1、第 20 卷 第 2 期2023 年 2 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 2February 2023基于心率变异性的高速列车乘员舒适度评价研究彭勇1，许迪雅1，范超杰1，谭胜玉2，梁习锋1(1.中南大学 交通运输工程学院，湖南 长沙 410075；2.中南大学 湘雅二医院，湖南 长沙 410011)摘要：“以人为本”是我国高速铁路事业发展的基本出发点，高速列车乘坐舒适度的评估及优化是高速铁路技术发展的关键。而生理信号作为人体状态的直观反映，在评价乘员舒适度方面具有不可比拟的优势。心率变异
2、性是心电信号中相邻心跳间期时间间隔的变化，可反映自主神经系统平衡状态。为研究心率变异性与高速列车乘员舒适度之间的关系，在沪昆高速铁路线上开展高速列车乘员舒适度实车实验，结合乘员主观舒适度问卷反馈结果，分析乘员的平均心跳间期、心跳间期标准差等10种心率变异性特征在舒适度劣化时的变化情况。对乘员综合舒适度、振动舒适度和耳气压舒适度3类不同问题，使用T检验法分析各特征对“舒适”和“不舒适”状态的显著性，并建立基于随机森林算法的高速列车乘员舒适度评价模型。研究结果表明，心率变异性特征在不同类问题舒适度状态改变时，基本具有一致的变化趋势；其中平均心跳间期(Mean_rr)与综合舒适度显著相关，心跳间期标
3、准差(SDNN)及庞加莱图标准差(SD2)与振动舒适度显著相关；建立的舒适度识别模型对综合舒适度、振动舒适度及耳气压舒适度识别准确度分别达74.32%，70.67%及68.27%。关键词：高速列车；心率变异性；舒适度；T检验；机器学习中图分类号：U270.11 文献标志码：A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7029（2023）02-0453-10Research on comfort evaluation of high-speed train passengers based on heart rate variabilityPENG Yong1,XU Diya1
4、,FAN Chaojie1,TAN Shengyu2,LIANG Xifeng1(1.School of Traffic&Transportation Engineering,Central South University,Changsha 410075,China;2.Xiangya Second Hospital,Central South University,Changsha 410011,China)Abstract:People-oriented development is the foundation of high-speed railway technology,maki
5、ng the evaluation of passenger comfort a key factor.Providing an intuitive reflection of the human body state,physiological signals has incomparable advantages in evaluating passenger comfort.Heart rate variability is the change of time interval between adjacent heartbeat intervals in electrocardiog
6、ram,which can reflect the balance state of the autonomic nervous system.To study the relationship between heart rate variability and passenger comfort of high-speed train,this paper presented a real vehicle experiment of passenger comfort of high-speed 收稿日期：2022-03-03基金项目：国家自然科学基金资助项目(52075553)；湖南省自
7、然科学基金杰出青年基金资助项目(2021JJ10059)通信作者：谭胜玉(1980-)，女，湖南益阳人，副主任医师，博士，从事老年心血管疾病和人体舒适度相关研究；E-mail：DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20220386铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 2月train on Shanghai-Kunming high-speed railway line.Combined with the results of the passenger subjective comfort questionnaire,the changes of ten heart
8、rate variability characteristics of passengers under varying comfort levels were analyzed.To assess the comprehensive comfort,vibration comfort and ear pressure comfort of passengers,T-test was used to determine the significance of various characteristics on“comfortable”and“uncomfortable”states.Furt
9、her,an evaluation model of passenger comfort of high-speed train based on random forest algorithm was established.The results show that the characteristics of heart rate variability have a similar change trend when the comfort level of different problems changes,and that Mean_rr is significantly cor
10、related with comprehensive comfort,while SDNN and SD2 are significantly correlated with vibration comfort.The accuracy of the comfort recognition model for comprehensive comfort,vibration comfort and ear pressure comfort is 74.32%,70.67%and 68.27%,respectively.Key words:high-speed train;heart rate v
11、ariability;comfort;T-test;machine learning 随着我国高铁运营里程以及乘坐人数的增长，提升公众的出行舒适度与出行质量是高速列车发展中的重要环节。传统的列车舒适度研究主要关注由振动引起的舒适度变化，然而列车的运行工况与车内环境特殊，除振动外，乘员的舒适度受到温度、气压、座椅舒适度等多种因素的影响。国内外众多学者对高速列车的舒适度评价进行了研究，针对综合舒适度，刘璐1对影响高速列车舒适度的6个因素进行定义和划分，通过实车环境数据采集，提出列车的综合舒适度相关评价公式，并设计了列车综合舒适度调查问卷；王海涌2结合模糊粗糙集等理论，建立了高速列车多元舒适度评价指
12、标体系及权重。对于耳气压舒适度，XIE等3通过建立耳部的有限元模型并进行模拟仿真，研究高速列车气压对听觉造成的不适；何德华4汇总了国内动车组压力变化实验结果并结合乘员主观舒适反馈，对列车压力变化及耳气压舒适度进行分析。针对振动舒适度，德英两国提出的Sperling指标、UIC513标准主要依据列车的振动幅值及加速度56评价振动舒适度的优劣。PENG等7根据高速列车综合振动状况并结合乘员舒适度评分，对在列车不同运行环境下，长时间乘坐的乘员振动舒适度进行研究。目前的列车的综合舒适度、振动舒适度以及耳气压舒适度评估主要依据环境参数、模拟仿真或问卷调查结果，环境参数多采用既有标准，模拟仿真无法切实反映
13、实车状态，问卷调查结果具有主观性过大的因素，因此不能有效地对乘员的生理状态进行评估。生理参数作为人体状态直接的反馈，可有效地反映人体舒适度状态。心电信号(Electrocardiogram，ECG)是心脏在自发性的血液循环功能中产生的一系列电位变化8，且在采集过程中拥有无创性、便携性的优点。心率变异性(Heart rate variability,HRV)是ECG中相邻心跳间期时间间隔的变化情况，可反应人体自主神经的平衡状态9，已应用至疲劳识别、情绪识别、舒适度识别等不同领域中。ABTAHI等10的研究结果表明，心率变异性可反映受试者的疲倦状态。NKURIKIYEYEZU 等11通过研究在不同
14、热环境下的心率变异性特征，所建立的模型对被试者的热舒适状态识别率达到 93.7%。ZHANG等12提出将心率变异性作为路面平整度(IRI)和驾驶舒适度现有评估指标的补充，证明了使用心率变异性用来评估 IRI 和驾驶舒适度的可行性。张祖怀13建立汽车驾驶虚拟试验室，对心率、肌电和呼吸频率的变化规律进行研究，验证了使用这3项生理指标评价驾驶疲劳的有效性。祝荣欣14通过采集分析被试者的心电和肌电信号，对联合收获机驾驶员的疲劳检测进行了研究。综上所述，心率变异性作为反映人体舒适度的评价指标已在疲劳、振动舒适等领域有所应用，但在高速列车乘员舒适度领域的研究较缺乏，且缺少基于高速列车真实运行环境的研究。因
15、此需要研究反映乘员舒适度的心率变异性特征，并采用机器学习模型，建立高速列车乘员舒适度评估模型。本研究开展高速列车实车试验，基于心率变异性特征探究乘员舒适度劣化机理，并建立基于心率变异性的高速454第 2 期彭勇，等：基于心率变异性的高速列车乘员舒适度评价研究列车乘员舒适度评估模型，为有效评估高速列车乘员的综合、振动及耳气压舒适度提供建议与方法。1 实验与方法1.1实验对象及试验流程实验于长沙至贵阳的沪昆高铁线路上进行，共采集了4名女性乘员及4名男性乘员(年龄221岁)的心电数据及主观舒适度数据，被试者在实验开始前了解本实验的目的以及基本流程。在高速列车行驶过程中，对被试者的心电信号进行了全程采
16、集，如图1(a)所示。心电采用了改进的心电标准导联方法。在实验过程中，被试在调整座椅至舒适角度后，每10 min填写一次主观调查问卷，每次实验时长约为120 min。本文的技术路线如图2所示。1.2测试仪器及调查问卷本次实验使用 BIOPAC MP150 多导生理仪中的ECG模块对乘员的心电信号进行采集，采样频率为1 000 Hz，试验设备如图1(b)所示。主观调查问卷对被试乘员的综合舒适度、振动舒适度、耳气压舒适度共计 3个问题进行了调查。为了使被试者能够简单且相对客观地表述自己的舒适度感受，问卷采用视觉模拟量表，每个问题评分范围由-50分至50分，-50分表示“不舒适”，50分表示当前状态“舒适”，被试者依照当前自身的舒适度状态对相关问题进行打分，如图1(c)所示。对问卷获得的舒适度评分进行归一化处理，将评分划分为5个等级：00.2分为不舒适，0.20.4分为轻微不适，0.40.6分为正常，0.60.8分为稍舒适，0.81.0 分为舒适。在最终使用“0，(a)实车试验；(b)BIOPAC生理仪；(c)视觉模拟量表；(d)ECG波段图1生理信号数据采集Fig.1Physiologic
