严　雪　徐良杰　奚少新　余金林

(武汉理工大学交通学院　武汉　430063)

基于人行道系统的动态轮椅舒适性评价方法研究*

严雪徐良杰奚少新余金林

(武汉理工大学交通学院武汉430063)

摘要：轮椅出行是部分伤残障群体的主要出行方式，随着当今城市人口老龄化的加速，轮椅出行的比例在不断地增加.目前有关轮椅出行的舒适性研究主要是考虑其自身的设计舒适性，国内外针对动态轮椅舒适性与其载体——人行道系统的关系评价研究尚属空白.因此，从交通工程学的角度，针对轮椅出行者的不同状态，以加权加速度均方根值模型为基础，探讨了基于人行道系统的动态轮椅舒适性的评价方法.采用仿真实验的方法，基于人行道系统对动态轮椅的舒适性进行了评价分析.结果表明，基于人行道系统对动态轮椅的振动舒适性的评价结果与人的主观感受相一致.

关键词：人行道；轮椅；舒适性；评价；老龄化

0引言

减少交通冲突是解决交通问题的一大手段，而在所有的交通参与者中慢行交通者一直处于弱势，最难管制与约束，而慢行交通中的轮椅出行者所带来的问题日益突出.传统观念中使用轮椅的多是伤残障群体，而随着我国人口结构呈现老龄化在一定的阶段中将成为一种趋势，老人越来越多将成为全国各地的普遍现象.对于老年人，尤其是高龄老年人来说，由于生理衰退的客观原因，其行动能力大为降低，因而轮椅不可避免地成为了代步工具.随着日渐开明化的思想发展，不管是因残疾而使用轮椅的人，还是因年老而使用轮椅的人，他们越来越愿意走出家门，加之现代年轻人都比较孝顺，也愿意经常带老人出门，导致轮椅的出行需求在不断增大.

然而，有关轮椅使用者舒适性方面的研究大多还停留在轮椅本身的静态舒适性和设计上.申俊[1]基于人机工程学的理念，根据老年人身体特征变化和成年人人体尺寸，确定合适的坐垫和靠背尺寸，进行了轮椅的静态舒适性分析.秦美超等[2-3]虽然建立比较完善的轮椅舒适性评价指标体系，但是仍然只是针对静止状态下的轮椅.舒适性的研究最早开始于汽车，发展至今，汽车的振动舒适性评价方法已经十分成熟.邓本波[4]从人体对振动的反应入手，就车辆内不同的位置和车速下的加速度和各个振动坐标轴方向的数据进行加权处理，拟合出客观量与主观感受的关系.唐荣江[5]在传统的评价方法基础上建立了一种基于神经网络的新评价方法，主要是探讨振动客观量与主观感觉的关系.徐璋[6]基于ISO2631国际标准和GB4970国家标准，分析了车速、路面这2个因素对汽车平顺性能的影响.

因此，基于轮椅动态行驶特征，对轮椅展开舒适性评价研究.通过借鉴传统汽车振动舒适性评价方法，结合轮椅的结构特性和道路环境特征，对传统的加权加速度均方根值模型进行修正，引入“作用时间”这一影响因素，最终得到适用于动态轮椅的舒适性评价方法，为轮椅设计和人行道设计等提供理论依据.

1系统舒适性评价的理论基础

1.1概念引入

动态轮椅的舒适性是指轮椅在行进过程中所产生的各种冲击和振动激励的能力，并且传递给人体的振动强度是否处于可承受的舒适界限之内，以及人体感知舒适的程度[7].人体振动是一个十分复杂的动力学系统，而当人体姿势发生改变时振动情况也在发生着变化[8].邓本波指出人体体轴坐标系和振动作用方向的界定以及人体振动模型的分析，都是为评价模型方法的建立提供理论支持.

按人体解剖学的规定：人体体轴坐标系以心脏为原点，互相垂直的3个轴为人体的背—胸轴为X轴，右侧—左侧轴为Y轴，脚—头轴为Z轴.则图1就是人体呈坐姿状态时的直角坐标系.

图1　人体坐姿的坐标系

根据上述的规定，振动作用方向分别为X轴向、Y轴向和Z轴向.但是，乘坐轮椅时由于路面不平而产生的振动主要通过臀部传递给人体，其余接触面极小，可忽略不计.因此，对于动态轮椅的振动，座垫与人体的接触面是主要的受振分析对象.具体是指臀部3个方向的线振动Xa，Ya，Za和3个方向的角振动ωx，ωy，ωz.

1.2影响因素

1.2.1轮椅机械振动参数

轮椅的运动过程中，人通过轮椅的机械结构间接与道路接触，轮椅走过路面的振动感通过轮椅机构传递到人体，人会因轮椅与道路表面的接触形式而获得不同的舒适性感觉，而影响人体和轮椅振动形式的因素有很多.ISO2631国际标准指出，人体受振反应的四个首要的物理量就是振动强度、振动频率、振动方向和作用时间[9].

1) 振动强度描述人体受到振动影响的强度的基本量是加速度，m·s-2.为了便于计算与测量，在实际运用中，振动的量值大小以“均方根”形式来表示.它的理论值可以通过计算得出，也可以用加速度传感器测出加速度后乘以加速度方向的位移.

2) 振动频率它是指振动物体在单位时间内的振动次数，用f表示，Hz.振动频率既可以通过定义计算出来，也可以通过仪器228振动频率仪测量获取.

3) 振动方向人体姿势的变化会导致振动情况的改变，通过轮椅通行道路路面变化使人体获得不同的舒适性.

4) 作用时间很多情况下，振动系统如振动减速标线一样，作用时间很短暂，通常忽略不计.但是在人行道系统中，轮椅运动缓慢，连续作用时间时间长，振动频率达到一定程度时人体的不适感会随着作用时间的增加而加强.

1.2.2人行道铺装形式

人行道的路面形式很多，有水泥路面、沥青路面和铺砖路面，而铺砖路面的人行道系统对轮椅舒适性影响较大，因此本文将针对铺砖路面的人行道系统展开研究.由于人行道砖的形式、大小等多种多样.考虑到不同的人行道铺砖形式产生不同的路面不平度，会对轮椅舒适性产生不同的影响，现就以下几种典型的人行道铺砖形式展开分析：

1) 方块砖铺装的人行道由于方块砖的规格尺寸比较规整，这一类人行道会形成等间距的条纹状缝隙，由此产生的振动也很规律，并且可计算.假定轮椅行驶速度为X时，横向铺设方块砖频率为n/(d/X)，纵向铺设方块砖频率为N/(L/X)，其中:d为人行道的宽度；L为人行道的长度；n为横向铺设的总砖块数；N为纵向铺设的总砖块数.

2) 带花纹的砖块铺砖的人行道这种砖块在设计之初是考虑了人行道排水情况的，但却是轮椅使用者感到最不舒适的一种人行道.这一类人行道上的缝隙不规则，振动多而细密，无法通过定义计算而得，只能用仪器设备检测出振动频率，频率范围一般在4.0～16.0 Hz.

3) 多边形砖铺装的人行道这一类人行道也很规则，每一个砖块在行进方向上的长度相同，每条缝隙的间距相等，从而产生的振动频率也是规律的，频率范围一般在2.0～12.0 Hz.

综上可看出，不同路面的铺装形式对轮椅通行的影响主要是通过路面形成的振动频率来完成的，而无论哪种路面铺装形式，其振动频率或频率范围均可通过计算和实验获取.频率越大，人所感受到的振动就越明显，累计的作用时间就越大，人的舒适度就会随着时间的增加而降低.从3种人行道铺砖的振动频率可以看出，第2种带有花纹的砖块铺装形式产生的振动频率最大，在这类人行道上行驶的不舒适是最明显的.

2评价模型的构建

2.1评价指标

人体对振动反应程度的影响因素有很多，比如，振动频率、振动强度、作用时间.余金林等[10]关于车辆过减速带时的舒适性评价中考虑到交叉口处设置的振动减速标线作用的时间不超过10 s，故而忽略了作用时间的影响.然而，轮椅属于慢行交通中的交通工具，行驶速度缓慢，与道路表面的连续作用时间长.因此，动态轮椅的舒适性评价模型必须以作用时间、振动频率、振幅和车速不同为评价指标.

2.2评价模型

轮椅舒适性的影响主要通过人行道铺砖频率来实现，因此轮椅运动的舒适性评价可以通过研究振动频率对人体的影响而得到.基于1.1的相关介绍和人体对不同频率振动的敏感程度不完全一样，图2给出了各轴向0.5～80 Hz的频率加权函数，而具体的数值情况及其对应的轴加权系数见表1～2[11].

图2　各轴向的频率加权函数

坐标轴频率加权函数轴加权系数kXaWd1.00YaWd1.00ZaWb1.00ωxWe0.63ωyWe0.40ωzWe0.20

表2　频率加权函数

如表1所列，作为支撑面的臀部3个方向的线振动是人体中最敏感的，其轴加权系数为1.其余的轴加权系数均小于0.8，敏感度不够，因此在考虑动态轮椅的舒适性评价时可忽略不计.

在模型的构建中，假设轮椅是规范地行驶在人行道上，并且人行道铺设相应的人行道砖.传统的加权加速度均方根值模型[12]是由加权频率函数W(f)和由加速度时间历程ɑ(t)进行频谱分析得到自功率谱密度函数Ga(f)计算而得，表达式为

(1)

(2)

路面不平度的存在导致了动态轮椅的舒适性问题，同时考虑到以垂直方向作为受振方向，所以路面功率谱密度Ga(n)可用下式拟合得到：

(3)

式中：n0为参考空间频率，取0.1 m-1；n为空间频率，m-1，表示每米长度中包括几个波长；w为频率指数，为双对数坐标上斜线的斜率.

在以上分析的基础上，再考虑车速不同的影响因素时，将空间频率功率谱密度Ga(n)换算为时间频率功率谱密度Ga(f)，即

(4)

最后由空间频率n的含义，以及考虑到轮椅在人行道上行驶时，路面的不平主要是因为铺设了一块块的人行道砖而引起的，每当轮椅经过一个砖块就会振动一下，所以空间频率n可表示为

(5)

式中：L为一段连续不间断的人行道的长度，m.

由式(3)～(5)整理得到，时间频率功率谱密度Ga(f)的计算式为

(6)

最终整理得到，动态轮椅的舒适性评价模型为

(7)

轮椅在人行道上行驶时速度慢、时间长，这时由路面不平引起的振动不适感会随着时间越长而感到越明显，而由于路面砖块间隙相对于轮椅轮胎大小而言，其震动幅度对轮椅舒适性的影响较小.因此，评价模型主要是将作用时间t考虑一定的权重β加入K值系数法中，得到振动舒适性指标值K如下.

(8)

式中：β(t)为与作用时间t有关的常数，通常频率f处于3.0～6.5 Hz且作用时间t超过70 s时会考虑；A为铺设砖块凹槽的深度.

评价标准见表3～4.

表3　加权加速度均方根值与人的主观感受的关系

表4　K值系数法的评判准则

3模拟实验及舒适性评价

3.1实验设计

实验需要的设备主要包括轮椅、三向加速度传感器、秒表、垫盘和GPS车速仪.实验选取一段铺设方形人行道砖且连续不间断的人行道，长度为100 m.试验人员为被试者和辅助实验者，被试者为中等身材.实验前，被试者坐于轮椅上，辅助实验者将三向加速度传感器安装在轮椅上，安装时将三向加速度传感器装入一个垫盘中，方便准确测试三个方向的振动.然后以不同的速度匀速推动轮椅行驶在人行道上，由于人为因素的不可控性，在实验过程中给出了推荐车速及其波动范围，并采用秒表记录行驶时间.实验过程中，均是在相同环境条件下完成，控制无关影响变量，值改变轮椅行驶速度，通过速度的变化获取轮椅与路面的作用时间和频率.

3.2实验结果及分析

通过上述实验获取统计数据，根据动态轮椅舒适性评价模型计算人的主观感受，结果见表5.

由表5可知，随着车速的不断提高，加权加速度均方根值也在不断地增大.当速度低于1.0 m/s时加权加速度均方根值ɑW<0.068，此时行走在人行道上轮椅使用者的主观感受还在可接受的范围内；而当速度大于1.4 m/s时加权加速度均方根值ɑW>0.07，此时频率f也偏大(见图3)，轮椅使用者的主观感受明显不舒适.

表5　加权加速度均方根值ɑW和K值系数法的评价结果

在频率f与作用时间t的综合作用下，K值的变化规律如图4所示.当频率f<3.0 Hz时K<5，人体的主观感受处于“没有不适感”的状态；当频率f>6.5 Hz时K>10，人体有“不适感”；当频率f处于3.0～6.5 Hz时K值系数法还要考虑作用时间t这一影响因素，结果显示，t>100 s时人体有“不适感”，t<100 s时人体“稍有不适感”.

图3　加权加速度均方根值与车速的变化规律

图4　K值与作用时间的变化规律

4结论

1) 以动态轮椅为研究对象，在传统的加权加速度均方根基础上进行了修正并结合K值系数法，充分考虑了振动频率、作用时间和车速变化对动态轮椅的舒适性影响，提出了基于其动态舒适性的人行道系统评价方法.

2) 第一次在K值系数法中引入“作用时间”参量，考虑动态轮椅的特殊性，普通轮椅的行驶速度较小，慢速运动中高频率的作用时间累积，对轮椅乘坐者的舒适性感知有很大的影响.

3) 在提出的动态轮椅舒适性评价方法中，随着振动频率的增加，轮椅使用者感觉的舒适性会逐渐变差.同时由实验数据可得，作用时间为90～130 s时振动频率虽然适中，可长时间处于振动状态下导致轮椅使用者的舒适感变差.

参 考 文 献

[1]申俊.基于人机工程学的老年人轮椅舒适性及其轻量化研究[D].大连：大连交通大学,2006.

[2]秦美超.轮椅舒适性评价体系研究[D].大连：大连交通大学,2012.

[3]袁艳丽,关天民,秦美超.轮椅舒适度评价体系与评价方法研究[J].机械科学与技术,2014(3):332-338.

[4]邓本波.汽车振动乘坐舒适性的评价方法研究[D].合肥：合肥工业大学,2005.

[5]唐荣江.基于神经网络的汽车振动乘坐舒适性评价方法研究[D].长春：吉林大学,2009.

[6]徐璋.汽车平顺性评价方法的研究[D].成都：西南交通大学,2012.

[7]刘建中，铃木近，青木弘行，等.汽车乘坐舒适性主观评价模型构筑[J].汽车技术,1994(9):11-20.

[8]PENNATI M, GOBBI M, MASTINU G. A dummy for the objective ride comfort evaluation of ground vehicles[J]. Vehicle System Dynamics，2009，47(3):355-360.

[9]全国机械振动和冲击标准化技术委员会.人体全身振动环境的测量规范：GB/T13441-1992[S].北京:中国标准出版社,1992.

[10]余金林,徐良杰,刘启远,等.干线公路无控交叉口振动减速标线设计与舒适性评价[J].武汉理工大学学报：交通科学与工程版,2015(1):135-138,143.

[11]UYS R E, ELS R S, THORESSON M. Suspension settings for optimal ride comfort of off-road vehicles travelling on roads with different roughness and speeds[J]. Journal of Terramechanics,2007,44(2):163-175.

[12]楼少敏,王永达,许沧粟.基于路面不平度自功率谱密度函数计算国际不平度指数的研究[J].公路交通科技,2007(8):12-15.

Research on Evaluation Method of the Comfort of Dynamic Wheelchair Based on Pavement System

YAN XueXU LiangjieXI ShaoxinYU Jinlin

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)

Abstract：Wheelchair is the main way of traveling for part of the disabled people. Along with the acceleration of aging population in city, the proportion of traveling using wheelchair is increasing. At present, the research on the comfort of wheelchair mainly considers the design comfort of wheelchair, while the study on assessment of the relationship between the comfort of dynamic wheelchair and its carrier - the sidewalk system is still blank both at home and abroad. Therefore, from the perspective of traffic engineering, for the different states of wheelchair travelers, this paper discusses the evaluation method of dynamic wheelchair's comfort based on the traditional weighted acceleration RMS value model. Finally, by using numerical simulation, the comfort of dynamic wheelchair is evaluated based on the sidewalk system. The simulation results show that the vibration comfort evaluation results of dynamic wheelchair are consistent with the subjective feeling.

Key words：sidewalk; wheelchair; comfort; evaluation; the aging

收稿日期：2016-04-20

中图法分类号：U491.2

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.03.027

严雪(1991- )：女，硕士，主要研究领域为交通运输规划与管理、交通信号控制、交通安全

*国家自然科学基金项目(51578433)、吉林省交通运输科技计划项目(2014-1-3)资助