魏 峰, 徐伯初, 支錦亦, 董石羽
(西南交通大學人機環(huán)境系統(tǒng)設計研究所, 四川 成都 610031)
自1965年北京地鐵的建造以來,我國目前已有30多個城市相繼開通了地鐵.作為蓬勃發(fā)展的城市快速軌道交通工具,地鐵具有方便快捷、安全、準時和低碳環(huán)保等優(yōu)點[1].隨著技術的不斷發(fā)展和生活水平的提高,地鐵車輛的設計要求也在向著更加人性化的水平不斷邁進.
地鐵車輛客室的人性化設計是在車體、轉(zhuǎn)向架、電氣系統(tǒng)、制動系統(tǒng)和安全應急系統(tǒng)等相關工程技術研究的基礎上,根據(jù)人的生理結構、心理特征、行為規(guī)律和思維方式等對客室車廂內(nèi)的座椅和扶手等旅客乘坐設備進行的設計研究.
隨著人性化研究的不斷深入,人機工程學的分析方法在地鐵車輛的工業(yè)設計中得到了更廣泛的應用.人機工程學是采用系統(tǒng)科學的方法研究人、機、環(huán)境三大要素之間的關系[2].在軌道交通客車內(nèi)室的人機工程學研究中,文獻[3]通過舒適性仿真客艙模擬列車運行中的振動和噪聲環(huán)境,對影響通勤車客室舒適度的人-機-環(huán)境因素進行了研究;文獻[4]應用人機工程學原理對地鐵內(nèi)裝設備的布局和尺寸進行了分析;文獻[5]從輕軌的造型、色彩等藝術表現(xiàn)方面結合城市居民的出行行為對車輛內(nèi)飾設計進行了人因分析;文獻[6]通過觀察采樣的方法研究了紐約地鐵內(nèi)室布局設計與乘客座位偏好之間的關系,并提出了布局改進的設計建議;文獻[7]通過中外地鐵內(nèi)部空間設計的對比,闡述了地鐵內(nèi)室的空間布局、無障礙以及車廂內(nèi)室設施的設計特點,并提出了相應的人性化設計原則和理念;文獻[8]通過對乘坐地鐵過程中的感官體驗和情感體驗分析,提出了基于乘坐體驗的車廂內(nèi)裝設計方法;文獻[9]通過穿插、共享、異型等空間變化手段提出了地鐵車廂內(nèi)部空間布局的設計探討.在對客室座椅的研究中;文獻[10]從乘客舒適性和可達性之間的兼容性角度對通勤車座位布置方法進行了研究,提出最合適的座位布置取決于乘客的平均乘車時間;文獻[11]利用體壓測試、主觀不適評定量表和人體測量數(shù)據(jù)評估了列車座椅的不舒適度,并分析了列車座椅的尺寸;文獻[12]利用CATIA(computer-graphics aided three-dimensional interactive application)軟件仿真技術對地鐵座椅寬度、座面高度、座椅傾角以及橫扶手高度進行了人機工程學理論分析,并提出了尺寸參考建議;文獻[13]通過使用地鐵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,對地鐵座椅進行了設計研究.在客室扶手的研究中;文獻[14]對日本大阪地鐵男女性乘客站在門口區(qū)域使用扶手的姿勢進行了研究,結果表明男性傾向于將手臂舉得更高,而女性傾向于保持手臂較低的姿勢;文獻[15]對地鐵乘客通過抓握扶手保持站姿平衡進行了研究,結果表明在頭頂以上的抓握可以最大限度地減少手部力量,而在肩高位置的抓握可以最大限度地減少壓力中心偏移.
目前,我國對于地鐵客室的人機分析,特別是尺寸設置的合理性以及乘客與設備之間的適配關系仍缺乏規(guī)律性的研究和驗證.在我國最新頒布的國家標準《GB 50157—2013地鐵設計規(guī)范》[16]中也未見有關地鐵客室乘坐設備尺寸設置的相關標準或規(guī)范.現(xiàn)將我國與地鐵座椅和扶手的尺寸設置相關的參考標準進行解讀與對比.
地鐵座椅尺寸配置的基本指標為座高、座深、座寬、靠背傾角和座墊傾角等.實測地鐵B型車座椅的基本指標數(shù)據(jù)與其他的交通座椅國家標準的參數(shù)設置基本保持一致,如表1所示.
表1 座椅基本指標的相關設置參數(shù)對比Tab.1 Comparison of relevant setting parameters concerning basic seat index
參考標準1為汽車行業(yè)標準《QC/T 633—2009客車座椅》[17]、標準2為鐵道行業(yè)標準《TB/T 3263—2011動車組乘客座椅》[18]、標準3為鐵道行業(yè)標準《TB/T 3263—2011動車司機座椅》[19].由于我國地鐵座椅多采用不銹鋼等硬質(zhì)材料,且無調(diào)節(jié)功能.因此,在滿足基本指標的情況下,座椅與人體接觸面的曲面特征對乘坐舒適性的影響相對更大.但以上標準中也均未提及座椅曲面的尺寸設置參數(shù).
參考國家標準《GB 13094—2007客車結構安全要求》[20]中關于客車扶手參數(shù)設置的說明:“扶手或把手距地板高度應不小于800 mm,不大于1 900 mm,且二者中至少有一個距地板高度應不大于1 500 mm”.實測地鐵B型車乘客站立區(qū)域扶手的吊環(huán)高度為1 700 mm、橫桿高度為1 910 mm,這與客車扶手的參數(shù)設置要求并不一致.
鑒于此,本文以我國地鐵B型車為例,基于人機工程學理論,圍繞人的生理結構、心理尺度和地鐵乘車設備的功能特征等因素,將地鐵客室乘客乘車設備的人機系統(tǒng)分為“人-椅”和“人-扶手”兩個子系統(tǒng),并對不同身材特征的乘客在這兩個子系統(tǒng)中的人機功能尺寸配置關系進行研究.
地鐵客室“人-機”系統(tǒng)的研究對象為中國成年男、女性乘客.人體尺寸數(shù)據(jù)的采集以國家標準《GB10000—88中國成年人人體尺寸》[21]為依據(jù).與其他最新的人體尺寸參考數(shù)據(jù)相比,該標準仍是現(xiàn)行中國人體尺寸數(shù)據(jù)最具權威性和通用性的參考依據(jù).考慮到目前中國城市的發(fā)展進程和人口流動性大的特點,城市軌道交通工具要盡可能滿足面向更加廣泛的使用者群體.因此,本文基于工業(yè)產(chǎn)品的通用化設計原則,以全國18~60歲的人體尺寸數(shù)據(jù)為主要參考依據(jù).實驗測試的人體尺寸百分位數(shù)的選取原則,遵循我國國家標準《GB/T 12985—91在產(chǎn)品尺寸設計中應用人體尺寸百分位數(shù)的通則》[22],以百分位數(shù)PK(K∈N, 1≤K≤99)作為一種位置指標、一個界值.通常以第5百分位數(shù)P5代表“小身材”;以第50百分位數(shù)P50表示“中等身材”;以第95百分位數(shù)P95代表“大身材”.對于一般的工業(yè)產(chǎn)品,選用P95和P5作為尺寸上、下限值的依據(jù),滿足度可以達到90%,即適合使用的人群占總?cè)后w的90%.當考慮使用者的可達范圍和安全距離時,則以P1為下限值、P99為上限值的參考依據(jù).
對于不同身材特征的人體與座椅曲面功能尺寸的適配性關系,采用體壓分布實驗與5級主觀評價量表相結合的方法進行研究.
對乘客乘坐舒適度影響較大的地鐵座椅曲面指標主要包括:腰靠縱向外凸圓弧,指座椅靠背腰部支撐垂直凸起厚度的圓弧面與座椅靠背縱向曲面相交曲線的曲率半徑;座墊橫向內(nèi)凹圓弧,指座椅座墊左右對稱面與其橫向中點向內(nèi)凹陷的圓弧面相交曲線的曲率半徑.
對于相同材質(zhì)的座椅,由于表面形狀的差異,使得受壓點數(shù)不同,測試數(shù)據(jù)也會產(chǎn)生相應的變化.能夠體現(xiàn)座椅曲面特征,與座椅表面形狀相關的體壓分布指標有[23]:平均壓力Pv、最大壓力梯度Gm、平均壓力梯度Gv和接觸面積A等,計算公式為
(1)
式中:Np為受壓點數(shù);Pi為第i點的壓力.
Gm=max(gradGc1, gradGc2, …, gradGcN),
(2)
式中:N為測點數(shù);gradGcj(j=1,2,…,N)為測點的壓力梯度.
(3)
式中:gradGsi為受壓點的壓力梯度.
(4)
式中:Ai為受壓點的面積.
符合人體生理特點,形狀分布較為合理的座椅曲面形態(tài),接觸面積相對較大,平均壓力、最大壓力梯度和平均壓力梯度指標數(shù)值相對較小,同時人體坐姿感受也較為舒適.
如圖1所示,制作地鐵實驗模型椅,以ΔR=10 mm為圓弧中點處垂直變化距離的等量級差,曲面測試范圍取腰靠縱向外凸圓弧Rconvex 1~Rconvex 4(曲率半徑分別為358、186、132 mm和108 mm),以及座墊橫向內(nèi)凹圓弧Rconcave 1~Rconcave 4(曲率半徑分別為2 316、1 166、785 mm和600 mm).
(1) 使用美國Tekscan體壓分布測試系統(tǒng)對不同曲面指標的人-椅靜態(tài)壓力分布情況進行實驗測試,數(shù)據(jù)采集過程如圖2所示.實驗被試選擇符合具有身材特征代表性的第P95、P50和P5人體尺寸的中國成年男、女性志愿者各5名,共10人.被試身高164.7±9.5 cm,體重59.3±12.4 kg.
(2) 實驗過程中對于腰靠和座墊不同曲面弧度的舒適性體驗,采用5級量表記錄被試的主觀評分,1分為極不舒適,5分為非常舒適.主觀評測人員包括體壓分布測試的被試在內(nèi)共30人,其中男性志愿者18名,女性志愿者12名.被試身高165.4±9.4 cm,體重60.6±11.0 kg.
實驗前身體健康,對測試內(nèi)容知情同意,并簽訂實驗志愿者協(xié)議.
圖1 座椅曲面指標示意Fig.1 Sketch of seat surface index
圖2 體壓分布測試Fig.2 Body pressure distribution test
運用SPSS 19.0統(tǒng)計分析軟件將體壓指標Pv、Gm、Gv、A和主觀評分分別作為因變量,將曲面指標以及被試的身高和體重分別作為因子,輸入測量數(shù)據(jù)進行ANOVA(analysis of variance)分析.并將所有被試對不同曲面指標(Rconvex 1~Rconvex 4和Rconcave 1~Rconcave 4)的主觀評分作為檢驗項目進行可靠性分析.結果顯示:
在腰靠測試的ANOVA分析中,用P表示檢驗水平,F表示顯著性差異的水平,腰靠縱向外凸曲面的變化對Pv(F=54.323,P=0)、A(F=91.841,
P=0)和主觀評分(F=26.000,P=0)均有顯著影響,而對Gm(F=2.570,P=0.075)和Gv(F=1.473,P=0.244)無明顯影響;體重只對A(F=15.016,P=0.001)有顯著影響,對Pv(F=1.630,P=0.213)、Gm(F=0.944,P=0.340)、Gv(F=1.223,P=0.279)和主觀評分(F=0.375,P=0.545)均無明顯影響;身高則對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)和主觀評分(F=0.494,P=0.851)均無明顯影響;對30份主觀評價量表的信度分析,Cronbach’s Alpha系數(shù)值為0.899>0.800,表明該量表的內(nèi)在一致性非常好.
在座墊測試的ANOVA分析中,座墊橫向內(nèi)凹曲面的變化對Gm(F=4.063,P=0.017)、Gv(F=3.125,P=0.042)、A(F=78.306,P=0)和主觀評分(F=3.423,P=0.031)均有顯著影響,而對Pv(F=1.129,P=0.355)無明顯影響;體重對Pv(F=71.432,P=0)和A(F=4.589,P=0.041)均有顯著影響,對Gm(F=0.218,P=0.645)、Gv(F=3.769,P=0.063)和主觀評分(F=1.863,P=0.183)均無明顯影響;身高對Pv(F=30.763,P=0)、Gm(F=4.475,P=0.044)和Gv(F=11.291,P=0.002)、均有顯著影響,而對接觸面積A(F=1.251,P=0.273)和主觀評分(F=0.207,P=0.653)均無明顯影響;對30份主觀評價量表的信度分析,Cronbach’s Alpha系數(shù)值為0.811>0.800,表明該量表的內(nèi)在一致性較好.
將所有被試的座椅腰靠和座墊圓弧所測得的體壓指標Pv、Gm、Gv、A以及主觀評分等實驗數(shù)據(jù)取均值(括號內(nèi)為標準差(standard deviation, SD)),如表2所示.
2)農(nóng)機化程度高。水旱田田間作業(yè)綜合機械化率96%,其中旱田96.5%、水田95.3%,糧食(谷物)烘干能力可達糧食產(chǎn)量的20%,年農(nóng)業(yè)航空作業(yè)面積已達 87.8萬 hm2。
表2 地鐵座椅曲面測試的實驗數(shù)據(jù)Tab.2 Data concerning subway seat surface test
在分析所有被試的體壓分布圖時表明,雖然不同體型特征的被試在同一曲面下所測得的壓力分布數(shù)值有所不同,但所有被試相對于不同曲面指標的壓力分布總體變化規(guī)律是保持一致的.因此,在曲面指標變化規(guī)律的研究中選取其中一名P50被試的壓力分布熱圖作為代表進行分析,如圖3所示.
(a) 腰靠
(b) 座墊圖3 座椅曲面指標對應的壓力分布熱圖Fig.3 Pressure distribution heat-map corresponding to seat surface index
隨著腰靠縱向外凸量由Rconvex 1至Rconvex 4逐漸遞增,平均壓力先減小后增大,在Rconvex 2時均值最小.接觸面積先增大后減小,在Rconvex 2時均值最大.從圖3(a)腰靠的壓力分布熱圖上可以看到,腰靠曲面Rconvex 4由于凸出量過大導致腰部受力過于集中,座椅靠背與人體背部貼合度最差,被試坐姿主觀舒適性評分均值最低.Rconvex 2與Rconvex 1和Rconvex 3相比貼合度最好,并且腰部受力也相對較為均勻,被試坐姿主觀舒適性評分均值也最高.因此,座椅腰靠曲面在Rconvex 2(曲率半徑為186 mm)時更貼近人體腰椎曲線特征,適用性最佳.
隨著座墊橫向內(nèi)凹量由Rconcave 1至Rconcave 4逐漸遞增,平均壓力、最大壓力梯度和平均壓力梯度均是先減小后增加,Rconcave 3時均值最小.接觸面積則逐漸增大,在Rconcave 4時均值最大.從圖3(b)座墊的壓力分布熱圖上也可以看到,座墊曲面Rconcave 1在坐骨結節(jié)處受力過于集中,與人體臀部和大腿的貼合度最小,被試坐姿主觀舒適性評分均值最低.Rconcave 4雖然接觸面積最大,但向內(nèi)凹陷量較大反而導致坐面對乘客臀部和大腿兩側(cè)產(chǎn)生壓迫感,不利于腿部姿態(tài)的調(diào)整,被試坐姿主觀舒適性評分均值相對也較低.相比之下,Rconcave 3貼合度較好,且臀部和大腿受力更為均勻,被試坐姿主觀舒適性評分均值也最高.因此,座墊曲面在Rconcave 3(曲率半徑為785 mm)時更貼近人體臀部和大腿的曲線特征,適用性最佳.
地鐵扶手的使用體驗主要取決于人體身高和手臂功能上舉高(以下簡稱為“手功能高”)的差異,如圖4所示.不同百分位人體身高和手臂功能上舉高的數(shù)據(jù)分別在國家標準GB10000—88[21]和GB/T 13547—92[24]中可以直接獲得.
圖4 人體站姿身高和手臂功能上舉高示意Fig.4 Sketch of stature and functional hand lift height in standing position
根據(jù)扶手的使用情況與人體身高和手功能高之間的關系,并遵循國家標準(GB-12985—91)[28]中的相關要求,得到測試高度的計算公式為
H1=h1+S+C1,
(5)
H2=h2+S+C2,
(6)
式中:H1為身高修正值;H2為手功能高修正值;h1為身高;h2為手功能高;S為穿鞋修正量,男性加25 mm,女性加20 mm;C為心理修正量,在式(5)中定義C1的取值使H1為略高于人體身高加穿鞋修正量的近似值,在式(6)中定義C2的取值使H2為略低于手功能高加穿鞋修正量的近似值.
扶手高度與不同百分位人體使用姿態(tài)的實驗研究,采用虛擬仿真技術與真人評測相結合的方式進行分析.
(1) 在Jack人因工程軟件中分別建立符合中國第P95、P50和P5人體尺寸特征的男、女性虛擬人各1名.根據(jù)我國地鐵B型車的實際尺寸在3DMax軟件中建立帶有乘車設備的地鐵客室三維虛擬模型(wrl格式文件),并將該文件導入到Jack軟件中.設置虛擬人為單臂上舉模擬使用吊環(huán)或橫桿的標準站姿狀態(tài)(如圖4),然后在Jack軟件中進行虛擬人舒適度評估分析.通過調(diào)整扶手高度,分別對第P95、P50和P5男、女性虛擬人使用扶手所形成的特定姿態(tài)進行舒適度評估,如圖5所示.
表3 扶手測試高度的取值說明Tab.3 Value description for handrail height test
圖5 JACK虛擬人使用扶手姿態(tài)的舒適度評估Fig.5 Comfort evaluation of handrail gestures of JACK virtual human
相關研究表明[25],舒適度與人體姿勢密切相關,舒適度不僅是人體單一關節(jié)角度的作用,也是身體姿勢(多關節(jié))的整體作用.Jack軟件的舒適度評估提供了包括對頸部(neck)、肩部(shoulder)、背部(back)、臀部(rump)、手臂(arm)、腿(leg)和總體疲勞(fatigue)等疲勞程度的評估.隨著扶手高度的變化,舒適度評估中的疲勞指數(shù)與人體單臂及整體姿態(tài)的變化密切相關,疲勞指數(shù)是指衡量人體在該姿勢下感到疲勞的程度,其數(shù)值可由Jack軟件的Comfort Assessment模塊直接計算得到.分析結果以0~80的無量綱的等級形式顯示出來,數(shù)值越小表明該姿態(tài)下舒適度越好,反之則越差.
(2) 如圖6所示,在模擬地鐵客室1∶1的仿真實驗室里,采用可調(diào)節(jié)高度的扶手測量設備進行真人測試.使被試腳尖位于扶手水平垂線位置,并保持單臂垂直上舉抓握吊環(huán)或橫桿的自然站姿5~10 min.通過5級量表分別記錄不同身材的被試在使用扶手不同高度時疲勞感的主觀評分,1分為非常疲勞和不適,5分為非常輕松和舒適.被試選擇符合第P95、P50和P5人體尺寸特征的中國成年人志愿者共30人,其中男性16名,女性14名.被試身高163.7±9.2 cm,體重61.4±10.4 kg.實驗前身體健康,對測試內(nèi)容知情同意,并簽訂實驗志愿者協(xié)議.
圖6 扶手高度的使用測評Fig.6 Usage evaluation of handrail height
將不同測試高度下Jack虛擬仿真舒適度評估中虛擬人的手臂夾角、手臂疲勞指數(shù)和整體疲勞指數(shù)與30名真人被試的主觀評分等實驗測試數(shù)據(jù)取均值如表4所示(括號內(nèi)為標準差SD).同時對30份主觀評價量表進行信度分析,Cronbach’s Alpha系數(shù)值為0.839>0.800,表明該量表的內(nèi)在一致性較好,符合要求.數(shù)據(jù)顯示,隨著扶手高度的增加,人體使用扶手的上臂與前臂向內(nèi)的夾角逐漸增大,手臂疲勞指數(shù)也逐漸增大;整體疲勞指數(shù)先減小后增大,在吊環(huán)高度處于1 610~1 710 mm之間較小,隨后逐漸增大.說明上臂與前臂夾角在75.2°~105.1°之間的抓握姿勢使得整體姿態(tài)相對更為舒適;被試使用扶手的主觀評分先增大后減小,吊環(huán)高度測試的評分均值在1 710 mm時評分最高;橫桿高度在1 810~1 860 mm之間時評分均值表明仍在大多數(shù)被試可以接受的范圍內(nèi),而大于1 990 mm時,則評分均值顯示為較差.
表4 扶手高度測試的實驗數(shù)據(jù)Tab.4 Data concerning handrail height test
結合扶手的設計原則進行分析,從“抓得到”的使用性角度考慮,扶手的設置必須保證絕大多數(shù)人能夠正常抓握,吊環(huán)和橫桿高度的設置應能分別滿足不同身材群體的使用需求,特別是吊環(huán)的高度設置應首先保證“小身材”的人群能夠抓得到.因此,吊環(huán)高度應不大于第P1女性的手功能高修正值1 710 mm;從“不碰頭”的安全性以及影響通行的便利性角度考慮,在空間設置上橫桿相對于吊環(huán)對安全性和通行性的影響更大,應首先保證橫桿的高度設置使絕大多數(shù)人不會碰頭.因此,橫桿高度應不小于P99男性的身高修正值1 860 mm.
綜合以上分析,吊環(huán)高度設置為1 710 mm時,既能保障P1女性能夠正常抓握和絕大多數(shù)乘客相對輕松和舒適地使用,也能使部分身高不大于P50男性乘客無阻礙通行;橫桿高度設置為1 860 mm時,既能保障身高不大于P99男性人群無阻礙通行,也能使部分身材不小于P50女性人群正常抓握.
隨著對地鐵客室人機工程學設計理論和實驗研究的不斷深入,目前仍有許多問題有待于進一步的解決,主要包括以下內(nèi)容:
(1) 基于通用設計的原則,更加深入的研究針對老年人、孕婦和兒童等弱勢乘客群體的適用性設計,從而不斷提升地鐵的人性化關懷.
(2) 運用人機工程學的研究方法,結合肌電、腦電、心電和眼動儀等生物學測量設備與系統(tǒng),對地鐵乘客在不同乘車時段中心理與生理隨時間變化的規(guī)律進行研究,提高旅客的乘車安全和舒適性.
(3) 對地鐵乘客的乘車行為模式進行系統(tǒng)的調(diào)研及觀察實驗,利用動作捕捉系統(tǒng)并結合虛擬仿真技術對乘客使用座椅或扶手時的動作姿態(tài)展開進一步的研究,設計出符合乘客行為規(guī)律和乘車習慣的車內(nèi)設備,全面提升乘客的使用體驗和地鐵的品質(zhì).
(4) 尋求適用于地鐵人機工程學設計的評價方法,建立科學有效的評價模型,形成合理的評價標準,更有利于地鐵設計方案的優(yōu)選和乘坐舒適度的評價分析.
(5) 通過對地鐵客室的設計研究及實驗數(shù)據(jù)的整合,以中國人人體尺寸數(shù)據(jù)為參考依據(jù),不斷完善我國地鐵乘坐設備功能尺寸設計的行業(yè)標準,對于地鐵系列化和標準化的設計研發(fā)具有重要的意義.
(1) 我國地鐵客室乘車設備的功能尺寸設計應以通用化設計原則為基礎,最大程度的滿足更多乘客的使用需求.在乘坐的適用性、安全性與舒適性之間尋求最優(yōu)的平衡,從而提高設備使用的效率和合理性,使乘客的生理和心理與乘車設備之間更加和諧.
(2) 地鐵座椅的曲面設計應符合人體背部和臀腿部接觸面的自然生理曲度,維持人的健康坐姿,且要更廣泛的適用于不同身材特征的乘客.因此,地鐵座椅腰靠縱向外凸圓弧的曲率半徑的取值建議設置為186 mm;座墊橫向內(nèi)凹圓弧的曲率半徑的取值建議設置為785 mm.
(3) 地鐵扶手的高度應首先遵循小身材乘客能夠抓得到和大身材乘客不會碰頭的設計原則.吊環(huán)和橫桿的設置應能分別滿足不同身材特征的乘客同時使用的功能合理性,并盡可能的保障絕大多數(shù)乘客能夠輕松抓握和通行便利的基本需要.因此,吊環(huán)高度的設置建議為1 710 mm;橫桿高度的設置建議為1 860 mm.