长运距高速铁路列车旅客 乘车疲劳度研究

张艳梅，田志强，王 骁，陈亚清

（1.兰州交通大学 交通运输学院，甘肃 兰州 730070；2.中国铁路上海局集团有限公司 金华车务段， 浙江 金华 321000）

0 引言

近年来，高速铁路发展建设突飞猛进，其快速、便捷、安全的特性吸引着越来越多的人将高速铁路作为主要的交通出行方式，而铁路运输与航空、公路运输的竞争越来越激烈，提升铁路客运竞争优势就显得非常重要。随着社会的不断进步，人们的出行需求不仅仅局限于安全、快速、准时，也更多地关注交通工具能否提供一个舒适的旅程体验。因此，乘车疲劳度成为衡量出行方式舒适与否的一个重要指标。

国外对长运距旅客旅行舒适度的研究大多采取实验的方法，较早对铁路进行长运距高速列车舒适度研究的是德国的Sperling、法国的Maujin及英国的Loach，初期重点从列车平稳性的角度考虑旅客乘坐的舒适性进行研究。随着对车体、线路的不断升级改造，开始注重高速列车内各项服务设施以及车厢内环境氛围的改善，如通过车厢内的照明色彩调节以缓解旅客的视觉疲劳，对于车体结构材料的选用以考虑列车内气密性为主，在转向架上增加悬挂装置以减少列车运行过程中的振动等[1-2]。

随着我国高速铁路运营里程的不断增加，国内学者也开始从不同的角度分析影响旅客乘坐长运距高速列车舒适度的因素，主要包括噪声、振动、气压变化、座椅设计、车厢内空气环境质量等，采用的研究方法有实际测量和问卷调查，通过对所得数据进行分析比较，最终得到长运距高速铁路列车舒适度评价体系。施红生等[3]选择京沪高速铁路(北京南—上海虹桥)、武广客运专线(武汉—广州南)运营的5种车型14个车次的列车，在冬夏季节高峰客流时段测试车内的热环境、空气品质、空气瞬变压力、噪声、振动、照明等指标，并对6 210名旅客进行长运距高速列车乘车舒适度问卷调查，提出我国高速动车组列车车内环境技术条件的设置标准。魏峰等[4-5]以旅客的生理、安全、行为、心理和审美为出发点建立了基于旅客需求分析的长运距高速列车旅客座椅舒适度评价指标体系，运用模糊层次分析法构建了座椅舒适度的综合评价模型，并以此作为列车座椅设计的参考依据。

综上所述，国内外对于长运距高速列车舒适度的研究主要围绕通过建立评价体系对列车进行改进，但评价标准尚未达到统一。而对于长运距高速列车旅客疲劳度来说，评价标准只能判定是否符合标准，而无法对长运距高速列车旅客疲劳度进行定量分析。为此，在现有研究成果的基础上，通过分析长运距高速列车旅客疲劳度影响因素，建立长运距高速列车疲劳度评价体系，并量化计算各因素影响程度。最后，结合长运距高速列车疲劳度评价进行实例分析并提出改进意见，为旅客提供更舒适的乘车体验。

1 长运距高速铁路列车疲劳度指标权重计算

层次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)是将与决策有关的元素分解成目标、准则、方案等层次，在此基础上进行定性和定量分析的决策方法。采用层次分析法，首先要把问题层次化，将问题分解为不同的组成因素，并按照因素间的相互关联影响以及隶属关系将因素按不同层次聚集组合，形成一个多层次的分析结构模型，最终确定最低层相对于最高层的重要性权值或相对优劣次序的排序[6]。计算步骤：①对构成评价问题的目标(准则)及因素等要素建立多级递阶结构模型；②在多级递阶结构模型中，对属于同一级的要素，利用上一级的要素为准则进行两两比较后，根据判断尺度确定其相对重要度，并据此建立判断矩阵；③计算各层元素对系统目标的合成权重，进行总排序，以确定递阶结构图中最底层各个元素在总目标中的重要程度；④得到指标权重计算结果。

长运距高速铁路列车旅客乘车疲劳度主要由乘车时间、乘车空间环境、车厢内空间环境、物理因素及个性化服务5个因素决定，为了准确地体现各项指标在计算长运距高速铁路列车旅客疲劳度时的贡献，采用层次分析法确定各个指标的相对权重[6]，在利用层次分析法进行系统决策时，首先需要构建层次模型，长运距高速铁路列车旅客乘车疲劳度系统设计结构图如图1所示。

采用调查问卷的方式获取各影响因素的得分率或选择频率作为构造判断矩阵的数据依据，得分率或选择频率越高，则表明该因素对长运距高速列车旅客乘车疲劳度的影响越大。以长运距高速列车旅客疲劳度指标体系为基础，通过设计网上调查问卷的方式确定各个影响因素的权重，以AHP的判断尺度为基础建立新的评分标准，判断尺度定义表如表1所示。

图1 长运距高速铁路列车旅客乘车疲劳度系统设计结构图Fig.1 System design structure of passenger fatigue system for long distance high speed train

表1 判断尺度定义表Tab.1 Judgment scale definition

根据调查问卷结果可知：影响长运距高速列车旅客乘车疲劳度的因素依次为乘车空间环境、车厢空气环境、物理因素及个性化服务，旅客对4类因素的选择频率如表2所示。

表2 旅客对4类因素的选择频率Tab.2 Frequency of passenger selection of four major factors

利用层次分析法中的“和法”进行影响因素的权重计算，最终得出各项因素权重结果如表3所示。由表3可知，影响长运距高速列车旅客疲劳度的各项因素中，车厢空间环境所占比率最大，物理因素和车厢空气质量其次，个性化服务所占比率最低。在车厢空间环境影响因素中，车厢的空间大小及空间布局是其主要影响因素；在物理因素中，湿度对旅客的影响最大；在车厢空气质量影响因素中，空气瞬间压力变化对车厢空气质量起主要作用。

表3 各项因素权重结果Tab.3 Results of each factor weight

2 长运距高速铁路列车旅客疲劳度影响因素评价值的计算方法

2.1 乘车时长系数

对于选择高速铁路出行的旅客来说，乘车时间长短是影响长运距高速列车旅客乘车疲劳度的关键因素，在此将乘车时间作为各项因素对长运距高速列车疲劳度的影响系数。通过对乘车时间与长运距高速列车疲劳度关系的问卷调查结果，利用MATLAB对数据进行拟合，得到乘车时间与长运距高速列车疲劳度的函数关系如公式 ⑴ 所示，长运距高速列车乘车时长与疲劳度的关系曲线如图2所示。

式中：p(t)为乘车时长影响长运距高速列车疲劳度的评价值，h；t为乘车时长，h。

图2 长运距高速列车乘车时长与疲劳度的关系曲线Fig.2 Curve of relationship between length of riding time and fatigue degree of long distance high-speed railway

2.2 乘车空间环境因素

根据调查结果，影响长运距高速列车座椅舒适度的主要因素是前后座椅间距，长运距高速列车车厢空间舒适度可以由车厢拥挤度来表示，决定因素是车厢定员和车厢满载率。

目前我国高速铁路座椅间距主要有860 cm，1 020 cm，1 080 cm，1 160 cm和1 900 cm等多种[7]，按长运距高速列车疲劳度10为衡量尺度，不同座椅间距对长运距高速列车疲劳度的影响如表4所示。

表4 不同座椅间距对长运距高速列车疲劳度的影响Tab.4 Effect of different seat spacing on fatigue degree of long distance high-speed railway

车厢内拥挤度的计算公式为

式中：p(c)为车厢拥挤度影响长运距高速列车疲劳度的评价值，人/m3；N为车厢定员人数，人；∂为车厢满载率，%；a为车厢长，m；b为车厢宽，m；c为车厢高，m。

还需要对不同拥挤度对应的长运距高速列车疲劳度值进行定义。根据各动车组车型的定员情况，以及我国高速铁路车体长、宽、高技术参数，长运距高速列车不同拥挤度对应的疲劳度如表5所示。

表5 长运距高速列车不同拥挤度对应的疲劳度Tab.5 Fatigue degree of long conveying distance high speed railway corresponding different congestion degree

2.3 车厢空气环境因素

一般来说，环境温度与湿度对人体的影响用长运距高速列车人体舒适度来表示，同样，车厢内的温度与湿度对旅客产生疲劳感的影响也可以由此表示，计算公式为[8]

式中：p(h)为长运距高速列车人体舒适度；T为车厢内温度，℃；S为车厢内相对湿度，%。

根据长运距高速列车舒适度的等级定义[9]，长运距高速列车舒适度指标与疲劳度的对应关系如表6所示。

2.4 噪声因素

在描述噪声对人体的影响程度中，引入噪声冲击这个物理量，针对高速动车组列车车厢这一特殊环境，计算公式为[10]

式中：p(n)为噪声影响长运距高速列车疲劳度的评价值，dB (A)；W为声级的计权因数；N为车厢定员人数，人；∂为车厢满载率，%。

根据我国动车组定员情况，可以将p(n)与长运距高速列车旅客疲劳度一一对应，p(n)与长运距高速列车疲劳度关系如表7所示。

表6 长运距高速列车舒适度指标与疲劳度的对应关系Tab.6 Relationship between comfort index and fatigue degree of long distance high-speed train

表7 p (n)与长运距高速列车疲劳度关系Tab.7 Relationship between p (n) and fatigue degree of long distance high-speed train

在计算振动指标时，可以利用Sperling评价指标[11]体系对振动引起旅客疲劳影响进行计算，计算公式为

式中：p(v)为振动影响长运距高速列车疲劳度的评价值，mm/s2；a为加速度，cm/s2；f表示振动频率，Hz；F(f)表示与振动频率相关的加权修正系数。

根据振动指标等级，长运距高速列车振动指标与疲劳度对应结果如表8所示。

2.5 个性化服务因素

通过分析问卷调查结果，旅客对乘车过程中提供的个性化服务主要有休闲娱乐服务、Wi-Fi服务、电源插座服务等，个性化服务可以有效缓解旅客乘车过程中产生的疲劳感，因而可以通过增加列车的个性化服务数量来减少长运距高速列车旅客疲劳度[12]，计算公式为

表8 长运距高速列车振动指标与疲劳度对应结果Tab.8 Corresponding results between vibration index and fatigue degree of long distance high-speed train

式中：p(s)为个性化服务影响长运距高速列车疲劳度的评价值；c9，c10，c11为各项指标权重；ni为是否提供个性化服务i，i取1，2，3。

2.6 旅客乘车疲劳度

利用问卷调查法和层次分析法确定各项影响因素及其对应评价指标权重，分析各个影响因素对长运距高速列车旅客疲劳度的影响，得到长运距高速列车旅客乘车疲劳度的量化计算公式如下。

式中：P为长运距高速列车旅客疲劳度综合指标评价值；b1，b2，b3，b4为各个疲劳度影响因素权重；c1，c2，c6，c7为各项影响因素评价指标权重，p(t)，p(d)，p(c)，p(h)，p(n)，p(v)，p(s)为各项影响因素评价值。

3 实例分析

为了验证所提出的长运距高速列车旅客乘车疲劳度计算方法，以2018年10月29日京沪高速铁路和哈大高速铁路(大连北—哈尔滨西)线路上运行的高速列车为例，比较两者长运距旅客乘车疲劳度的差异，京沪高速铁路与哈大高速铁路各指标参数(以二等座为例)如表9所示。

目前我国开行的高速动车组列车内的空气环境由动车组列车内的空调系统控制，车厢内的温湿度都控制在人体舒适范围内，因而两者在空气指标层面对长运距高速列车旅客疲劳度影响的差异并不大，可近似认为相同，这里以夏季温度为24.5℃、相对湿度为65%；冬季温度为19℃、相对湿度为40%作为计算长运距高速列车疲劳度的数据；在长途旅行中，列车提供的针对旅客需求的服务能够有效缓解旅客在乘车中的疲劳感，主要有休闲娱乐服务(如电视、书刊)、Wi-Fi服务、便利的电源插座等。CRH380BG与CR400AF 2种车型的座椅下方均配有电源插座，在服务上的差别主要为CR400AF提供了Wi-Fi覆盖功能。CRH380BG与CR400AF疲劳度值对比如表10所示。

表9 京沪高速铁路与哈大高速铁路各指标参数(以二等座为例)Tab.9 Index parameters of Beijing-Shanghai High-Speed Railway and Harbin-Dalian High-Speed Railway (take second level seats as an example)

表10 CRH380BG与CR400AF疲劳度值对比Tab.10 Comparison of fatigue values between CRH380BG and CR400AF

由表10可知，CR400AF复兴号的长运距旅客疲劳度值较小，乘车环境更好。2列高速列车的差别主要在于旅行耗时、个性化服务质量以及车厢座椅的空间大小层面上。针对以上3个主要因素提出以下改进意见。

（1）在满足线路运行和客流条件下，适当提高列车运行速度，减少列车停站次数和停站时间，减少列车旅行耗时，可以在很大程度上缓解旅客乘坐长运距高速铁路列车引起的疲劳感。

（2）提高动车组列车的个性化服务质量，可以有效缓解旅客在长时间乘车过程中产生的无聊感和疲劳感。

（3）在改善座椅空间的问题上，需要以各地区的客流特性为基础，对座椅间距进行适当扩充，也可以通过座椅设计的改善为旅客提供更舒适的乘车体验。

4 结束语

通过对长运距高速铁路列车旅客乘车疲劳度的计算方法进行研究，并以此作为评价我国现阶段开行动车组列车舒适性的依据，结合长运距高速列车旅客疲劳度结果的量化分析及旅客舒适性需求变化情况，可以合理解决旅客乘坐疲劳问题，为高速铁路更好地满足旅客出行需求提供理论支撑。目前研究仅从旅客感知的角度展开分析，对于旅客、高速列车、线路质量与乘车环境总体性能及运营管理之间的相互影响关系并未作系统探讨。另外，随着动车组列车各方面性能的不断完善和铁路运输企业服务水平的不断提高，在高速列车不同运行状态的基础上，进一步完善长运距高速列车旅客疲劳度计算公式体系和权重标定方法还有待深入研究。