高速列车座椅舒适性多维评估方法研究

庞世俊，王 金，支锦亦，魏 峰

(1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司 高速列车系统集成国家工程研究中心，山东 青岛 266111； 2.西南交通大学 建筑与设计学院，四川 成都 610031；3.西南石油大学 机电工程学院，四川 成都 610500)

高速列车座椅舒适性研究主要包括座椅舒适性影响因素、舒适性评估方法、舒适性提升方法等。座椅舒适度的评价方法主要有主观评价和客观评价2种。主观评价主要包括问卷法、量表评分法、访谈法[1-2]。舒适度主观评价跟被调查者的生理、社会经济背景和经历相关，存在较大的主观性。客观评价主要是通过仪器设备获取被试者与乘坐状态相关的生理数据，主要包括体压分析[1]、肌电分析、行为观察等。客观评价难以对座椅的美学、情感等属性进行独立的评价。因此座椅的操作性能和在座椅上旅客活动的舒适性等动态行为难以通过单一的评估方法进行舒适性评估。单一的评估方法只能从特定方面反映座椅某方面的舒适性特征，不能全面地反映座椅属性。

本文采用量表评分法、体压测试法、访谈法形成的多维评估方法挖掘影响高速列车座椅舒适体验的因素，以期为座椅的舒适度优化提供参考。

1 座椅评价方法研究

1.1 主观评价方法

1.1.1 量表评分法

量表评分法是针对评价目标，以直觉判断为主，按一定的打分标准作为衡量评定优劣的尺度的一种定量评价方法。多指标评价任务需要先对每个指标进行打分，然后再经赋权求和获得方案的整体评价，或者通过差异比较方法对某个指标的舒适性评价进行差异显著性比较以获得方案的舒适性优劣。常用的量表评分法有李克特量表法。

1.1.2 访谈法

访谈法是了解用户体验和感受最直接的方法之一，分为单人访谈和集体访谈(焦点小组)。在相关座椅舒适度评价研究中，访谈法搭配其他评价方法，作为量表评分法或者客观评价方法的补充[1，3]，了解乘客在座椅使用过程中的整体舒适感受，获取量表评分未涉及到的动态操作和多个属性的综合舒适性，收集乘客对座椅设计的改进建议。

1.2 客观评价方法

体压测试法是通过压力传感器获取人体和座椅表面之间的压力分布情况来判断座椅的舒适性。最大压力、压力梯度、平均压力及最大压力的位置被用以描述座椅的压力分布[4]。也有研究指出最大压力梯度、平均压力梯度的计算量较大且没有太大的实际意义[5]。在坐姿情况下，人体的重量必须由座椅来承担，大腿、臀部以及背部则是支撑人体重量的关键部位，文献[6]研究了针对这些部位的压力分布状况来判断座椅舒适性，指出合理的压力分布并不是压力平均分布，而是根据人体骨骼和肌肉受力特征存在一定梯度。图1为理想体压分布图：(1)座面压力在坐骨结节处最大，并由此向外逐渐减小，大腿下面的压力最小；(2)靠背压力在肩靠和腰靠处最大，并沿两点向外逐渐减小；(3)座面和靠背的压力分布应左右两边对称且均匀分布。

图1 理想体压分布图

2 评价模型

构建由量表评分法、体压测试法、访谈法3种评价方法所组成的多维评价模型对座椅的舒适性进行评价。3种评价方法从不同的角度反映座椅3个层面的舒适性。量表评分法评估座椅零部件及单个属性的舒适性。体压测试法评估座椅对于人体的支撑和压力缓释等整体体感舒适性，并结合访谈法获取座椅操作或围绕座椅的乘客行为的动态舒适性以及量表评分法和体压测试法未能涉及的舒适性问题。模型结构见图2。

图2 座椅多维舒适性评价模型

2.1 量表评估

2.1.1 指标体系

座椅舒适性评价是一个多层次、多因素的综合评价问题。本文基于层次分析法构建座椅舒适性评价的指标体系，包括：座椅整体舒适性为目标层；物理尺度、功能与操作、安全性、心理需求、美学5个准则层；对准则层因素进行指标细化形成35个指标的指标层。

2.1.2 问卷设计及问卷调研

根据指标体系构建座椅舒适性调查问卷，问卷题项按照层次原则构建。其中指标层属于测量题项，是问卷中需要被试者评价的部分；准则层属于潜在题项，其舒适性评价需要通过指标层题项赋权求和得到。问卷采用百分制量表形式对座椅指标层指标的舒适性进行打分。被调研者尽量按照5%～95%人体百分位尺寸的正态分布比例进行选取。

2.1.3 权重计算

座椅指标权重评价具有模糊性，因此采用模糊评价方法。将每个准则层因素所含指标看做一个集合U，U=(U1，U2，U3，…，Um)，将集合U中的指标Ui对Uj的相对重要程度记为uij(i=1，2，…，m，j=1，2，…，m)，结合saaty的1～9级重要性标度法将模糊子集U中的各因素相对于上一层中的重要程度进行比较，从而构建出判断矩阵V如式(1)所示：

(1)

式中：m——集合U中指标的个数。

计算矩阵V的特征向量的近似值W[7]，即集合U中各指标的权重。特征向量W=(w1,w2,…，wm),同时利用特征向量W的理论最大特征值λmax与n之差检验权重的一致性，一致性指标包括CI、CR，计算公式见式(2)、式(3)。当CI<0.1，CR<0.1时，判断矩阵一致性是否可接受，否则重新调整判断矩阵。

(2)

(3)

式中：CI——一致性指标;

RI——随机一致性指标;

CR——一致性比率。

2.1.4 准则层舒适性

准则层指标的舒适性评价作为潜在题项，不能通过问卷调查直接获取，其舒适性评价需要通过指标层指标的舒适性评价赋权求和得到，座椅整体的舒适性则通过准则层指标的舒适性评价赋权求和得到。

2.2 体压评估

在待测试座椅座面和靠背放置分体式的Tekscan压力传感器，分别测试座面和靠背的体压分布。按照5%～95%的人体百分位选取数名被试者坐在待测试的座椅上并调整坐姿至舒适状态，记录被试者体压分布图、峰值压力及平均压力。

2.3 访谈反馈

调查者和被访谈者采用一对一访谈形式就座椅的舒适性体验进行交流。被访谈者结合高速列车乘坐经历，对座椅辅助功能模块的可操作性以及围绕座椅的动态行为和其他不舒适的乘坐经历进行体验反馈。

3 实例研究

3.1 评估对象

采用某型高速列车一等座座椅进行座椅舒适性实体评估，该座椅的外观尺寸如图3所示。

图3 某型高速列车一等座座椅外观尺寸

3.2 主观评估结果

3.2.1 座椅准则层权重

通过专家评分对各准则层指标所含指标层指标的相对重要性以两两比较的方式作出判断，根据公式(1)计算得到座椅指标体系中指标层指标的权重，其中物理尺度、功能与操作、安全性、心理需求、美学指标所含指标层指标的一致性检验均达到要求。同样通过专家评分获得准则层指标物理尺度、功能与操作、安全性、心理需求、美学的相对重要性，并通过公式(1)计算得到座椅指标体系中准则层指标的权重。通过式(2)、式(3)计算得到各指标层权重和准则层权重的λmax、CR值。

物理尺度：

W=[0.210 1, 0.210 1, 0.210 1, 0.095 3, 0.059 4, 0.059 4, 0.059 4, 0.036 2, 0.036 2, 0.024 0]

λmax=10.167 8

CR=0.0125

功能与操作：

W=[0.263 3, 0.263 3, 0.140 2, 0.097 7, 0.066 0, 0.042 3, 0.042 3, 0.042 3, 0.027 5, 0.015 1]

λmax=10.381 5

CR=0.028 5

安全性：

W=[0.484 5,0.296 7,0.109 4, 0.109 4]

λmax= 4.020 6

CR=0.0076

心理需求：

W=[0.379 8,0.222 8,0.222 8, 0.129 6, 0.044 9]

λmax=5.064 8

CR=0.0145

美学：

W=[0.433 9, 0.211 0, 0.130 6, 0.130 6, 0.055 9, 0.037 9]

λmax=6.149 5

CR=0.024 1

准则层：

W=[0.419 0,0.266 6,0.164 3, 0.102 3,0.047 8]

λmax=5.098 6

CR=0.022 0

计算结果显示，指标层、准则层均达到CR<0.1，可见座椅指标层、准则层权重通过一致性检验。

3.2.2 座椅准则层因素的舒适性评价

对指标层指标的舒适性评价进行赋权求和得到准则层因素的舒适性评价，然后对准则层因素的舒适性评价进行赋权求和得到座椅整体的舒适性主观评价。评价结果见表1。

表1 座椅整体的舒适性主观评价结果

3.3 体压评估结果

3.3.1 体压分布测试图

选取6名被试者，其体压分布图见图3。所有被试者的座面体压分布图均显示：坐骨结节处的压力最大，并向四周逐渐减小，大腿处的体压最小，体压分布图大致呈左右对称。座椅靠背的体压分布显示被试者2、3、5、6在腰靠部分、肩胛部分的体压缺失，表明座椅对大部分人的腰靠支撑以及肩胛支撑存在不足。

图4 体压分布图

3.3.2 体压测试数据

6名被试者的坐面和靠背体压数据详情见表2。

表2 不同被试者的体压数据 kPa

通常情况下，峰值压力和平均压力越小，座椅的体感舒适性越好。表2的数据显示，坐垫的峰值压力均值和平均压力均值均处于较低的水平，座椅的体感舒适性较好。

3.4 访谈评估结果

对被访谈者的乘坐体验反馈进行高频意见总结，主要包括座椅前后间距、座椅靠背后小桌板操作、电源插座使用3个方面。

4 评估结果分析和改进意见

4.1 量表评估分析

座椅的准则层因素中物理尺度、功能与操作的舒适性评价值较低，原因是物理尺度、功能与操作指标的权重相对较大，因此导致座椅整体舒适性评价值较低。量表评估结果一定程度上反映了体压评估和访谈评估结果：座椅物理尺度评价值低反映了座椅在腰靠和肩胛上的支撑不足，功能与操作的评价值低反映在小桌板和电源插座的操作使用有待改进。

4.2 体压评估分析

腰靠支撑和肩胛支撑的缺失作为高速列车和民用飞机等出行交通工具座椅普遍存在的问题被广泛研究。腰部支撑和肩胛支撑可以降低靠背压力水平，提升乘坐舒适性，30 mm是最佳的腰椎支撑量[8]。同时根据人体曲线轮廓开发座椅的靠背曲面也能够提升乘坐舒适性[9]。

4.3 访谈评估分析

4.3.1 座椅前后间距

座椅前后间距主要涉及腿部空间和靠窗旅客进出座位的通行空间两方面。按照GB 10000—1988《中国成年人人体尺寸标准》提供的人体各统计数据，并结合近年来人体身高增长的趋势及欧美人群与亚洲人身体尺寸的差异性，构建模拟人体对一等座座椅前后间距的人机尺寸进行分析，尺寸如图5所示。

图5 座椅间距示意图

经分析，座椅前后间距满足大部分旅客对于腿部活动空间和外出通行的空间需要。

4.3.2 小桌板人机分析

小桌板的舒适性反馈主要集中在小桌板的高度、外形尺寸以及承重安全性。图6为小桌板操作示意图。

图6 小桌板操作示意图

为了满足不同人体百分位乘客对小桌板的使用，在小桌板高度不可调状态下，小桌板下空间要满足第95男性百分位乘客大腿空间需求，因此小桌板底端高度应高于第95百分位男性乘客坐姿状态下的大腿面高度。同时考虑到不同乘客臂长差异，小桌板设置为可抽拉式，有研究提出小桌板应设置50 mm的抽拉数值才能满足5%～95%的不同百分位乘客使用[10]。鉴于小桌板使用功能的多样化，小桌板的最大受力程度需要增加，TB/T 3263—2011《动车组乘客座椅》对于小桌板的向下载荷值要求达到750 N(约76.5 kg)。

4.3.3 插座使用

插座安装在座椅底座上，距离地板面190 mm。插座布置如图7所示。目前插座的布局位置有2个问题：一是位于座椅前下端的插座处于视线盲区，部分乘客不知道座椅下方插座的存在，且不方便将电源插头插入处于视线盲区的插孔；二是位于前方座椅底座后端的电源插座，如果在间距较小或者前方座椅靠背调至最大倾角时，身体向前弯曲将插头插入插孔的过程中，头部容易碰到座椅，也会形成视线盲区。

因此，插座布局在可见性和可靠性操作上需要优化。当前高速列车座椅需要利用标志或者文字提示旅客座椅下方插座的存在及其具体位置，避免通过手部触摸去发现插座位置的不安全行为。下一代高速列车座椅需要优化插座的布局位置和插座类型，增加USB充电插座，提高插座距离地板面的高度，将插座布局在前方座椅靠背后部或者小桌板端部，使插座可见，插拔过程可靠且方便。

图7 高速列车座椅插座布置及使用示意图

5 结束语

为全面评价高速列车座椅的舒适性，发现座椅舒适性体验中存在的问题，本文提出了包含主观评价和客观评价相结合的多维舒适性评估方法，3种评估方法相互补充用于评估座椅不同层面的不同属性，既可定量评估座椅单个零部件和单个属性的舒适性，也反映了座椅整体舒适性和围绕座椅操作行为的动态舒适性，并依据评价结果为高速列车座椅的舒适性优化提出了改进建议。多维舒适性研究方法和研究结论为高速列车的舒适性评价和提升提供了方法参考。