<._
._
3
2
a
n
ne
w
.H
mm
m
VTI särtryck 296 - 1998
Varför kan man bli åksjuk
när man åker tåg?
Föredrag vid Skandinaviska Vibrationsföreningens
Vibrationsdag den 25 november 1997, Stockholm
och vid Seminarium för järnvägsmekanik
den 12 13 mars 1998, Göteborg
Utgåva 2
Johan Förstberg
Omslag:ChristerTonström, Mediabild
Innehållsförteckning
1 INLEDNING 1 2 METODER 1 3 RESULTAT 2 3.1 ÄKKOMEORT, KOMFORTSTÖRNINGAR OCH FÖRMÄGA ATT ARBETA ELLER LÄSA ... 2 3.2 RÖRELSERELATERADE OBEHAG ... 2 4 HYPOTESER ANGÅENDE UPPKOMSTEN AV RÖRELSESJUKA 4 4.1 SENSORISKA KONELIKTHYPOTESEN ... 5 4.2 EMPIRISKA MODELLER ... 5 5 RÖRELSER I TÅGET 7 6 ÖVRIGA RESULTAT 9 7 SAMMANFATTNING 10 7.1 LÄMPLIG LITTERATUR ... 10 8 REFERENSER 10
1 Inledning
Under 1990 talet har ett antal järnvägsföretag infört lutande tåg för att förkorta restiderna och samtidigt bibehålla hög åkkomfort trots den högre hastigheten i kurvorna. Korglutnings-tekniken innebär att vagnskorgen lutas inåt vid kurvtagning, så att den laterala acceleration som passagerarna känner minskas. Dock har ett antal resenärer blivit trötta eller illamående under färd. Ett projekt startades 1994 med avsikten undersöka dessa frågor med hjälp av bl.a. prov i tåg samt avser att finna metoder att minska dessa nackdelar för de lutande tågen. Projektet finansieras av Kommunikationsforskningsberedningen (KFB), Adtranz Sweden, Statens Järnvägar (SJ) och Statens väg och transportforskningsinstitut (VTI). Projektet är dessutom ett doktorandprojekt inom KTH Järnvägsteknik med Evert Andersson som handledare.
Några frågor man kan ställa sig i samband med introduktionen av lutande tåg är: 0 Hur stora är problemen med yrsel och illamående?
0 Varför blir vissa personer åksjuka? Vilka hypoteser finns det som kan förklara uppkomsten av detta illamående?
0 Vad har gjorts för att undersöka problemet och vad är resultaten? . Finns det några samband mellan lutningen av tåget och illamåendet?
2 Metoder
Prov med ett 80 tal försökspersoner genomfördes under juni 1995. Tre program för styrningen av korglutningen provades. De benämndes A, F och G, eftersom alternativen B, C och D hade testas under december 1994. Dessa prov gav en indikation att minskad kompensation (lutning) gav färre personer som rapporterade obehag som yrsel, illamående eller inte mådde bra.
Proven skedde med ett XZ-tåg, där tre vagnar användes som provvagnar. Ett 70-tal försökspersoner (fp) deltog under tre provdagar. Provsträcka var Linköping - Järna och åter. Den delades upp i fyra delsträckor med avgränsning vid Katrineholm och Järna. Fp var mestadels studenter från Linköping med en medelålder på ca 25 år. Könsfördelningen var
nästan jämn (47% kvinnor).
Korglutningssystemets olika styraltemativ visas i tabell 1.
Tabell 1 Styrprogramför de provade korglutningsalternativen.
Kompensation Begr. Korglutnings Typisk maximal
hastighet/acceleration lateral acceleration
[O/s] / [O/S2]
[m/SZ]
Alternativ A 70% 4 / 0,6
Alternativ F 55 % 4 / 4 0,8
Alternativ G 55 % 2,3 / - 0,8
Försökspersonema rapporterade sina bedömningar i enkäter fyra gånger under en provresa.
förmåga till arbete eller läsa samt ett antal typiska symtom på åksjuka och om de mådde bra eller inte.
Utvärderingsvariablema för bedömningen av illamående var begreppet rörelserelaterade obehag (RO). Den definieras som yrsel, illamående eller inte må bra förutsatt att fp mådde bra vid provets början. Andel av fp som rapporterar något av dessa ombehag (ARO), år utvärderingsvariabeln.
3 Resultat
3.1 Åkkomfort, komfortstömingar och förmåga att arbeta eller läsa
Försökspersonema rapporterade att åkkomforten och förmågan till arbete och låsning var god (4,1 - 4,2) på en femgradig skala. Antalet komfortstömingar på grund av lateral acceleration var 50 - 60 %. Se tabell 2. Inga statistiska skillnader hittades mellan lutningsaltemativen.
Tabell 2 Jämförelse mellan åkkomfort, komfortstömingar och bedömd förmåga till
arbete/låsningför de olika alternativen.
Bedömd Komfortstörningarfrån Förmåga till
åkkomfort lateral acceleration arbete/låsa
[%]
Alternativ A 4,1 58 4,1 Alternativ F 4,2 54 4,1 Alternativ G 4,2 54 4,2
Anm: Fem gradig skala från dålig (1)till mycket bra (5).
Inga statistisk signifikanta skillnader mellan de olika alternativen.
3.2 Rörelserelaterade obehag
Alternativ G uppvisar en minskning av andelen fp med obehag (ARG) med ca 40 % jämfört med alternativ A. Den är statistiskt signifikant. Alternativ F ger en ca 25 % minskning, se figur 1.
Andel rörelserelaterade obehag
Provomgång två Approximativt 95 % konfidensintervall 20% 18% _ L 03 o\° _ L .b o\° 12% 10% 8 % 6% 4% 2% An de l pe rs on er m e d nå go t rö re ls er el at er at ob eh ag (A RO ) O%
Alternativ A Alternativ F Alternativ G Totalt
Figur ] Andel avförsökspersonerna med rörelserelaterade obehag.
Fördelning mellan könen
Kvinnor rapporterar drygt 10 procentenheter större andel rörelserelaterade obehag (ARO) än män för de olika alternativen, se gur 2.
Andel rörelserelaterade obehag uppdelat på kön
25% I Män I Kvinnor l'_'l Totalt 20% 15% 10% An de l rö re ls er el at er ad e ob eh ag (A RO ) S% 0%
Alternativ A Alternativ F Alternativ G
FigurZ Fördelning mellan könen av andelen rörelserelaterade obehag för de provade
Inverkan av etapp eller tid
Andel med obehag varierade beroende på vilken etapp som mättes. Etapp 1 och 4, Linköping Katrineholm gav högre andel personer med obehag än etapperna 2 och 3 Katrineholm -Järna, se figur 3.
Rörelserelaterade obehag
Andel med obehag som funktion av restiden (etappnumret) 20% + Mede| A 18% ' A- Medel F 0 1 -- Medel G 14% -x Medel A+F+G 1 2°/o 1 O°/o 8% 6°/o 4% An de l av fö rs ök sp er so ne rn a m e d nå go t ob eh ag 2% O% 1 2 3 4
ca 50 min ca 90 min Restid & Etappnummer ca 130 min ca 180 min
Figur 3 Andel rörelserelateraa'e obehag somfunktion av etapp och tid.
4 Hypoteser angående uppkomsten av rörelsesjuka
Ett antal hypoteser för att förklara uppkomsten av rörelsesjuka (åksjuka). Hypoteserna kan delas i följande:
0 Överstimulering av balansorganen
Det är framför allt balansorganet som mäter translatoriska rörelser som tänks bli överstimulerat.
0 Sensoriska konflikthypotesenl (Reason 1978, Benson 1988, Oman 1990)
Om det föreligger en skillnad (mismatch) mellan information från balansorganen, ögon och andra rörelsesensorer (muskelsinnet) och även med vad man förväntar sig att registera, föreligger det risk för uppkomst av rörelsesjuka (se figur 4).
0 Empiriska modeller (gäller enbart vertikala accelerationer)
McCauleys MS]2 model (se figur 5) (McCauley 1976)
Lawther and Grif ns rörelsedos (motion dose) model (se figur 6) (Griffin 1990).
1 Den viktigaste hypotesen för en kvalitativ förklaring av uppkomsten av rörelsesjuka. 2 MSI står för Motion sickness incidence.
4. 1 Sensoriska konflikthypotesen
Den sensoriska konflikthypotesen (sensory con ict, sensory rearrangement, neural
mismatch) kan enklast förklaras med nedanstående bild, se figur 4.
Stimuli | Receptors
Central nervous system
' Responses
I
I
I
|
I
Motor I Volitional I control 1, and reflex
system I movement I I I Updates |
Active Internal model internal model.
movement , Eyes neural store of (adaptation) | expected signals !
Motion Semicircular
stimuli cana|3 \ L [ Neläraltlcentres Motion
SiCk-; _eaky _ ; me '3 ing % ness syndrome
. ,, integration _/ srgns &
\ OtOllthS I / M' '( h symptoms *
, isma c . Passive \ apadViother ,, signal I of motion (Pallor, sweatlng,
g
I
Threshold sickness
| nausea,vom|t|ng,
movement » receptors drowsiness,
apath etc.)
,
I
I
V
Figur 4 Schematisk bild för den sensoriska konflikthypotesen. En jämförare registrerar
skillnaden mellan information från Ögon, balansorgan, muskelsinnet med de förväntade signalerna beroende på aktivitet etc. Om en bestående obalans uppstår, används den dels för att uppdatera den interna modellen och dels att framkalla typiska åksjukesymtom. (Figuren modifierad efter Benson 1988)
4.2 Empiriska modeller
Figur 5 och 6 visar förväntat grad av åksjuka orsakat av enbart vertikal acceleration. Både McCauley med flera och Lawther och Griffin fann att vertikala accelerationer med frekvenser runt 0,1 0,2 Hz ger kraftig provokation av rörelsesjuka.
no na n si mu ts s n u n n a n u ) . ? 00 O 0()
NJ
Figur 5 Resultat från McCauley 's försök med enbart vertikal accel eration. Maximal provokation vid en frekvens på ca 0,16 Hz. (Från McCauley et al ] 9 76). 100 80 40 Vo mi ti ng in ci de nc e (% ) 20so.
* Alexander et al (1947) - McCauley et al (1976) + Lawther and Griffin (1986)_ + ++. ! ..
* .:
.
" + ++ 4 -+ ** :x *?"är! M #+ fl | | 1 l 1 50 100 150 200 250 Dose (mfl-5) Lowther and Griffins motion dose modell. (ur Griffin 1990). Rörelsedos (motion dose) ärdefinierat som
dos=Uaåfdt]O,5, där den
vertikala accelerationen a
filtreras med ett
vägningsfilter (wf) och
integreras över tid T som rörelsen pågår. Predikterat andel personer som kan bli åksjuka ur en blandad grupp av vuxna män och kvinnor
är 1/3 * dos [%].
Figur 6
Vägningsfiltret wf är
definierat av ISO (ISO
5 Rörelser i tåget
Stämmer dessa empiriska modeller med verkligheten i detta fall?
Den uppmätta vertikala rörelsedosen visas i figur 7. Den övre kurvskaran är ackumulerade rörelsedoser medan den undre är dosen per deletapp.
Vertikal acceleration rörelsedos
Per etapp och ackumulerat
Rö re ls ed os ve rt ik al ac ce le ra ti on [t n/ 31 s] Lp-K Lp-Jn Lp Jn-K Lp-Jn-Lp Etapp
Figur 7 Vertikala rörelsedoser per etapp (undre kurvskara) och ackumulerat (övre
kurv-skara) för de olika etapperna. De tre alternativen (A, G & F) sammanfaller nästan till en linje.
Den vertikala rörelsedosen förklarar inte det faktiska utfallet på andel personer med rörelserelaterade obehag (se figur 3 för en jämförelse). Kan lateral- eller rollacceleration ge en bättre förklaring? Lateral och rollaccelerationen har filtrerats med samma vägningsfilter som för de vertikala accelerationema. De laterala rörelsedosema ger ett u-liknade förlopp som i figur 3 men rörelsedosen för alternativ A ligger lägst, vilket beror på att alternativ A har den största kompensationen av de tre provade alternativen.
Då återstår rörelsedosen från rollaccelerationen. Den visas i figur 8. Rollaccelerationen i figur 8 ger en rimlig återspegling av det faktiska utfallet i figur 3. En regressionsanalys mellan det faktiska utfallet och rollacceleration visas i figur 9.
Roll acceleration rörelsedos
Per etapp
l
+
0,65 Roll acc alt A
,\ -. Roll acc alt G / ;.
.' /
"Ar Roll acc alt F , " /
" / ll\\\ /," //I, A . . _; 0,55 .___xx / xx // 050, ~..\\- ( "ox,,! ._\ 'o/l ".Nx 'Ö',
045
"- ~
""'"
P 0) o Rö re ls ed os ro ll ac ce le ra ti on [r ad /3 1' s]0,40 ),... r * 0,35 0,30 Lp-K K-Jn Jn-K K Lp Etapp
Figur 8 Rörelsedoserför rollacceleration utvärderat per etappför de tre alternativen.
In uence from roll acceleration on symptoms of motion sickness incidence
50% 450/0 . SMSI (Female) . . : x SMSI (Total) Fe I (I) ma 9 5 40% A S_MS' (Male) : y = 0,517x - 0,09 (3 Linear (Male) Rg _ 0 30 a: - _ ' 8 350/ - L|near (Female) 0 . / g ° Linear (Total) / "6 %) 300/0w = // ' 2 x '/ T t | | t' ;; 25%, 0 a popu a ion % / x x y = 0,32x - 0,06 & 20o/ ' ' _/ _ x . / HZ = 0,43 -o | o ' u g 0 o x / x x x
"5 15%
/
/
%) )( M/ % % 0 +- . .E, o MP?A "M X.X£6A% A A//
U) x A M Male
50/0 (will-7, y = 0,13X - 0,02
""'"" R2 = 0,11 0% = M A A = AAA A AA l
0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90
Motion dose roll acceleration [rad/S15]
Figur 9 Samband mellan rörelsedoser för rollacceleration och andelar med
rörelserelaterade obehag (ARO). Dessa är uppdelade på kvinnor, män och för den totala gruppen. (SMSI = Symptoms ofmotion sickness = andel med obehag).
Frekvensanalys
En undersökning om det finns skillnader i amplitudnivån för de tre alternativen i frekvens-planet kan vara intressant, om skillnaderna finns i rätt frekvensområde (< 0,5 Hz). En frekvensanalys (PSD) är gjord på en sträcka mellan Katrineholm och Åby, där hastigheten är begränsad till 180 km/h, min kurvradier ca 1000 m, se figur 10. Resultatet visar att alternativ A har generellt större amplitud i ett frekvensområde upp till ca 0,3 Hz. Skillnaden vid 0,1 Hz är 50- 100 %.
Frekvensanalys - Rollvinkelacceleration
Jämförelse mellan alternativen A, F och G
o 01
' Rollv acc Alt A
Rollv acc Alt F
_ Rollv acc Alt G
0,001 PS D [( m/ 32 )2 /H z] 0,0001 0,00001 0,01 0,1 1 10 Frekvens [Hz]
Figur 10 Power-spektra (PSD) för rollacceleration pd en sträcka mellan Katrineholm och Åby. PSDför Alternativ A dominerar upp en frekvens pd ca 0,3 Hz.
6 Övriga resultat
Fram eller baklängesåkning har stor inverkan på andelen personer med obehag (ARO), se tabell 3.
Tabell 3 Inverkan av färdriktning fram- eller baklänges samt inverkan om ) haft fönster
eller gdngplats pd andelen obehag (ARO). Medelvärde för samtliga alternativ i respektive provomgång.
Fönsterplats Gängplats*
M M Kv Kv M M Kv Kv Fram Bak Fram Bak Fram Bak Fram Bak
AnRO 10 14 33 14 0 0 21 7
ARO
6%
7%
20% 10% 0%
0%
38% 11%
12
0,06
4,771
-
10,34
P
0,8
0,029
-
0,001
Anm: * Cirka % av försökspersonerna hade fönsterplats och % hade på gångplats. AnRO = Summa antal rörelserelaterade obehag (RO)
För männen har färdriktningen ingen större inverkan medan det har stor inverkan för kvinnorna. De bör åka baklänges och om de åker framlänges bör de sitta vid fönstret.
7 Sammanfattning
Resultaten tyder sammanfattningsvis på följande:
0 Minskad kompensation minskar obehagen
55 % ger statiskt säkerställt lägre andel med rörelserelaterade obehag. (För låg kompensation ger andra typer komfortstömingar).
0 Kvinnor rapporterar två till tregånger mer obehag än män
Stämmer med internationella observationer (fartyg sjösjuka).
0 Åkkomfort, arbetsförmåga och antal komfortstörningar påverkas inte
Inga statistiska skillnader kan påvisas mellan alternativen.
0 Rollaccelerationer är troligtvis en av de primära orsakerna till obehagen
Vertikal och lateral acceleration är för små för att påverka obehagen.
0 Visuell påverkan troligtvis stor men ej undersökt
Försök har visat att den visuella påverkan kan vara stor. I detta försök kan den ha påverkan genom att personer som reser baklänges provoceras mindre.
0 Ytterligare prov planerade i simulator
För att undersöka hur lateral och rollacceleration påverkar graden av obehag, så planeras simulatorprov under 1998.
7. 1 Lämplig litteratur
Lämplig litteratur är en sammanställning från AGARD (1991) och Griffins handbok om vibration (Griffin 1990). Proven är beskrivna av Förstberg (l996a, b) samt en litteratur
sammanställning är gjord av Förstberg och Ledin (1996). Ohno (1996) beskriver japanska
förhållanden när det gäller lutande tåg.
8 Referenser
AGARD (Advisory Group for Aerospace Research and Development). (1991). Motion sickness: significance in aerospace operations and prophylaxis. AGARD Lecture series ] 75, Neuilly sur Seine: AGARD.
Benson, A. J. (1988). Motion sickness. In: Aviation Medicine, Second Edition. Edited by
Emsting & King. London: Butterworths, pp. 318 - 338.
Förstberg, J. (1996a). Motion-related comfort levels in trains: A study on human response to different tilt control strategies for a high speed train. TRITA-FKT Report l996:46.
Stockholm: KTH. (Även publicerad som VT] Särtryck 274-1997)
Förstberg, J. (1996b). Rörelserelaterad komfortnivå på tåg: Inflytande av olika strategier för korglutningen med avseende på åkkomfort: Prov utförda på snabbtåget XZOOO.
TR]TA-FKT rapport l996.'16. Stockholm: KTH. (Även publicerad som VT] Meddelande 80]
1997. Linköping: VTI)
Förstberg, J & Ledin, T. (1996). Discomfort caused by low-frequency motions: A literature survey of hypotheses and possible causes of motion sickness. TRITA-FKT report 1996.39. Stockholm: KTH. (Även publicerad som VT] Meddelande 802A. Linköping:
VTI)
Griffin, M. J. (1990). Handbook of Human Vibration. London: Academic Press. ISBN 0-12 303040 4.
ISO. (1997). Mechanical vibration and shock Evaluation of human exposure to whole body vibrations- Part 1: General requirements. ISO/DIS 263 ] l:l 997(E), Second Ed. Geneve: ISO.
Lawther, A. & Grif n, M. J. (1987). Prediction of the incidence of motion sickness from the
magnitude, frequency, and duration of vertical oscillation. Journal of Acoustical Society ofAmerica. 82, pp. 957-966.
McCauley, M. E., Royal, J. W. & Wylie, C. D. (1976). Motion sickness incidence:
Exploratory studies of habituation, pitch and roll, and the re nement of a mathematical
model. Technical Report No. 1 733-2, AD-AO24 709, Goleta, California: Human
Factors Research Inc.
Oman, C. M. (1988). Motion sickness: a synthesis and evaluation of sensory con ict theory. Canadian Journal ofPhysiology and Pharmacology, 68, pp. 294 303.
Ohno, H. (1996). What aspect is needed for a better understanding of tilt sickness? Quarterly report ofRTRI. 37:1, pp. 9-13.
Reason, J. T. (1978). Motion sickness adaption: a neural mismatch model. Journal of the
Royal Society ofMedicine 71: pp. 819-829
