楊宇航 陳國俊 張抒揚(yáng) 劉好德

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063) (交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院2) 北京 100029)

0 引 言

優(yōu)先發(fā)展公共交通是緩解交通擁堵的有效方法，我國早在2005年就制定了公交優(yōu)先發(fā)展的戰(zhàn)略國策[1].但自2014年來，我國城市公共交通客運(yùn)總量呈現(xiàn)下降趨勢，其中公共汽電車(簡稱“公交”)客運(yùn)總量每年下降約20億人·次[2].公交服務(wù)質(zhì)量是影響出行者是否選擇公交出行的重要因素，改善公交服務(wù)質(zhì)量能夠提高公交系統(tǒng)競爭力，有效提升公交客運(yùn)量.隨著居民生活質(zhì)量的提升，其對出行服務(wù)需求日益增長，改善交通出行的服務(wù)體驗(yàn)成為當(dāng)前以及未來運(yùn)輸服務(wù)的主要目標(biāo)[3].針對公交服務(wù)質(zhì)量，學(xué)者們主要關(guān)注于網(wǎng)絡(luò)可達(dá)性、運(yùn)送效率與服務(wù)可靠性等方面[4]，舒適性作為更高層次的服務(wù)需求尚未得到重視，相關(guān)研究成果相對匱乏.

在以往研究中，以車內(nèi)環(huán)境為主要研究對象，提出了車內(nèi)擁擠程度、空調(diào)情況、車內(nèi)噪聲和空氣品質(zhì)等因素作為公交舒適性的綜合評價(jià)指標(biāo)[5-6]，卻忽略了公交車輛運(yùn)行過程中的乘坐振動(dòng)舒適性.在車輛振動(dòng)舒適性的研究中，通常采用加速度作為反映振動(dòng)舒適性的關(guān)鍵參數(shù).王煒等[7]在城市公共交通系統(tǒng)服務(wù)水平評價(jià)指標(biāo)體系中提出公交舒適度不僅應(yīng)包括車內(nèi)環(huán)境因素，還應(yīng)考慮車輛的加速度變化；云美萍等[8]以速度和加速度量化分析了公交運(yùn)行過程中行駛平順性以及車體振動(dòng)狀態(tài)對乘車舒適性的影響；Eboli等[9]使用瞬時(shí)加速度作為公交運(yùn)行舒適性分級指標(biāo)；Barone等[10]結(jié)合振動(dòng)加速度與噪聲計(jì)算公交舒適性指數(shù).公交車輛加速度與外部行駛環(huán)境因素之間密切相關(guān)，但是現(xiàn)有研究中沒有闡述二者之間的關(guān)系，難以指導(dǎo)改善公交舒適性的實(shí)踐操作.

因此，本研究通過采集坐姿狀態(tài)乘客軀干的三軸加速度數(shù)據(jù)，評價(jià)分析公交乘坐振動(dòng)舒適性，并驗(yàn)證外部行駛環(huán)境因素對振動(dòng)舒適性的影響作用.

1 行駛環(huán)境對振動(dòng)舒適性的作用機(jī)理

加速度作為表征物體運(yùn)動(dòng)過程平順性的參數(shù)，是分析振動(dòng)舒適性的重要參數(shù).在文獻(xiàn)[11]中，以計(jì)權(quán)加速度值作為表征參數(shù)描述車體振動(dòng)程度對人體舒適性的影響，并給出了公共交通中乘客對綜合振動(dòng)不同量值的可能舒適性感受的近似描述(見表1)，由于舒適的可接受振動(dòng)量取決于隨不同應(yīng)用變化的許多因素，所以該標(biāo)準(zhǔn)中不同舒適性水平對應(yīng)的計(jì)權(quán)加速度范圍存在一定程度重疊.

表1 車輛振動(dòng)對乘客舒適性水平的影響分級

本研究以計(jì)權(quán)加速度的大小反映振動(dòng)舒適性程度，以計(jì)權(quán)加速度的范圍反映振動(dòng)舒適性水平.為了探究影響公交乘坐振動(dòng)舒適性的潛在行駛環(huán)境因素，本文基于公交行駛過程，從線路走向、道路橫斷面、道路縱斷面、道路水平路面四個(gè)維度展開分析.

1) 線路走向?qū)φ駝?dòng)舒適性的影響 公交線路包括公交站點(diǎn)、交叉口、鄰側(cè)接入口與連續(xù)行駛路段.公交站點(diǎn)?？?、信號交叉口紅燈停滯，導(dǎo)致車輛制動(dòng)與啟動(dòng)，車輛加速度產(chǎn)生相應(yīng)改變.當(dāng)公交為外側(cè)行駛且鄰側(cè)接入口有車輛匯入交織時(shí)，會對公交運(yùn)行造成干擾，導(dǎo)致加速度產(chǎn)生波動(dòng).在連續(xù)行駛路段上，如果道路線形為直線且無突發(fā)情況，可認(rèn)為公交處于穩(wěn)定行駛狀態(tài)，加速度變化較小.如果道路線形為曲線，離心力會令乘客不適；但曲線路段通常在整條線路中占比極小，可忽略不計(jì).因此，本文選取公交站點(diǎn)、交叉口、區(qū)間接入口數(shù)量作為影響振動(dòng)舒適性的潛在因素.

2) 道路橫斷面對振動(dòng)舒適性的影響 道路橫斷面一般包括車行道、人行道、分隔帶等.是否有公交專用車道，對于公交行駛平順性會存在影響；在專用道上，車輛能以更穩(wěn)定的狀態(tài)行駛從而避免加速度波動(dòng).當(dāng)公交與社會車輛混行時(shí)，隨著單向車道數(shù)增加，車輛產(chǎn)生換道行為的概率會上升，公交受其他車輛換道行為的影響程度加劇，進(jìn)而導(dǎo)致公交運(yùn)行狀態(tài)波動(dòng).公交一般行駛在道路右側(cè)，有無中央分隔帶對其運(yùn)行狀態(tài)的影響程度不大，但有無機(jī)非隔離對其運(yùn)行狀態(tài)會存在較大影響.因此，選取有無公交專用道、單向車道數(shù)、有無機(jī)非隔離作為影響振動(dòng)舒適性的潛在因素.

3) 道路縱斷面對振動(dòng)舒適性的影響 道路縱斷面對公交車輛振動(dòng)舒適性的影響主要體現(xiàn)在道路坡度的大小，但是道路坡度比較難以測量，而且城市道路坡度最大為5%(設(shè)計(jì)速度為60 km/h)[14]，一般控制在1.5%～2.5%，所占比例一般也極低，可以認(rèn)為道路坡度對公交車輛行駛平順性的影響較小.因此，本文不考慮道路縱斷面維度對振動(dòng)舒適性的影響.

4) 道路路面對振動(dòng)舒適性的影響 道路水平路面對公交行駛狀態(tài)的影響主要體現(xiàn)在道路平面的平整程度，過多的坑洼會導(dǎo)致車體縱向加速度的劇烈變化，但城市路面基本平整，因此，本文不考慮道路路面維度對振動(dòng)舒適性的影響.

綜上所述，本文主要考慮線路走向、道路橫斷面兩個(gè)維度，選取公交站點(diǎn)數(shù)、交叉口數(shù)、接入口數(shù)、單向車道數(shù)、有無公交專用道、有無機(jī)非隔離六個(gè)空間因素作為分析影響振動(dòng)舒適性的潛在外部環(huán)境因素.同時(shí)，考慮到不同時(shí)段(是否高峰時(shí)段)道路交通流具有顯著差異，混行條件下可能影響公交運(yùn)行平順性，所以是否為高峰時(shí)段也被選取為影響振動(dòng)舒適性的潛在因素.

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與處理

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集方法

本研究以智能手機(jī)作為數(shù)據(jù)采集終端，基于智能手機(jī)全球定位系統(tǒng)(GPS)模塊以及加速度傳感器模塊采集獲取手機(jī)GPS位置坐標(biāo)與三軸加速度數(shù)據(jù).根據(jù)Android開發(fā)者官方文檔，傳感器模塊精度達(dá)到萬分之一，完全符合數(shù)據(jù)的精度要求.

站立姿態(tài)下，乘客維持身體穩(wěn)定相對困難，其感知加速度不僅受車輛運(yùn)行平順性的影響，還會受到乘客適應(yīng)加速度變化能力的影響；因此本文采集數(shù)據(jù)時(shí)，采取坐姿狀態(tài)下將手機(jī)垂直綁定于實(shí)驗(yàn)者軀干的方法.本研究選取武漢市公交線路709路作為數(shù)據(jù)采集線路(見圖1).

圖1 武漢市709路線路走向圖

通過百度實(shí)景地圖獲取沿線的站點(diǎn)、交叉口、接入口位置，途徑的各條道路單向車道數(shù)、有無機(jī)非隔離與有無公交專用道等數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)采集時(shí)間分為高峰時(shí)段(07:00—09:00，17:00—19:00)與平峰時(shí)段(其他時(shí)段)，采取跟車調(diào)查方式，記錄車輛經(jīng)過站點(diǎn)、交叉口的停止與啟動(dòng)時(shí)刻.同時(shí)，為了控制無關(guān)變量對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，每次實(shí)驗(yàn)均選取車型相同的車輛，并且每次測量時(shí)選取的座位保持一致.

2.2 計(jì)權(quán)加速度的計(jì)算

公交乘客乘行過程中，受來自x(前進(jìn)方向)、y(垂直于前進(jìn)方向的側(cè)向)、z(豎直方向)三個(gè)維度加速度的影響作用；由于人體對不同振動(dòng)方向加速度的敏感程度不同，各方向加速度對人體舒適度的貢獻(xiàn)度不同，所以計(jì)算總的計(jì)權(quán)加速度時(shí)，需根據(jù)三軸加速度分別對舒適性的影響程度賦予不同的權(quán)重，根據(jù)文獻(xiàn)[12]總計(jì)權(quán)加速度的計(jì)算方法為

(1)

式中：k為坐姿狀態(tài)人體三軸方向加速度計(jì)權(quán)參數(shù)，k的推薦取值為：x軸，kx=1.4；y軸，ky=1.4；z軸，kz=1.

將實(shí)驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)按照式(1)計(jì)算得到計(jì)權(quán)加速度，然后取運(yùn)行區(qū)間的計(jì)權(quán)加速度均值作為評價(jià)振動(dòng)舒適性的特征參數(shù).

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

不同道路甚至同一道路不同位置橫斷面結(jié)構(gòu)不盡相同，因此需對公交線路進(jìn)行空間分割.本研究以線路的站點(diǎn)與信號控制交叉口為參照點(diǎn)，進(jìn)行了三種不同形式下的線路空間分割.

1) 連續(xù)行駛區(qū)間 以站點(diǎn)和信號控制交叉口作為節(jié)點(diǎn)分割線路，可以認(rèn)為在這些空間單元內(nèi)公交車輛處于連續(xù)行駛狀態(tài)，此時(shí)公交車輛運(yùn)行狀態(tài)主要受道路橫斷面因素的影響.

2) 交叉口區(qū)間 以信號控制交叉口作為節(jié)點(diǎn)分割線路.此時(shí)公交車輛運(yùn)行狀態(tài)不僅受道路橫斷面因素的影響，還會受到交叉口區(qū)間內(nèi)的公交站點(diǎn)的影響.

不同空間范圍內(nèi)，公交振動(dòng)舒適性的潛在影響因素見表2.按照不同區(qū)間統(tǒng)計(jì)車輛的平均計(jì)權(quán)加速度，發(fā)現(xiàn)其數(shù)值分布范圍為0.81～2.18 m/s2.在舒適性水平分級與加速度取值范圍的對應(yīng)關(guān)系中(見表1)，0.8～1.6 m/s2處于不舒適水平，1.25～2.5 m/s2處于非常不舒適水平，因此實(shí)驗(yàn)線路的振動(dòng)舒適性水平僅存在不舒適與非常不舒適兩個(gè)等級.

表2 不同區(qū)間舒適性與其潛在影響因素分析

將計(jì)權(quán)加速度對應(yīng)的舒適性水平轉(zhuǎn)換為二分類變量(0-1變量，0為不舒適，1為非常不舒適)，然后采用逐步二項(xiàng)logistic回歸模型驗(yàn)證分析潛在影響因素對振動(dòng)舒適性水平的顯著性與影響作用程度.由于兩個(gè)舒適性水平對應(yīng)的計(jì)權(quán)加速度存在數(shù)值分布范圍的重合，本文將分別以1.25，1.6 m/s2及二者均值1.425 m/s2作為區(qū)分兩個(gè)舒適水平的臨界閾值(a模型以1.6 m/s2為臨界閾值，b模型以1.425 m/s2為臨界閾值，c模型以1.25 m/s2為臨界閾值).

3.1 連續(xù)行駛區(qū)間振動(dòng)舒適性影響因素分析

根據(jù)連續(xù)行駛區(qū)間計(jì)權(quán)加速度均值所處舒適性水平，以對應(yīng)舒適性水平分類值作為因變量，將區(qū)間接入口數(shù)、單向車道數(shù)、有無機(jī)非隔離、有無專用道、是否高峰時(shí)段作為自變量，采用逐步二項(xiàng)logistic模型回歸分析(自由度為1)，剔除非顯著變量后結(jié)果見表3.

表3 剔除非顯著變量后的連續(xù)行駛區(qū)間二項(xiàng)logistic回歸分析

采用預(yù)測正確百分比[13]檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿M合優(yōu)度，a模型為74.1%，b模型為70.5%,c模型為87.5%,三者預(yù)測正確百分比均在70%以上.三種情況下最優(yōu)模型選入變量基本一致，其中有無專用道在三個(gè)模型中均表現(xiàn)出顯著性影響，而單向車道數(shù)在a，b模型中具有顯著性影響作用，在c模型中未通過顯著性檢驗(yàn).三個(gè)模型中顯著性變量的回歸系數(shù)B與Exp(B)值近似相同，其中有無專用道回歸系數(shù)B為負(fù)值，說明相比無專用道條件，公交車輛在專用道條件下，舒適性降低的可能性更低；根據(jù)Exp(B)的取值(0.022～0.036)，在非專用道條件下，舒適性落在非常不舒適水平的概率是專用道條件下的27.8～45.5倍.

單向車道數(shù)回歸系數(shù)B為正值，說明單向車道數(shù)越多，舒適性水平降低的概率越高；Exp(B)取值為3.401～3.642，意味著單向車道數(shù)每增加一條，舒適性落在非常不舒適水平的概率增加約3.5倍.在c模型中，舒適性水平的分類閾值較低為1.25 m/s2，導(dǎo)致車道數(shù)對舒適性水平的影響不再顯著，但a和b模型中單向車道數(shù)均顯著，因此，單向車道數(shù)對振動(dòng)舒適性水平是具有顯著影響的.

為驗(yàn)證結(jié)果可信度，圖2為顯著性變量在不同取值下加速度分布的箱線圖.

圖2 連續(xù)行駛區(qū)間顯著性變量對應(yīng)的加速度分布

相比于非專用道條件(計(jì)權(quán)加速度均值1.558 m/s2)，公交在專用道條件(計(jì)權(quán)加速度均值1.155 m/s2)行駛時(shí)計(jì)權(quán)加速度取值明顯下降，分布更趨于集中，計(jì)權(quán)加速度均值降低了25.9%.可能原因是公交在專用道行駛時(shí)，受到有效保護(hù)隔離，避免了受到其他社會車輛影響，減少行駛過程中的緊急制動(dòng)以及?？窟^程的換道行為，所以行駛過程加速度變化較小，減輕了乘客不舒適感.在混行條件下，隨著單向車道數(shù)增加，計(jì)權(quán)加速度分布呈現(xiàn)均值增加趨勢，其中單向車道數(shù)為1時(shí)計(jì)權(quán)加速度均值為1.439 m/s2，單向車道數(shù)為2時(shí)計(jì)權(quán)加速度均值為1.530 m/s2，單向車道數(shù)為3時(shí)計(jì)權(quán)加速度均值為1.644 m/s2，即單向車道數(shù)每增加一條，計(jì)權(quán)加速度均值約增加6.5%.可能原因是隨著單向車道數(shù)增加，同向車輛的換道行為對公交行駛過程的影響概率增加，同時(shí)公交?？窟^程的換道行為概率也會增加，導(dǎo)致行駛過程中加速度波動(dòng)，令乘客感到更加不舒適.

3.2 交叉口區(qū)間運(yùn)行舒適性影響因素分析

為了驗(yàn)證站點(diǎn)對于振動(dòng)舒適性是否有影響，以交叉口為節(jié)點(diǎn)劃分公交線路，在連續(xù)行駛區(qū)間模型經(jīng)過檢驗(yàn)的顯著性自變量基礎(chǔ)上引入站點(diǎn)數(shù)進(jìn)行回歸分析(自由度為1)，結(jié)果見表4.

易非應(yīng)聘到了風(fēng)城日報(bào)，報(bào)社的工作她應(yīng)付得來，只是，記者們都不是善茬，關(guān)系并不好處理，而且，當(dāng)一名記者，和她當(dāng)建筑家的理想相去甚遠(yuǎn)。有時(shí)候易非從報(bào)社二十四樓的窗口看出去，看到都是綠樹藍(lán)天映襯的紅色屋頂，那一棟棟的房子，真像積木般小巧可愛。在建筑師眼里，房子就應(yīng)該是這種感覺吧？沒當(dāng)成建筑家，但站在報(bào)社大樓里，得到的也是一樣的感受。這是老天爺對我另一種方式的彌補(bǔ)嗎？

表4 交叉口區(qū)間二項(xiàng)logistic回歸分析

結(jié)果發(fā)現(xiàn)：三個(gè)模型中站點(diǎn)數(shù)都沒有通過顯著性檢驗(yàn).通常而言，在站點(diǎn)位置車輛會存在減速制動(dòng)與加速啟動(dòng)的需求，站點(diǎn)數(shù)量的增加會造成車輛的加減速次數(shù)增加，降低舒適性.然而回歸結(jié)果表明站點(diǎn)數(shù)對舒適性水平并沒有顯著性影響，偏離了研究預(yù)期.

為驗(yàn)證結(jié)果可信度，對不同站點(diǎn)數(shù)量下的加速度分布進(jìn)行分析(見圖3).交叉口區(qū)間內(nèi)隨著站點(diǎn)數(shù)的增加，計(jì)權(quán)加速度的分布更加集中；交叉口區(qū)間內(nèi)有1個(gè)站點(diǎn)與有2個(gè)站點(diǎn)的平均計(jì)權(quán)加速度分別為1.483與1.523 m/s2，沒有表現(xiàn)出顯著差異，可能的原因是公交線路交叉口區(qū)間內(nèi)含有2個(gè)站點(diǎn)的樣本太少；但是相比于無站點(diǎn)時(shí)的計(jì)權(quán)加速度均值(1.405 m/s2)，有站點(diǎn)時(shí)的計(jì)權(quán)加速度均值增加了5%左右.因此，將站點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換為分組變量有無站點(diǎn)(0-1變量，0為無站點(diǎn)，1為有站點(diǎn))再次回歸后三個(gè)模型中有無站點(diǎn)仍然沒有通過顯著性檢驗(yàn).對比分析圖3中不同站點(diǎn)數(shù)下的計(jì)權(quán)加速度分布，其范圍主要集中在1.2～1.6 m/s2，以1.25或1.6 m/s2為舒適性水平分類閾值時(shí)，難以顯著區(qū)分有無站點(diǎn)導(dǎo)致的舒適性水平的變化；當(dāng)以1.425 m/s2為舒適性水平分類閾值時(shí)，顯著性水平值(p-value)已經(jīng)接近0.05.這說明有無站點(diǎn)對運(yùn)行舒適性程度是存在影響的，但是其導(dǎo)致的計(jì)權(quán)加速度的“量變”(值的大小變化)還不至于到達(dá)“質(zhì)變”(舒適性水平的變化)的效果，所以統(tǒng)計(jì)意義上有無站點(diǎn)對舒適性水平的影響不顯著.

圖3 交叉口區(qū)間站點(diǎn)數(shù)與加速度箱線圖

3.3 站點(diǎn)區(qū)間振動(dòng)舒適性影響因素分析

為驗(yàn)證信號控制交叉口對于振動(dòng)舒適性是否有顯著影響，以公交站點(diǎn)作為線路空間分割節(jié)點(diǎn)，在連續(xù)行駛區(qū)間模型經(jīng)過檢驗(yàn)的顯著性自變量基礎(chǔ)上引入交叉口數(shù)量進(jìn)行回歸分析(自由度為1)，結(jié)果見表5.

表5 站點(diǎn)區(qū)間二項(xiàng)logistic回歸分析結(jié)果

在三種模型中，交叉口數(shù)均沒有通過顯著性檢驗(yàn).為驗(yàn)證結(jié)果可信度，對不同交叉口數(shù)量下的加速度分布進(jìn)行分析，見圖4.

圖4 站點(diǎn)區(qū)間交叉口數(shù)與加速度箱線圖

與不同站點(diǎn)數(shù)下的計(jì)權(quán)加速度分布類似，站點(diǎn)區(qū)間存在1個(gè)信號交叉口與2個(gè)信號交叉口的計(jì)權(quán)加速度均值分別為1.510與1.501 m/s2，沒有表現(xiàn)出顯著差異，可能的原因是公交線路站點(diǎn)區(qū)間內(nèi)含有具有2個(gè)交叉口的樣本太少；但是相比于無信號交叉口的計(jì)權(quán)加速度均值(1.475 m/s2)，有交叉口時(shí)的計(jì)權(quán)加速度均值增加了2%左右.采取類似方式將自變量交叉口數(shù)轉(zhuǎn)換為分組變量有無交叉口(0-1變量，0為無交叉口，1為有交叉口)再次進(jìn)行回歸，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：三個(gè)模型中有無交叉口仍然無法通過顯著性檢驗(yàn).對比分析圖4中不同信號交叉口數(shù)下的計(jì)權(quán)加速度分布，其范圍主要集中在1.4～1.6 m/s2，以1.2，1.425和1.6 m/s2為舒適性水平分類閾值都難以顯著區(qū)分有無交叉口導(dǎo)致的運(yùn)行舒適性水平的變化.在信號交叉口處車輛可能會產(chǎn)生加減速行為，導(dǎo)致計(jì)權(quán)加速度的均值增加，但是這種“量變”還無法引起舒適性水平的“質(zhì)變”，不足以令舒適性由不舒適水平達(dá)到非常不舒適水平.

4 結(jié) 束 語

本文從車輛運(yùn)行角度解析了影響公交乘坐振動(dòng)舒適性的行駛環(huán)境因素.按照不同的節(jié)點(diǎn)將公交運(yùn)行過程分割為三種不同維度的空間區(qū)段，測量計(jì)算不同區(qū)段內(nèi)坐姿乘客軀體的平均計(jì)權(quán)加速度，評價(jià)振動(dòng)舒適性的等級，采用二項(xiàng)logistic回歸分析各區(qū)段內(nèi)可能影響舒適性水平的行駛環(huán)境因素.研究發(fā)現(xiàn)：實(shí)驗(yàn)線路振動(dòng)舒適性處于不舒適以及非常舒適兩個(gè)水平，公交乘坐振動(dòng)舒適性處于比較低下的水平；站點(diǎn)數(shù)與信號交叉口數(shù)對振動(dòng)舒適性程度存在一定影響，但是其影響程度集中在某一舒適性水平內(nèi)；有無公交專用道和單向車道數(shù)對振動(dòng)舒適性水平影響顯著，設(shè)置公交專用道可以有效提升振動(dòng)舒適性水平，混行條件下單向車道數(shù)增加會帶來振動(dòng)舒適性水平的下降.因此，對于無專用道的公交線路，可適當(dāng)控制車道數(shù)或增設(shè)公交專用道來保障乘客的乘坐舒適性.

由于實(shí)驗(yàn)條件限制，本文選取的實(shí)驗(yàn)線路較少，樣本有待補(bǔ)充豐富；同時(shí)本實(shí)驗(yàn)沒有涉及站立姿態(tài)下的乘客舒適性，不同姿態(tài)下外部行駛環(huán)境對振動(dòng)舒適性的影響程度可能存在差異，需要進(jìn)一步研究論證.