地铁乘员不同站姿方式的舒适性研究

孙效杰，陶 强，代晨曦，赵宇伦

（上海应用技术大学轨道交通学院，上海 201418）

1 研究背景

随着我国城市轨道交通的快速发展，地铁已成为人们出行的主要交通工具。地铁作为大容量、短距离通勤工具，乘员大部分时间都是站立的，特别是上下班高峰时段。乘员长时间站立在不断振动的地铁环境中，会给乘员的舒适性带来负面影响。因此在乘坐地铁时，如何科学、合理地分析和评价乘员不同站姿方式的舒适性具有一定的研究价值和工程意义[1]。

对于舒适性的评价，目前国际上比较通用的标准是ISO 2631[2-3]和UIC 513[4]。ISO 2631由国际标准化协会提出，主要用于评估交通工具振动对人体的影响；UIC 513于1994年由国际铁路联盟提出，它可以对车辆振动舒适性进行评价，依据测量的加速度可以对特殊车辆以及给定运行条件下的乘客乘坐舒适性进行评估；1997年提出的EN 12299也引用了UIC 513标准的滤波器和评价方法[5]。文献[6]指出澳大利亚利用AS 2670.1标准规定的评估方法对机车座椅支撑面和站脚处及8 h暴露振动剂量进行评价，其中AS 2670.1沿用了ISO 2631标准中的相关规定及评价方法；马来西亚与印度均采用ISO 2631标准规定的评价方法对地铁座椅面、地面以及靠背支撑面的振动进行评价。目前，基于ISO 2631或UIC 513进行舒适性评价时，一般将人体忽略或者考虑为一个纯刚体，这与实际差异较大，因此有必要考虑人体力学模型。关于人体力学模型，国内外已经积累了许多成果，具有代表性的研究学者包括Subashi[7]、Matsumoto[8-9]、Wei[10]、Griffin[11]等，人体简化为多自由度的振动模型已被广泛认可。本文针对地铁乘员不同站立方式下的舒适性进行研究，因此借鉴EN 12299标准，首先考虑空站、垂直抓握扶手、水平抓握扶手和抓握吊环扶手等4种常见站姿方式，搭建包含乘员与地铁车辆的人-车耦合动力学模型，然后模拟仿真研究不同站姿方式的乘员舒适性，最后在上海某地铁现场开展站姿乘员的舒适性测试验证，共同揭示乘员站姿的舒适性规律。

2 站姿舒适性评价方法

2.1 总体方法

借鉴EN 12299标准，将人体看作一个多质点物体，通过采集乘员不同站姿方式在同一器官位置的三向加速

度信号，然后对加速度信号进行滤波加权，最后经过分析计算得出舒适性指标。

2.2 滤波加权函数

EN 12299标准中垂向加速度滤波加权函数如式（1）所示，横向加速度滤波加权函数如式（2）所示。

式（1）、式（2）中，各函数中相关参数的计算公式如下：

式（1）～式（6）中，Hh（f）为高通转移函数；Hl（f）为低通转移函数；Ht（f）为加速度变换速度的转移函数；Hs（f）为向上梯度转移函数；fn为转角频率，n= 1，2，3，4，5，6；Qn为共振质量因素，n= 1，2，3，4；f为频率；K为增益；i为虚数单位。上式相关参数如表1所示。

表1 EN 1299舒适度计算参数

2.3 舒适性指标计算方法

以5 s为一个基本数据段长度进行舒适度统计，可以得到60个舒适度值，取60个舒适度值的95%置信点，综合7个方向的值合成舒适性指标N，如下式（7）所示：

表2 舒适性指标评价标准

3 乘员不同站姿方式建模

3.1 多自由度人体模型

目前，乘坐地铁人员常见的站姿方式有空站、抓垂直扶手、抓水平扶手和抓吊环扶手[12]，由于站姿方式的不同，车体振动传递到人体存在差异。在SIMPACK中搭建不同方式下的站姿人体刚度阻尼模型[13]，包括空站模型、抓垂直扶手模型、抓水平扶手模型和抓吊环扶手模型，车体内站立的人等效为多自由度人体模型，包括上部躯干、内脏、骨盆、腿和脚，如图1所示。其中，m1等效为脚，m2等效为腿，m3等效为骨盆，m4等效为上部躯干，m5等效为内脏，图1b、图1c和图1d中m6分别为垂直扶手、吊环和水平扶手，k为等效连接处的刚度，c为等效连接处的阻尼。

图1 多自由度人体模型

结合上海某地铁线路实际情况，收集相关参数，运用SIMPACK软件搭建地铁车辆模型，然后在地铁车辆中创建4种站姿人体模型，在乘员不同站立方式的同一部位安装传感器来检测数据，通过检测同一部位的三轴加速度，将数据提取在matlab软件编程分析，借鉴EN 12299标准，计算舒适性指标的值，根据评价尺度，对不同站姿方式下的人体舒适性进行对比研究。

试验测量人体的体重为正常成年人的体重，参考田宏等[14]采用的人体各部分质量的常值，具体如表3所示。

表3 人体质量 kg

3.2 人车线路耦合模型

首先在SIMPACK软件中依据地铁参数搭建轨道车辆模型，然后在车体内建立不同站姿下的多自由度人体模型。

由于要进行不同站姿方式的对比研究，所以将人体模型建在同一平面区域内，定义地铁线路为直线，搭建的人车线路耦合模型参考石玉[15]采用的地铁A型车的基本建模参数，如图2、表4所示。

表4 地铁模型参数

图2 人车线路耦合模型

4 仿真试验对比分析

4.1 模拟上部躯干

依据GB/T 5599-2019[16]标准，通过计算Sperling指标评价车体运行品质为优秀，然后根据在SIMPACK软件中搭建的人体刚度阻尼模型，在不同站姿方式下的同一上部躯干位置安装加速度传感器，借鉴EN 12299标准采集5 min的加速度数据，模拟上海某地铁运行工况，设置0～35 s为加速阶段，275～300 s为减速阶段，中间时间段为匀速，按照每5 s为一个时间段进行舒适度统计，可以得到60个舒适度值，再由式（7）计算得出5 min试验区段的舒适性指标。以时间为横坐标，舒适性指标为纵坐标，上部躯干模拟反映的舒适度值与时间关系如图3所示。

图3 上部躯干模拟

通过图3反映的上部躯干舒适度值-时间关系可知，不同站姿方式下，地铁乘员的舒适度值随着速度的提高而趋于稳定，其中在地铁启动阶段，空站的舒适度值最高；在地铁加速阶段，抓吊环扶手的舒适度值较其他站姿方式较低；在地铁匀速阶段，抓吊环、水平扶手和垂直扶手的舒适度值相差不大，其中抓吊环的舒适度值比抓水平扶手和垂直扶手要低；在地铁减速阶段，空站的舒适度值比其他站姿方式要高。

4.2 模拟腿部

在上文搭建的人体刚度阻尼模型中，将加速度传感器的安装位置改为腿部，同样按照EN 12299标准，采集5 min的加速度数据，模拟上海地铁5号线的运行工况，设置0～35 s为加速阶段，275～300 s为减速阶段，中间时间段为匀速。以时间为横坐标，舒适度值为纵坐标，绘制不同速度对应的时间下不同站姿人体同一腿部模拟的乘坐舒适度值与时间关系如图4所示。

图4 腿部模拟

通过图4反映的腿部舒适度值-时间关系图可知，不同站姿方式下，地铁乘员的舒适度值随着速度的提高而趋于稳定，并且在各阶段的变化趋势和上部躯干相似，其中在地铁启动阶段，空站的舒适度值最高；在地铁加速阶段，抓吊环扶手的舒适度较其他站姿方式低；在地铁匀速阶段，抓吊环、水平扶手和垂直扶手的舒适度值相差不大；在地铁减速阶段，空站的舒适度值比其他站姿方式高。因为根据搭建的人体刚度阻尼模型相互耦合影响，表现的规律具有相似性，所以上部躯干和腿部之间规律具有相似性。

5 现场试验对比

5.1 场景再现

以上海地铁为试验对象，4个不同站姿的试验乘员分别为空站、抓水平扶手、垂直扶手和吊环，站在轨道车辆的中心处，将加速度传感器安装在4个试验乘员的上部躯干和腿部的同一位置，不同站姿试验乘员如图 5所示。

图5 不同站姿试验乘员

5.2 现场试验对比分析

依据GB/T 5599-2019标准，通过计算Sperling指标评价列车运行品质为优秀，借鉴EN 12299标准，利用加速度传感器采集上部躯干5 min的数据，每隔5 s计算一次舒适度值，可以得到60个舒适度值，其加速阶段40 s，匀速阶段235 s，减速阶段25 s。上部躯干实测舒适度值-时间关系如图6所示。

通过图6反映的舒适度值-时间关系图可知，不同站姿方式下，地铁乘员的舒适度值随着速度的提高而降低，匀速阶段趋于稳定。其中，在地铁启动阶段，空站的舒适度值最高；在地铁加速阶段，不同站姿的舒适度值随速度提高而降低；在地铁匀速阶段，由于实测轨道交通地铁不是始终在同一个速度，所以舒适度值也在变化，不过变化幅度不大，匀速期间，不同站姿基本趋于稳定，其中空站的舒适度值最高，其他站姿方式相差不大；在地铁减速阶段，空站的舒适度值比其他站姿方式要高，抓吊环的舒适度值比其他方式要低。

图6 上部躯干实测

同样依据EN 12299标准，利用加速度传感器采集腿部5 min的数据，每隔5 s计算一次舒适度值，加速阶段40 s，匀速阶段235 s，减速阶段25 s。腿部实测舒适度值-时间关系如图7所示。

通过图7反映的舒适度值-时间关系图可知，与上部躯干表现得特征一致，不同站姿方式下，地铁乘员的舒适度值随着速度的提高而降低，匀速阶段趋于稳定。经过现场试验发现，不同站立姿势的乘员在同一腿部位置绑定传感器分析得到的结果和上部躯干具有相似性，因为人本身是一个柔性体，身体器官相互关联，所以得到的规律具有相似性。

图7 腿部实测

6 总结与展望

根据模拟试验和现场试验分析对比可知，在加速阶段，不同站姿方式下的舒适度值随着速度的提高而降低，其中空站的舒适度值最高，水平抓握扶手和垂直抓握扶手相差不大，抓吊环的舒适度值略低；在匀速阶段，不同站姿方式下的舒适度值趋于稳定，其中空站的舒适度值最高，其他三者的相差不大；在减速阶段，不同站姿方式下的舒适度值会随着速度的降低而提高，其中空站的舒适度值最大。

根据Sperling评价指标和EN 12299标准，不同站姿人体的舒适性与轨道车辆运行的速度和车辆本身的品质有关。车辆在不同速度时，不同站姿的人体乘坐舒适性不同，空站的舒适性最差，抓吊环的舒适性优于抓水平扶手和垂直扶手。因为吊环是柔性的，列车加减速时，传递给人体的冲击小于其他站姿方式。

通过上述不同站姿方式下的对比，结合工程实际意义，在保证内部空间合理布置和人员走动安全的前提下，可在地铁内部放置更多的吊环，让站着的地铁乘员乘坐舒适性更高，更安全。

因为忽略了现场试验中地铁乘员的身高因素和特殊时间段的人流情况，所以不同站姿乘员进行的舒适性对比适用于大多数的情况，今后研究的方向可以推广到一般情况，充分考虑各种因素对不同站姿的影响，进行综合对比研究，得到更为准确的对比结果。