彭勇，許迪雅，范超杰，譚勝玉，梁習(xí)鋒

(1. 中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長沙 410075；2. 中南大學(xué) 湘雅二醫(yī)院，湖南 長沙 410011)

隨著我國高鐵運(yùn)營里程以及乘坐人數(shù)的增長，提升公眾的出行舒適度與出行質(zhì)量是高速列車發(fā)展中的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的列車舒適度研究主要關(guān)注由振動引起的舒適度變化，然而列車的運(yùn)行工況與車內(nèi)環(huán)境特殊，除振動外，乘員的舒適度受到溫度、氣壓、座椅舒適度等多種因素的影響。國內(nèi)外眾多學(xué)者對高速列車的舒適度評價進(jìn)行了研究，針對綜合舒適度，劉璐[1]對影響高速列車舒適度的6個因素進(jìn)行定義和劃分，通過實(shí)車環(huán)境數(shù)據(jù)采集，提出列車的綜合舒適度相關(guān)評價公式，并設(shè)計(jì)了列車綜合舒適度調(diào)查問卷；王海涌[2]結(jié)合模糊粗糙集等理論，建立了高速列車多元舒適度評價指標(biāo)體系及權(quán)重。對于耳氣壓舒適度，XIE等[3]通過建立耳部的有限元模型并進(jìn)行模擬仿真，研究高速列車氣壓對聽覺造成的不適；何德華[4]匯總了國內(nèi)動車組壓力變化實(shí)驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合乘員主觀舒適反饋，對列車壓力變化及耳氣壓舒適度進(jìn)行分析。針對振動舒適度，德英兩國提出的Sperling 指標(biāo)、UIC513 標(biāo)準(zhǔn)主要依據(jù)列車的振動幅值及加速度[5-6]評價振動舒適度的優(yōu)劣。PENG 等[7]根據(jù)高速列車綜合振動狀況并結(jié)合乘員舒適度評分，對在列車不同運(yùn)行環(huán)境下，長時間乘坐的乘員振動舒適度進(jìn)行研究。目前的列車的綜合舒適度、振動舒適度以及耳氣壓舒適度評估主要依據(jù)環(huán)境參數(shù)、模擬仿真或問卷調(diào)查結(jié)果，環(huán)境參數(shù)多采用既有標(biāo)準(zhǔn)，模擬仿真無法切實(shí)反映實(shí)車狀態(tài)，問卷調(diào)查結(jié)果具有主觀性過大的因素，因此不能有效地對乘員的生理狀態(tài)進(jìn)行評估。生理參數(shù)作為人體狀態(tài)直接的反饋，可有效地反映人體舒適度狀態(tài)。心電信號(Electrocardiogram，ECG)是心臟在自發(fā)性的血液循環(huán)功能中產(chǎn)生的一系列電位變化[8]，且在采集過程中擁有無創(chuàng)性、便攜性的優(yōu)點(diǎn)。心率變異性(Heart rate variability, HRV)是ECG中相鄰心跳間期時間間隔的變化情況，可反應(yīng)人體自主神經(jīng)的平衡狀態(tài)[9]，已應(yīng)用至疲勞識別、情緒識別、舒適度識別等不同領(lǐng)域中。ABTAHI 等[10]的研究結(jié)果表明，心率變異性可反映受試者的疲倦狀態(tài)。NKURIKIYEYEZU 等[11]通過研究在不同熱環(huán)境下的心率變異性特征，所建立的模型對被試者的熱舒適狀態(tài)識別率達(dá)到93.7%。ZHANG等[12]提出將心率變異性作為路面平整度(IRI)和駕駛舒適度現(xiàn)有評估指標(biāo)的補(bǔ)充，證明了使用心率變異性用來評估IRI 和駕駛舒適度的可行性。張祖懷[13]建立汽車駕駛虛擬試驗(yàn)室，對心率、肌電和呼吸頻率的變化規(guī)律進(jìn)行研究，驗(yàn)證了使用這3項(xiàng)生理指標(biāo)評價駕駛疲勞的有效性。祝榮欣[14]通過采集分析被試者的心電和肌電信號，對聯(lián)合收獲機(jī)駕駛員的疲勞檢測進(jìn)行了研究。綜上所述，心率變異性作為反映人體舒適度的評價指標(biāo)已在疲勞、振動舒適等領(lǐng)域有所應(yīng)用，但在高速列車乘員舒適度領(lǐng)域的研究較缺乏，且缺少基于高速列車真實(shí)運(yùn)行環(huán)境的研究。因此需要研究反映乘員舒適度的心率變異性特征，并采用機(jī)器學(xué)習(xí)模型，建立高速列車乘員舒適度評估模型。本研究開展高速列車實(shí)車試驗(yàn)，基于心率變異性特征探究乘員舒適度劣化機(jī)理，并建立基于心率變異性的高速列車乘員舒適度評估模型，為有效評估高速列車乘員的綜合、振動及耳氣壓舒適度提供建議與方法。

1 實(shí)驗(yàn)與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)對象及試驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)于長沙至貴陽的滬昆高鐵線路上進(jìn)行，共采集了4 名女性乘員及4 名男性乘員(年齡22±1歲)的心電數(shù)據(jù)及主觀舒適度數(shù)據(jù)，被試者在實(shí)驗(yàn)開始前了解本實(shí)驗(yàn)的目的以及基本流程。在高速列車行駛過程中，對被試者的心電信號進(jìn)行了全程采集，如圖1(a)所示。心電采用了改進(jìn)的心電標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)Ⅱ方法。在實(shí)驗(yàn)過程中，被試在調(diào)整座椅至舒適角度后，每10 min 填寫一次主觀調(diào)查問卷，每次實(shí)驗(yàn)時長約為120 min。本文的技術(shù)路線如圖2所示。

圖1 生理信號數(shù)據(jù)采集Fig. 1 Physiological signal data acquisition

圖2 技術(shù)路線Fig. 2 Technology roadmap

1.2 測試儀器及調(diào)查問卷

本次實(shí)驗(yàn)使用BIOPAC MP150 多導(dǎo)生理儀中的ECG 模塊對乘員的心電信號進(jìn)行采集，采樣頻率為1 000 Hz，試驗(yàn)設(shè)備如圖1(b)所示。

主觀調(diào)查問卷對被試乘員的綜合舒適度、振動舒適度、耳氣壓舒適度共計(jì)3 個問題進(jìn)行了調(diào)查。為了使被試者能夠簡單且相對客觀地表述自己的舒適度感受，問卷采用視覺模擬量表，每個問題評分范圍由-50 分至50 分，-50 分表示“不舒適”，50 分表示當(dāng)前狀態(tài)“舒適”，被試者依照當(dāng)前自身的舒適度狀態(tài)對相關(guān)問題進(jìn)行打分，如圖1(c)所示。對問卷獲得的舒適度評分進(jìn)行歸一化處理，將評分劃分為5個等級：0～0.2分為不舒適，0.2～0.4 分為輕微不適，0.4～0.6 分為正常，0.6～0.8 分為稍舒適，0.8～1.0 分為舒適。在最終使用“0，0.25，0.5，0.75，1”5 個數(shù)字分別代表上述5 種舒適度狀態(tài)。

1.3 心率變異性指標(biāo)計(jì)算

依據(jù)心電信號在采集過程中常見的信號干擾類型[15]及相關(guān)心電處理文獻(xiàn)[16]，對心電信號進(jìn)行0.5~100 Hz 的帶通濾波以及50 Hz 的陷波作為預(yù)處理。一個完整的ECG波形由P波、QRS波群、T波及U 波組成，其中心跳間期是指2 次R 波之間的時間間隔，也稱RR 間期，如圖1(d)所示。在數(shù)據(jù)處理過程中取每次問卷填寫前3 min 和后2 min 共計(jì)5 min 的時間段，識別該時間段內(nèi)心電信號的R 波峰值并提取心跳間期，通過四分位數(shù)法識別并篩選異常的心跳間期，通過線性插值進(jìn)行修正。心率變異性特征提取時間窗口設(shè)置為30 s，滑動窗口長度為2 s，對時間段內(nèi)獲得的特征值進(jìn)行平均以作為該問卷對應(yīng)的心率變異性特征值。本文中提取的心率變異性時域、頻域以及非線性等10 種特征如表1所示。

表1 心率變異性特征及計(jì)算方式Table 1 HRV characteristics and calculation methods

2 結(jié)果及分析

2.1 綜合舒適度影響分析

對被試者在問卷中綜合舒適度問題中“舒適”及“不舒適”2 種狀態(tài)下心率變異性特征的SDSD，SDNN， RMSSD， Mean_rr， pNN50， LF_norm，HF_norm，SD1，SD2 及ApEn特征進(jìn)行計(jì)算，得到的散點(diǎn)圖、平均值及標(biāo)準(zhǔn)差如圖3所示。

圖3 綜合舒適度HRV特征變化Fig. 3 Changes in HRV characteristics about comprehensive comfort

進(jìn)一步對被試的綜合舒適度狀態(tài)下的心率變異性特征進(jìn)行Shapiro-Wilk 正態(tài)性測試，該正態(tài)測試方法適用于小樣本的正態(tài)分布檢驗(yàn)。對符合正態(tài)分布的特征進(jìn)行配對樣本T檢驗(yàn)，對非正態(tài)分布的特征進(jìn)行Wilcoxon符號秩檢驗(yàn)。

表3 綜合舒適度下心率變異性特征T檢驗(yàn)結(jié)果Table 3 HRV characteristics T-test results about comprehensive comfort

根據(jù)結(jié)果統(tǒng)計(jì)可得，對于綜合舒適度劣化，Mean_rr的顯著性概率為0.033 7，低于臨界值0.05，具有顯著性，該值在“舒適”和“不舒適”之間差異在α=0.05 的水平上具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。在舒適階段Mean_rr值為(714.60±44.22) ms，在不舒適 階 段Mean_rr值 為(757.36±46.12) ms，即 更 低Mean_rr代表乘員的綜合舒適度良好，舒適狀態(tài)劣化時Mean_rr值的增長程度為(6.17%±6.38%)。而本次所統(tǒng)計(jì)的其他特征值，雖部分特征在“舒適”至“不舒適”狀態(tài)下數(shù)值有明顯變化趨勢，但在α=0.05的水平上差異不顯著。

2.2 振動舒適度影響分析

對問卷中的振動舒適度問題中“舒適”和“不舒適”2 個狀態(tài)下的10 個心率變異性特征進(jìn)行計(jì)算分析，得到的各特征值散點(diǎn)圖、平均值及標(biāo)準(zhǔn)差如圖4所示。

圖4 振動舒適度HRV特征變化Fig. 4 Changes in HRV characteristics about vibration comfort

進(jìn)一步對該問卷對應(yīng)的特征進(jìn)行正態(tài)性測試與T 檢驗(yàn)。T 檢驗(yàn)的結(jié)果如表4 所示。根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果可得，對于振動舒適度，SDNN和SD2 對“舒適”和“不舒適”之間的差異具有顯著性。其中，在舒適階段SDNN值為(36.14±10.67) ms，在不舒適階段SDNN值為(43.66±6.55) ms，在舒適度劣化過程中SDNN值增長幅度為(25.99%±21.80%)；在舒適階段SD2 值為(46.67±13.49) ms，在不舒適階段SD2 值為(56.18±7.58) ms，在舒適度劣化過程中SD2 增長幅度為(25.67%±21.81%)。另8 種心率變異性特征值在α=0.05的水平上差異不顯著。

表4 振動舒適度下心率變異性特征T檢驗(yàn)結(jié)果Table 4 HRV characteristics T-test results about vibration comfort

2.3 耳氣壓舒適度影響分析

對問卷中的耳氣壓舒適度問題中“舒適”和“不舒適”2 個狀態(tài)下的10 個心率變異性特征進(jìn)行計(jì)算分析，得到的各特征值散點(diǎn)圖、平均值及標(biāo)準(zhǔn)差如圖5所示。

圖5 耳氣壓舒適度HRV特征變化Fig. 5 Changes in HRV characteristics about ear pressure comfort

對該問卷對應(yīng)的特征進(jìn)行正態(tài)性測試及T 檢驗(yàn)。T 檢驗(yàn)的結(jié)果如表5 所示。根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果可得，對于耳氣壓舒適度，本文中所使用的心率變異性特征于本次實(shí)驗(yàn)中在α=0.05 的水平上差異不顯著。

表5 耳氣壓舒適度下心率變異性特征T檢驗(yàn)結(jié)果Table 5 HRV characteristics T-test results about ear pressure comfort

2.4 基于隨機(jī)森林的高速列車乘員舒適度評價模型

為進(jìn)一步驗(yàn)證心率變異性特征在高速列車乘員舒適度評價中起到的作用，建立基于隨機(jī)森林算法的高速列車乘員舒適度評價模型，以心率變異性特征值為模型輸入，用于分類5 個舒適度等級。隨機(jī)森林算法是一種集成機(jī)器學(xué)習(xí)模型，利用多顆決策樹對樣本進(jìn)行訓(xùn)練并預(yù)測，是近年來流行的機(jī)器學(xué)習(xí)模型[17]。結(jié)果如表6 所示，綜合舒適度的準(zhǔn)確率最高，達(dá)到了74.32%，振動舒適度的準(zhǔn)確率稍低，達(dá)到了70.67%。值得注意的是，雖然在前文分析中，耳氣壓舒適度與心率變異性特征未找到顯著相關(guān)，但分類結(jié)果仍可達(dá)到68.27%。結(jié)果表明，利用心率變異性特征對高速列車乘員舒適度進(jìn)行評價是可行的。

表6 高速列車乘員舒適度評價模型結(jié)果Table 6 High-speed train passenger comfort evaluation model results

3 討論與分析

本研究通過采集高速列車列車運(yùn)行過程中乘員的心電信號，并進(jìn)行主觀問卷調(diào)查，研究了心率變異性特征在綜合舒適度、振動舒適度、耳氣壓舒適度劣化時的變化狀態(tài)。生理信號參數(shù)不同的靈敏性特點(diǎn)決定了其應(yīng)用范圍，由心電信號分析得到的各類心率變異性特征值主要反映了人體神經(jīng)的興奮狀態(tài)，因此主要對綜合舒適度、振動舒適度以及耳氣壓舒適度問題進(jìn)行分析研究。

自主神經(jīng)系統(tǒng)由交感神經(jīng)系統(tǒng)及副交感神經(jīng)系統(tǒng)組成，受大腦支配而非意志支配。其中交感神經(jīng)系統(tǒng)在人體處于緊張狀態(tài)時占主導(dǎo)地位，副交感神經(jīng)在人體在平靜時占主導(dǎo)地位，兩者之間一般呈拮抗?fàn)顟B(tài)，但也有研究表明兩者并非簡單的零和系統(tǒng)[18]。綜合舒適度中，在95%的置信度下顯著相關(guān)的Mean_rr在舒適狀態(tài)下主要分布在[677.01, 805.85] ms，在不舒適狀態(tài)下主要分布在[704.57, 824.47] ms，即Mean_rr在綜合舒適劣化中呈上升趨勢。表明在乘坐過程中乘員的RR 間期時長增加，心率下降，心臟搏動次數(shù)減小。在一些實(shí)驗(yàn)中，壓力或煩躁等造成的不舒適會引起心率上升。但在本次實(shí)驗(yàn)中，問卷調(diào)查結(jié)果顯示乘員綜合舒適度中的“不舒適”評價多出現(xiàn)在試驗(yàn)的后半階段，即綜合舒適度受到乘坐時長的影響較大。8 名被試乘員的綜合舒適度主觀評價等級及Mean_rr隨時間的變化如圖6 所示。被試乘員的綜合舒適度主觀評價等級隨時間增長有下降趨勢，Mean_rr隨時間增長呈上升趨勢，且與主觀評價等級基本呈反比狀態(tài)。說明在長時間乘坐過程中乘員疲勞累積，導(dǎo)致疲倦、困乏狀態(tài)占主導(dǎo)地位，副交感神經(jīng)的活性增強(qiáng)，造成心率下降，與文獻(xiàn)[19]中長時間駕駛疲勞試驗(yàn)中的結(jié)論相一致。振動舒適度中，在95%置信度下顯著相關(guān)的SDNN與SD2分別反映心率變化中的慢變化成分與整體的長期變異性。文獻(xiàn)[20, 21]表明振動會影響人體的各個器官與神經(jīng)系統(tǒng)，導(dǎo)致大腦皮層興奮過度、能量消耗過度，引起人體的加速疲勞。SDNN在振動舒適的劣化中呈上升趨勢，反映了乘員疲勞程度的加深，與文獻(xiàn)[14, 22]中的結(jié)論相一致；而振動舒適度劣化引起SD2 的上升，可能是不舒適及疲倦狀態(tài)下人體交感神經(jīng)活性減少所引起。在文獻(xiàn)[12]中RMSSD隨著路面平整度的下降而有所下降，即振動的增加造成了RMSSD下降，而在本次高速列車乘坐實(shí)驗(yàn)中RMSSD雖與振動舒適度無顯著相關(guān)，但隨著振動舒適度劣化呈上升趨勢。文獻(xiàn)[12]中為較短時間內(nèi)的實(shí)驗(yàn)，而本文中的實(shí)驗(yàn)時間多為120 min 以上，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不同可能說明短時間內(nèi)的振動與長時間振動積累對人體HRV 的影響具有差異。耳氣壓舒適度中，在95%的置信度下暫無顯著特征，但在90%的置信度下顯著相關(guān)的Ap-En隨耳氣壓舒適度劣化呈下降趨勢。由于高速列車為不完全密封環(huán)境，因此當(dāng)高速列車進(jìn)出隧道、列車交會或是加減速時列車周圍的表面氣壓出現(xiàn)變化，導(dǎo)致車廂外的氣壓變化傳遞至車廂內(nèi)部，使車廂內(nèi)部的氣壓發(fā)生變化。由于外耳的壓力隨車廂內(nèi)部變化，導(dǎo)致與中耳形成了壓差，令乘員產(chǎn)生耳鳴或耳痛的現(xiàn)象。ApEn下降表明在耳氣壓不舒適引起HRV 的復(fù)雜度下降，心臟的神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力下降，心率的波動降低。但是現(xiàn)階段關(guān)于耳氣壓舒適度與HRV 的研究較少，其相關(guān)機(jī)理仍有待進(jìn)一步研究。

圖6 綜合舒適度等級及Mean_rr時間變化Fig. 6 Comprehensive comfort level and Mean_ rrtime variation

此外，對比舒適等級與不舒適等級下心率變異性特征值，可以發(fā)現(xiàn)某些特征值指標(biāo)存在相同的變化趨勢，但顯著性程度有所差異。為了更準(zhǔn)確地區(qū)別判定不同舒適度等級，應(yīng)進(jìn)一步有針對性地選取并綜合多種心率變異性特征作為判別依據(jù)。機(jī)器學(xué)習(xí)模型取得了較好的效果，在舒適度等級五分類的綜合舒適度、振動舒適度和耳氣壓舒適度問題下分別取得了74.32%，70.67% 和68.27%的分類結(jié)果，證明了心率變異性中含有足夠的高速列車乘員舒適度相關(guān)信息，且機(jī)器學(xué)習(xí)模型能有效提取其中的關(guān)鍵因素并用于準(zhǔn)確評估。

4 結(jié)論

1)Mean_rr與綜合舒適度等級在95%的置信度下顯著正相關(guān)，表明長時間乘坐引發(fā)的疲勞困乏是綜合舒適度劣化的主要原因。

2)SDNN及SD2 在振動不舒適狀態(tài)下呈上升趨勢，與振動舒適度在95%的置信度下顯著相關(guān)。

3) 建立了基于心率變異性的舒適度識別模型，對綜合舒適度、振動舒適度及耳氣壓舒適度的識別準(zhǔn)確率分別為74.32%，70.67%和68.27%。