張艷梅，田志強，王 驍，陳亞清

（1.蘭州交通大學?交通運輸學院，甘肅?蘭州?730070；2.中國鐵路上海局集團有限公司?金華車務段，?浙江?金華?321000）

0 引言

近年來，高速鐵路發(fā)展建設突飛猛進，其快速、便捷、安全的特性吸引著越來越多的人將高速鐵路作為主要的交通出行方式，而鐵路運輸與航空、公路運輸?shù)母偁幵絹碓郊ち?，提升鐵路客運競爭優(yōu)勢就顯得非常重要。隨著社會的不斷進步，人們的出行需求不僅僅局限于安全、快速、準時，也更多地關(guān)注交通工具能否提供一個舒適的旅程體驗。因此，乘車疲勞度成為衡量出行方式舒適與否的一個重要指標。

國外對長運距旅客旅行舒適度的研究大多采取實驗的方法，較早對鐵路進行長運距高速列車舒適度研究的是德國的Sperling、法國的Maujin及英國的Loach，初期重點從列車平穩(wěn)性的角度考慮旅客乘坐的舒適性進行研究。隨著對車體、線路的不斷升級改造，開始注重高速列車內(nèi)各項服務設施以及車廂內(nèi)環(huán)境氛圍的改善，如通過車廂內(nèi)的照明色彩調(diào)節(jié)以緩解旅客的視覺疲勞，對于車體結(jié)構(gòu)材料的選用以考慮列車內(nèi)氣密性為主，在轉(zhuǎn)向架上增加懸掛裝置以減少列車運行過程中的振動等[1-2]。

隨著我國高速鐵路運營里程的不斷增加，國內(nèi)學者也開始從不同的角度分析影響旅客乘坐長運距高速列車舒適度的因素，主要包括噪聲、振動、氣壓變化、座椅設計、車廂內(nèi)空氣環(huán)境質(zhì)量等，采用的研究方法有實際測量和問卷調(diào)查，通過對所得數(shù)據(jù)進行分析比較，最終得到長運距高速鐵路列車舒適度評價體系。施紅生等[3]選擇京滬高速鐵路(北京南—上海虹橋)、武廣客運專線(武漢—廣州南)運營的5種車型14個車次的列車，在冬夏季節(jié)高峰客流時段測試車內(nèi)的熱環(huán)境、空氣品質(zhì)、空氣瞬變壓力、噪聲、振動、照明等指標，并對6 210名旅客進行長運距高速列車乘車舒適度問卷調(diào)查，提出我國高速動車組列車車內(nèi)環(huán)境技術(shù)條件的設置標準。魏峰等[4-5]以旅客的生理、安全、行為、心理和審美為出發(fā)點建立了基于旅客需求分析的長運距高速列車旅客座椅舒適度評價指標體系，運用模糊層次分析法構(gòu)建了座椅舒適度的綜合評價模型，并以此作為列車座椅設計的參考依據(jù)。

綜上所述，國內(nèi)外對于長運距高速列車舒適度的研究主要圍繞通過建立評價體系對列車進行改進，但評價標準尚未達到統(tǒng)一。而對于長運距高速列車旅客疲勞度來說，評價標準只能判定是否符合標準，而無法對長運距高速列車旅客疲勞度進行定量分析。為此，在現(xiàn)有研究成果的基礎上，通過分析長運距高速列車旅客疲勞度影響因素，建立長運距高速列車疲勞度評價體系，并量化計算各因素影響程度。最后，結(jié)合長運距高速列車疲勞度評價進行實例分析并提出改進意見，為旅客提供更舒適的乘車體驗。

1 長運距高速鐵路列車疲勞度指標權(quán)重計算

層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)是將與決策有關(guān)的元素分解成目標、準則、方案等層次，在此基礎上進行定性和定量分析的決策方法。采用層次分析法，首先要把問題層次化，將問題分解為不同的組成因素，并按照因素間的相互關(guān)聯(lián)影響以及隸屬關(guān)系將因素按不同層次聚集組合，形成一個多層次的分析結(jié)構(gòu)模型，最終確定最低層相對于最高層的重要性權(quán)值或相對優(yōu)劣次序的排序[6]。計算步驟：①對構(gòu)成評價問題的目標(準則)及因素等要素建立多級遞階結(jié)構(gòu)模型；②在多級遞階結(jié)構(gòu)模型中，對屬于同一級的要素，利用上一級的要素為準則進行兩兩比較后，根據(jù)判斷尺度確定其相對重要度，并據(jù)此建立判斷矩陣；③計算各層元素對系統(tǒng)目標的合成權(quán)重，進行總排序，以確定遞階結(jié)構(gòu)圖中最底層各個元素在總目標中的重要程度；④得到指標權(quán)重計算結(jié)果。

長運距高速鐵路列車旅客乘車疲勞度主要由乘車時間、乘車空間環(huán)境、車廂內(nèi)空間環(huán)境、物理因素及個性化服務5個因素決定，為了準確地體現(xiàn)各項指標在計算長運距高速鐵路列車旅客疲勞度時的貢獻，采用層次分析法確定各個指標的相對權(quán)重[6]，在利用層次分析法進行系統(tǒng)決策時，首先需要構(gòu)建層次模型，長運距高速鐵路列車旅客乘車疲勞度系統(tǒng)設計結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

采用調(diào)查問卷的方式獲取各影響因素的得分率或選擇頻率作為構(gòu)造判斷矩陣的數(shù)據(jù)依據(jù)，得分率或選擇頻率越高，則表明該因素對長運距高速列車旅客乘車疲勞度的影響越大。以長運距高速列車旅客疲勞度指標體系為基礎，通過設計網(wǎng)上調(diào)查問卷的方式確定各個影響因素的權(quán)重，以AHP的判斷尺度為基礎建立新的評分標準，判斷尺度定義表如表1所示。

圖1 長運距高速鐵路列車旅客乘車疲勞度系統(tǒng)設計結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System design structure of passenger fatigue system for long distance high speed train

表1 判斷尺度定義表Tab.1 Judgment scale definition

根據(jù)調(diào)查問卷結(jié)果可知：影響長運距高速列車旅客乘車疲勞度的因素依次為乘車空間環(huán)境、車廂空氣環(huán)境、物理因素及個性化服務，旅客對4類因素的選擇頻率如表2所示。

表2 旅客對4類因素的選擇頻率Tab.2 Frequency of passenger selection of four major factors

利用層次分析法中的“和法”進行影響因素的權(quán)重計算，最終得出各項因素權(quán)重結(jié)果如表3所示。由表3可知，影響長運距高速列車旅客疲勞度的各項因素中，車廂空間環(huán)境所占比率最大，物理因素和車廂空氣質(zhì)量其次，個性化服務所占比率最低。在車廂空間環(huán)境影響因素中，車廂的空間大小及空間布局是其主要影響因素；在物理因素中，濕度對旅客的影響最大；在車廂空氣質(zhì)量影響因素中，空氣瞬間壓力變化對車廂空氣質(zhì)量起主要作用。

表3 各項因素權(quán)重結(jié)果Tab.3 Results of each factor weight

2 長運距高速鐵路列車旅客疲勞度影響因素評價值的計算方法

2.1 乘車時長系數(shù)

對于選擇高速鐵路出行的旅客來說，乘車時間長短是影響長運距高速列車旅客乘車疲勞度的關(guān)鍵因素，在此將乘車時間作為各項因素對長運距高速列車疲勞度的影響系數(shù)。通過對乘車時間與長運距高速列車疲勞度關(guān)系的問卷調(diào)查結(jié)果，利用MATLAB對數(shù)據(jù)進行擬合，得到乘車時間與長運距高速列車疲勞度的函數(shù)關(guān)系如公式 ⑴ 所示，長運距高速列車乘車時長與疲勞度的關(guān)系曲線如圖2所示。

式中：p(t)為乘車時長影響長運距高速列車疲勞度的評價值，h；t為乘車時長，h。

圖2 長運距高速列車乘車時長與疲勞度的關(guān)系曲線Fig.2 Curve of relationship between length of riding time and fatigue degree of long distance high-speed railway

2.2 乘車空間環(huán)境因素

根據(jù)調(diào)查結(jié)果，影響長運距高速列車座椅舒適度的主要因素是前后座椅間距，長運距高速列車車廂空間舒適度可以由車廂擁擠度來表示，決定因素是車廂定員和車廂滿載率。

目前我國高速鐵路座椅間距主要有860 cm，1 020 cm，1 080 cm，1 160 cm和1 900 cm等多種[7]，按長運距高速列車疲勞度10為衡量尺度，不同座椅間距對長運距高速列車疲勞度的影響如表4所示。

表4 不同座椅間距對長運距高速列車疲勞度的影響Tab.4 Effect of different seat spacing on fatigue degree of long distance high-speed railway

車廂內(nèi)擁擠度的計算公式為

式中：p(c)為車廂擁擠度影響長運距高速列車疲勞度的評價值，人/m3；N為車廂定員人數(shù)，人；?為車廂滿載率，%；a為車廂長，m；b為車廂寬，m；c為車廂高，m。

還需要對不同擁擠度對應的長運距高速列車疲勞度值進行定義。根據(jù)各動車組車型的定員情況，以及我國高速鐵路車體長、寬、高技術(shù)參數(shù)，長運距高速列車不同擁擠度對應的疲勞度如表5所示。

表5 長運距高速列車不同擁擠度對應的疲勞度Tab.5 Fatigue degree of long conveying distance high speed railway corresponding different congestion degree

2.3 車廂空氣環(huán)境因素

一般來說，環(huán)境溫度與濕度對人體的影響用長運距高速列車人體舒適度來表示，同樣，車廂內(nèi)的溫度與濕度對旅客產(chǎn)生疲勞感的影響也可以由此表示，計算公式為[8]

式中：p(h)為長運距高速列車人體舒適度；T為車廂內(nèi)溫度，℃；S為車廂內(nèi)相對濕度，%。

根據(jù)長運距高速列車舒適度的等級定義[9]，長運距高速列車舒適度指標與疲勞度的對應關(guān)系如表6所示。

2.4 噪聲因素

在描述噪聲對人體的影響程度中，引入噪聲沖擊這個物理量，針對高速動車組列車車廂這一特殊環(huán)境，計算公式為[10]

式中：p(n)為噪聲影響長運距高速列車疲勞度的評價值，dB (A)；W為聲級的計權(quán)因數(shù)；N為車廂定員人數(shù)，人；?為車廂滿載率，%。

根據(jù)我國動車組定員情況，可以將p(n)與長運距高速列車旅客疲勞度一一對應，p(n)與長運距高速列車疲勞度關(guān)系如表7所示。

表6 長運距高速列車舒適度指標與疲勞度的對應關(guān)系Tab.6 Relationship between comfort index and fatigue degree of long distance high-speed train

表7 p (n)與長運距高速列車疲勞度關(guān)系Tab.7 Relationship between p (n) and fatigue degree of long distance high-speed train

在計算振動指標時，可以利用Sperling評價指標[11]體系對振動引起旅客疲勞影響進行計算，計算公式為

式中：p(v)為振動影響長運距高速列車疲勞度的評價值，mm/s2；a為加速度，cm/s2；f表示振動頻率，Hz；F(f)表示與振動頻率相關(guān)的加權(quán)修正系數(shù)。

根據(jù)振動指標等級，長運距高速列車振動指標與疲勞度對應結(jié)果如表8所示。

2.5 個性化服務因素

通過分析問卷調(diào)查結(jié)果，旅客對乘車過程中提供的個性化服務主要有休閑娛樂服務、Wi-Fi服務、電源插座服務等，個性化服務可以有效緩解旅客乘車過程中產(chǎn)生的疲勞感，因而可以通過增加列車的個性化服務數(shù)量來減少長運距高速列車旅客疲勞度[12]，計算公式為

表8 長運距高速列車振動指標與疲勞度對應結(jié)果Tab.8 Corresponding results between vibration index and fatigue degree of long distance high-speed train

式中：p(s)為個性化服務影響長運距高速列車疲勞度的評價值；c9，c10，c11為各項指標權(quán)重；ni為是否提供個性化服務i，i取1，2，3。

2.6 旅客乘車疲勞度

利用問卷調(diào)查法和層次分析法確定各項影響因素及其對應評價指標權(quán)重，分析各個影響因素對長運距高速列車旅客疲勞度的影響，得到長運距高速列車旅客乘車疲勞度的量化計算公式如下。

式中：P為長運距高速列車旅客疲勞度綜合指標評價值；b1，b2，b3，b4為各個疲勞度影響因素權(quán)重；c1，c2，c6，c7為各項影響因素評價指標權(quán)重，p(t)，p(d)，p(c)，p(h)，p(n)，p(v)，p(s)為各項影響因素評價值。

3 實例分析

為了驗證所提出的長運距高速列車旅客乘車疲勞度計算方法，以2018年10月29日京滬高速鐵路和哈大高速鐵路(大連北—哈爾濱西)線路上運行的高速列車為例，比較兩者長運距旅客乘車疲勞度的差異，京滬高速鐵路與哈大高速鐵路各指標參數(shù)(以二等座為例)如表9所示。

目前我國開行的高速動車組列車內(nèi)的空氣環(huán)境由動車組列車內(nèi)的空調(diào)系統(tǒng)控制，車廂內(nèi)的溫濕度都控制在人體舒適范圍內(nèi)，因而兩者在空氣指標層面對長運距高速列車旅客疲勞度影響的差異并不大，可近似認為相同，這里以夏季溫度為24.5℃、相對濕度為65%；冬季溫度為19℃、相對濕度為40%作為計算長運距高速列車疲勞度的數(shù)據(jù)；在長途旅行中，列車提供的針對旅客需求的服務能夠有效緩解旅客在乘車中的疲勞感，主要有休閑娛樂服務(如電視、書刊)、Wi-Fi服務、便利的電源插座等。CRH380BG與CR400AF 2種車型的座椅下方均配有電源插座，在服務上的差別主要為CR400AF提供了Wi-Fi覆蓋功能。CRH380BG與CR400AF疲勞度值對比如表10所示。

表9 京滬高速鐵路與哈大高速鐵路各指標參數(shù)(以二等座為例)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與CR400AF疲勞度值對比Tab.10 Comparison of fatigue values between CRH380BG and CR400AF

由表10可知，CR400AF復興號的長運距旅客疲勞度值較小，乘車環(huán)境更好。2列高速列車的差別主要在于旅行耗時、個性化服務質(zhì)量以及車廂座椅的空間大小層面上。針對以上3個主要因素提出以下改進意見。

（1）在滿足線路運行和客流條件下，適當提高列車運行速度，減少列車停站次數(shù)和停站時間，減少列車旅行耗時，可以在很大程度上緩解旅客乘坐長運距高速鐵路列車引起的疲勞感。

（2）提高動車組列車的個性化服務質(zhì)量，可以有效緩解旅客在長時間乘車過程中產(chǎn)生的無聊感和疲勞感。

（3）在改善座椅空間的問題上，需要以各地區(qū)的客流特性為基礎，對座椅間距進行適當擴充，也可以通過座椅設計的改善為旅客提供更舒適的乘車體驗。

4 結(jié)束語

通過對長運距高速鐵路列車旅客乘車疲勞度的計算方法進行研究，并以此作為評價我國現(xiàn)階段開行動車組列車舒適性的依據(jù)，結(jié)合長運距高速列車旅客疲勞度結(jié)果的量化分析及旅客舒適性需求變化情況，可以合理解決旅客乘坐疲勞問題，為高速鐵路更好地滿足旅客出行需求提供理論支撐。目前研究僅從旅客感知的角度展開分析，對于旅客、高速列車、線路質(zhì)量與乘車環(huán)境總體性能及運營管理之間的相互影響關(guān)系并未作系統(tǒng)探討。另外，隨著動車組列車各方面性能的不斷完善和鐵路運輸企業(yè)服務水平的不斷提高，在高速列車不同運行狀態(tài)的基礎上，進一步完善長運距高速列車旅客疲勞度計算公式體系和權(quán)重標定方法還有待深入研究。