Rörelserelaterad
komfortnivå på tåg
Inflytande av olika strategier för korglutningen med avseende
på åkkomfort - prov utförda på snabbtåget X2000
Johan Förstberg = er) op) vgnaa], 0 © o) b) "© sam hu] bj "© =; bd Väg- och transport-/J forskningsinstitutet _-N KFB
Rorelserelaterad
komfortnivå på tåg
Inflytande av olika strategier för korglutningen med avseende
på åkkomfort - prov utförda på snabbtåget X2000
Johan Förstberg
transport-Utgivningsår: Projektnummer:
Väg- och transport- 1997 50112 (70011)
#forskningsinstitutet
581 95 Linköping Projektnamn:
Komfortstörningar orsakade av lågfrekventa rörelser i moderna tåg.
Författare: Uppdragsgivare:
Johan Förstberg Kommunikationsforskningsberedningen
(KFB), Statens Järnvägar (SJ), Adtranz Sweden, Statens väg- och transport-forskningsinstitut (VTT)
Titel:
Rörelserelaterad komfortnivå på tåg: Inflytande av olika strategier för korglutningen med avseende på åkkomfort: Prov utförda på snabbtåget X2000.
Referat
Denna studie redovisar en enkätundersökning hur sammanlagt ca 210 försökspersoner reagerade på olika alternativa styrningar av korglutningen för ett tåg utrustat med korglutningssystem. Fördelen med ett korglutat tåg är att tågets hastighet kan ökas med typiskt 20 - 30% samtidigt som åkkomforten kan bibehållas eller förbättras. Men trots detta har det visat sig att personer som är känsliga för rörelsesjuka kan få problem. Försökspersonerna i studien var delvis valda för att ge hög relativ känslighet för rörelsesjuka. Olika kombinationer av minskad kompensering av lateral accelerationen i kurvorna och begränsningar av korglutningshastigheten provades. Metoder för mätningar av andelen av rörelserelaterade obehag (ARO) har utvecklats under provets genomförande tillsammans med den experimentella designen.
Åkkomforten bedömdes som god i alla provade alternativen. Positiva resultat har nåtts när det gäller ARO för en begränsad korgrörelse (minskad kompensering och begränsad korglutningshastighet) trots att detta ger en högre lateral acceleration i kurvorna. Antalet komfortstörningar och förmågan att arbeta och läsa påverkades endast marginellt av de olika alternativen. I framtiden krävs en fördjupad forskning för att förstå sambanden mellan olika rörelsetyper (vertikala, laterala och vinkelrörelser) och graden av rörelsesjuka.
Denna version är uppdaterad och justerad jämfört med utgåvan från KTH.
ISSN: Språk: Antal sidor:
Published: Project code:
Swedish National Road and 1997 20112 (70011)
Å Transport Research Institute
SE-581 95 Linköping Sweden Project:
Comfort Disturbances by Low-frequency Motions in Modern Trains.
Author: Sponsor:
Johan Förstberg Swedish Transport and Communications
Research Board (KFB), Swedish State Rail-ways (ST), Adtranz Sweden, Swedish National Road and Transport Research Institute (VTT) Title:
Motion-related comfort levels in trains: Influence of different strategies for carbody tilt with regard to ride comfort: Experiments on the SJ type X2000 high speed train.
Abstract
This is a study of how different carbody tilting strategies influence motion related discomfort in a tilting train. A tilting train can typically negotiate curves with speeds 20 - 30% faster than normal trains and still achieve high levels of ride comfort. About 210 healthy volunteers were used, partly selected for high subjective sensitivity to nausea. Combinations of lowered tilt angles and limited tilt speed were tested. Methods and experimental design were developed during the course of the experiments. A method for measuring the severity of motion sickness as symptoms of motion sickness incidence (SMST) was proposed.
In all test conditions, ride comfort and ability to work and read were rated slightly better than good. Positive results were also recorded for SMS/ with a limited carbody tilt angle and speed, although this gives a higher level of experienced lateral acceleration on the curves. In future research, the interaction between different types of motion (vertical, lateral and angular motions) must be investigated before a model for predicting of the severity of motion sickness can be created.
This version is updated compared with the KTH issue.
ISSN: Language: No. of pages:
Denna rapport är en del av forskningsprojektet Komfortstörningar orsakade av lågfrekventa rörelser som finansieras gemensamt av Kommunikationsforsknings-beredningen (KFB), Statens Järnvägar (SJ), Adtranz Sweden (dåvarande ABB Traction, Sverige) och Statens väg- och transportforskningsinstitut (VTT).
Under hösten 1994 bildades en projektgrupp bestående av Peter Nyström (SJ), Rickard Persson (Adtranz), Evert Andersson (KTH) och Johan Förstberg (VTT) för att planera, genomföra och utvärdera prov med försökspersoner på tåg med korglutning. Uppläggningen av proven har även diskuterats med Lars Odkvist och Torbjörn Ledin (balans- och yrselspecialister) från Öronkliniken vid Universitetssjukhuset i Linköping och med Håkan Alm, Lena Nilsson och Erik Lindberg, samtliga beteendevetare vid VTI. Kontakter har även tagits med Anders Kjellberg och Bengt-Olov Wikström vid Arbetsmiljöinstitutet i januari 1995. Ett besök (juni 1994) och utbyte av erfarenheter har även skett med prof. Michael Griffin vid Institute of Sound and Vibration Research, University of Southampton.
Genom att detta projekt är ett tvärvetenskapligt med både beteendevetenskapligt, medicinskt och tekniskt innehåll har stor möda lagts på att förklara en del begrepp och samband som normalt antages vara kända. I bilaga A finns definitioner och förklaringar som en introduktion till de olika begreppen. I bilaga B finns en bakgrund till komfortbegreppet och hypoteser för uppkomsten av rörelsesjuka. I bilaga C finns kortfattat en beskrivning av balanssystemet och i bilaga D en beskrivning av metoder för försöksdesign.
Proven har genomförts som en del av detta forskningsprojekt med stöd av SJ Maskindivision och Adtranz.
Till finansiärerna KFB, SJ, Adtranz och VTT riktas ett varmt och hjärtligt tack.
Ett speciellt tack riktas till Evert Andersson och Torbjörn Ledin för hjälp med strukturering och detaljgranskning av innehållet. Torbjörn har även sakgranskat de medicinska texterna. Ett tack riktas även till Rickard Persson, Adtranz, för granskning av fordonstekniska detaljer inklusive funktionen av korglutningssystemet. Tack även till Lennart Kloow med medarbetare på SJ Maskindivisions laboratorium för genomförande av provkörningarna samt för mätning och lagring av mätdata. Slutligen ett tack till alla försökspersoner, utan vars hjälp inget resultat är möjligt.
Slutligen ett tack för till familjen Maria, Björn och Per för det tålamod och förståelse de har visat under dessa år.
Johan Förstberg
SAMMANFATTNING ... ia nia ekke aan ankan aka nakna n kk kk kn kk n kk n kk kk n n i
ii | åo a v
1. INLEDNING ena nanna nakna nan aaa nakna ankan kak kann knak n kk n kk kk n kn k kk n kk n n 1 1.1 Bakgrund kaka abb bb b bb kg gg eka kak b kk bk bee ak kk kk bb b kb k kk kk kk okk kk k kk kk kk kk k kk kn k kn 1
d 2
1.3 adda abb b bb bb bb bb bb bb bb bb bb bb bk bk kk kk kk kk kk kk k kk kk n 2 1.4 kb bb baka bb bb bb aaa b bb bb b kak kk kb b bh hk kk kk kk n kk kk bn n kk kk k kn kk kk k k n 2
ä | = le 1 e 5
2.1 Val av design för försöken ... 6
2.1.1 Experimentell design ee kaka abb b bb bb bb bb b kk kk kk k kn 6 2.1.2 bk kk kaka kb ab aa bb bb b bb dab bk bb k kb k kk kak kk hn h bb hh bh hk k kk bk k kk kk kk kk k k n 7
2.2 Försöken med tåg ... 8
or i J cd1 8
2.2.2 Val av provalternativ kr bb bb bb bb b bb bb bk kak b bk k bb hb kk k kk kb b bk k kk kk k kk k k k n 8 2.2.3 Förslag till ker ek kb b bb bb b bb kb kk kk kk k kn kna e n 10
2.3 Genomförande 12
2.3.1 Provomgång 1 kk kk kaka kb kaka kak kb kaka kk b kk k kk b kk b kb bk kk k kk kk kk kk kk kn k kk kk n 12
or Jederi 13
2.4 Fordon 13
2.5 Försökspersoner 14
2.5.1 Val av försökspersoner kk kk kk kak aaa abb kb bb kk k kk k kk k kk k kk kk kk a n 14
nr degri 15
2.5.3 Provomgång 2 kak kk kak kk kk k kk kaka kak kaka kk k kk k kk k kk kk kk k kk kk kk bb b kk k kk kk kk kk n 16
2.6 Utvärderingsmetodik esse 16
2.6.1 Rörelserelaterade obehag kk kk k kb k kk k kk kk k kk k kk kk kk e n 16 2.6.2 Utvärderingsmått k bk k bb b bk b kb bab b bk k bk k kak k kk kb bb bk b kk k kk kk kk kk kk e n 18 2.6.3 Etapper för utvärdering kk kb kk kak bk abb k bb b bb bb bb kb bk bk kk kk kk kk k en 19
2.7 Signifikans - hypotesprövning ... 20
3. RESULTAT aan aaa akan akan aan kaka kak hak nakna kk ok n kk n kk n kk k n kk n 23
3.1 ne nens 23
3.1.1 Skattad kk k kk k bb kak kk kk kak kk bb bk bb kb kk kk kk hk b kk kk k k k n 23 3.1.2 Orsaker till komfortstörningar kk kk kk k kk kk kk k kb kk kk kk kk kk kk kk kk k k k k e n 24 3.1.3 Övriga synpunkter angående komfort braka kk ken 24 3.1.4 Komfortutvärdering enligt kk kk kk kk kk k kk kk kk bk kk kk kk kk kk kk kk k kn 25
3.2 Rörelserelaterade obehag 26
3.2.2 Inverkan av skillnader i kvinnors och mäns 32 3.2.3 Inverkan av ålder aaa abb bb b bb bb bk kb k kk kak k kk kk bk kk kk kk k bk kk kk k kk kk k ke 33 3.2.4 Inverkan av färdriktning och fönsterplats aka kk n 34 3.2.5 Betydelse av restidens längd kak kb k kk bb k kak kk kk bk k kk kk kk kna 34 3.2.6 Andel obehag som funktion av skattad subjektiv känslighet för rörelsesjuka... 35 3.2.7 Inverkan av vagnsindivid och provdag kaka abb baka akn k 37 3.2.8 Inverkan av vagnens placering i tågets färdriktning 39 3.2.9 Skillnader i resultaten av de olika utvärderingsmåtten AROp, ARO och ASRO... 41 3.2.10 Symtom på rörelsesjuka kk k kk k kk kaka kk kk kk k kk kk k kk k kb kb k kk kk kk 42
3.3 Bedömd arbets / läsförmåga 44
4. DISKUSSION nakna aka knak nakna k nn akn kk nn kk na k nn kk k 45
4.1 Relevans - generaliserbarhet - signifikans 00000 G 45
4.2 Sammanställning av resultat 000000 00é 46
4.3 Sammanfattning ### G 47
5. REFERENSER ea kak ea baka knak knak kak kak kk nn k n kk nn kk n k 49
KTH TRITA-FKT rapport 1996:17 VTI Meddelande 801
Bilageförteckning
BILAGA A DEFINITIONER OCH FÖRKLARINGAR... A-1
A-11 Förkortningar och beteckningar
BILAGA B KOMFORT, KOMFORTSTÖRNINGAR OCH RÖRELSESJUKA B-1
B.1 Allmänt B-1
B.2 Uppkomsten av rörelsesjuka. Hypoteser och experimentella resultat ... .. B-3 B.2.1 Den sensoriska konflikthypotesen kak kak kk kk kk B-3 B.2.2 Klassificering av sensoriska viii kik kaka kk kk kk n B-4 B.2.3 Evolutionshypotesen kk k kb b bb b bb b bb b bb bb bk kk k kk k kk kk kk kk kn B-5
r s )2 B-5
B.2.5 Nuvarande experimentella B-6
B.2.6 Prediktering av åksjuka kk k kb k bb kb bad k kb b kk bb kk kk kk k kk kk k kk kk B-7 B.2.7 Övrig läsanvisning bb kaba baka kk bk baka b kk k bk kak kk kk baken ke kk a ke ke na B-8
B.3 Åkkomfort ... B-9
B.4 Komfortstörningar orsakade av lågfrekventa störningar ... B-11
B.5 Vägningskurvor. Komfort enligt ISO 2631 och Wz B-13
BILAGA C BALANSORGANENS FUNKTION C-1
BILAGA D VÄL AV DESIGNMETODER D-1
D.1 Forskningshypoteser D-3
BILAGA E RÖRELSERELATERADE OBEHAG E-1
E.1 Resultat av rörelserelaterade obehag ... E-1
E.2 Hypotesprövning - signifikanstest E-2
E.3 Samband obehag och skattad känslighet E-4
E.4 Övriga resultat. Rörelserelaterade obehag .... E-5
E£,5 Symtom på rörelses; u ka sins E-6
BILAGA F RÖRELSERELATERADE OBEHAG. RESULTAT FRÅN DE OLIKA
VÄGNARNA nakna nn kk kn nn
F.1 Resultat från vagn 1 ekke kk kk kk kk kk kk kk kk kna F.2 Resultat från vagn 2 ... ekke ekke kk kk kk kk kk kk kk kn F.3 Resultat från vagn 4 ... iii iii kk k kk kk kak kk a n
BILAGA G ÅKKOMFORT annen nee.
BILAGA H ENKÄTER kva kakan kakan kn ene
... F-1
... F-1
... F-3
... F-5
... G-1
... H-1
H.1 Enkät för inhämtning av bakgrundsinformation. Provomgång 1... H-1 H.2 Enkät för inhämtning av bakgrundsinformation. Provomgång 2... H-2 H.3 Enkät för inhämtning av aktuell provstatus. Provomgång H-3 H.4 Enkät för inhämtning av aktuell provstatus. Provomgång H-4
BILAGA I nnan nanna nan annan nn kk nn nnan nn n kk nn n n a 1-1
BILAGA J PLANERING, GENOMFÖRANDE OCH RESULTAT FRÅN
PILOTSTUDIEN nan nanna nnan nanna nan nan nn n kn n nn k nn n kn n nn kn n kn nn kn J-1
J.1 Resultat från den andra provdagen under pilotstudien ... J-2
J.2 Uppmätta typiskt maximala värden vid pilotstudien 240852 J-4
BILAGA K MÄTUTRUSTNING aaa kaka ankan kanna nnan n kanna nnan nnan nen nn K-1
BILAGA L FÖRTECKNING ÖVER FIGURER, DIAGRAM OCH TABELLER. L-1
KTH TRITA-FKT rapport 1996:17 VTI Meddelande 801
Inledning
Järnvägsförvaltningarna, och andra företag som transporterar resenärer, konkurrerar med bland annat följande nyckelbegrepp: restid, komfort, punktlighet, frekvens, till-gänglighet och pris.
Restid - komfort
Järnvägsföretagen kan förkorta restiden på minst två alternativa sätt, att införa höghastighetståg på nybyggda banor med stora kurvradier eller att införa snabbtåg med korglutningssystem för att kunna höja hastigheten på befintliga kurviga spår. Genom att luta vagnskorgen kan åkkomforten bibehållas samtidigt som hastigheten i kurvorna kan ökas med typiskt 20 - 30 %, under förutsättningen att de tillåtna spårkrafterna ej överskrids. Med införandet av korglutningssystem har dock några personer, framför allt de med hög känslighet för rörelsesjuka, fått olika rörelserelaterade obehag som trötthet, yrsel eller illamående.
Syfte
Det pågående forskningsprojektet! avser att undersöka och besvara följande frågeställningar:
e Vilka typer av rörelser har störst inverkan på rörelserelaterade obehag.
e Vilka skillnader finns i rörelserna mellan ett konventionellt (icke lutande) tåg och ett tåg utrustat med aktivt lutningssystem.
e Hur påverkar olika alternativ av styrning av korglutningen följande variabler: åkkomfort, rörelserelaterade obehag och arbetsförmåga.
Denna rapport behandlar i huvudsak försökspersonernas reaktioner på ändringarna i styrningen av korglutningen medan senare rapporter kommer att mer i detalj behandla rörelserna och eventuella samband mellan rörelse och rörelserelaterad komfort.
Metod
Åkkomfort och rörelserelaterade obehag är subjektiva upplevelser hos de personer som reser med ett fordon. Dessa måste mätas på ett strukturerat sätt för att möjliggöra en utvärdering. Under projektets gång har metoder och design för försöken utvecklats för mätningar av rörelserelaterade obehag med hjälp av en tvärvetenskaplig referensgrupp. Vikten av en balanserad design, där de olika försöksgrupperna provar samtliga alternativ och därmed minimerar effekterna av olikheter i kön, känslighet (för åksjuka) mellan grupperna, har visats.
En lämplig metod för mätning av andelen av försökspersonerna med något rörelserelaterat obehag (ARO) har förslagits. Den baseras på följande symtom (på åksjuka): yrsel, illamående eller att försökspersonen anger att han/hon inte mår bra. Detta under förutsättningen att personen i fråga mådde bra vid provkörningens början.
Sammanlagt ca 210 försökspersoner deltog under två provomgångar (november 1994 och juni 1995). Under provomgång 1 deltog ca 140 personer, varav ca 60 (mestadels anställda vid SJ och Adtranz) under den första dagen och ca 80 (mestadels studenter från Linköping) uppdelade i två delgrupper under de två andra provdagarna. Provsträckor var Järna - Katrineholm - Norrköping och åter under den första dagen och de övriga dagarna Linköping - Katrineholm - Järna och åter.
Under provomgång 2 deltog ca 70 (studenter) uppdelade i tre delgrupper under tre dagar med provkörning Linköping - Katrineholm - Järna och åter. Det ska poängteras att försökspersonerna inte är representativa för befolkningen som helhet eller för en grupp tågresenärer. De var valda selektivt för att få hög känslighet för rörelsesjuka.
Varje provkörning tog ca 3 timmar och var uppdelad i fyra etapper. Före provkörningen besvarade försökspersonerna en enkät med diverse bakgrundsfrågor samt frågan om hur de mådde. Efter varje etapp fick försökspersonerna besvara en enkät om hur de upplevde åkkomforten, vilka typer av komfortstörningar de hade samt om de kände trötthet, yrsel, illamående eller inte mådde bra. Försökspersonerna var sittande under provkörningarna.
Sammanlagt provades sex olika alternativ för styrning av korglutningen under de två provomgångarna. Dessa visas i tabell I nedan.
Tabell I Sammanställning över de provade styrningarna av korglutningen. Alternativ A - D provades under provomgång 1 och alternativ 4, F och G
under provomgång 2.
Prov- Hastighet Kompenserings Begr. av Begr. av Typisk max. alternativ kategori gradi korglutnings- korglutnings- lateral acc. i
korglutnings- hastighet" acceleration" korgen
systemet [*/s] [P/s*] [m/s*]
A Kat S 70 % 4 Ingen begr" 0,6
B Kat S 40 % 4 Ingen begr" 1,0
c" Kat B 0 % - - 1,15
D Kat S 70 % 2 Ingen begr" 0,7
F!" Kat S 55 % 4 4 0,8
G"" Kat S 55 % 2,3 Ingen begr" 0,8 Anm: -i Med kompenseringsgrad menas hur stor del av lateral acceleration i spårplanet som
kompenseras bort av lutningssystemet.
ii Med begränsning av korglutningshastighet menas egentligen en begränsning av ändrings-hastigheten för ledvärdet till korglutningen. Motsvarande gäller för korglutnings-accelerationen.
iii TI alternativ C framfördes tåget som kat B-tåg (ca 10 % hastighetsöverskridande) och ej aktivt lutningssystem. I de övriga alternativen framfördes tåget som kat S-tåg (ca 25 % hastighets-överskridande), jämfört med ett konventionellt tåg (kat A).
iv Utöver alternativ F och G kördes även alternativ A under provomgång 2 (A").
v I fallet ingen begränsning av korglutningsacceleration innebar detta att fordonskorgens korg-lutningsacceleration uppskattas till 10-15 [*/s*] p.g.a. korgens massa, tröghetsmoment och fjädringssystemets karakteristik.
KTH TRITA-FKT rapport 1996:17 11 VTT Meddelande 801
Resultat
Åkkomfort
Gemensamt för alla provade alternativen har åkkomforten i medeltal skattats mellan 4,0 och 4,2 på en femgradig skala, från mycket dålig (1) till mycket bra (5). Likaså var andelen personer som har angett några komfortstörningar p g a skakningar i sid- eller höjdled ganska lika mellan alla alternativen.
Rörelserelaterade obehag
Resultaten visar att alternativen med 55 % kompenseringsgrad ger lägre andel av försökspersoner (fp) med rörelserelaterade obehag. Dessa är definierade som att försökspersonerna har angett att de endera har haft yrsel, illamående eller inte har mått bra, förutsatt att de mådde bra vid provkörningens början. Tabell II visar resultaten för de olika provalternativen mätt som andelen av försökspersonerna med något rörelserelaterat obehag (A4RO). Bästa resultat uppnåddes med alternativ G, dvs en minskad korglutning (55 % kompenseringsgrad istället för 70 %) och en begränsad korglutningshastighet.
Tabell IT Andel av försökspersonerna med rörelserelaterade obehag (ARO). Provalternativ |Resultat Relativt Provalternativ |Resultat Relativt
provomgång 1 alt A provomgång 2 alt A '
Alternativ A 22 % 100 % Alternativ A" 14,5 % 100 % Alternativ B 16 % 73 % Alternativ F 10,7 % % Alternativ C 5 %& 22 % Alternativ G 8,4 %* 58 % Alternativ D 15 % 68 %
Anm: Försökspersonerna satt ner under provkörningarna. Försökspersonerna var inte representativa för tågresenärer i allmänhet utan valda för att få hög känslighet.
A" är alternativ A i provomgång 2.
* Signifikant avvikelse mot alternativ A eller mot alternativ A* (p © 0,05).
Skillnader mellan kvinnor och män
Kvinnorna rapporterar i medeltal minst dubbelt så många rörelserelaterade obehag som männen, dvs de mer känsliga för dessa rörelser än männen. De har även skattat sin subjektiva känslighet för åksjuka högre än männen.
Restidens betydelse
Försökspersonerna (under provomgång 2) rapporterar en högre andel av obehag efter den första etappen och efter den sista etappen men däremot en lägre andel obehag för mellan etapperna. Detta kan tyda på att den av Lawther och Griffins (1987) modell för en ackumulerande rörelsedosen inte ensam kan förklara graden av rörelsesjuka. Det kan inte uteslutas att etapp 1 och 4 (Linköping - Katrineholm och åter) är något mer provocerande av rörelserelaterade obehag än etapp 2 och 3 (Katrineholm - Järna och åter), t ex genom skillnader i spårgeometri och spårläge.
Skattad arbets-/läs förmåga
Den skattade förmågan för arbete /läsa skattades mellan 4,0 och 4,2 (femgradig skala), med små skillnader mellan de provade alternativen, mellan kön eller i vilken vagn försökspersonerna satt.
Slutsatser
Alla provade alternativ ger mer eller mindre reduceringar av andelen rörelserelaterade obehag gentemot referensalternativ A men endast skillnaderna mellan alternativ A och alternativen C, G är statistiskt säkerställda. Detta är en tydlig indikation på att minskade lutningsrörelser (korglutningsvinkel, korglutningshastighet och/eller korg-lutningsacceleration) ger färre rörelserelaterade obehag trots en högre lateral accelerationsnivå i kurvorna. Minskas korglutningen (kompenseringsgraden) alltför kraftigt uppstår andra komfortstörningar p g a för stor lateral acceleration i kurvorna, kraftiga ryck (ändring av lateral acceleration) i övergångskurvorna etc.
Skattad åkkomfort och skattad arbetsförmåga är relativt lika mellan de provande alternativen A, G och F.
Det är viktigt att alla grupper provar samtliga alternativ för att minimera skillnader mellan grupperna med avseende på känslighet för åksjuka, ålder -och könssammansättning. Responsen från försökspersonerna måste mätas på ett strukturerat och genomtänkt sätt för att möjliggöra en rättvisande utvärdering.
Diskussion
Den optimala korglutningen är en avvägning mellan å ena sidan komfortstörningar p g a hög lateral acceleration och ryck i kurvorna och å andra sidan hög andel av rörelserelaterade obehag. Avsaknaden av en modell för inverkan av både linjära accelerationer och vinkelrörelser på rörelserelaterade obehag, gör att det är svårt att beräkna den bästa strategin för korglutningen. Fortsatt forskning är förutsättningen för att erhålla denna kunskap och för att förstå vinkelrörelsernas betydelse för uppkomsten av rörelserelaterade obehag.
KTH TRITA-FKT rapport 1996:17 iv VTI Meddelande 801
Introduction
The railway companies and other companies carrying passengers compete in terms of the following key concepts: travelling time, comfort, punctuality and frequency, accessibility and price.
Travelling time - comfort
Railway companies can shorten travelling times in at least two ways: either by introducing high-speed trains on newly constructed tracks with large curve radii, or by introducing fast trains with carbody tilt systems to increase speed on existing curved tracks. By tilting the carbody, ride comfort can be preserved while the speed on curves is increased typically by 20 - 30%, provided that the maximum permitted track forces are not exceeded. However, by introducing carbody tilt systems, some people, mainly those prone to motion sickness, may suffer from various motion-related discomfort such as headache, sleepiness, dizziness or nausea.
Aim
The current research project? aims at analysing the following issues: e What types of motions are most related to discomfort?
e What differences are there in the motions of a conventional (non-tilting) train and a train equipped with a tilt system?
e How do different tilt control strategies influence ride comfort, motion-related discomfort and working ability?
This report deals mainly with test subjects" reactions to the different control strategies for tilt, while later reports will treat the motions in more detail and describe possible connections between motions and motion-related comfort.
Method
Ride comfort and motion-related discomfort is a subjective feeling by the person exposed to the vehicle ride. It must be measured in a structured way to allow evaluation. In the present study, experimental methods and designs have been developed in the course of the experiments with support from a multi-disciplinary reference group. The importance of a balanced design, i.e. that all groups participate in all test conditions and that groups of subjects are matched in age, gender and sensitivity to motion sickness, has been shown. A suitable method of measurement of symptoms of motion sickness incidence (SMST) has been proposed, based on the symptoms of dizziness and nausea together with a subjective estimation of well-being, in this case notfeeling well.
Approximately 140 subjects participated in the first test series in November 1994 and approximately 70 subjects in the second test series in June 1995. During the first test series, approximately 60 subjects (mostly employees at SJ and Adtranz) participated on the first day in a test run (Stockholm C) - Järna - Norrköping - Järna. During the two
other test days, two groups (mostly students at Linköping University) participated, with approximately 40 subjects in each group making test runs Linköping Katrineholm -Järna and back. During the second test series, approximately 70 subjects (mostly students) participated for three days in test runs Linköping - Katrineholm - Järna and back. It should be pointed out that the subjects are not representative of the population as a whole or of a group of train travellers. They were chosen selectively for high sensitivity to motion sickness, in order to increase the number of reactions and thereby make it possible to reach a statistical significance in the test.
Each test run lasted about three hours and was divided into four test parts. Before the test, subjects answered a questionnaire with various background information and they also rated how they felt. After each part of the test, the subjects had to answer a questionnaire concerning their experience of ride comfort, what types of comfort disturbances they had experienced and whether they had experienced headache, sleepiness, dizziness, nausea or did not feel well. The subjects were seated during the test runs. A total of six different conditions for controlling the carbody tilt system were tested. These are shown in Table III below.
Table IH Specification of the carbody tilt conditions for all test series.
Test Speed Tilt Limited Limited Typical lateral acc. condition category compen carbody carbody tilt in carbody
sation' tilt speed' acceleration"
[P*/s] [P/s*] [m/s*] A Cat S 70% 4 no limit" 0.6 B Cat S 40% 4 no limit 1.0 cl" Cat B 0% 2 - 1.15 D Cat S 70% 2 no limit 0.7 FV Cat. S 55% 4 4 0.8 G! Cat. S 55% 2.3 no limit 0.8
Remarks: i Tilt compensation is the amount of lateral acceleration that is compensated by the tilt system.
ii -_With limited carbody tilt speed means that the rate of change for the reference signa] for tilt system is limited. This also applies for the carbody tilt acceleration.
iii Condition C was applied at the speed of a Cat B train and with an inactive tilt system. The other conditions were applied at the speed of a Cat S train. Cat S trains are typically 25% faster than normal non-tilted trains (Cat A trains). Cat B trains are about 10% faster than Cat A trains.
iv Test series 2. Condition A was also applied during test series 2, sometimes notified as A".
v The carbody tilt acceleration on the "no limit on carbody tilt acceleration" cause is estimated by carbody mass and inertia and characteristic of the suspension system to about 10 - 15 [*/s*].
Results Ride comfort
In all conditions, the average ride comfort was rated in the range 4.0 - 4.2 on a five-grade scale, from 1 (very poor) to 5 (very good). Furthermore, the frequency of comfort disturbances due to a jolting ride was similar in all conditions.
KTH TRITA-FKT rapport 1996:17 vi VTT Meddelande 801
Symptoms of motion sickness
Positive results in the conditions with a 55% tilt compensation of lateral acceleration were recorded. Table IV shows the results of the conditions measured as symptoms of motions sickness incidence (SMST). Best results was achieved by condition G with limited carbody tilt speed.
Table IV SMSTfor all tested conditions.
Test series 1 SMSIT Relative Test series 2 SMST Relative Test condition to A Test condition to A! Condition A 22% 100% Condition A' 14,5 % % Condition B 16% 73% Condition F 10,7 % 74 % Condition C 5%* 22% Condition G 8,4 %* 58 % Condition D 15% 08%
Remark: Condition A' is equivalent to Condition A. * Statistically significant at the 5% level.
Differences between women and men
On an average, women reported at least twice as much motion-related discomfort than men did, indicating that they are more sensitive to those motions than men. They also estimate their subjective sensitivity to motion sickness higher than men.
Importance of travelling time
Subjects report a higher proportion of discomfort after the first test part and the last test part than after test parts two and three. This indicates that the accumulated motion dose of (vertical) low-frequency accelerations does not alone influence the severity of motion sickness. Lateral and angular motions, or track geometry and irregularities, may also have an influence on motion-related discomfort in tilting train environments.
Rated ability to work/read
The ability to work/read was rated slightly better than good on the five-grade scale. There were small differences between conditions, gender or car number.
Conelusions
All the tested conditions give reductions in the proportion of motion-related discomfort, but only the differences in conditions C and G are statistically significant compared with condition A. This is a clear indication that reduced angular motions (carbody tilt angle, carbody tilt speed and/or carbody tilt acceleration) give less motion-related discomfort despite a higher experienced lateral acceleration level on curves. If the carbody tilt is reduced too effectively, other comfort disturbances occur because of excessive levels of lateral acceleration on the curves, severe jerks (changes of lateral acceleration) on transition curves, etc.
Rated ride comfort and rated working ability, as well as the proportion of comfort disturbances, are equal or better for the tested conditions F and G compared with condition A.
Discussion
The optimum carbody tilt is a balance between, on the one hand, comfort disturbance caused by high lateral accelerations and jerks on the curves and, on the other hand, high proportions of motion-related discomfort. The lack of a model or which both linear accelerations and angular motions influence motion-related discomfort makes it difficult to calculate the best strategy for carbody tilt. Continued research is necessary to obtain this knowledge and to understand the origin of motion-related discomfort.
This study is reported in full in Förstberg (1996).
KTH TRITA-FKT rapport 1996:17 vili VTI Meddelande 801
Definitioner, förklaringar och beteckningar är redovisade i bilaga A.
1.1 Bakgrund
För järnvägsföretagen, liksom andra företag som konkurrerar inom persontrafik-marknaden, finns det ett antal nyckelbegrepp, som i hög grad bestämmer dess position på resemarknaden. Dessa kan vara:
e Restid e Komfort
e Punktlighet och frekvens e Tillgänglighet
e Pris
Restid - komfort
Ett av järnvägens huvudargument är att kunna erbjuda resenären hög komfort, möjligheter till arbete och/eller avkoppling under resan kombinerat med en relativt kort restid. För att restiden ska kunna minskas, måste medelhastigheten ökas. Detta kan åstadkommas i princip på två olika sätt. Det ena är att införa höghastighetståg på nybyggda banor med stora kurvradier och det andra är att höja hastigheten på befintliga kurviga spår. En ökning av hastigheten genom en befintlig kurva innebär en ökad lateral acceleration och därmed en sämre komfort för resenärerna. Genom att luta vagnskorgen, kan lateral accelerationen i kurvorna minskas och komforten kan bibehållas hög, samtidigt som hastigheten i kurvorna kan ökas med 20 - 30 % (Andersson och Nilstam 1984, Harborough 1986b).
Lutningssystem
Lutande tåg finns med både passivt och aktivt korglutningssystem. Ett passivt system bygger på att centrifugalkraften i en kurva tvingar fordonskorgen att luta inåt kurvan med hjälp av ett mekaniskt system. Med ett aktivt system kan korgen styras med hjälp av ett hydrauliskt eller elektriskt system. Med ett aktivt lutningssystem kan en avvägning ske av hur stor del av den laterala accelerationen i spårplanet som ska kompenseras. Med en ökad kompensering minskar den laterala accelerationen (lateral accelerationen) i korgplanet samtidigt som korgens lutningsrörelse ökar. Med ett lutande tåg kan åkkomforten bibehållas eller höjas trots att tåget kan framföras betydligt fortare än ett vanligt tåg i en kurva (Andersson och Nilstam 1984, Koyanagi 1985, Harborough 1986b). Gränsvärden för komfortstörningar för stående passagerare på grund av för snabba korglutningsrörelser har uppskattas till 5 [*/s] (0,1 [rad/s]) för rollhastighet och 15 [*/s?] (0,3 [rad/s?]) för rollacceleration (Koyanagi 1985).
Rörelserelaterad komfort
Med införandet av korglutningssystem har ett antal personer, framför allt de med hög känslighet för rörelsesjuka, blivit trötta, fått yrsel eller blivit illamående (Ueno et al 1986, Ohno 1996). Varför vissa personer blir påverkande av dessa rörelser är inte klarlagt.
1.2 Syfte
Det pågående projektet avser att bl a besvara följande frågeställningar: e Vilka typer av rörelser har störst inverkan på rörelserelaterade obehag?
e Vilka skillnader finns i rörelserna mellan ett konventionellt (icke lutande) tåg och ett tåg utrustat med aktivt lutningssystem?
e Hur påverkar olika strategier för styrning av korglutningssystemet den upplevda åkkomforten, möjligheten till arbete/läsning och rörelserelaterade obehag?
Den undersökning som redovisas i denna rapport avsåg att i första hand besvara den sistnämnda frågan.
1.3 Kunskapsläget
Lawther och Griffin (1987) har visat att höga doser (motion dose) av vertikala accelerationer med en frekvens runt ca 0,2 Hz ger upphov till rörelsesjuka. För laterala accelerationer och rotationer finns ännu inga accepterade samband mellan rörelsesjuka och dessa rörelser trots att there is some evidence that roll and pitch motions of the body may also contribute to motion sickness symptoms enligt ISO/DIS 2631-1.2 (ISO 1995). Likaså är inverkan av graden av kompensering och korglutningshastighet på rörelse-relaterade komfortstörningar inte närmare undersökt. Bilaga B går mera i detalj igenom kunskapsläget angående åkkomfort och hypoteser angående uppkomsten av rörelse-sjuka. Bilaga C innehåller en kortfattad presentation av balanssystemet. Se även en mer detaljerad beskrivning i Förstberg och Ledin (1996).
1.4 Hypoteser
Provocering av symtom på rörelsesjuka, (sk rörelse relaterade obehag) kan antas bero på mängden (dosen) av vertikala och laterala accelerationer med frekvenser runt 0,1 - 0,2 Hz, eventuellt förstärkt av fordonets rotationsrörelser. Stort inflytande har även försökspersonens relativa känslighet, allmänna status, som ev trötthet, välbefinnande etc. Följande alternativ skulle kunna vara relevanta, när det gäller provocering av dessa obehag från rörelser i tåget:
e För stora doser av rollhastighet och/eller rollacceleration.
e För stora doser av lågfrekventa laterala och vertikala accelerationer (-0,2 Hz). e Samverkan mellan lateral/vertikal acceleration och rotationsrörelse.
För ett tåg utrustat med ett lutningssystem skulle en provocering av rörelserelaterade obehag och andra komfortstörningar kunna huvudsakligen ske genom:
1. Lutningssystemet.
2. Långvågiga spårlägesfel och övergångskurvor, vilket skulle kunna ge en kraftigare excitation av rörelser med ökad hastighet.
3. Ogynsamt fjädringssystem i tåget.
KTH TRITA-FKT rapport 1996:17 2 VTI Meddelande 801
Möjliga åtgärder för att minska andelen personer som upplever komfortstörningar och obehag samt för att förbättra den upplevda komforten skulle kunna ske genom:
1. Andra alternativ till styrning av korglutningen. 2. Bättre spårläge och längre övergångskurvor. 3. Förbättrad fjädringssystem.
Av dessa tre alternativa åtgärdsprogram, bedöms det första vara den enklaste och billigaste att åtgärda.
Prov
Som en del i forskningsprojektet genomfördes under hösten 1994 och sommaren 1995 prov med försökspersoner med följande målsättning:
e Kartläggning av de lateral-, vertikal- eller rollacceleration med frekvenser under 0,5 Hz för ett tåg utrustat med lutningssystem (X2000).
* Genomföra prov med försökspersoner ombord på X2000 och studera inflytande av alternativa styrningar av korglutningssystemet på åkkomfort och rörelserelaterade komfortstörningar/obehag.
Proven skedde i samarbete med 4BB Traction, numera Adtranz Sweden och SJ Maskindivision.
Redovisning
Denna rapport redovisar huvudsakligen resultaten från proven med tonvikt på de svar försökspersonerna har lämnat i enkäter med en analys av fördelar och nackdelar av de olika provade alternativen. Kartläggningen av de lågfrekventa rörelserna i de olika provade alternativen kommer att redovisas senare.
KTH TRITA-FKT rapport 1996:17 VTI Meddelande 801
Metodproblem
Komfortupplevelser, såsom rörelserelaterad komfort, olika typer av komfortstörningar eller obehag är inte helt enkelt eller invändningsfritt att mäta. Komfortstörningarna kan i vissa fall härledas från fordonets konstruktion, fjädringssystem etc, i andra fall från banans spårgeometri, spårläge etc eller från en bristande samverkan mellan dessa. Olika människor uppfattar dessa störningar olika och bedömer dem olika. Den tekniska bedömningen som kan ske enligt någon (internationell) standard, bygger på ett antal prov med försökspersoner som har bedömt sin upplevda (disjkomfort eller grad av komfortstörning. Se principskiss nedan (figur 1).
Inverkan från fordon, bana och humana faktorer på rörelserelaterad komfort
Fordon Bana
Typ av fordon, löpverk, Linjeföring / Spårkomponenter / fjädringssystem, spårläge underhållsstatus
korglutningssystem, v ] underhållsstatus / Hastighet
Humana faktorer Samverkan
Ålder, kön, erfarenheter Bana - Fordon aktiviteter, droger etc.
Sociala faktorer N
Övriga fysiska faktorer Rörelsefaktorer
Inredning, luftkvalitet, Lateral / vertikal roll/ gir buller, arbetsutrymme, stol -. ryck / acceleration / hastighet
etc.
/ =0,5 Hz 0,5 - 8OHz
Komfortutvä
Ederirlg
*
Teknisk utvärdering
Mansklfg
..) Utvärdering av åkkomfort enligt Wz,
bedömning
ISO, CEN eller andra kriterier
Figur 1
Samband mellan teknisk utvärdering, mänsklig bedömning och fordonets
rörelser. Indata är fordonets konstruktion, banans linjeföring, spårläge
och tågets hastighet.
Åkkomfort
Den tekniska bedömningen av rörelserelaterade åkkomforten sker i hög grad på vilka
accelerationer och vibrationer (laterala och vertikala) som finns i frekvensområdet 0,5
-80 Hz. Den mänskliga bedömningen tar hänsyn både till desamtliga fysiska komfort
faktorer och humana faktorer (Alm 1989). För den tekniska utvärderingen av
åk-komforten finns ett antal standarder såsom Wz, ISO 2631 och en kommande CEN norm
5
KTH TRITA-FKT rapport 1996:17
VTI Meddelande 801
efter förslag från ERRI (Sperling & Betzhold 1956, ERRIT 1993, ISO 1995, CEN 1995, Suzuki 1996).
Komfortstörningar på grund av accelerationer, ryck eller stötar
Kom kan bero av ett antal faktorer, stora laterala accelerationer i kurvor, stora ryck, kraftiga stötar eller vertikala accelerationer. För lutande tåg kan även tillkomma störningar p g a stor rollhastighet. Forskning har skett bl a inom England, Japan och Sverige (Andersson & Nilstam 1984, Harborough 1986a, 1986b, Förstberg 1994b, Koyanagi 1985) och för närvarande pågår inom utvärdering av prov genomförda av ERRI inom fråga B207 (ERRI 1996). De prov som har utförts har inneburit att försökspersonerna har angett någon form av omdöme eller respons vid en komfortstörning. Detta kan ske t ex med hjälp av mentometerknappar eller med hjälp av enkäter. Ett förslag till en standard för bedömning av risken för en komfortstörning finns (Pc; och Pp) och är utgiven som en preliminär standard (CEN 1995, Harborough 1986b).
Rörelserelaterade obehag
Rörelserelaterade obehag för järnvägsfordon finns rapporterade i två arbeten från Japan (Ueno et al 1986, Ohno 1996). En beräkning av risken för obehag utifrån fordonets rörelser kan inte göras p g a inte finns någon teoretisk eller empirisk modell för detta. ISO standarden (ISO 1995) innehåller enbart risken för rörelsesjuka utifrån vertikala rörelser.
Provkörningar
I denna undersökning har inflytandet av olika strategier för korglutningen studerats med avseende på korgrörelser, åkkomfort och rörelserelaterade obehag. Detta har skett med hjälp av provkörningar med olika grupper av försökspersoner. Grupperna har utsatts för olika provalternativ och har därmed avgett skriftliga omdömen angående upplevd komfort, förmåga att arbeta/läsa och har rapporterat eventuella symtom på obehag i enkäter vid vissa givna tillfällen. Provparametrarna har ändras på ett systematiskt sätt mellan de olika provkörningarna. Provkörningarna genomfördes i två omgångar, provomgång 1 och 2.
2.1 Val av design för försöken
Vid utformningen av provdesignen finns ett antal frågor att diskutera. Bland de viktigaste är valet mellan oberoende och beroende variabler. Även andra faktorer än de oberoende variablerna kan påverka resultatet och deras inflytande bör därför minimeras. Figur 2 på nästa sida visar valet av oberoende och beroende variabler samt andra parametrar som kan ha inflytande vid denna typ av prov.
2.1.1 Experimentell design
Avsikten med provdesignen var att försöka skapa jämförbara grupper som kunde prova olika provalternativ samtidigt. Yttre miljöskillnader som hastighetsvariationer, hur tåget framförs, yttre ljusförhållanden etc. blir därmed lika för de olika grupperna. Placeringen i tåget lottades ut för att få en slumpmässig fördelning av försökspersonerna (fp) mellan grupperna med avseende på kön, färdriktning (fram- eller baklänges) etc. Grupperna bör vara tillräckligt stora för att skillnader i könsfördelningen, variationer i ålder, känslighet
KTH TRITA-FKT rapport 1996:17 6 VTI Meddelande 801
för rörelsesjuka etc ska bli minimerade mellan grupperna så att resultaten kan statistiskt säkerställas. För att ytterligare utjämna skillnader mellan grupperna, bytte grupperna under nästa provkörning alternativ enligt ett bestämt schema, s k balanserad design. En speciell form av balanserad design är den Latinska kvadraten, där inflytandet från ett alternativ till ett annat minimeras (Campell och Stanley 1966). En genomgång av olika typer av provdesigner görs på bilaga D.
Designmodell
Prov av rörelserelaterade obehag
Styrande / Omgivning / Rörelsemiljö i tåget / Komfort Responser / Oberoende variabler _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ a e ee. - Beroende variabler
: Fordon :
I Människa |
Korglutning till/från
: Mätta storheter
I ( Åkkomfort
V
Kompenseringsgrad
i Lat & vert acceleration
Man / Kvinna
: Komfort-Korgvinkelhastighet : Lat & vert ryck Ålder I störningar Korgvinkelacc. -»| Rollvinkelhastighet*, ! Känslighet_?
Rörelse-"
: Rollvinkelacceleration* Sysselsättning | relaterade Spårgeometri i Giracceleration* 1 Erfarenhet : obhagSpårläge : i Arbets- /
läs-i Ej mätta storheter -l Välbefinnande/
: | förmåga
J
Tågets hastighet
I Girvinkel, hastighet
Iliamående
|: Nickrörelser ! tid |
Åkt fram- eller i Temperatur I
baklänges : Luftkvalitet I
Fönsterplats I Buller, m.m. : Eel åkning av Sittplatsens utformning
:
77
komfortindex
Vagnens position i
---=-=-=-==-==- 747---=-= IRWZ, ISO, CEN)
tåget
* Ej direkt mätt, utan kan härledas ur accelerationerna
Figur 2
Design av prov av rörelserelaterade komfortstorheter. Skiss över vilka
oberoende, miljö- och omgivningsvariabler som påverkar responsen hos
försökspersonerna, dvs de beroende variablerna. Fet stil markerar de
oberoende och beroende variabler som har kontrollerats och mättes i
proven.
För provomgång 1 valdes för dag 1 en experimentell design med tre grupper som
jämfördes inbördes. För dag 2 och 3 valdes en design där grupperna återkom en dag
senare och genomförde ytterligare ett alternativ. För provomgång 2 användes tre grupper
som provade alla tre alternativen under tre provkörningar. Gemensamt för provomgång
Ib och 2 är fp deltog i en provkörning per dag. Detta för att minimera trötthetssymtom
och inflytande från ett alternativ till ett annat.
2.1.2 Enkäter
För att utröna försökspersonernas (fp) bakgrund och deras responser på de olika
försöks-betingelserna (alternativen), fick de svara på ett antal frågor i två typer av enkäter. Den
första enkäten (enkät A) behandlade ett antal bakgrundsfrågor: hur ofta de har åkt olika
transportslag, hur ofta de har varit åksjuka, hur de bedömde sin egen känslighet för
åksjuka, etc. Enkät A besvarades vid provkörningens start. I den andra enkäten (enkät B)
fick fp skatta provtågets åkkomfort, om de kände eventuella komfortstörningar och i så
fall vad det berodde på. De fick även skatta sina möjligheter till arbete under färden,
ange eventuella symtom på rörelsesjuka samt ange om de mådde bra eller inte. Enkät B besvarades efter varje etapp, totalt fyra gånger under en provkörning. De olika enkäterna redovisas i bilaga H.
2.2 Försöken med tåg
Försöken med personer på tåg kunde genom tillmötesgående från SJ utföras med hjälp av ett _X2000-tåg och dess regionaltågsvariant Se beskrivning av korglutningssystemet och en skiss på X2-2 på bilaga I. I provtåget användes två eller tre vagnar som provvagnar. Korglutningen i varje vagn kunde individuellt styras med ett eget modifierat styrprogram. Ett, eller i vissa fall två, provalternativ provades under samma provkörning. Varje provkörning delades upp i fyra provetapper. Sammanlagd tid för provkörningen var ca 3 timmar. Försöken genomfördes under två provomgångar, provomgång 1 under november 1994 och provomgång 2 i juni 1995.
2.2.1 Provsträckor
Under provomgång la (första provdagen) var provsträckan (Stockholm) Järna -Katrineholm - Norrköping och åter. Under provomgång Ib och provomgång 2 var provsträckan Linköping Katrineholm Järna och åter. Provetapperna var Linköping -Katrineholm, Katrineholm - Järna, Järna - Katrineholm och Katrineholm - Linköping för alla provkörningar utom under provomgång la. Då var de Järna - Katrineholm, Katrineholm - Norrköping, Norrköping - Katrineholm och Katrineholm - Järna. Se karta på bilaga A.
2.2.2 Val av provalternativ
Valet av styralternativ för korglutningen under provkörningarna grundar sig på de möjligheter som finns att styra korglutningen. Vilka parametrar kan ändras och i så fall hur mycket? Se tabell 1 nedan.
Tabell 1 Parametrar som är möjliga att variera i lutningssystemet. Parametrar som kan varieras Variationsamplitud Normalvärde
Kompenseringsgrad 0 - 100! 70 [%]
Begränsning av korglutningshastighet 0 - 4 4 [*/s] Begränsning av korglutningsacceleration 0 - 0! 00 [*/s*]
Dödbandets storlek 0 - 4!!! 0,2 [?]
Tågets hastighet kat A, kat B, kat S kat S
Anm: -i Korglutningsvinkeln är begränsad till maximalt 6,5 - 7 *, vilket innebär att kompenseringen inte kan väljas till 100 % i alla hastigheter.
ii Ingen begränsning av korglutningsaccelerationen finns i programmet för styrningen av korglutningen. Enligt utförd överslagsberäkning ger dynamiken i hydraulsystemet, luftfjädringen och korgens massa en uppskattad maximal korglutningsacceleration på ca 10 */s* (Persson 1995).
iii Uppskattat maximalt praktiskt dödband.
KTH TRITA-FKT rapport 1996:17 8 VTI Meddelande 801
Följande parametrar bedömdes vara intressanta för inverkan på de rörelserelaterade obehag och komfortstörningar:
- lateral acceleration, särskilt med lågfrekvens - ryck, särskilt med lågfrekvens
- vertikal acceleration, särskilt med lågfrekvens - rollvinkel
- rollhastighet - rollacceleration
och eventuellt även - girhastighet - giracceleration.
Problemet är att dessa parametrar inte kan varieras en och en, utan de samvarierar på ett komplicerat sätt. Ett exempel är, att om kompenseringsgraden minskas så kommer den laterala accelerationen i kurvorna att öka men samtidigt begränsas rollrörelserna och rollhastigheten. Se figur 3.
Lateral acceleration i korgen
Lat acc y - . .
(m/s2] AN Inflytande av en minskning av kompenseringsgraden i 5 I Lateral acceleration i spårplanet
1,0 - | Lun:
| Lateral acceleration i korgen Okar 0,5 _L " k ee ee e ke i i & -S / e I > Lutningsvinkel
i
tid
[grad] /N
I
6,5 TTT.
i
e
o
/
l
Minskning av kompenseringsgraden
£
:
ger en minskad korglutning och en""
|
ökad lateral acceleration i korgen.
v
.
t
tid
1
Övergångskurva
Cirkulärkurva
Figur 3
Lateral acceleration i korgen. Om kompenseringen minskar, minskar
även
lutningsvinkeln för
korgen
samtidigt
som
den
laterala
accelerationen ökar. Normalfall, kompensering i fas med
övergångs-kurvan.
Alltför kraftiga begränsningar av korglutningshastighet och/eller
korglutnings-acceleration ger oönskade laterala korglutnings-accelerationstoppar vid ingången och/eller vid
utgången ur en övergångskurva. Detta beror på att korgrörelsen tar längre tid än
passagen av övergångskurvan. Valet står då mellan att starta korglutningen "för tidigt"
för att fördela tidsöverskottet jämt före och efter övergångskurvan eller att starta "rätt"
och avsluta korglutningen för sent. Se figur 4 på nästa sida. Detta resonemang gäller inte
för den första vagnen i tågets färdriktning, eftersom informationen för att kunna starta
korglutningen "för tidigt" saknas.
Begränsningar av korglutningsaccelerationen ger ett liknade resultat som i fallet med begränsning av lutningshastigheten. Risken finns dessutom för en instabil styrning av lutningen av reglertekniska orsaker.
Lateral acceleration i korgen
Väl SCC Y Inverkan av en begränsning av korglutninghastigheten [(m/s2] /N
15 I Lateral acceleration i spårplanet
1,0 L - '
0.5 |
/X
Lateral acceleration i korgen
,
%
,
hl
:
D
tid
Korgvinkel Y s-
/
i
[grad] /N i
'
| Om korglutning startar före övergångskurvan,
6,5" .
i
/,
'
% pga begränsning av vinkelhastigheten,
:
l
ger det oönskade "tillskott" i den
l
|
laterala accelerationen i korgen.
'
:
x
Rakspår '
___.
'
Cirkulärkurva
Tr
Övergångskurva
Figur 4
Lateral acceleration i korgen. Vid alltför kraftig begränsning av
korg-lutningshastigheten, kommer korglutningen att ta längre tid än den tid
det tar att passera övergångskurvan. Då uppkommer oönskade
"tillskott" i laterala accelerationen i korgen.
2.2.3 Förslag till provalternativ
Följande förslag till provalternativ förelåg under hösten 1994. (Förslagen modifierades
till provomgång 2.)
e Kompensering:
Hög (70 %), låg (40 %) och ingen (0 %).
e Begränsning av
)
Normal (4 */s), begränsning (3, 2,5 eller 2 */s).
korglutningshastighet':
e Begränsning av
)
Normal (ingen, ger i realiteten ca 10-15 */s*),
korglutningsacceleration'
begränsning (ca 4 */s*).
e Hastighet:
kat S och kat B (25% resp 10%
hastighets-överskridande).
Anm:
i -Med begränsning av korglutningshastighet och korglutningsacceleration menas en
begränsning av ledvärdet för styrningen av korglutningen. Genom att korgen kränger ut vid
kurvtagning kommer den effektiva korglutningshastigheten att vara mindre (ca 85%) än
motsvarande värde för ledvärdet.
Förslagen provades under en pilotstudie den 25 - 26 oktober 1994 med ett tiotal
försöks-personer från SJ, VTT och ABB. I bilaga J redovisas provuppläggning och resultat från
denna. De viktigaste resultaten från pilotstudien var att de rörelserelaterade obehagen
kan påverkas av tidigare genomförda provalternativ och att provtiden bör minskas från
ca sex timmar till ca tre timmar p g a trötthetssymtom hos försökspersonerna. Utifrån
detta planerades provomgång 1, 28 - 30 november 1994.
KTH TRITA-FKT rapport 1996:17
10
VTT Meddelande 801
Tabell 2 Provalternativ provomgång 1, 28 - 30 november 1994.
Hastighet _Kompenserings- Begränsning av Typisk maximal grad i korglutnings- lateral acc" lutningssystemet hastighet
[P/S] [m/s*]
Alternativ A Kat S 70 % 4 (normal) 0,6
Alternativ B Kat S 40 % 4! 1,0
Alternativ C Kat B Ingen lutning - 1,15
Alternativ D Kat S 70 % 2 0,7
Anm: i Alternativ B ger p g a minskad kompenseringsgrad i lutningssystemet en lägre korglutnings-hastighet än alternativ A. I praktiken uppnås därför nästan aldrig mer än 2,5 - 3 */s.
ii Lateral acceleration i korgen, dvs den acceleration som upplevs av försökspersonerna.
De provade alternativen under provomgång 1 valdes med utgångspunkt från att se hur olika begränsningar påverkade åkkomforten, antalet komfortstörningar och rörelse-relaterade obehag. De valdes inte för att finna en optimal korglutning.
Beslut om att genomföra ytterligare en provomgång (provomgång 2) togs först efter utvärdering av provomgång 1. De föreslagna alternativen i provomgång 2 avsågs vara möjliga att införa i ordinarie tågdrift. Samtidigt planerades proven för att erhålla en bättre statistisk signifikans genom att använda tre alternativ, som provades genom att provgrupp 4 delades upp i tre provvagnar. Varje delgrupp provade alla alternativ under de tre provdagarna, 19 - 21 juni 1995.
Tabell 3 Provalternativ andra provomgången 19 - 21 juni 1995.
Prov- Hastighet Kompenserings- Begränsning Korglutnings- Typisk alternativ grad i lutnings korglutnings- acceleration maximal
systemet hastighet lateral acc '
[s*] [m/s*]
A (A") Kat S 70 % 4 ingen _ 0,6
begränsning" pl! Kat S 55 % 4 4 samt 0,8 borttagning av dödbandet G Kat S 55 % 2,3" ingen 0,8 begränsning Anm: -i -Den typiska maximala accelerationen i korgen är uppskattad.
ii Ingen begränsning i styrprogrammet, dock uppskattningsvis en begränsning till ca 10 */s* p g a dynamiken i systemet.
ili Alternativ E var ett tidigare förslag med begränsning av korglutningshastigheten som inte kunde realiseras i tid till första provomgången. Därför valdes F som beteckning för detta alternativ.
iv Begränsning till 2,3 */s kunde väljas p ga kompensationen var sänkt till 55 %. Denna begränsning bedömdes inte störa den normala korglutningsrörelsen.
Alternativ A benämns ibland A" när det föreligger risk för förväxling mellan alternativ A för de olika provomgångarna.
2.3 Genomförande
2.3.1 Provomgång 1
Nedanstående tabell 4 och tabell 5 visar när och hur de olika provalternativen genomföres under provomgång 1 (1a och 16).
Tabell 4 Provalternativ och provsträckor under provomgång Ia, 28 november 1994. Provgrupp 1.
Prov sträcka: Jn - Nr Nr - Jn
Vagn 1 B B
Vagn 2 D D
Vagn 3 A Försökspersonerna flyttades till vagn 1 och 2
Anm: Vagn 1 var närmast motorvagnen, vagn 2 var mellanvagnen och vagn 3 var manövervagnen. Jn = Järna, Nr = Norrköping,
i Försökspersoner i vagn 3 delades upp och flyttades till de övriga två vagnarna i Norrköping inför returresan tillbaka till Stockholm.
Tabell 5 Provalternativ och provsträckor under provomgång Ib, 29-30 november 1994. Provgrupp 2 Provgrupp 3 29/11 30/11 29/11 - 30/11 Provsträcka: Lp - Jn- Lp Lp-Fle-Lp' _Lp-Jn Jn - Lp Vagn 1 A B A C A Vagn 2 B AB" D C D
Anm: Jn = Järna, Fle = Flen, Lp = Linköping
i Provet kördes endast Linköping - Flen - Linköping, p g a sent provtåg. ii Analog styrning av korglutning (ej planerat). Skulle ha varit A.
Platserna i vagnarna lottades ut när provgrupperna steg på tåget första gången. De fick två platser, så att de kunde byta plats vid vändningen, så att de endera åkte framåt eller bakåt hela tiden. De behöll sina platser under hela provomgången. Trots lottningen blev några grupper snedfördelade när det gäller känslighet, kön, ålder, etc. Grupp 1 med SJ och ABB anställda hade betydligt större spridning i ålder än de övriga grupperna. Vidare blev alternativ C endast provat av provgrupp 3.
2.3.1.1 Problem
Provkörningarna under dag 2 drabbades kraftigt av förseningar under de första två provetapperna (Linköping - Järna). Provkörningen under eftermiddagen förkortades därför till Flen för att provkörningen skulle kunna avslutas i tid. Den digitala styrningen av korglutningen för vagn 2 fungerade inte under eftermiddagen dag 3. Istället styrdes korglutningen av ett analogt reservsystem. Detta system styr korgen mot medelvärdet av omgivande vagnars vinklar för korglutningen. Detta sammanlagt har medfört att en rättvisande utvärdering kunnat genomföras för de första två etapperna under dag 2 för de bägge provkörningarna på förmiddagen och eftermiddagen och för delgruppen i vagn 2 dag 3.
KTH TRITA-FKT rapport 1996:17 12 VTI Meddelande 801
2.3.2 Provomgång 2
Resultaten från provomgång 1 visade tydligt att prov(deljgrupperna måste vara balanserade ifråga om känslighet, kön och ålder och att samtliga försökspersoner måste prova alla alternativ. Dessutom bör reservtid vara planerad för oförutsedda händelser.
Försökspersonerna lottades ut till de olika vagnarna i förväg med hänsyn till att fördelningen av känslighet och kön skulle vara lika i vagnarna. Provförutsättningarna var betydligt bättre än provomgång 1 med tre provalternativ (A, G & F) och prov under tre dagar. Provsträckor var Linköping - Katrineholm - Järna och åter. Fördelning av provalternativ i de olika vagnarna visas i tabell 6.
Tabell 6 Provalternativ under provomgång 2, 19 - 21 juni 1995. Provsträcka Linköping - Järna och åter.
Provvagn 19/6 20/6 21/6
Vagn 1 A F G
Vagn 2 G A F
Vagn 4 F G A
Anm: Vagn 1 var närmast motorvagnen, vagn 2 var nästa mellanvagn räknat från motorvagnen och vagn 4 var mellanvagnen närmast manövervagnen.
2.4 Fordon
Provtågets principiella utseende Provomgång 1. (X2-2) 2
/|Motorvagn| [Vagn 1 || Vagn 2 || Vagn 3 N
2:a klass 2:a klass 1 :a klass (manövervagn)
Mot Linköping Provomgång 2. (X2000) Mot Järna
. ee
Z
/[Motorvagn| [Vagn 1 || Vagn2 || Vagn3 || Vagn4 _| Vagn 5 N
1 :a klass 1 :a klass Bistro 2:a klass Manöverv.
Figur 5 Provtågets principiella utseende och vagnarnas numrering i tåget under provomgång 1 och 2.
Korglutning - tidsfördröjning
Tidsfördröjning mellan korglutningsrörelsen och lateral acceleration orsakad av spårgeometrin för de främsta vagnarna i tåget beror på att signalen som styr korg-lutningsrörelsen (ledvärdet) inte ligger helt i fas med övergångskurvorna utan har en viss fördröjning (max ca 0,5 s). Detta beror på att lateral accelerationen mätts i tåget främsta boggi i färdriktningen och den signalen måste filtreras innan ledvärdet kan bildas. För de första två vagnarna i tåget adderas även det s k tillskottet (bildat av skillnaden av lutningsvinklarna (0) mellan korg och boggierna) till ledvärdet för att korglutningen ska reagera snabbare och tidsfördröjningen ska minska. Ledvärdet överförs via tågets databuss till de övriga vagnarna och tidfördröjs med hjälp av ett filter (maximalt 1000
ms) och därefter med en ren tidsfördröjning för att korglutningen ska ske i rätt tid (Persson 1989, 1995). Se bilaga I för en beskrivning av korglutningssystemet.
Provomgång 1
En nylevererad X2-2 (dvs regionaltågsvarianten av X2000) kunde användas i provomgång 1, se figur 5. Försökspersonerna var placerade i vagn 1 (närmast motorvagnen) och vagn 2. Vagn 3 (manövervagnen) användes endast under den första dagen mellan Järna och Norrköping. Försökspersonerna flyttades vid vändningen till de andra vagnarna. Detta gjordes p g a att förhållandena i manövervagnen inte bedömdes vara jämförbara med de övriga vagnarna i tåget, när den går först i färdriktningen p.g.a. tidsfördröjningen mellan korglutningen och lateral acceleration.
Provomgång 2
Under provomgång 2 i juni 1995 kunde ett X2000-tåg med totalt fem vagnar användas (se figur 5), vilket medgav möjligheten till tre delprovsgrupper. Vagn 1, vagn 2 och vagn 4 användes som provvagnar. Vagn nr 3 (bistrovagnen) användes för mätpersonalen ombord.
Placering av mätutrustning
Under proven har ett antal relevanta rörelsesignaler mätts och registrerats med hjälp av SJ Maskintekniska laboratorium (SJ/MTL). Se bilaga L för specifikation av mätupp-sättning. Mätutrustningen var placerad i rökkupén i vagn 1 under provomgång 1 och i vagn 3 (bistrovagnen) under provomgång 2.
Övrigt
X2-2 och X2000 är lika tekniskt sett. Det som skiljer är antalet vagnar och i viss mån även inredningen. En kortfattat beskrivning av korglutningssystemet ges på bilaga I tillsammans med en skiss över ett X2-2 tåg. Bra presentationer av X2000 ges av Andersson och Nilstam (1984), Andersson et al (1994) och SJ (1995).
2.5 Försökspersoner
Försökspersonerna (fp) var dels personal från företag (ABB Traction, SJ och VTT) och dels studenter från framför allt Linköpings Universitet (LiU). Studenterna från Linköping fick en ersättning för sin medverkan. Resultat och beräkningar som presenteras gäller för de fp som själva har angett att de mådde bra vid starten av provkörningen. Bortfallet p g a av denna restriktion var 0 till 5 fp för en delgrupp på ca 20 - 30 fp i en vagn under en provkörning.
2.5.1 Val av försökspersoner
För att erhålla så enhetliga grupper av försökspersoner (ålder) som möjligt till provomgång 16 och 2 erbjöds studenter från LiU att deltaga i försöken. Studenterna fick ansöka om att få deltaga i provet och samtidigt besvara en fråga om de hade låg, medel eller hög känslighet för åksjuka. Urvalet till provomgång 1 gjordes till största delen efter turordning av ankomna ansökningar. Till provomgång 2 valdes de mest känsliga av de sökande för att få så hög känslighet för åksjuka i provgruppen som möjligt. Vid utlottningen till de olika vagnarna matchades fp för att delgrupperna i provagnarna skulle ha lika många känsliga personer av bägge könen.
KTH TRITA-FKT rapport 1996:17 14 VTT Meddelande 801
2.5.2 Provomgång 1
Försökspersonerna under den första provdagen var dels anställda från SJ och ABB, dels några studenter från KTH. Under de andra provdagarna var försökspersonerna dels några anställda från VTT, dels studenter från LiU, framför allt medicine studerande. Därför blev variationen i sammansättningen stor mellan de tre olika provgrupperna. Nedanstående tabell 7 visar skillnaderna i ålder och känslighet.
Tabell 7 Variation av ålder och känslighet för åksjuka för de olika provgrupperna under provomgång 1.
Provgrupp 1 Provgrupp 2 Provgrupp 3
Antal kvinnor 20 19 14 Antal män 41 18 28 Totalt 61 37 42 Andel kvinnor 33 % 51 % 33 % Medelålder 34 28 25 Åldersspridning | 19 - 65 20 - 55 19 - 59
Medel känslighet! kvinnor 3,1 3,3 3,6
Medel känslighet män 2,3 2,2 2,3
Medel känslighet totalt 2,6 2,7 2,8
Anm: -i Försökspersonen bedömde sin egen känslighet för åksjuka på en sjugradig skala, från ingen känslighet (1) till mycket stor känslighet (7).
2.5.1.1 Fördelning mellan provalternativen
De olika provgrupperna deltog i de olika provalternativen på ett oregelbundet sätt (enligt det tidigare visade schemat i tabell 4 och 5). För att ge en rättvisande bild av hur många personer som har deltagit i de olika provalternativen, kan begreppet personetapper användas, dvs hur många personer, som har deltagit i ett visst alternativ summerat över antalet etapper de deltog i. Tabell 8 nedan ger en bild över hur fördelningen av person-etapperna varierade mellan de olika alternativen.
Tabell 8 Variation av ålder och känslighet för åksjuka för provalternativen under provomgång 1.
Alternativ A Alternativ B Alternativ C Alternativ D
Mansetapper 80 102 56 118
Kvinnoetapper 58 86 26 44
Summa antal personetapper 138 188 82 142
Andel kvinnor 42 % 46 % 32 % 27 %
Medelålder 27 29 25 31
Medel känslighet kvinnor 3,6 2,9 3,4 3,3
Medel känslighet män 2,2 2,3 2,4 2,3
Medel känslighet totalt 2,9 2,5 2,7 2,7
Skillnaderna mellan medelkänsligheten mellan kvinnor och män är störst för dem som deltog i alternativ A (1,4 steg) medan för alternativ B är den lägst (0,6 steg). Bägge dessa hade störst andel kvinnor. En slutsats var att inför kommande prov försöka erhålla så homogena grupper som möjligt med avseende på kön och känslighet.
2.5.3 Provomgång 2
I provomgång 2 blev delgrupperna mer homogena än vid den första omgången. Dessutom valdes med mest känsliga ca 70 personerna ut av ca 90 sökande. Personerna klassades med avseende på känslighet och kön och fördelades (lottades) jämnt till de tre delgrupperna i vagnarna för att utjämna skillnader i ålder, könsfördelning och känslighet. Dessutom deltog samtliga delgrupper i samtliga alternativ, så att skillnaderna i sammansättning för provalternativen minimerades. Tabell 9 nedan visar fördelning mellan delgrupperna för den första provdagen (under provomgång 2).
Tabell 9 Fördelning av ålder och känslighet för åksjuka för delgrupperna under provomgång 2 och provdag 1.
Delgrupp 1 Delgrupp 2 Delgrupp 3 Hela
prov-Vagn 1 Vagn 2 Vagn 4 gruppen
Antal kvinnor 10 15 9 34 Antal män 12 15 11 38 Summa antal 22 30 20 72 Andel kvinnor 45 % 50 % 45 % 47 % Medelålder kvinnor 22 24 22 23 Medelålder män 26 26 28 26 Medelålder totalt 24 25 25 25
Medel känslighet kvinnor 4,2 3,6 3,0 3,6
Medel känslighet män 2,7 2,6 2,5 2,6
Medel känslighet totalt 3,3 3,1 2,7 3,1
Genom att delgrupperna provade alla tre alternativen, kommer fördelningen för hela gruppen att ungefärligt motsvara den fördelning som har provat alternativen A, F och G.
2.6 Utvärderingsmetodik
2.6.1 Rörelserelaterade obehag
Den sensoriska konflikthypotesen (Benson 1988, Reason 1974, 1978, Oman 1988, se även bilaga B och C) påstår att skillnader mellan intryck från balansorganen, ögon och andra rörelsereceptorer är de provocerande faktorerna för rörelsesjuka. Möjligheterna till kontroll av försökspersonernas (fp) synintryck vid dessa prov var ringa. De fick ange om de satt vid en fönsterplats eller vid mittgången och om de reste framlänges eller baklänges. Dock uppmanades fp att arbeta eller att läsa. De fick även svara på en fråga i enkäten vad deras huvudsakliga sysselsättning var under provetappen.
Utvärderingen av rörelserelaterade obehag och symtom på rörelsesjuka har koncentrerats till de fp som har angett att de har mått bra vid provkörningens början. Detta har gjorts för att få ett så lika utgångsläge som möjligt för fp och att ev obehag som uppkommer under provkörningen kan antagas vara rörelserelaterade. Trots detta kan det finnas stora variationer i andra parametrar som trötthet, humör etc, vilket kan inverka på deras obehag och störa mätningarna. Dessa variationer kan dock antagas vara slumpmässigt fördelade och som vid den statistiska analysen kan reduceras.
KTH TRITA-FKT rapport 1996:17 16 VTI Meddelande 801
Försökspersonerna fick efter varje deletapp under provkörningen ange om de kände något av följande typiska symtom på rörelsesjuka (Graybiel et al 1968):
e gäspningar/svag trötthet e huvudvärk e känt sig het/kallsvettats/blek e ökad salivproduktion e slö/sömnighet e yrsel/svindel e illamående
och samtidigt ange en skattning hur de mådde på följande skala över illamående (illamåendeindex) modifierat efter Illnes Rating (Griffin (990):
e 0 jag mår bra
