地鐵客室乘坐設(shè)備人機(jī)功能尺寸設(shè)計(jì)

魏　峰,　徐伯初,　支錦亦,　董石羽

(西南交通大學(xué)人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究所, 四川 成都 610031)

自1965年北京地鐵的建造以來(lái),我國(guó)目前已有30多個(gè)城市相繼開(kāi)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(zhǔn)時(shí)和低碳環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[1].隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和生活水平的提高,地鐵車輛的設(shè)計(jì)要求也在向著更加人性化的水平不斷邁進(jìn).

地鐵車輛客室的人性化設(shè)計(jì)是在車體、轉(zhuǎn)向架、電氣系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)和安全應(yīng)急系統(tǒng)等相關(guān)工程技術(shù)研究的基礎(chǔ)上,根據(jù)人的生理結(jié)構(gòu)、心理特征、行為規(guī)律和思維方式等對(duì)客室車廂內(nèi)的座椅和扶手等旅客乘坐設(shè)備進(jìn)行的設(shè)計(jì)研究.

1　地鐵客室乘坐設(shè)備人機(jī)工程學(xué)概述

1.1　研究現(xiàn)狀

隨著人性化研究的不斷深入,人機(jī)工程學(xué)的分析方法在地鐵車輛的工業(yè)設(shè)計(jì)中得到了更廣泛的應(yīng)用.人機(jī)工程學(xué)是采用系統(tǒng)科學(xué)的方法研究人、機(jī)、環(huán)境三大要素之間的關(guān)系[2].在軌道交通客車內(nèi)室的人機(jī)工程學(xué)研究中,文獻(xiàn)[3]通過(guò)舒適性仿真客艙模擬列車運(yùn)行中的振動(dòng)和噪聲環(huán)境,對(duì)影響通勤車客室舒適度的人-機(jī)-環(huán)境因素進(jìn)行了研究;文獻(xiàn)[4]應(yīng)用人機(jī)工程學(xué)原理對(duì)地鐵內(nèi)裝設(shè)備的布局和尺寸進(jìn)行了分析;文獻(xiàn)[5]從輕軌的造型、色彩等藝術(shù)表現(xiàn)方面結(jié)合城市居民的出行行為對(duì)車輛內(nèi)飾設(shè)計(jì)進(jìn)行了人因分析;文獻(xiàn)[6]通過(guò)觀察采樣的方法研究了紐約地鐵內(nèi)室布局設(shè)計(jì)與乘客座位偏好之間的關(guān)系,并提出了布局改進(jìn)的設(shè)計(jì)建議;文獻(xiàn)[7]通過(guò)中外地鐵內(nèi)部空間設(shè)計(jì)的對(duì)比,闡述了地鐵內(nèi)室的空間布局、無(wú)障礙以及車廂內(nèi)室設(shè)施的設(shè)計(jì)特點(diǎn),并提出了相應(yīng)的人性化設(shè)計(jì)原則和理念;文獻(xiàn)[8]通過(guò)對(duì)乘坐地鐵過(guò)程中的感官體驗(yàn)和情感體驗(yàn)分析,提出了基于乘坐體驗(yàn)的車廂內(nèi)裝設(shè)計(jì)方法;文獻(xiàn)[9]通過(guò)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(shè)計(jì)探討.在對(duì)客室座椅的研究中;文獻(xiàn)[10]從乘客舒適性和可達(dá)性之間的兼容性角度對(duì)通勤車座位布置方法進(jìn)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(shí)間;文獻(xiàn)[11]利用體壓測(cè)試、主觀不適評(píng)定量表和人體測(cè)量數(shù)據(jù)評(píng)估了列車座椅的不舒適度,并分析了列車座椅的尺寸;文獻(xiàn)[12]利用CATIA(computer-graphics aided three-dimensional interactive application)軟件仿真技術(shù)對(duì)地鐵座椅寬度、座面高度、座椅傾角以及橫扶手高度進(jìn)行了人機(jī)工程學(xué)理論分析,并提出了尺寸參考建議;文獻(xiàn)[13]通過(guò)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(duì)地鐵座椅進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究.在客室扶手的研究中;文獻(xiàn)[14]對(duì)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(shì)進(jìn)行了研究,結(jié)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(shì);文獻(xiàn)[15]對(duì)地鐵乘客通過(guò)抓握扶手保持站姿平衡進(jìn)行了研究,結(jié)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(guó)對(duì)于地鐵客室的人機(jī)分析,特別是尺寸設(shè)置的合理性以及乘客與設(shè)備之間的適配關(guān)系仍缺乏規(guī)律性的研究和驗(yàn)證.在我國(guó)最新頒布的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB 50157—2013地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》[16]中也未見(jiàn)有關(guān)地鐵客室乘坐設(shè)備尺寸設(shè)置的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范.現(xiàn)將我國(guó)與地鐵座椅和扶手的尺寸設(shè)置相關(guān)的參考標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行解讀與對(duì)比.

地鐵座椅尺寸配置的基本指標(biāo)為座高、座深、座寬、靠背傾角和座墊傾角等.實(shí)測(cè)地鐵B型車座椅的基本指標(biāo)數(shù)據(jù)與其他的交通座椅國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)設(shè)置基本保持一致,如表1所示.

表1　座椅基本指標(biāo)的相關(guān)設(shè)置參數(shù)對(duì)比Tab.1　Comparison of relevant setting parameters concerning basic seat index

參考標(biāo)準(zhǔn)1為汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《QC/T 633—2009客車座椅》[17]、標(biāo)準(zhǔn)2為鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《TB/T 3263—2011動(dòng)車組乘客座椅》[18]、標(biāo)準(zhǔn)3為鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《TB/T 3263—2011動(dòng)車司機(jī)座椅》[19].由于我國(guó)地鐵座椅多采用不銹鋼等硬質(zhì)材料,且無(wú)調(diào)節(jié)功能.因此,在滿足基本指標(biāo)的情況下,座椅與人體接觸面的曲面特征對(duì)乘坐舒適性的影響相對(duì)更大.但以上標(biāo)準(zhǔn)中也均未提及座椅曲面的尺寸設(shè)置參數(shù).

參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB 13094—2007客車結(jié)構(gòu)安全要求》[20]中關(guān)于客車扶手參數(shù)設(shè)置的說(shuō)明:“扶手或把手距地板高度應(yīng)不小于800 mm,不大于1 900 mm,且二者中至少有一個(gè)距地板高度應(yīng)不大于1 500 mm”.實(shí)測(cè)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(shè)置要求并不一致.

鑒于此,本文以我國(guó)地鐵B型車為例,基于人機(jī)工程學(xué)理論,圍繞人的生理結(jié)構(gòu)、心理尺度和地鐵乘車設(shè)備的功能特征等因素,將地鐵客室乘客乘車設(shè)備的人機(jī)系統(tǒng)分為“人-椅”和“人-扶手”兩個(gè)子系統(tǒng),并對(duì)不同身材特征的乘客在這兩個(gè)子系統(tǒng)中的人機(jī)功能尺寸配置關(guān)系進(jìn)行研究.

1.2　研究對(duì)象的選取原則

地鐵客室“人-機(jī)”系統(tǒng)的研究對(duì)象為中國(guó)成年男、女性乘客.人體尺寸數(shù)據(jù)的采集以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB10000—88中國(guó)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(biāo)準(zhǔn)仍是現(xiàn)行中國(guó)人體尺寸數(shù)據(jù)最具權(quán)威性和通用性的參考依據(jù).考慮到目前中國(guó)城市的發(fā)展進(jìn)程和人口流動(dòng)性大的特點(diǎn),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(shè)計(jì)原則,以全國(guó)18～60歲的人體尺寸數(shù)據(jù)為主要參考依據(jù).實(shí)驗(yàn)測(cè)試的人體尺寸百分位數(shù)的選取原則,遵循我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 12985—91在產(chǎn)品尺寸設(shè)計(jì)中應(yīng)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(biāo)、一個(gè)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(duì)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(dá)到90%,即適合使用的人群占總?cè)后w的90%.當(dāng)考慮使用者的可達(dá)范圍和安全距離時(shí),則以P1為下限值、P99為上限值的參考依據(jù).

2　“人-椅”系統(tǒng)曲面尺寸配置研究

對(duì)于不同身材特征的人體與座椅曲面功能尺寸的適配性關(guān)系,采用體壓分布實(shí)驗(yàn)與5級(jí)主觀評(píng)價(jià)量表相結(jié)合的方法進(jìn)行研究.

2.1　體壓分布測(cè)試指標(biāo)

對(duì)乘客乘坐舒適度影響較大的地鐵座椅曲面指標(biāo)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(duì)稱面與其橫向中點(diǎn)向內(nèi)凹陷的圓弧面相交曲線的曲率半徑.

對(duì)于相同材質(zhì)的座椅,由于表面形狀的差異,使得受壓點(diǎn)數(shù)不同,測(cè)試數(shù)據(jù)也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化.能夠體現(xiàn)座椅曲面特征,與座椅表面形狀相關(guān)的體壓分布指標(biāo)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(jì)算公式為

(1)

式中:Np為受壓點(diǎn)數(shù)；Pi為第i點(diǎn)的壓力.

Gm=max(gradGc1, gradGc2, …, gradGcN),

(2)

式中:N為測(cè)點(diǎn)數(shù);gradGcj(j=1,2,…,N)為測(cè)點(diǎn)的壓力梯度.

(3)

式中:gradGsi為受壓點(diǎn)的壓力梯度.

(4)

式中:Ai為受壓點(diǎn)的面積.

符合人體生理特點(diǎn),形狀分布較為合理的座椅曲面形態(tài),接觸面積相對(duì)較大,平均壓力、最大壓力梯度和平均壓力梯度指標(biāo)數(shù)值相對(duì)較小,同時(shí)人體坐姿感受也較為舒適.

2.2　人-椅接觸面體壓分布實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

如圖1所示,制作地鐵實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵?以ΔR=10 mm為圓弧中點(diǎn)處垂直變化距離的等量級(jí)差,曲面測(cè)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(guó)Tekscan體壓分布測(cè)試系統(tǒng)對(duì)不同曲面指標(biāo)的人-椅靜態(tài)壓力分布情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試,數(shù)據(jù)采集過(guò)程如圖2所示.實(shí)驗(yàn)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(guó)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(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)于腰靠和座墊不同曲面弧度的舒適性體驗(yàn),采用5級(jí)量表記錄被試的主觀評(píng)分,1分為極不舒適,5分為非常舒適.主觀評(píng)測(cè)人員包括體壓分布測(cè)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(shí)驗(yàn)前身體健康,對(duì)測(cè)試內(nèi)容知情同意,并簽訂實(shí)驗(yàn)志愿者協(xié)議.

圖1　座椅曲面指標(biāo)示意Fig.1　Sketch of seat surface index

圖2　體壓分布測(cè)試Fig.2　Body pressure distribution test

2.3　實(shí)驗(yàn)分析與結(jié)論

運(yùn)用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)分析軟件將體壓指標(biāo)Pv、Gm、Gv、A和主觀評(píng)分分別作為因變量,將曲面指標(biāo)以及被試的身高和體重分別作為因子,輸入測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行ANOVA(analysis of variance)分析.并將所有被試對(duì)不同曲面指標(biāo)(Rconvex 1～Rconvex 4和Rconcave 1～Rconcave 4)的主觀評(píng)分作為檢驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行可靠性分析.結(jié)果顯示:

在腰靠測(cè)試的ANOVA分析中,用P表示檢驗(yàn)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(duì)Pv(F=54.323,P=0)、A(F=91.841,

P=0)和主觀評(píng)分(F=26.000,P=0)均有顯著影響,而對(duì)Gm(F=2.570,P=0.075)和Gv(F=1.473,P=0.244)無(wú)明顯影響;體重只對(duì)A(F=15.016,P=0.001)有顯著影響,對(duì)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(píng)分(F=0.375,P=0.545)均無(wú)明顯影響;身高則對(duì)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(píng)分(F=0.494,P=0.851)均無(wú)明顯影響;對(duì)30份主觀評(píng)價(jià)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(cè)試的ANOVA分析中,座墊橫向內(nèi)凹曲面的變化對(duì)Gm(F=4.063,P=0.017)、Gv(F=3.125,P=0.042)、A(F=78.306,P=0)和主觀評(píng)分(F=3.423,P=0.031)均有顯著影響,而對(duì)Pv(F=1.129,P=0.355)無(wú)明顯影響;體重對(duì)Pv(F=71.432,P=0)和A(F=4.589,P=0.041)均有顯著影響,對(duì)Gm(F=0.218,P=0.645)、Gv(F=3.769,P=0.063)和主觀評(píng)分(F=1.863,P=0.183)均無(wú)明顯影響;身高對(duì)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(duì)接觸面積A(F=1.251,P=0.273)和主觀評(píng)分(F=0.207,P=0.653)均無(wú)明顯影響;對(duì)30份主觀評(píng)價(jià)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(cè)得的體壓指標(biāo)Pv、Gm、Gv、A以及主觀評(píng)分等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取均值(括號(hào)內(nèi)為標(biāo)準(zhǔn)差(standard deviation, SD)),如表2所示.

2）農(nóng)機(jī)化程度高。水旱田田間作業(yè)綜合機(jī)械化率96%，其中旱田96.5%、水田95.3%，糧食（谷物）烘干能力可達(dá)糧食產(chǎn)量的20%，年農(nóng)業(yè)航空作業(yè)面積已達(dá) 87.8萬(wàn) hm2。

表2　地鐵座椅曲面測(cè)試的實(shí)驗(yàn)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(shí)表明,雖然不同體型特征的被試在同一曲面下所測(cè)得的壓力分布數(shù)值有所不同,但所有被試相對(duì)于不同曲面指標(biāo)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(biāo)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(jìn)行分析,如圖3所示.

(a) 腰靠

(b) 座墊圖3　座椅曲面指標(biāo)對(duì)應(yīng)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(shí)均值最小.接觸面積先增大后減小,在Rconvex 2時(shí)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(guò)大導(dǎo)致腰部受力過(guò)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(píng)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(duì)較為均勻,被試坐姿主觀舒適性評(píng)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(shí)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(shí)均值最小.接觸面積則逐漸增大,在Rconcave 4時(shí)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(jié)節(jié)處受力過(guò)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(píng)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(dǎo)致坐面對(duì)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(píng)分均值相對(duì)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(píng)分均值也最高.因此,座墊曲面在Rconcave 3(曲率半徑為785 mm)時(shí)更貼近人體臀部和大腿的曲線特征,適用性最佳.

3　“人-扶手”系統(tǒng)尺寸配置研究

3.1　扶手高度的測(cè)試范圍

地鐵扶手的使用體驗(yàn)主要取決于人體身高和手臂功能上舉高(以下簡(jiǎn)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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(guān)系,并遵循國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB-12985—91)[28]中的相關(guān)要求,得到測(cè)試高度的計(jì)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.

3.2　扶手高度與站姿實(shí)驗(yàn)

扶手高度與不同百分位人體使用姿態(tài)的實(shí)驗(yàn)研究,采用虛擬仿真技術(shù)與真人評(píng)測(cè)相結(jié)合的方式進(jìn)行分析.

(1) 在Jack人因工程軟件中分別建立符合中國(guó)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(guó)地鐵B型車的實(shí)際尺寸在3DMax軟件中建立帶有乘車設(shè)備的地鐵客室三維虛擬模型(wrl格式文件),并將該文件導(dǎo)入到Jack軟件中.設(shè)置虛擬人為單臂上舉模擬使用吊環(huán)或橫桿的標(biāo)準(zhǔn)站姿狀態(tài)(如圖4),然后在Jack軟件中進(jìn)行虛擬人舒適度評(píng)估分析.通過(guò)調(diào)整扶手高度,分別對(duì)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(jìn)行舒適度評(píng)估,如圖5所示.

表3　扶手測(cè)試高度的取值說(shuō)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(píng)估Fig.5　Comfort evaluation of handrail gestures of JACK virtual human

相關(guān)研究表明[25],舒適度與人體姿勢(shì)密切相關(guān),舒適度不僅是人體單一關(guān)節(jié)角度的作用,也是身體姿勢(shì)(多關(guān)節(jié))的整體作用.Jack軟件的舒適度評(píng)估提供了包括對(duì)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(píng)估.隨著扶手高度的變化,舒適度評(píng)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(guān),疲勞指數(shù)是指衡量人體在該姿勢(shì)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(jì)算得到.分析結(jié)果以0～80的無(wú)量綱的等級(jí)形式顯示出來(lái),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(shí)驗(yàn)室里,采用可調(diào)節(jié)高度的扶手測(cè)量設(shè)備進(jìn)行真人測(cè)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(guò)5級(jí)量表分別記錄不同身材的被試在使用扶手不同高度時(shí)疲勞感的主觀評(píng)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(guó)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(shí)驗(yàn)前身體健康,對(duì)測(cè)試內(nèi)容知情同意,并簽訂實(shí)驗(yàn)志愿者協(xié)議.

圖6　扶手高度的使用測(cè)評(píng)Fig.6　Usage evaluation of handrail height

3.3　實(shí)驗(yàn)分析與結(jié)論

將不同測(cè)試高度下Jack虛擬仿真舒適度評(píng)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(píng)分等實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)取均值如表4所示(括號(hào)內(nèi)為標(biāo)準(zhǔn)差SD).同時(shí)對(duì)30份主觀評(píng)價(jià)量表進(jìn)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(shuō)明上臂與前臂夾角在75.2°～105.1°之間的抓握姿勢(shì)使得整體姿態(tài)相對(duì)更為舒適;被試使用扶手的主觀評(píng)分先增大后減小,吊環(huán)高度測(cè)試的評(píng)分均值在1 710 mm時(shí)評(píng)分最高;橫桿高度在1 810～1 860 mm之間時(shí)評(píng)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(shí),則評(píng)分均值顯示為較差.

表4　扶手高度測(cè)試的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.4　Data concerning handrail height test

結(jié)合扶手的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行分析,從“抓得到”的使用性角度考慮,扶手的設(shè)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(shè)置應(yīng)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(shè)置應(yīng)首先保證“小身材”的人群能夠抓得到.因此,吊環(huán)高度應(yīng)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(shè)置上橫桿相對(duì)于吊環(huán)對(duì)安全性和通行性的影響更大,應(yīng)首先保證橫桿的高度設(shè)置使絕大多數(shù)人不會(huì)碰頭.因此,橫桿高度應(yīng)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(shè)置為1 710 mm時(shí),既能保障P1女性能夠正常抓握和絕大多數(shù)乘客相對(duì)輕松和舒適地使用,也能使部分身高不大于P50男性乘客無(wú)阻礙通行;橫桿高度設(shè)置為1 860 mm時(shí),既能保障身高不大于P99男性人群無(wú)阻礙通行,也能使部分身材不小于P50女性人群正常抓握.

4　展　望

隨著對(duì)地鐵客室人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)理論和實(shí)驗(yàn)研究的不斷深入,目前仍有許多問(wèn)題有待于進(jìn)一步的解決,主要包括以下內(nèi)容:

(1) 基于通用設(shè)計(jì)的原則,更加深入的研究針對(duì)老年人、孕婦和兒童等弱勢(shì)乘客群體的適用性設(shè)計(jì),從而不斷提升地鐵的人性化關(guān)懷.

(2) 運(yùn)用人機(jī)工程學(xué)的研究方法,結(jié)合肌電、腦電、心電和眼動(dòng)儀等生物學(xué)測(cè)量設(shè)備與系統(tǒng),對(duì)地鐵乘客在不同乘車時(shí)段中心理與生理隨時(shí)間變化的規(guī)律進(jìn)行研究,提高旅客的乘車安全和舒適性.

(3) 對(duì)地鐵乘客的乘車行為模式進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)研及觀察實(shí)驗(yàn),利用動(dòng)作捕捉系統(tǒng)并結(jié)合虛擬仿真技術(shù)對(duì)乘客使用座椅或扶手時(shí)的動(dòng)作姿態(tài)展開(kāi)進(jìn)一步的研究,設(shè)計(jì)出符合乘客行為規(guī)律和乘車習(xí)慣的車內(nèi)設(shè)備,全面提升乘客的使用體驗(yàn)和地鐵的品質(zhì).

(4) 尋求適用于地鐵人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)方法,建立科學(xué)有效的評(píng)價(jià)模型,形成合理的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),更有利于地鐵設(shè)計(jì)方案的優(yōu)選和乘坐舒適度的評(píng)價(jià)分析.

(5) 通過(guò)對(duì)地鐵客室的設(shè)計(jì)研究及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整合,以中國(guó)人人體尺寸數(shù)據(jù)為參考依據(jù),不斷完善我國(guó)地鐵乘坐設(shè)備功能尺寸設(shè)計(jì)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)于地鐵系列化和標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)研發(fā)具有重要的意義.

5　結(jié)　論

(1) 我國(guó)地鐵客室乘車設(shè)備的功能尺寸設(shè)計(jì)應(yīng)以通用化設(shè)計(jì)原則為基礎(chǔ),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(shè)備使用的效率和合理性,使乘客的生理和心理與乘車設(shè)備之間更加和諧.

(2) 地鐵座椅的曲面設(shè)計(jì)應(yīng)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(shè)置為186 mm;座墊橫向內(nèi)凹圓弧的曲率半徑的取值建議設(shè)置為785 mm.

(3) 地鐵扶手的高度應(yīng)首先遵循小身材乘客能夠抓得到和大身材乘客不會(huì)碰頭的設(shè)計(jì)原則.吊環(huán)和橫桿的設(shè)置應(yīng)能分別滿足不同身材特征的乘客同時(shí)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(shè)置建議為1 710 mm;橫桿高度的設(shè)置建議為1 860 mm.