基于乘員心率變異性的純電動(dòng)公交車(chē)乘坐舒適性主觀評(píng)價(jià)研究

邵琪，李園園

基于乘員心率變異性的純電動(dòng)公交車(chē)乘坐舒適性主觀評(píng)價(jià)研究

邵琪1，李園園2

（1.長(zhǎng)安大學(xué) 汽車(chē)學(xué)院，陜西 西安 710000；2.中國(guó)航空工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710000）

為研究純電動(dòng)公交車(chē)乘員的乘坐舒適性，文章對(duì)不同實(shí)驗(yàn)人員乘坐公交車(chē)時(shí)座椅位置的三向加速度和乘員的心率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。采用樣本熵的方法進(jìn)行HRV分析，隨著乘員不舒服程度的增加，歸一化后的SampEN呈遞增趨勢(shì)，表明偏離人體正常生理狀態(tài)的程度增大，人體系統(tǒng)內(nèi)部不規(guī)則性增強(qiáng)。

乘坐舒適性；心率變異性；樣本熵

引言

隨著居民生活質(zhì)量的提高，人們對(duì)高水平乘坐舒適性的需求也日益增長(zhǎng)，而公交車(chē)作為人們?nèi)粘Ｉ钪兄匾慕煌üぞ?，其乘坐舒適性越來(lái)越受到人們的重視。當(dāng)人體長(zhǎng)期處于較強(qiáng)烈的振動(dòng)和噪聲等不利環(huán)境下時(shí)，乘客的乘坐舒適性快速下降，嚴(yán)重時(shí)危害乘客身體健康，因此，提高公交車(chē)的乘坐舒適性是必要的[1-3]。

心率變異性（Heart Rate Variability, HRV）描述的是連續(xù)的心跳間隔或RR（inter-beat interval）間期之間的變化。

B.Lee研究發(fā)現(xiàn)在模擬駕駛環(huán)境下，隨著心率的增加，SDNN、RMSSD和pNN50參數(shù)從靜息狀態(tài)開(kāi)始降低，隨著車(chē)速的提高，除心率降低外，其余均呈增加的趨勢(shì)；在實(shí)際道路駕駛過(guò)程中，心率隨應(yīng)激程度的增強(qiáng)而增加，SDNN、RMSSD、pNN50呈下降趨勢(shì)，其中心率的敏感性最高，夜間駕駛時(shí)心率較低，pNN50、SDNN和RMSSD值較高，在短期試驗(yàn)中HRV的頻域參數(shù)無(wú)明顯變化[4]。X.Li在研究在草原公路景觀單一的場(chǎng)景下，駕駛員生理指標(biāo)與駕駛時(shí)間的關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著駕駛時(shí)間的增加，駕駛員的心率和心率增長(zhǎng)率均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)[5]。

西安建筑科技大學(xué)的朱文強(qiáng)在研究高速公路的不同路段對(duì)駕駛員心率增長(zhǎng)率的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，在小半徑平曲線路段和平直路段，駕駛員心率與道路圓曲線半徑間呈現(xiàn)二次函數(shù)關(guān)系，不同的是隨道路圓曲線半徑的增大，小半徑平曲線路段駕駛員心率增長(zhǎng)率先增大后減??；平直路段則剛好相反，心率增長(zhǎng)率呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)；在縱坡路段中，隨坡度的增大，駕駛員心率增長(zhǎng)率與坡度呈二次方關(guān)系增大；在彎坡組合路段中，駕駛員心率增長(zhǎng)率隨道路線形組合指標(biāo)的增大而線性增大[6]。

本文將心率變異性分析引入到乘員乘坐舒適性評(píng)價(jià)中，對(duì)某純電動(dòng)公交車(chē)在整個(gè)運(yùn)行線路上，同步采集座椅處車(chē)輛振動(dòng)響應(yīng)加速度、乘員主觀感受和乘員的生理信號(hào)，通過(guò)對(duì)某區(qū)間振動(dòng)響應(yīng)加權(quán)加速度均方根值和相對(duì)應(yīng)的乘員心率變異性的分析，結(jié)合乘員主觀感覺(jué)，對(duì)乘坐舒適性評(píng)價(jià)開(kāi)展更加客觀的深入研究。

1 乘坐舒適性評(píng)價(jià)研究理論基礎(chǔ)

根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 2631—2009總加權(quán)加速度均方根值a與人體主觀感覺(jué)的關(guān)系對(duì)乘坐舒適性進(jìn)行評(píng)價(jià)，具體對(duì)應(yīng)如表1所示[7]。

表1 總加權(quán)加速度均方根值與人的主觀感覺(jué)之間的關(guān)系

總加權(quán)加速度均方根值av/（m/s2）人的主觀感覺(jué) <0.315沒(méi)有不舒服 0.315～0.63有些不舒服 0.5～1比較不舒服 0.8～1.6不舒服 1.25～2.5很不舒服 >2極不舒服

2 實(shí)際場(chǎng)景的乘員乘坐舒適性信號(hào)采集與分析

2.1 基于實(shí)際場(chǎng)景的信號(hào)采集準(zhǔn)備

本次采集使用吉利遠(yuǎn)程E12純電動(dòng)公交車(chē)，采集人員為身體健康的男性在校研究生。車(chē)輛運(yùn)行線路是以長(zhǎng)安大學(xué)渭水校區(qū)為始發(fā)站，西安火車(chē)站為終點(diǎn)站的214運(yùn)行路線，該運(yùn)行路線行駛里程適中，單程長(zhǎng)度為17.5 km。

使用設(shè)備：筆記本電腦一臺(tái)；乘員心電采集設(shè)備：心率帶和Acqknowledge數(shù)據(jù)采集軟件；振動(dòng)加速度采集設(shè)備：電容式三軸加速度傳感器、分線盒、DT9837數(shù)據(jù)采集儀和Dewesoft數(shù)據(jù)采集軟件。

2.2 非線性分析方法

2.2.1樣本熵

在HRV分析中，主要應(yīng)用的是樣本熵和近似熵。樣本熵（SampEn）是一種以Takens定理為基礎(chǔ)理論發(fā)展而來(lái)的RR間期時(shí)間序列相空間表示方法。樣本熵算法表述如下：

（1）設(shè)有長(zhǎng)度為的時(shí)間序列(1)，(2)，(3)，...，()，規(guī)定一個(gè)表示相似度比較的閾值，再確定一個(gè)劃分子序列長(zhǎng)度的度量。

（2）通過(guò)將原序列進(jìn)行重構(gòu)，這樣就可以得到(?+1)個(gè)子序列(1)，(2)，(3)，…，(?+1)，將每個(gè)子序列以()表示如式（1）所示，式中=1，2，…，?+1。

()=[()，(+1)，(+2)，…，(+-1) ] （1）

（3）計(jì)算任意兩個(gè)重構(gòu)向量()和()之間的距離[(),()]，其中表示兩個(gè)重構(gòu)向量() (1???+1)與()之間的距離，由兩個(gè)向量中對(duì)應(yīng)位置元素的最大差值決定，且≠。

[()，[]]=max{|u+k?u+k||=0，…，?1} （2）

（4）然后統(tǒng)計(jì)滿足以下條件的向量個(gè)數(shù)，并求出與總的統(tǒng)計(jì)數(shù)目之間的比值B()：

(()，() <（3）

式中，B()為任意一個(gè)()與模板之間的匹配概率且()≠()，所以總的統(tǒng)計(jì)數(shù)就是，此過(guò)程稱之為()的模板匹配。

（5）求B()對(duì)于每個(gè)的平均值，也就是平均相似率，記為B()：

按照步驟（1）—（5），計(jì)算+1時(shí)的平均相似率B+1()，當(dāng)取有限值時(shí)，有樣本熵：

（6）參數(shù)選擇：嵌入維數(shù)一般選取1或2；相似容限的選擇在很大程度上取決于實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，通常選擇=0.1?～0.25?，其中表示原時(shí)間序列的標(biāo)準(zhǔn)差。

樣本熵?cái)?shù)值的大小表征系統(tǒng)規(guī)則性的強(qiáng)弱，樣本熵值越大，表明系統(tǒng)的不規(guī)則性越強(qiáng)，越趨于隨機(jī)狀態(tài)，所包含的頻率范圍越廣泛，機(jī)體的適應(yīng)能力越強(qiáng)；相反，樣本熵值越小，說(shuō)明系統(tǒng)規(guī)則性越好，信號(hào)越近似于周期性，蘊(yùn)含的頻譜范圍越窄，機(jī)體的適應(yīng)能力顯著降低。

3 純電動(dòng)公交車(chē)乘坐舒適性主觀評(píng)價(jià)與HRV指標(biāo)

主觀評(píng)價(jià)是評(píng)估乘坐舒適性最為直接的評(píng)價(jià)方法，以表1中的主觀感覺(jué)分類等級(jí)為依據(jù)，進(jìn)行乘員乘坐純電動(dòng)公交車(chē)的舒適性主觀評(píng)價(jià)，結(jié)果如表2所示。

表2 乘員乘坐舒適性主觀評(píng)價(jià)結(jié)果

乘員主觀評(píng)價(jià)乘員樣本編號(hào) 沒(méi)有不舒服5、10、13和14 一些不舒服3、4、8、11和12 比較不舒服2、6、7和9 很不舒服1

為擴(kuò)大樣本容量，采取如式（7）所示的歸一化方法，消除不同乘員間和乘員不同乘車(chē)狀態(tài)HRV的個(gè)體差異。

式中X表示歸一化后的HRV指標(biāo)，X表示乘員在不同乘車(chē)狀態(tài)下不同站點(diǎn)的HRV指標(biāo)，X表示乘員在站姿或坐姿狀態(tài)下靜息時(shí)的HRV指標(biāo)。

在歸一化后的HRV指標(biāo)中SampEN最能反映乘員的主觀評(píng)價(jià)，SampEN作為非線性分析結(jié)果的一種，更加符合人體HRV信號(hào)非平穩(wěn)和非線性的本質(zhì)特征，能夠有效地反映人體對(duì)外界發(fā)生突變的應(yīng)對(duì)能力即適應(yīng)性，不同乘員樣本歸一化后的SampEN三次擬合曲線如圖1所示。

由圖1可知，當(dāng)乘員主觀評(píng)價(jià)為沒(méi)有不舒服的感覺(jué)時(shí)，歸一化后的SampEN三次擬合曲線小于0.2，且樣本點(diǎn)均勻分布在曲線附近；當(dāng)乘員主觀評(píng)價(jià)為有一些不舒服時(shí)，歸一化后的SampEN三次擬合曲線處在大于0.2，小于0.4的范圍內(nèi)，且樣本點(diǎn)分布相對(duì)有一些分散；當(dāng)乘員主觀評(píng)價(jià)為比較不舒服時(shí)，歸一化后的SampEN三次擬合曲線大部分處在大于0.2，小于0.4的范圍內(nèi)，部分樣本點(diǎn)高于0.4，且樣本點(diǎn)分布更加分散；當(dāng)乘員主觀評(píng)價(jià)為極度不舒服時(shí)，歸一化后的SampEN三次擬合曲線處在大于等于0.4的范圍內(nèi)，且樣本點(diǎn)分布最為分散。

圖1 歸一化后的SampEN三次擬合曲線

4 結(jié)論

由圖1可知，隨著乘員不舒服程度的增加，歸一化后的SampEN呈遞增趨勢(shì)，表明偏離人體正常生理狀態(tài)的程度增大，人體系統(tǒng)內(nèi)部不規(guī)則性增強(qiáng)。同時(shí)樣本點(diǎn)的分散程度也隨著乘員不舒服等級(jí)的提升而逐漸增加，說(shuō)明人體內(nèi)部的平衡調(diào)節(jié)能力逐步減弱。

[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.

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[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，長(zhǎng)安大學(xué)汽車(chē)學(xué)院車(chē)輛工程碩士研究生。