基于乘员心率变异性的纯电动公交车乘坐舒适性主观评价研究

邵琪，李园园

基于乘员心率变异性的纯电动公交车乘坐舒适性主观评价研究

邵琪1，李园园2

（1.长安大学 汽车学院，陕西 西安 710000；2.中国航空工业第一飞机设计研究院，陕西 西安 710000）

为研究纯电动公交车乘员的乘坐舒适性，文章对不同实验人员乘坐公交车时座椅位置的三向加速度和乘员的心率进行数据采集。采用样本熵的方法进行HRV分析，随着乘员不舒服程度的增加，归一化后的SampEN呈递增趋势，表明偏离人体正常生理状态的程度增大，人体系统内部不规则性增强。

乘坐舒适性；心率变异性；样本熵

引言

随着居民生活质量的提高，人们对高水平乘坐舒适性的需求也日益增长，而公交车作为人们日常生活中重要的交通工具，其乘坐舒适性越来越受到人们的重视。当人体长期处于较强烈的振动和噪声等不利环境下时，乘客的乘坐舒适性快速下降，严重时危害乘客身体健康，因此，提高公交车的乘坐舒适性是必要的[1-3]。

心率变异性（Heart Rate Variability, HRV）描述的是连续的心跳间隔或RR（inter-beat interval）间期之间的变化。

B.Lee研究发现在模拟驾驶环境下，随着心率的增加，SDNN、RMSSD和pNN50参数从静息状态开始降低，随着车速的提高，除心率降低外，其余均呈增加的趋势；在实际道路驾驶过程中，心率随应激程度的增强而增加，SDNN、RMSSD、pNN50呈下降趋势，其中心率的敏感性最高，夜间驾驶时心率较低，pNN50、SDNN和RMSSD值较高，在短期试验中HRV的频域参数无明显变化[4]。X.Li在研究在草原公路景观单一的场景下，驾驶员生理指标与驾驶时间的关系时发现，随着驾驶时间的增加，驾驶员的心率和心率增长率均呈现下降趋势[5]。

西安建筑科技大学的朱文强在研究高速公路的不同路段对驾驶员心率增长率的影响时发现，在小半径平曲线路段和平直路段，驾驶员心率与道路圆曲线半径间呈现二次函数关系，不同的是随道路圆曲线半径的增大，小半径平曲线路段驾驶员心率增长率先增大后减小；平直路段则刚好相反，心率增长率呈现先降低后升高的趋势；在纵坡路段中，随坡度的增大，驾驶员心率增长率与坡度呈二次方关系增大；在弯坡组合路段中，驾驶员心率增长率随道路线形组合指标的增大而线性增大[6]。

本文将心率变异性分析引入到乘员乘坐舒适性评价中，对某纯电动公交车在整个运行线路上，同步采集座椅处车辆振动响应加速度、乘员主观感受和乘员的生理信号，通过对某区间振动响应加权加速度均方根值和相对应的乘员心率变异性的分析，结合乘员主观感觉，对乘坐舒适性评价开展更加客观的深入研究。

1 乘坐舒适性评价研究理论基础

根据国际标准ISO 2631—2009总加权加速度均方根值a与人体主观感觉的关系对乘坐舒适性进行评价，具体对应如表1所示[7]。

表1 总加权加速度均方根值与人的主观感觉之间的关系

总加权加速度均方根值av/（m/s2）人的主观感觉 <0.315没有不舒服 0.315～0.63有些不舒服 0.5～1比较不舒服 0.8～1.6不舒服 1.25～2.5很不舒服 >2极不舒服

2 实际场景的乘员乘坐舒适性信号采集与分析

2.1 基于实际场景的信号采集准备

本次采集使用吉利远程E12纯电动公交车，采集人员为身体健康的男性在校研究生。车辆运行线路是以长安大学渭水校区为始发站，西安火车站为终点站的214运行路线，该运行路线行驶里程适中，单程长度为17.5 km。

使用设备：笔记本电脑一台；乘员心电采集设备：心率带和Acqknowledge数据采集软件；振动加速度采集设备：电容式三轴加速度传感器、分线盒、DT9837数据采集仪和Dewesoft数据采集软件。

2.2 非线性分析方法

2.2.1样本熵

在HRV分析中，主要应用的是样本熵和近似熵。样本熵（SampEn）是一种以Takens定理为基础理论发展而来的RR间期时间序列相空间表示方法。样本熵算法表述如下：

（1）设有长度为的时间序列(1)，(2)，(3)，...，()，规定一个表示相似度比较的阈值，再确定一个划分子序列长度的度量。

（2）通过将原序列进行重构，这样就可以得到(−+1)个子序列(1)，(2)，(3)，…，(−+1)，将每个子序列以()表示如式（1）所示，式中=1，2，…，−+1。

()=[()，(+1)，(+2)，…，(+-1) ] （1）

（3）计算任意两个重构向量()和()之间的距离[(),()]，其中表示两个重构向量() (1⩽⩽−+1)与()之间的距离，由两个向量中对应位置元素的最大差值决定，且≠。

[()，[]]=max{|u+k−u+k||=0，…，−1} （2）

（4）然后统计满足以下条件的向量个数，并求出与总的统计数目之间的比值B()：

(()，() <（3）

式中，B()为任意一个()与模板之间的匹配概率且()≠()，所以总的统计数就是，此过程称之为()的模板匹配。

（5）求B()对于每个的平均值，也就是平均相似率，记为B()：

按照步骤（1）—（5），计算+1时的平均相似率B+1()，当取有限值时，有样本熵：

（6）参数选择：嵌入维数一般选取1或2；相似容限的选择在很大程度上取决于实际应用场景，通常选择=0.1∙～0.25∙，其中表示原时间序列的标准差。

样本熵数值的大小表征系统规则性的强弱，样本熵值越大，表明系统的不规则性越强，越趋于随机状态，所包含的频率范围越广泛，机体的适应能力越强；相反，样本熵值越小，说明系统规则性越好，信号越近似于周期性，蕴含的频谱范围越窄，机体的适应能力显著降低。

3 纯电动公交车乘坐舒适性主观评价与HRV指标

主观评价是评估乘坐舒适性最为直接的评价方法，以表1中的主观感觉分类等级为依据，进行乘员乘坐纯电动公交车的舒适性主观评价，结果如表2所示。

表2 乘员乘坐舒适性主观评价结果

乘员主观评价乘员样本编号 没有不舒服5、10、13和14 一些不舒服3、4、8、11和12 比较不舒服2、6、7和9 很不舒服1

为扩大样本容量，采取如式（7）所示的归一化方法，消除不同乘员间和乘员不同乘车状态HRV的个体差异。

式中X表示归一化后的HRV指标，X表示乘员在不同乘车状态下不同站点的HRV指标，X表示乘员在站姿或坐姿状态下静息时的HRV指标。

在归一化后的HRV指标中SampEN最能反映乘员的主观评价，SampEN作为非线性分析结果的一种，更加符合人体HRV信号非平稳和非线性的本质特征，能够有效地反映人体对外界发生突变的应对能力即适应性，不同乘员样本归一化后的SampEN三次拟合曲线如图1所示。

由图1可知，当乘员主观评价为没有不舒服的感觉时，归一化后的SampEN三次拟合曲线小于0.2，且样本点均匀分布在曲线附近；当乘员主观评价为有一些不舒服时，归一化后的SampEN三次拟合曲线处在大于0.2，小于0.4的范围内，且样本点分布相对有一些分散；当乘员主观评价为比较不舒服时，归一化后的SampEN三次拟合曲线大部分处在大于0.2，小于0.4的范围内，部分样本点高于0.4，且样本点分布更加分散；当乘员主观评价为极度不舒服时，归一化后的SampEN三次拟合曲线处在大于等于0.4的范围内，且样本点分布最为分散。

图1 归一化后的SampEN三次拟合曲线

4 结论

由图1可知，随着乘员不舒服程度的增加，归一化后的SampEN呈递增趋势，表明偏离人体正常生理状态的程度增大，人体系统内部不规则性增强。同时样本点的分散程度也随着乘员不舒服等级的提升而逐渐增加，说明人体内部的平衡调节能力逐步减弱。

[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.

[5] Li X,Zhu S.Analysis of driver's ECG signal based on the prairie road environment with limited speed driving[C]//2011 International Con- ference on Electric Technology and Civil Engineering (ICETCE). IEEE,2011: 6441-6445.

[6] 朱文强.基于驾驶员生理特性的高速公路连续长坡路段线形研究[D].西安:西安建筑科技大学,2018.

[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，长安大学汽车学院车辆工程硕士研究生。