軌道交通高峰時(shí)段乘客生理信號(hào)特征提取

(上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240 )

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，地鐵已經(jīng)成為城市客流量最密集的場所之一，上海地鐵線路日客運(yùn)量已突破1 000萬人次。在高客流負(fù)荷下，城市軌道交通擁擠現(xiàn)象非常嚴(yán)重，尤其是早晚高峰期間[1]，乘客之間擠壓和碰撞極為頻繁，擠壓會(huì)導(dǎo)致行人身體變形和壓縮，大大增加乘客的健康風(fēng)險(xiǎn)。一旦發(fā)生緊急情況，很容易引發(fā)事故，造成惡劣影響。近些年地鐵暈倒事件頻發(fā)，上海地鐵也曾發(fā)生過因早高峰期間客流猛增，車廂過度擁擠而導(dǎo)致3名乘客暈倒的事故[2]。因此急需對(duì)地鐵車廂高立席密度環(huán)境下乘客生理狀態(tài)進(jìn)行調(diào)查研究。國內(nèi)外集中于從心理學(xué)角度研究擁擠環(huán)境對(duì)個(gè)體的影響，研究已經(jīng)從對(duì)密度[3]、人員空間侵犯[4]客觀擁擠因素的單一考慮發(fā)展到對(duì)物理[5]、個(gè)人[6]等影響的綜合性探索，也取得了較為可觀的研究成果。然而目前研究仍存在一些問題，比如研究多集中于短期實(shí)驗(yàn)室橫向研究，受道德倫理限制，實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)置不符合擁擠條件和缺乏2項(xiàng)以上的生理喚醒指標(biāo)的綜合性測(cè)量等[7]。本文摒棄了實(shí)驗(yàn)室模擬高密度環(huán)境的短期研究方式而采用長期現(xiàn)場環(huán)境縱向的研究策略，通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，實(shí)時(shí)記錄了乘客在地鐵早高峰期間呼末二氧化碳、脈搏和血氧飽和度3項(xiàng)生理指標(biāo)真實(shí)的變化情況，并運(yùn)用小波閾值去噪、頻譜分析和小波包分解理論分別對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了清洗、加工和整理，建立了外界擁擠環(huán)境與個(gè)體內(nèi)在生理狀態(tài)變化的聯(lián)系，為完善地鐵車廂的安全管理建言獻(xiàn)策。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 調(diào)研路線和區(qū)間的選擇

上海作為國際大都市，地鐵全網(wǎng)日均客流量超千萬，早晚高峰期間車廂人群密度能達(dá)10～12人/m2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了表1所等定義的人群密度等級(jí)建議值D級(jí)狀態(tài)[8]和國際上常用的弗洛因服務(wù)水平超高密度(大于2.17人/m2[9])，也不再需要考慮“擁擠”和“高密度”界定標(biāo)準(zhǔn)，再加上地鐵早晚高峰具有持續(xù)時(shí)間長，時(shí)間段穩(wěn)定的特點(diǎn)，是采集超高密度環(huán)境下人群特征的絕佳環(huán)境。

上海地鐵16號(hào)線全長近60 km，包括龍陽路站、滴水湖站等13個(gè)站點(diǎn)，是連接臨港新城、惠南鎮(zhèn)、鶴沙航城等郊區(qū)與市區(qū)的唯一地鐵線路。雖然目前單日客流量在80 000 人次。在現(xiàn)有地鐵線路日客運(yùn)量中排在最末，但客流潮汐式涌動(dòng)特征非常突出，早高峰從滴水湖站往龍陽路方向，途經(jīng)的每個(gè)車站基本只有上車而沒有下車的乘客，直到羅山路站。而且列車為3節(jié)編組A型車，雙排座位，單次滿載僅容納1 100人，發(fā)車間隔為7～8 min，因此高峰時(shí)段列車車廂擁擠嚴(yán)重[10]。

表1 人群密度等級(jí)建議值

根據(jù)16號(hào)線分時(shí)段面客流量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，工作日早高峰時(shí)間段(惠南站：6時(shí)—9時(shí)；周浦東站：7時(shí)40分—9時(shí)；鶴沙航城站：7時(shí)—8時(shí)30分；龍陽路站：7時(shí)—9時(shí))7：30—8：30在惠南站—羅山路(上行)區(qū)段的斷面客流量為10 000～17 000人次，為16號(hào)線分時(shí)斷面客流量最大的區(qū)段；羅山路—惠南站(下行)斷面客流為1 500～4 000人次，客流量較小。因此在惠南站—羅山路區(qū)段往返調(diào)研，大致估算并記錄車廂立席密度和身體狀態(tài)變化，完成擁擠評(píng)估表。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)惠南鎮(zhèn)至龍陽路的列車早高峰期間立席密度在10～12人/m2，而返程則僅有1～2人/m2，構(gòu)成鮮明的對(duì)比。

1.2 生理指標(biāo)選擇及實(shí)測(cè)方案

1.2.1 生理指標(biāo)

人體的心臟跳動(dòng)、血液循環(huán)、肺的張縮等生命活動(dòng)是不斷變化的，但通常無法直接觀察到這種變化，需要借助生理信號(hào)來表征不同的生理狀態(tài)。體溫、脈搏、血壓、動(dòng)脈血氧飽和度、呼末二氧化碳是反映人體生理狀態(tài)的5大基本指標(biāo)。前期多次實(shí)驗(yàn)探究發(fā)現(xiàn)正常人體溫晝夜差別不超過1 ℃，白天體溫在±0.1 ℃狹小范圍內(nèi)波動(dòng)，變化不顯著。而血壓信號(hào)則變化過于敏感。血氧飽和度數(shù)據(jù)也在時(shí)域內(nèi)較為穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)全程保持在97%～99%。因此選擇了呼末二氧化碳、脈搏2項(xiàng)指標(biāo)開展研究。

呼末二氧化碳即呼氣終末期呼出的混合肺泡氣中含有的二氧化碳濃度，它是反映呼吸功能狀態(tài)的敏感指標(biāo)，能夠反映肺部通氣情況，它的正常區(qū)間為35～45 mmHg。 研究表明窒息情況發(fā)生時(shí)體內(nèi)二氧化碳的急劇升高比缺少氧氣更早發(fā)生，對(duì)機(jī)體產(chǎn)生的影響更加嚴(yán)重[11-12]。脈搏即動(dòng)脈的搏動(dòng)，它與動(dòng)脈血壓有直接關(guān)系，通過脈搏波可以了解心臟工作情況和血流動(dòng)力，進(jìn)而分析血液循環(huán)系統(tǒng)的功能狀態(tài)判斷病變情況。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)儀器為合肥金腦人ET-A掌式呼末二氧化碳血氧監(jiān)護(hù)儀，外接紅外線血氧探頭、呼吸導(dǎo)管，能夠同時(shí)采集血氧飽和度、脈搏和呼末二氧化碳3項(xiàng)參數(shù)，便于攜帶，且配置內(nèi)部芯片存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)時(shí)參與人員將儀器隨身攜帶，血氧探頭和呼吸導(dǎo)管固定。

1.2.3 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

根據(jù)前期調(diào)研，發(fā)現(xiàn)車廂乘降區(qū)立席密度和擁擠程度會(huì)高于中部站立區(qū)，且為了控制變量，車廂調(diào)研區(qū)為車廂乘降區(qū)立柱。參與實(shí)驗(yàn)的對(duì)象身體健康的青年人，平均年齡為24歲，包括在校大學(xué)生、日常通勤白領(lǐng)等，均無心臟病、肺病、貧血等疾病，并在實(shí)驗(yàn)前不攝入酒精或含咖啡因的食物。實(shí)驗(yàn)過程中全程保持站立無倚靠狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)周期為2個(gè)月，每人各采集30組數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)周期較長，中途出現(xiàn)身體不適的情況較為常見，將此類數(shù)據(jù)定義為病理狀態(tài)數(shù)據(jù)，與正常健康狀態(tài)形成對(duì)照。

1.2.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

使用CapnoFree軟件將實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)導(dǎo)出，由于本實(shí)驗(yàn)生理信號(hào)的采集是在高峰時(shí)間地鐵上進(jìn)行，而軌道交通運(yùn)行中會(huì)引起車廂的振動(dòng)[13]，受儀器、動(dòng)作和外在環(huán)境的干擾，原始生理信號(hào)往往有較強(qiáng)的噪聲，是強(qiáng)噪聲背景下的微弱信號(hào)。小波變換是處理此類信號(hào)有效的方法，與傳統(tǒng)傅里葉去噪相比，能夠從時(shí)間和頻域2個(gè)維度對(duì)信號(hào)進(jìn)行投影，同時(shí)還能通過調(diào)節(jié)小波基底函數(shù)的相關(guān)系數(shù)而實(shí)現(xiàn)時(shí)間和頻率的自由切換，以此能夠更好實(shí)現(xiàn)信號(hào)的觀察和特征的提取[14]。因此采用小波閾值去噪法對(duì)2種生理信號(hào)進(jìn)行消噪處理。

2 數(shù)據(jù)頻譜分析

信號(hào)時(shí)域分析只能得到有限的信息，很難將呼末二氧化碳值和脈搏信號(hào)的變化趨勢(shì)以及數(shù)據(jù)之間的差異通過直接觀察準(zhǔn)確判斷，因此需要使用其它分析手段來全面揭示信號(hào)的特征。頻譜分析是目前數(shù)字信號(hào)處理中常用的一種分析方法，它利用快速傅里葉變換將復(fù)雜的信號(hào)分解成不同的頻率成分，并繪制出頻譜曲線，譜線的形狀與信號(hào)的時(shí)域曲線密切相關(guān)。頻譜中的高低頻成分的分布形態(tài)可以反映不同的生理典型狀態(tài)[15]，通過觀察不同生理狀態(tài)下生理信號(hào)頻譜曲線，了解這些信號(hào)的頻譜特性，再加以對(duì)照，定性地比較不同的狀態(tài)[16-19]。信號(hào)x(n)快速傅立葉變換即頻譜變化，它能夠反映信號(hào)在頻域上的分布和變化規(guī)律，公式如下

(1)

式中，ω為角頻率，分布在(-∞,+∞)之間，時(shí)域信號(hào)被轉(zhuǎn)化為頻域分布信號(hào)；x(ejw)是一個(gè)隨角頻率ω變化的復(fù)數(shù)，即使在時(shí)域x(n)是離散分布的，x(ejw)為連續(xù)分布，且對(duì)任意一個(gè)實(shí)數(shù)域的ω都有相應(yīng)的取值。

一般而言正常健康的生理信號(hào)具有混沌頻譜特征，即幅值譜圖中的相對(duì)能量會(huì)隨著頻率的增加而減小，近似呈現(xiàn)反冪律的形式，即1/f分布。反冪式寬帶譜是混沌運(yùn)動(dòng)的典型特征，但是健康生理信號(hào)呈現(xiàn)此特征仍為啟發(fā)性而非結(jié)論性的，當(dāng)生理狀態(tài)變化時(shí)頻譜特征會(huì)隨之改變。由于實(shí)驗(yàn)采集周期較長，將實(shí)驗(yàn)參與人員擁擠環(huán)境中出現(xiàn)身體不適的情況定義為不健康情況，為此設(shè)計(jì)了健康—擁擠、健康—正常、病理—擁擠和病理—正常4個(gè)對(duì)照組。

2.1 呼末二氧化碳頻譜分析

探究不同場景下呼末二氧化碳變化趨勢(shì)之間的差異。圖1、圖2反映各組信號(hào)的幅值譜各不相同，但又有一些相似的特征，每個(gè)譜存在多個(gè)峰，頻譜成分豐富，有明顯寬峰。

圖1為健康成年人呼末二氧化碳幅值譜線，從總體趨勢(shì)上可見正常環(huán)境和擁擠環(huán)境下信號(hào)分布規(guī)律大致相同，頻率主要集中在0～8 Hz范圍內(nèi)，均存在幾個(gè)尖峰且幅值依次減小，具有典型的反冪譜形式。相對(duì)而言擁擠環(huán)境下信號(hào)頻率成分更為復(fù)雜，這反映出在健康狀態(tài)下呼末二氧化碳信號(hào)會(huì)受外界環(huán)境影響，但影響不大。圖2為病理狀態(tài)下不同環(huán)境對(duì)比圖，兩曲線差異性較大，正常不擁擠環(huán)境下呼末二氧化碳分布與圖1相同，為反冪分布。而擁擠環(huán)境下個(gè)體呼末二氧化碳分布呈現(xiàn)趨于有序的特征，頻譜在0～2.5 Hz、2.5～5 Hz幅值變化不大，分布較為均勻，與上述3種狀態(tài)形成了鮮明的對(duì)比。

圖1 健康狀態(tài)呼末二氧化碳功率譜圖

圖2 病理狀態(tài)呼末二氧化碳功率譜圖

呼末二氧化碳指標(biāo)能夠從側(cè)面反映個(gè)體的呼吸功能，而擁擠—病理環(huán)境下頻譜曲線的不同表明當(dāng)乘客身體出現(xiàn)不適的情況時(shí)會(huì)對(duì)外界擁擠環(huán)境更為敏感，從而影響個(gè)體的生理狀態(tài)。因此在軌道交通高峰期間的安全管理中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)身體孱弱個(gè)體包括老人、孕婦、小孩等弱勢(shì)群體的識(shí)別和監(jiān)控。

2.2 脈搏信號(hào)頻譜分析

圖3、圖4為脈搏信號(hào)各類狀態(tài)下幅值譜圖，從總體趨勢(shì)上看4條曲線變化規(guī)律很相似，頻率基本集中在0～5 Hz，且均滿足反冪式分布的特點(diǎn)，僅幅值大小存在較大差異。與呼末二氧化碳指標(biāo)頻譜圖比較，4種狀態(tài)下脈搏信號(hào)頻譜譜線特征并不是明顯。

圖3 正常狀態(tài)脈搏信號(hào)功率譜圖

圖4 病理狀態(tài)脈搏信號(hào)功率譜圖

頻譜圖能夠直觀展現(xiàn)不同狀態(tài)下明顯的差異，而此種定性分析的方法很難準(zhǔn)確區(qū)分細(xì)微差別，不能作為生理狀態(tài)診斷與識(shí)別的依據(jù)。因此為進(jìn)一步將不同狀態(tài)下的數(shù)據(jù)進(jìn)行精確的量化表述，對(duì)信號(hào)進(jìn)行小波包變換與重構(gòu)，計(jì)算出其各頻帶的能量比例作為信號(hào)的特征參數(shù)。

3 小波包分解

小波包分解的實(shí)質(zhì)就是對(duì)小波變換后沒有分解的高頻細(xì)節(jié)信號(hào)作進(jìn)一步的分解，達(dá)到提高頻率分辨率的目的。它能夠?qū)⑿盘?hào)正交地、獨(dú)立地分解到各頻段，由于各分解頻段均具有一定能量，進(jìn)而能夠計(jì)算出能量比例，直觀反映生理信號(hào)在各頻段內(nèi)能量大小，更好地對(duì)信號(hào)進(jìn)行比較和分析[20-21]。

設(shè)分解頻帶中離散信號(hào)xk,m(i)數(shù)據(jù)長度為N，則其能量可以表示為

(2)

式中，k表示分解的次數(shù)；m=0,1,2，…，2k-1為分解頻帶位置序號(hào)。為了歸一化，采用相對(duì)能量比例公的方式，第m頻帶分解信號(hào)的相對(duì)能量為

(3)

根據(jù)能量不變定理，必然有

(4)

利用’db7’小波基函數(shù)和上面小波包能量計(jì)算公式對(duì)呼末二氧化碳信號(hào)進(jìn)行3層小波包分解，獲得了8個(gè)相互獨(dú)立的頻帶，每個(gè)頻帶的帶寬為4 Hz，求得不同狀態(tài)下各信號(hào)頻帶能量分布比例情況。

表2顯示呼末二氧化碳頻率在16 Hz以上的不超過3%，而且不擁擠的環(huán)境下能量分布更為集中，0～8 Hz之間能量占全部能量的90%以上，而其它比例分布隨著環(huán)境等因素的差異而不同，從正?！】低瑩頂D—病理狀態(tài)的數(shù)據(jù)對(duì)比看呼末二氧化碳的指標(biāo)變化是比較敏感的，這同與傅里葉頻譜對(duì)比圖得到的結(jié)論一致。

應(yīng)用小波包分解對(duì)不同脈搏信號(hào)進(jìn)行分析處理，表3即各頻帶的能量比例圖，由于脈搏信號(hào)屬于低頻信號(hào)，10 Hz以上比例幾乎為0，因此采用’db15’小波基函數(shù)對(duì)不同狀態(tài)下的脈搏信號(hào)進(jìn)行小波包5次分解，分解后會(huì)得到32個(gè)相互獨(dú)立的頻帶，由于16 Hz以上存在能量非常少，全部加起來不到1%的比例，因此僅列出0～16 Hz的小波包能量比例。

表2 呼末二氧化碳信號(hào)小波包能量比例 %

表3 脈搏信號(hào)小波包能量比例 %

從表3可以看出第一頻帶中的能量最為集中,在99%以上，而其它頻帶能量會(huì)隨著生理狀態(tài)的變化而變化。脈搏波基本完全處于0～8 Hz范圍內(nèi)，2種狀態(tài)差別細(xì)微，盡管脈搏波擁擠比不擁擠時(shí)分布分散些，但處于正常狀態(tài)下的波動(dòng)，推測(cè)這是由于正常人對(duì)于擁擠環(huán)境具有一定的耐受性，受到外界的擠壓時(shí)脈搏會(huì)發(fā)生擾動(dòng)，這種擾動(dòng)處于正常范圍，脈搏信號(hào)不能體現(xiàn)外界擁擠環(huán)境對(duì)個(gè)體生理狀態(tài)造成的影響。

4 分析與討論

比較4種狀態(tài)下呼末二氧化碳信號(hào)和脈搏信號(hào)的小波包能量比例數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)呼末二氧化碳信號(hào)比脈搏信號(hào)更能夠反映擁擠環(huán)境對(duì)個(gè)體生理狀態(tài)的影響，而且此影響在個(gè)體處于病理狀態(tài)時(shí)作用更加強(qiáng)烈。雖正常情況下?lián)頂D環(huán)境對(duì)乘客呼吸功能的影響不會(huì)引起嚴(yán)重缺氧的癥狀，但若長期處于此種狀態(tài)，則很容易造成呼吸不暢、頭暈?zāi)垦?、疲勞乏力等癥狀，尤其對(duì)于老人和女性等弱勢(shì)群體，容易觸發(fā)踩踏事故[22-23]。從安全角度出發(fā)，交通管理部門應(yīng)重視因地鐵車廂擁擠對(duì)乘客造成的隱患，加強(qiáng)安全管理，并采取相關(guān)措施緩解擁堵。

國外地鐵發(fā)展較早，在緩解地鐵擁堵方面有很多值得借鑒之處[24]。日本地鐵作為全球最繁忙的地鐵，有20多條地鐵線路，年客流量達(dá)28.19億人次。為緩解擁擠相關(guān)部門采取了很多措施：上下班高峰時(shí)，地鐵工作人員會(huì)把車廂里的座椅折起來，以騰出更多空間供人站立；為避免因人多擁擠導(dǎo)致女士們?cè)馐芊嵌Y，日本地鐵還專門在上班高峰時(shí)期設(shè)置了女性專用車廂。地鐵16號(hào)線早晚高峰期間也可以通過采取減少座椅數(shù)量的方式增加更多站立空間，為了保護(hù)弱勢(shì)群體，也可以為老弱病殘開設(shè)一節(jié)專門車廂，保障地鐵安全運(yùn)營。

美國華盛頓地鐵則采用靈活定價(jià)方式，上下班高峰時(shí)間的票價(jià)要比正常票價(jià)高出1/3左右，以引導(dǎo)沒有急事的人錯(cuò)開高峰時(shí)段出行。16號(hào)線大部分乘客出行目的為通勤，調(diào)整票價(jià)并不能緩解擁擠的問題，反而交通管理部門應(yīng)為南匯區(qū)乘客出行提供更為豐富的交通選擇并加以引導(dǎo)，如開設(shè)更多公交車或BRT直通市區(qū)。布達(dá)佩斯則按天來調(diào)整發(fā)車頻率，工作日與休息日的發(fā)車時(shí)間及頻率有很大區(qū)別，一天當(dāng)中，各個(gè)時(shí)段發(fā)車頻率也有所不同。如工作日早晚高峰期間，地鐵是每2 min一班，晚上8時(shí)則為15～30 min一班。上海16號(hào)線已根據(jù)時(shí)段采取差異化的發(fā)車頻率，為進(jìn)一步方便長線路乘客出行、提升運(yùn)營效率，還開行了“大站車”，即部分列車越站運(yùn)行，僅?？魁堦柭?、羅山路、新場、惠南、滴水湖5座車站供上下客，“大站車”單程運(yùn)行時(shí)間較“普通車”縮短約12 min。即便如此，16號(hào)線擁擠仍然非常嚴(yán)重，地鐵管理部門可以通過擴(kuò)大票價(jià)調(diào)整幅度或適當(dāng)宣傳引導(dǎo)通勤乘客選擇在早晨7時(shí)之前或9時(shí)之后搭乘地鐵，既能提高服務(wù)質(zhì)量也能緩解客運(yùn)壓力。

此外，地鐵擁擠的改善需要漫長的過程?，F(xiàn)階段，乘客要提高擁擠環(huán)境下自我保護(hù)意識(shí)。第一，中老年人或孕婦應(yīng)避免上下班高峰乘坐地鐵；第二，地鐵內(nèi)人多擁擠、空氣內(nèi)含氧量低，容易導(dǎo)致大腦缺氧，乘地鐵前要盡量吃早飯，并隨身備一瓶含糖飲料或帶幾塊糖；第三，當(dāng)出現(xiàn)呼吸不暢，頭暈乏力癥狀時(shí)，應(yīng)就近下車到空曠的地方呼吸新鮮空氣；第四，乘客在人多擁擠環(huán)境中發(fā)生突發(fā)情況時(shí)，要保持冷靜，切勿恐慌，聽從車站工作人員或者廣播引導(dǎo)，有序地疏散出站。

5 結(jié)論

本文打破傳統(tǒng)擁擠人群的研究方法，通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，采集擁擠環(huán)境下乘客生理參數(shù)第一手?jǐn)?shù)據(jù)。經(jīng)過對(duì)比分析，證明了擁擠會(huì)對(duì)乘客呼吸系統(tǒng)造成影響，嚴(yán)重情況下還可能引起缺氧，導(dǎo)致?lián)頂D事故。最后還為改善地鐵擁擠環(huán)境和安全管理提供新思路。不過目前的研究仍存在明顯不足，對(duì)照組設(shè)置還不夠全面，數(shù)據(jù)采集不夠豐富，進(jìn)一步研究還要增加年齡、性別等對(duì)比條件，更加全面反映高密度擁擠環(huán)境對(duì)于乘客健康影響。過去擁擠研究多集中在環(huán)境心理學(xué)科，將來還考慮運(yùn)用心理和生理相結(jié)合的手段開展研究。