻轨的造型、色彩等艺术表现方面结合城市居民的出行行为对车辆内饰设计进行了人因分析;文献[6]通过观察采样的方法研究了纽约地铁内室布局设计与乘客座位偏好之间的关系,并提出了布局改进的设计建议;文献[7]通过中外地铁内部空间设计的对比,阐述了地铁内室的空间布局、无障碍以及车厢内室设施的设计特点,并提出了相应的人性化设计原则和理念;文献[8]通过对乘坐地铁过程中的感官体验和情感体验分析,提出了基于乘坐体验的车厢内装设计方法;文献[9]通过穿插、共享、异型等空间变化手段提出了地铁车厢内部空间布局的设计探讨.在对客室座椅的研究中;文献[10]从乘客舒适性和可达性之间的兼容性角度对通勤车座位布置方法进行了研究,提出最合适的座位布置取决于乘客的平均乘车时间;文献[11]利用体压测试、主观不适评定量表和人体测量数据评估了列车座椅的不舒适度,并分析了列车座椅的尺寸;文献[12]利用CATIA(computer-graphics aided three-dimensional interactive application)软件仿真技术对地铁座椅宽度、座面高度、座椅倾角以及横扶手高度进行了人机工程学理论分析,并提出了尺寸参考建议;文献[13]通过使用地铁座椅的乘客在心理感知和生理感知方面的感知需求特征分析,对地铁座椅进行了设计研究.在客室扶手的研究中;文献[14]对日本大阪地铁男女性乘客站在门口区域使用扶手的姿势进行了研究,结果表明男性倾向于将手臂举得更高,而女性倾向于保持手臂较低的姿势;文献[15]对地铁乘客通过抓握扶手保持站姿平衡进行了研究,结果表明在头顶以上的抓握可以最大限度地减少手部力量,而在肩高位置的抓握可以最大限度地减少压力中心偏移.

目前,我国对于地铁客室的人机分析,特别是尺寸设置的合理性以及乘客与设备之间的适配关系仍缺乏规律性的研究和验证.在我国最新颁布的国家标准《GB 50157—2013地铁设计规范》[16]中也未见有关地铁客室乘坐设备尺寸设置的相关标准或规范.现将我国与地铁座椅和扶手的尺寸设置相关的参考标准进行解读与对比.

地铁座椅尺寸配置的基本指标为座高、座深、座宽、靠背倾角和座垫倾角等.实测地铁B型车座椅的基本指标数据与其他的交通座椅国家标准的参数设置基本保持一致,如表1所示.

表1　座椅基本指标的相关设置参数对比Tab.1　Comparison of relevant setting parameters concerning basic seat index

参考标准1为汽车行业标准《QC/T 633—2009客车座椅》[17]、标准2为铁道行业标准《TB/T 3263—2011动车组乘客座椅》[18]、标准3为铁道行业标准《TB/T 3263—2011动车司机座椅》[19].由于我国地铁座椅多采用不锈钢等硬质材料,且无调节功能.因此,在满足基本指标的情况下,座椅与人体接触面的曲面特征对乘坐舒适性的影响相对更大.但以上标准中也均未提及座椅曲面的尺寸设置参数.

参考国家标准《GB 13094—2007客车结构安全要求》[20]中关于客车扶手参数设置的说明:“扶手或把手距地板高度应不小于800 mm,不大于1 900 mm,且二者中至少有一个距地板高度应不大于1 500 mm”.实测地铁B型车乘客站立区域扶手的吊环高度为1 700 mm、横杆高度为1 910 mm,这与客车扶手的参数设置要求并不一致.

鉴于此,本文以我国地铁B型车为例,基于人机工程学理论,围绕人的生理结构、心理尺度和地铁乘车设备的功能特征等因素,将地铁客室乘客乘车设备的人机系统分为“人-椅”和“人-扶手”两个子系统,并对不同身材特征的乘客在这两个子系统中的人机功能尺寸配置关系进行研究.

1.2　研究对象的选取原则

地铁客室“人-机”系统的研究对象为中国成年男、女性乘客.人体尺寸数据的采集以国家标准《GB10000—88中国成年人人体尺寸》[21]为依据.与其他最新的人体尺寸参考数据相比,该标准仍是现行中国人体尺寸数据最具权威性和通用性的参考依据.考虑到目前中国城市的发展进程和人口流动性大的特点,城市轨道交通工具要尽可能满足面向更加广泛的使用者群体.因此,本文基于工业产品的通用化设计原则,以全国18～60岁的人体尺寸数据为主要参考依据.实验测试的人体尺寸百分位数的选取原则,遵循我国国家标准《GB/T 12985—91在产品尺寸设计中应用人体尺寸百分位数的通则》[22],以百分位数PK(K∈N, 1≤K≤99)作为一种位置指标、一个界值.通常以第5百分位数P5代表“小身材”;以第50百分位数P50表示“中等身材”;以第95百分位数P95代表“大身材”.对于一般的工业产品,选用P95和P5作为尺寸上、下限值的依据,满足度可以达到90%,即适合使用的人群占总群体的90%.当考虑使用者的可达范围和安全距离时,则以P1为下限值、P99为上限值的参考依据.

2　“人-椅”系统曲面尺寸配置研究

对于不同身材特征的人体与座椅曲面功能尺寸的适配性关系,采用体压分布实验与5级主观评价量表相结合的方法进行研究.

2.1　体压分布测试指标

对乘客乘坐舒适度影响较大的地铁座椅曲面指标主要包括:腰靠纵向外凸圆弧,指座椅靠背腰部支撑垂直凸起厚度的圆弧面与座椅靠背纵向曲面相交曲线的曲率半径;座垫横向内凹圆弧,指座椅座垫左右对称面与其横向中点向内凹陷的圆弧面相交曲线的曲率半径.

对于相同材质的座椅,由于表面形状的差异,使得受压点数不同,测试数据也会产生相应的变化.能够体现座椅曲面特征,与座椅表面形状相关的体压分布指标有[23]:平均压力Pv、最大压力梯度Gm、平均压力梯度Gv和接触面积A等,计算公式为

(1)

式中:Np为受压点数；Pi为第i点的压力.

Gm=max(gradGc1, gradGc2, …, gradGcN),

(2)

式中:N为测点数;gradGcj(j=1,2,…,N)为测点的压力梯度.

(3)

式中:gradGsi为受压点的压力梯度.

(4)

式中:Ai为受压点的面积.

符合人体生理特点,形状分布较为合理的座椅曲面形态,接触面积相对较大,平均压力、最大压力梯度和平均压力梯度指标数值相对较小,同时人体坐姿感受也较为舒适.

2.2　人-椅接触面体压分布实验内容

如图1所示,制作地铁实验模型椅,以ΔR=10 mm为圆弧中点处垂直变化距离的等量级差,曲面测试范围取腰靠纵向外凸圆弧Rconvex 1～Rconvex 4(曲率半径分别为358、186、132 mm和108 mm),以及座垫横向内凹圆弧Rconcave 1～Rconcave 4(曲率半径分别为2 316、1 166、785 mm和600 mm).

(1) 使用美国Tekscan体压分布测试系统对不同曲面指标的人-椅静态压力分布情况进行实验测试,数据采集过程如图2所示.实验被试选择符合具有身材特征代表性的第P95、P50和P5人体尺寸的中国成年男、女性志愿者各5名,共10人.被试身高164.7±9.5 cm,体重59.3±12.4 kg.

(2) 实验过程中对于腰靠和座垫不同曲面弧度的舒适性体验,采用5级量表记录被试的主观评分,1分为极不舒适,5分为非常舒适.主观评测人员包括体压分布测试的被试在内共30人,其中男性志愿者18名,女性志愿者12名.被试身高165.4±9.4 cm,体重60.6±11.0 kg.

实验前身体健康,对测试内容知情同意,并签订实验志愿者协议.

图1　座椅曲面指标示意Fig.1　Sketch of seat surface index

图2　体压分布测试Fig.2　Body pressure distribution test

2.3　实验分析与结论

运用SPSS 19.0统计分析软件将体压指标Pv、Gm、Gv、A和主观评分分别作为因变量,将曲面指标以及被试的身高和体重分别作为因子,输入测量数据进行ANOVA(analysis of variance)分析.并将所有被试对不同曲面指标(Rconvex 1～Rconvex 4和Rconcave 1～Rconcave 4)的主观评分作为检验项目进行可靠性分析.结果显示:

在腰靠测试的ANOVA分析中,用P表示检验水平,F表示显著性差异的水平,腰靠纵向外凸曲面的变化对Pv(F=54.323,P=0)、A(F=91.841,

P=0)和主观评分(F=26.000,P=0)均有显著影响,而对Gm(F=2.570,P=0.075)和Gv(F=1.473,P=0.244)无明显影响;体重只对A(F=15.016,P=0.001)有显著影响,对Pv(F=1.630,P=0.213)、Gm(F=0.944,P=0.340)、Gv(F=1.223,P=0.279)和主观评分(F=0.375,P=0.545)均无明显影响;身高则对A(F=0.449,P=0.509)、Pv(F=1.863,P=0.184)、Gm(F=2.373,P=0.135)、Gv(F=0.463,P=0.502)和主观评分(F=0.494,P=0.851)均无明显影响;对30份主观评价量表的信度分析,Cronbach’s Alpha系数值为0.899>0.800,表明该量表的内在一致性非常好.

在座垫测试的ANOVA分析中,座垫横向内凹曲面的变化对Gm(F=4.063,P=0.017)、Gv(F=3.125,P=0.042)、A(F=78.306,P=0)和主观评分(F=3.423,P=0.031)均有显著影响,而对Pv(F=1.129,P=0.355)无明显影响;体重对Pv(F=71.432,P=0)和A(F=4.589,P=0.041)均有显著影响,对Gm(F=0.218,P=0.645)、Gv(F=3.769,P=0.063)和主观评分(F=1.863,P=0.183)均无明显影响;身高对Pv(F=30.763,P=0)、Gm(F=4.475,P=0.044)和Gv(F=11.291,P=0.002)、均有显著影响,而对接触面积A(F=1.251,P=0.273)和主观评分(F=0.207,P=0.653)均无明显影响;对30份主观评价量表的信度分析,Cronbach’s Alpha系数值为0.811>0.800,表明该量表的内在一致性较好.

将所有被试的座椅腰靠和座垫圆弧所测得的体压指标Pv、Gm、Gv、A以及主观评分等实验数据取均值(括号内为标准差(standard deviation, SD)),如表2所示.

2）农机化程度高。水旱田田间作业综合机械化率96%，其中旱田96.5%、水田95.3%，粮食（谷物）烘干能力可达粮食产量的20%，年农业航空作业面积已达 87.8万 hm2。

表2　地铁座椅曲面测试的实验数据Tab.2　Data concerning subway seat surface test

在分析所有被试的体压分布图时表明,虽然不同体型特征的被试在同一曲面下所测得的压力分布数值有所不同,但所有被试相对于不同曲面指标的压力分布总体变化规律是保持一致的.因此,在曲面指标变化规律的研究中选取其中一名P50被试的压力分布热图作为代表进行分析,如图3所示.

(a) 腰靠

(b) 座垫图3　座椅曲面指标对应的压力分布热图Fig.3　Pressure distribution heat-map corresponding to seat surface index

随着腰靠纵向外凸量由Rconvex 1至Rconvex 4逐渐递增,平均压力先减小后增大,在Rconvex 2时均值最小.接触面积先增大后减小,在Rconvex 2时均值最大.从图3(a)腰靠的压力分布热图上可以看到,腰靠曲面Rconvex 4由于凸出量过大导致腰部受力过于集中,座椅靠背与人体背部贴合度最差,被试坐姿主观舒适性评分均值最低.Rconvex 2与Rconvex 1和Rconvex 3相比贴合度最好,并且腰部受力也相对较为均匀,被试坐姿主观舒适性评分均值也最高.因此,座椅腰靠曲面在Rconvex 2(曲率半径为186 mm)时更贴近人体腰椎曲线特征,适用性最佳.

随着座垫横向内凹量由Rconcave 1至Rconcave 4逐渐递增,平均压力、最大压力梯度和平均压力梯度均是先减小后增加,Rconcave 3时均值最小.接触面积则逐渐增大,在Rconcave 4时均值最大.从图3(b)座垫的压力分布热图上也可以看到,座垫曲面Rconcave 1在坐骨结节处受力过于集中,与人体臀部和大腿的贴合度最小,被试坐姿主观舒适性评分均值最低.Rconcave 4虽然接触面积最大,但向内凹陷量较大反而导致坐面对乘客臀部和大腿两侧产生压迫感,不利于腿部姿态的调整,被试坐姿主观舒适性评分均值相对也较低.相比之下,Rconcave 3贴合度较好,且臀部和大腿受力更为均匀,被试坐姿主观舒适性评分均值也最高.因此,座垫曲面在Rconcave 3(曲率半径为785 mm)时更贴近人体臀部和大腿的曲线特征,适用性最佳.

3　“人-扶手”系统尺寸配置研究

3.1　扶手高度的测试范围

地铁扶手的使用体验主要取决于人体身高和手臂功能上举高(以下简称为“手功能高”)的差异,如图4所示.不同百分位人体身高和手臂功能上举高的数据分别在国家标准GB10000—88[21]和GB/T 13547—92[24]中可以直接获得.

图4　人体站姿身高和手臂功能上举高示意Fig.4　Sketch of stature and functional hand lift height in standing position

根据扶手的使用情况与人体身高和手功能高之间的关系,并遵循国家标准(GB-12985—91)[28]中的相关要求,得到测试高度的计算公式为

H1=h1+S+C1,

(5)

H2=h2+S+C2,

(6)

式中:H1为身高修正值;H2为手功能高修正值;h1为身高;h2为手功能高;S为穿鞋修正量,男性加25 mm,女性加20 mm;C为心理修正量,在式(5)中定义C1的取值使H1为略高于人体身高加穿鞋修正量的近似值,在式(6)中定义C2的取值使H2为略低于手功能高加穿鞋修正量的近似值.

3.2　扶手高度与站姿实验

扶手高度与不同百分位人体使用姿态的实验研究,采用虚拟仿真技术与真人评测相结合的方式进行分析.

(1) 在Jack人因工程软件中分别建立符合中国第P95、P50和P5人体尺寸特征的男、女性虚拟人各1名.根据我国地铁B型车的实际尺寸在3DMax软件中建立带有乘车设备的地铁客室三维虚拟模型(wrl格式文件),并将该文件导入到Jack软件中.设置虚拟人为单臂上举模拟使用吊环或横杆的标准站姿状态(如图4),然后在Jack软件中进行虚拟人舒适度评估分析.通过调整扶手高度,分别对第P95、P50和P5男、女性虚拟人使用扶手所形成的特定姿态进行舒适度评估,如图5所示.

表3　扶手测试高度的取值说明Tab.3　Value description for handrail height test

图5　JACK虚拟人使用扶手姿态的舒适度评估Fig.5　Comfort evaluation of handrail gestures of JACK virtual human

相关研究表明[25],舒适度与人体姿势密切相关,舒适度不仅是人体单一关节角度的作用,也是身体姿势(多关节)的整体作用.Jack软件的舒适度评估提供了包括对颈部(neck)、肩部(shoulder)、背部(back)、臀部(rump)、手臂(arm)、腿(leg)和总体疲劳(fatigue)等疲劳程度的评估.随着扶手高度的变化,舒适度评估中的疲劳指数与人体单臂及整体姿态的变化密切相关,疲劳指数是指衡量人体在该姿势下感到疲劳的程度,其数值可由Jack软件的Comfort Assessment模块直接计算得到.分析结果以0～80的无量纲的等级形式显示出来,数值越小表明该姿态下舒适度越好,反之则越差.

(2) 如图6所示,在模拟地铁客室1∶1的仿真实验室里,采用可调节高度的扶手测量设备进行真人测试.使被试脚尖位于扶手水平垂线位置,并保持单臂垂直上举抓握吊环或横杆的自然站姿5～10 min.通过5级量表分别记录不同身材的被试在使用扶手不同高度时疲劳感的主观评分,1分为非常疲劳和不适,5分为非常轻松和舒适.被试选择符合第P95、P50和P5人体尺寸特征的中国成年人志愿者共30人,其中男性16名,女性14名.被试身高163.7±9.2 cm,体重61.4±10.4 kg.实验前身体健康,对测试内容知情同意,并签订实验志愿者协议.

图6　扶手高度的使用测评Fig.6　Usage evaluation of handrail height

3.3　实验分析与结论

将不同测试高度下Jack虚拟仿真舒适度评估中虚拟人的手臂夹角、手臂疲劳指数和整体疲劳指数与30名真人被试的主观评分等实验测试数据取均值如表4所示(括号内为标准差SD).同时对30份主观评价量表进行信度分析,Cronbach’s Alpha系数值为0.839>0.800,表明该量表的内在一致性较好,符合要求.数据显示,随着扶手高度的增加,人体使用扶手的上臂与前臂向内的夹角逐渐增大,手臂疲劳指数也逐渐增大;整体疲劳指数先减小后增大,在吊环高度处于1 610～1 710 mm之间较小,随后逐渐增大.说明上臂与前臂夹角在75.2°～105.1°之间的抓握姿势使得整体姿态相对更为舒适;被试使用扶手的主观评分先增大后减小,吊环高度测试的评分均值在1 710 mm时评分最高;横杆高度在1 810～1 860 mm之间时评分均值表明仍在大多数被试可以接受的范围内,而大于1 990 mm时,则评分均值显示为较差.

表4　扶手高度测试的实验数据Tab.4　Data concerning handrail height test

结合扶手的设计原则进行分析,从“抓得到”的使用性角度考虑,扶手的设置必须保证绝大多数人能够正常抓握,吊环和横杆高度的设置应能分别满足不同身材群体的使用需求,特别是吊环的高度设置应首先保证“小身材”的人群能够抓得到.因此,吊环高度应不大于第P1女性的手功能高修正值1 710 mm;从“不碰头”的安全性以及影响通行的便利性角度考虑,在空间设置上横杆相对于吊环对安全性和通行性的影响更大,应首先保证横杆的高度设置使绝大多数人不会碰头.因此,横杆高度应不小于P99男性的身高修正值1 860 mm.

综合以上分析,吊环高度设置为1 710 mm时,既能保障P1女性能够正常抓握和绝大多数乘客相对轻松和舒适地使用,也能使部分身高不大于P50男性乘客无阻碍通行;横杆高度设置为1 860 mm时,既能保障身高不大于P99男性人群无阻碍通行,也能使部分身材不小于P50女性人群正常抓握.