長(zhǎng)運(yùn)距高速鐵路列車旅客?乘車疲勞度研究

張艷梅，田志強(qiáng)，王 驍，陳亞清

（1.蘭州交通大學(xué)?交通運(yùn)輸學(xué)院，甘肅?蘭州?730070；2.中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司?金華車務(wù)段，?浙江?金華?321000）

0 引言

近年來，高速鐵路發(fā)展建設(shè)突飛猛進(jìn)，其快速、便捷、安全的特性吸引著越來越多的人將高速鐵路作為主要的交通出行方式，而鐵路運(yùn)輸與航空、公路運(yùn)輸?shù)母?jìng)爭(zhēng)越來越激烈，提升鐵路客運(yùn)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)就顯得非常重要。隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，人們的出行需求不僅僅局限于安全、快速、準(zhǔn)時(shí)，也更多地關(guān)注交通工具能否提供一個(gè)舒適的旅程體驗(yàn)。因此，乘車疲勞度成為衡量出行方式舒適與否的一個(gè)重要指標(biāo)。

國(guó)外對(duì)長(zhǎng)運(yùn)距旅客旅行舒適度的研究大多采取實(shí)驗(yàn)的方法，較早對(duì)鐵路進(jìn)行長(zhǎng)運(yùn)距高速列車舒適度研究的是德國(guó)的Sperling、法國(guó)的Maujin及英國(guó)的Loach，初期重點(diǎn)從列車平穩(wěn)性的角度考慮旅客乘坐的舒適性進(jìn)行研究。隨著對(duì)車體、線路的不斷升級(jí)改造，開始注重高速列車內(nèi)各項(xiàng)服務(wù)設(shè)施以及車廂內(nèi)環(huán)境氛圍的改善，如通過車廂內(nèi)的照明色彩調(diào)節(jié)以緩解旅客的視覺疲勞，對(duì)于車體結(jié)構(gòu)材料的選用以考慮列車內(nèi)氣密性為主，在轉(zhuǎn)向架上增加懸掛裝置以減少列車運(yùn)行過程中的振動(dòng)等[1-2]。

隨著我國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程的不斷增加，國(guó)內(nèi)學(xué)者也開始從不同的角度分析影響旅客乘坐長(zhǎng)運(yùn)距高速列車舒適度的因素，主要包括噪聲、振動(dòng)、氣壓變化、座椅設(shè)計(jì)、車廂內(nèi)空氣環(huán)境質(zhì)量等，采用的研究方法有實(shí)際測(cè)量和問卷調(diào)查，通過對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，最終得到長(zhǎng)運(yùn)距高速鐵路列車舒適度評(píng)價(jià)體系。施紅生等[3]選擇京滬高速鐵路(北京南—上海虹橋)、武廣客運(yùn)專線(武漢—廣州南)運(yùn)營(yíng)的5種車型14個(gè)車次的列車，在冬夏季節(jié)高峰客流時(shí)段測(cè)試車內(nèi)的熱環(huán)境、空氣品質(zhì)、空氣瞬變壓力、噪聲、振動(dòng)、照明等指標(biāo)，并對(duì)6 210名旅客進(jìn)行長(zhǎng)運(yùn)距高速列車乘車舒適度問卷調(diào)查，提出我國(guó)高速動(dòng)車組列車車內(nèi)環(huán)境技術(shù)條件的設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)。魏峰等[4-5]以旅客的生理、安全、行為、心理和審美為出發(fā)點(diǎn)建立了基于旅客需求分析的長(zhǎng)運(yùn)距高速列車旅客座椅舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用模糊層次分析法構(gòu)建了座椅舒適度的綜合評(píng)價(jià)模型，并以此作為列車座椅設(shè)計(jì)的參考依據(jù)。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外對(duì)于長(zhǎng)運(yùn)距高速列車舒適度的研究主要圍繞通過建立評(píng)價(jià)體系對(duì)列車進(jìn)行改進(jìn)，但評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)尚未達(dá)到統(tǒng)一。而對(duì)于長(zhǎng)運(yùn)距高速列車旅客疲勞度來說，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)只能判定是否符合標(biāo)準(zhǔn)，而無法對(duì)長(zhǎng)運(yùn)距高速列車旅客疲勞度進(jìn)行定量分析。為此，在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，通過分析長(zhǎng)運(yùn)距高速列車旅客疲勞度影響因素，建立長(zhǎng)運(yùn)距高速列車疲勞度評(píng)價(jià)體系，并量化計(jì)算各因素影響程度。最后，結(jié)合長(zhǎng)運(yùn)距高速列車疲勞度評(píng)價(jià)進(jìn)行實(shí)例分析并提出改進(jìn)意見，為旅客提供更舒適的乘車體驗(yàn)。

1 長(zhǎng)運(yùn)距高速鐵路列車疲勞度指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)是將與決策有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行定性和定量分析的決策方法。采用層次分析法，首先要把問題層次化，將問題分解為不同的組成因素，并按照因素間的相互關(guān)聯(lián)影響以及隸屬關(guān)系將因素按不同層次聚集組合，形成一個(gè)多層次的分析結(jié)構(gòu)模型，最終確定最低層相對(duì)于最高層的重要性權(quán)值或相對(duì)優(yōu)劣次序的排序[6]。計(jì)算步驟：①對(duì)構(gòu)成評(píng)價(jià)問題的目標(biāo)(準(zhǔn)則)及因素等要素建立多級(jí)遞階結(jié)構(gòu)模型；②在多級(jí)遞階結(jié)構(gòu)模型中，對(duì)屬于同一級(jí)的要素，利用上一級(jí)的要素為準(zhǔn)則進(jìn)行兩兩比較后，根據(jù)判斷尺度確定其相對(duì)重要度，并據(jù)此建立判斷矩陣；③計(jì)算各層元素對(duì)系統(tǒng)目標(biāo)的合成權(quán)重，進(jìn)行總排序，以確定遞階結(jié)構(gòu)圖中最底層各個(gè)元素在總目標(biāo)中的重要程度；④得到指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果。

長(zhǎng)運(yùn)距高速鐵路列車旅客乘車疲勞度主要由乘車時(shí)間、乘車空間環(huán)境、車廂內(nèi)空間環(huán)境、物理因素及個(gè)性化服務(wù)5個(gè)因素決定，為了準(zhǔn)確地體現(xiàn)各項(xiàng)指標(biāo)在計(jì)算長(zhǎng)運(yùn)距高速鐵路列車旅客疲勞度時(shí)的貢獻(xiàn)，采用層次分析法確定各個(gè)指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重[6]，在利用層次分析法進(jìn)行系統(tǒng)決策時(shí)，首先需要構(gòu)建層次模型，長(zhǎng)運(yùn)距高速鐵路列車旅客乘車疲勞度系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

采用調(diào)查問卷的方式獲取各影響因素的得分率或選擇頻率作為構(gòu)造判斷矩陣的數(shù)據(jù)依據(jù)，得分率或選擇頻率越高，則表明該因素對(duì)長(zhǎng)運(yùn)距高速列車旅客乘車疲勞度的影響越大。以長(zhǎng)運(yùn)距高速列車旅客疲勞度指標(biāo)體系為基礎(chǔ)，通過設(shè)計(jì)網(wǎng)上調(diào)查問卷的方式確定各個(gè)影響因素的權(quán)重，以AHP的判斷尺度為基礎(chǔ)建立新的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，判斷尺度定義表如表1所示。

圖1 長(zhǎng)運(yùn)距高速鐵路列車旅客乘車疲勞度系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System design structure of passenger fatigue system for long distance high speed train

表1 判斷尺度定義表Tab.1 Judgment scale definition

根據(jù)調(diào)查問卷結(jié)果可知：影響長(zhǎng)運(yùn)距高速列車旅客乘車疲勞度的因素依次為乘車空間環(huán)境、車廂空氣環(huán)境、物理因素及個(gè)性化服務(wù)，旅客對(duì)4類因素的選擇頻率如表2所示。

表2 旅客對(duì)4類因素的選擇頻率Tab.2 Frequency of passenger selection of four major factors

利用層次分析法中的“和法”進(jìn)行影響因素的權(quán)重計(jì)算，最終得出各項(xiàng)因素權(quán)重結(jié)果如表3所示。由表3可知，影響長(zhǎng)運(yùn)距高速列車旅客疲勞度的各項(xiàng)因素中，車廂空間環(huán)境所占比率最大，物理因素和車廂空氣質(zhì)量其次，個(gè)性化服務(wù)所占比率最低。在車廂空間環(huán)境影響因素中，車廂的空間大小及空間布局是其主要影響因素；在物理因素中，濕度對(duì)旅客的影響最大；在車廂空氣質(zhì)量影響因素中，空氣瞬間壓力變化對(duì)車廂空氣質(zhì)量起主要作用。

表3 各項(xiàng)因素權(quán)重結(jié)果Tab.3 Results of each factor weight

2 長(zhǎng)運(yùn)距高速鐵路列車旅客疲勞度影響因素評(píng)價(jià)值的計(jì)算方法

2.1 乘車時(shí)長(zhǎng)系數(shù)

對(duì)于選擇高速鐵路出行的旅客來說，乘車時(shí)間長(zhǎng)短是影響長(zhǎng)運(yùn)距高速列車旅客乘車疲勞度的關(guān)鍵因素，在此將乘車時(shí)間作為各項(xiàng)因素對(duì)長(zhǎng)運(yùn)距高速列車疲勞度的影響系數(shù)。通過對(duì)乘車時(shí)間與長(zhǎng)運(yùn)距高速列車疲勞度關(guān)系的問卷調(diào)查結(jié)果，利用MATLAB對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到乘車時(shí)間與長(zhǎng)運(yùn)距高速列車疲勞度的函數(shù)關(guān)系如公式 ⑴ 所示，長(zhǎng)運(yùn)距高速列車乘車時(shí)長(zhǎng)與疲勞度的關(guān)系曲線如圖2所示。

式中：p(t)為乘車時(shí)長(zhǎng)影響長(zhǎng)運(yùn)距高速列車疲勞度的評(píng)價(jià)值，h；t為乘車時(shí)長(zhǎng)，h。

圖2 長(zhǎng)運(yùn)距高速列車乘車時(shí)長(zhǎng)與疲勞度的關(guān)系曲線Fig.2 Curve of relationship between length of riding time and fatigue degree of long distance high-speed railway

2.2 乘車空間環(huán)境因素

根據(jù)調(diào)查結(jié)果，影響長(zhǎng)運(yùn)距高速列車座椅舒適度的主要因素是前后座椅間距，長(zhǎng)運(yùn)距高速列車車廂空間舒適度可以由車廂擁擠度來表示，決定因素是車廂定員和車廂滿載率。

目前我國(guó)高速鐵路座椅間距主要有860 cm，1 020 cm，1 080 cm，1 160 cm和1 900 cm等多種[7]，按長(zhǎng)運(yùn)距高速列車疲勞度10為衡量尺度，不同座椅間距對(duì)長(zhǎng)運(yùn)距高速列車疲勞度的影響如表4所示。

表4 不同座椅間距對(duì)長(zhǎng)運(yùn)距高速列車疲勞度的影響Tab.4 Effect of different seat spacing on fatigue degree of long distance high-speed railway

車廂內(nèi)擁擠度的計(jì)算公式為

式中：p(c)為車廂擁擠度影響長(zhǎng)運(yùn)距高速列車疲勞度的評(píng)價(jià)值，人/m3；N為車廂定員人數(shù)，人；?為車廂滿載率，%；a為車廂長(zhǎng)，m；b為車廂寬，m；c為車廂高，m。

還需要對(duì)不同擁擠度對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)運(yùn)距高速列車疲勞度值進(jìn)行定義。根據(jù)各動(dòng)車組車型的定員情況，以及我國(guó)高速鐵路車體長(zhǎng)、寬、高技術(shù)參數(shù)，長(zhǎng)運(yùn)距高速列車不同擁擠度對(duì)應(yīng)的疲勞度如表5所示。

表5 長(zhǎng)運(yùn)距高速列車不同擁擠度對(duì)應(yīng)的疲勞度Tab.5 Fatigue degree of long conveying distance high speed railway corresponding different congestion degree

2.3 車廂空氣環(huán)境因素

一般來說，環(huán)境溫度與濕度對(duì)人體的影響用長(zhǎng)運(yùn)距高速列車人體舒適度來表示，同樣，車廂內(nèi)的溫度與濕度對(duì)旅客產(chǎn)生疲勞感的影響也可以由此表示，計(jì)算公式為[8]

式中：p(h)為長(zhǎng)運(yùn)距高速列車人體舒適度；T為車廂內(nèi)溫度，℃；S為車廂內(nèi)相對(duì)濕度，%。

根據(jù)長(zhǎng)運(yùn)距高速列車舒適度的等級(jí)定義[9]，長(zhǎng)運(yùn)距高速列車舒適度指標(biāo)與疲勞度的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表6所示。

2.4 噪聲因素

在描述噪聲對(duì)人體的影響程度中，引入噪聲沖擊這個(gè)物理量，針對(duì)高速動(dòng)車組列車車廂這一特殊環(huán)境，計(jì)算公式為[10]

式中：p(n)為噪聲影響長(zhǎng)運(yùn)距高速列車疲勞度的評(píng)價(jià)值，dB (A)；W為聲級(jí)的計(jì)權(quán)因數(shù)；N為車廂定員人數(shù)，人；?為車廂滿載率，%。

根據(jù)我國(guó)動(dòng)車組定員情況，可以將p(n)與長(zhǎng)運(yùn)距高速列車旅客疲勞度一一對(duì)應(yīng)，p(n)與長(zhǎng)運(yùn)距高速列車疲勞度關(guān)系如表7所示。

表6 長(zhǎng)運(yùn)距高速列車舒適度指標(biāo)與疲勞度的對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.6 Relationship between comfort index and fatigue degree of long distance high-speed train

表7 p (n)與長(zhǎng)運(yùn)距高速列車疲勞度關(guān)系Tab.7 Relationship between p (n) and fatigue degree of long distance high-speed train

在計(jì)算振動(dòng)指標(biāo)時(shí)，可以利用Sperling評(píng)價(jià)指標(biāo)[11]體系對(duì)振動(dòng)引起旅客疲勞影響進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為

式中：p(v)為振動(dòng)影響長(zhǎng)運(yùn)距高速列車疲勞度的評(píng)價(jià)值，mm/s2；a為加速度，cm/s2；f表示振動(dòng)頻率，Hz；F(f)表示與振動(dòng)頻率相關(guān)的加權(quán)修正系數(shù)。

根據(jù)振動(dòng)指標(biāo)等級(jí)，長(zhǎng)運(yùn)距高速列車振動(dòng)指標(biāo)與疲勞度對(duì)應(yīng)結(jié)果如表8所示。

2.5 個(gè)性化服務(wù)因素

通過分析問卷調(diào)查結(jié)果，旅客對(duì)乘車過程中提供的個(gè)性化服務(wù)主要有休閑娛樂服務(wù)、Wi-Fi服務(wù)、電源插座服務(wù)等，個(gè)性化服務(wù)可以有效緩解旅客乘車過程中產(chǎn)生的疲勞感，因而可以通過增加列車的個(gè)性化服務(wù)數(shù)量來減少長(zhǎng)運(yùn)距高速列車旅客疲勞度[12]，計(jì)算公式為

表8 長(zhǎng)運(yùn)距高速列車振動(dòng)指標(biāo)與疲勞度對(duì)應(yīng)結(jié)果Tab.8 Corresponding results between vibration index and fatigue degree of long distance high-speed train

式中：p(s)為個(gè)性化服務(wù)影響長(zhǎng)運(yùn)距高速列車疲勞度的評(píng)價(jià)值；c9，c10，c11為各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重；ni為是否提供個(gè)性化服務(wù)i，i取1，2，3。

2.6 旅客乘車疲勞度

利用問卷調(diào)查法和層次分析法確定各項(xiàng)影響因素及其對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，分析各個(gè)影響因素對(duì)長(zhǎng)運(yùn)距高速列車旅客疲勞度的影響，得到長(zhǎng)運(yùn)距高速列車旅客乘車疲勞度的量化計(jì)算公式如下。

式中：P為長(zhǎng)運(yùn)距高速列車旅客疲勞度綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)值；b1，b2，b3，b4為各個(gè)疲勞度影響因素權(quán)重；c1，c2，c6，c7為各項(xiàng)影響因素評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，p(t)，p(d)，p(c)，p(h)，p(n)，p(v)，p(s)為各項(xiàng)影響因素評(píng)價(jià)值。

3 實(shí)例分析

為了驗(yàn)證所提出的長(zhǎng)運(yùn)距高速列車旅客乘車疲勞度計(jì)算方法，以2018年10月29日京滬高速鐵路和哈大高速鐵路(大連北—哈爾濱西)線路上運(yùn)行的高速列車為例，比較兩者長(zhǎng)運(yùn)距旅客乘車疲勞度的差異，京滬高速鐵路與哈大高速鐵路各指標(biāo)參數(shù)(以二等座為例)如表9所示。

目前我國(guó)開行的高速動(dòng)車組列車內(nèi)的空氣環(huán)境由動(dòng)車組列車內(nèi)的空調(diào)系統(tǒng)控制，車廂內(nèi)的溫濕度都控制在人體舒適范圍內(nèi)，因而兩者在空氣指標(biāo)層面對(duì)長(zhǎng)運(yùn)距高速列車旅客疲勞度影響的差異并不大，可近似認(rèn)為相同，這里以夏季溫度為24.5℃、相對(duì)濕度為65%；冬季溫度為19℃、相對(duì)濕度為40%作為計(jì)算長(zhǎng)運(yùn)距高速列車疲勞度的數(shù)據(jù)；在長(zhǎng)途旅行中，列車提供的針對(duì)旅客需求的服務(wù)能夠有效緩解旅客在乘車中的疲勞感，主要有休閑娛樂服務(wù)(如電視、書刊)、Wi-Fi服務(wù)、便利的電源插座等。CRH380BG與CR400AF 2種車型的座椅下方均配有電源插座，在服務(wù)上的差別主要為CR400AF提供了Wi-Fi覆蓋功能。CRH380BG與CR400AF疲勞度值對(duì)比如表10所示。

表9 京滬高速鐵路與哈大高速鐵路各指標(biāo)參數(shù)(以二等座為例)Tab.9 Index parameters of Beijing-Shanghai High-Speed Railway and Harbin-Dalian High-Speed Railway (take second level seats as an example)

表10 CRH380BG與CR400AF疲勞度值對(duì)比Tab.10 Comparison of fatigue values between CRH380BG and CR400AF

由表10可知，CR400AF復(fù)興號(hào)的長(zhǎng)運(yùn)距旅客疲勞度值較小，乘車環(huán)境更好。2列高速列車的差別主要在于旅行耗時(shí)、個(gè)性化服務(wù)質(zhì)量以及車廂座椅的空間大小層面上。針對(duì)以上3個(gè)主要因素提出以下改進(jìn)意見。

（1）在滿足線路運(yùn)行和客流條件下，適當(dāng)提高列車運(yùn)行速度，減少列車停站次數(shù)和停站時(shí)間，減少列車旅行耗時(shí)，可以在很大程度上緩解旅客乘坐長(zhǎng)運(yùn)距高速鐵路列車引起的疲勞感。

（2）提高動(dòng)車組列車的個(gè)性化服務(wù)質(zhì)量，可以有效緩解旅客在長(zhǎng)時(shí)間乘車過程中產(chǎn)生的無聊感和疲勞感。

（3）在改善座椅空間的問題上，需要以各地區(qū)的客流特性為基礎(chǔ)，對(duì)座椅間距進(jìn)行適當(dāng)擴(kuò)充，也可以通過座椅設(shè)計(jì)的改善為旅客提供更舒適的乘車體驗(yàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)長(zhǎng)運(yùn)距高速鐵路列車旅客乘車疲勞度的計(jì)算方法進(jìn)行研究，并以此作為評(píng)價(jià)我國(guó)現(xiàn)階段開行動(dòng)車組列車舒適性的依據(jù)，結(jié)合長(zhǎng)運(yùn)距高速列車旅客疲勞度結(jié)果的量化分析及旅客舒適性需求變化情況，可以合理解決旅客乘坐疲勞問題，為高速鐵路更好地滿足旅客出行需求提供理論支撐。目前研究?jī)H從旅客感知的角度展開分析，對(duì)于旅客、高速列車、線路質(zhì)量與乘車環(huán)境總體性能及運(yùn)營(yíng)管理之間的相互影響關(guān)系并未作系統(tǒng)探討。另外，隨著動(dòng)車組列車各方面性能的不斷完善和鐵路運(yùn)輸企業(yè)服務(wù)水平的不斷提高，在高速列車不同運(yùn)行狀態(tài)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完善長(zhǎng)運(yùn)距高速列車旅客疲勞度計(jì)算公式體系和權(quán)重標(biāo)定方法還有待深入研究。