基于心率变异性与主观反馈的城市爆破振动人体舒适度量化及安全分区研究

《Results in Engineering》：Quantifying human comfort via heart rate variability and subjective feedback for safety zoning of urban blasting vibrations

　　

基于心率变异性（HRV）的振动台框架可量化人体生理应激。70 Hz竖向振动被识别为关键敏感阈值。HRV改变与心电图（ECG）ST段抬高揭示急性自主神经紊乱。模型应用在城市基础设施中实现零投诉治理。

研究背景与问题：爆破技术仍是矿山工程、地下空间开发和城市更新中岩体破碎的重要高效方法，但爆破诱发地振动（BIGVs）既威胁临近地下工作区、支护系统和地表结构稳定，也使一线矿工、地下工程人员和附近居民反复暴露于瞬态振动，引发生理心理应激并影响工作效率和长期健康。已有研究主要沿稳态振动人体生物动力学响应和极端爆炸冲击波损伤机制两条路径展开，而对BIGVs这种具有强瞬态、高频重复特征载荷的人体生物动力学传递、感知规律及舒适度影响认识不足。为此，研究人员建立融合工程振动参数、ECG衍生生理响应和主观反馈的定量舒适度评价框架，识别主导振动方向和最敏感频率，建立基于舒适度的安全分区模型，并在平陆运河工程中检验应用。
技术方法（不超过250字）：采用可控电磁振动台试验模拟爆破振动，并以现场爆破试验进行对比；采集12导联ECG并提取HRV频域LF/HF指标，结合五级主观描述量表和基于隶属度的模糊统计烦扰率分析；用ANSYS/LS-DYNA建立1:1高层建筑—地层—水耦合数值模型，采用等效爆破荷载和现场监测验证，并进行Sadovsky回归和二次多项式拟合。样本队列来源为江汉大学30名健康本科生志愿者，年龄18—28岁，男15名、女15名，其中10名有规律体育锻炼。
研究结果：3.1 振动台可靠性验证：通过现场爆破与振动台试验的ECG变化对比，LF/HF偏差总体在10%以内，表明振动台模拟爆破振动具有可接受的可靠性。3.2 人体主观感知分析：通过五级量表发现水平振动主要集中于下身且烦扰较低，竖向振动随频率升高由足向头上移，70 Hz时胸腰区不适最明显，确定竖向为影响舒适度的主导方向、70 Hz为关键频率。3.3 心电图（ECG）分析：通过静息与第36工况对比发现部分受试者ST段抬高，结合LF/HF升高提示振动诱发自主神经系统（ANS）失衡。4.1 心电图参数选择：通过比较时域与频域指标，确定HRV的LF/HF作为定量舒适度评价指标，因其可区分交感与副交感活动且适合短时记录。4.2 心电图指标变化分析：通过30名受试者各工况统计发现竖向振动下LF/HF随频率先升后降、70 Hz达峰，并随振动速度升高而增大，水平振动影响较弱。4.3 人体舒适度评估框架构建：通过整合LF/HF增长率和主观反馈，建立LF/HF增量与无烦扰、轻烦扰、中烦扰、重烦扰的对应关系，并给出频率—速度—舒适度关联。5.1 性别与体力活动模式的影响：通过分组统计发现男性静息LF/HF及竖向振动下增量一般高于女性，久坐者高于规律运动者，提示高静息LF/HF人群更易受振动应激。5.2 安全分区模型提升城市韧性：通过平陆运河第14段工程概况、数值建模与验证，发现高层建筑竖向峰值质点振动速度（PPV）沿高度先减后增，9层为界，上部放大；现场与数值误差在15%以内。5.3 基于人体舒适度模型的安全分区：通过Sadovsky回归和高度拟合，给出水平距离及相对高度差与烦扰等级关系，地面距离小于22.08 m为重烦扰、22.08—31.51 m为中烦扰、31.51—44.96 m为轻烦扰、大于44.96 m为无烦扰，并据此实施分区预警和人员管控。5.4 局限与未来工作：指出振动台不能完全复现空气冲击波、噪声、粉尘和心理预期等复合环境，所提阈值应视为振动特异标准，1 cm·s^?1主要适用于健康青年成人，对老年密集区等敏感人群应加严并避免70 Hz敏感频带。
讨论总结：讨论表明，性别和运动习惯通过基线自主神经平衡影响振动耐受性，男性及久坐者LF/HF增量较高；高静息LF/HF的老年人、婴幼儿、孕妇和心血管病患者可能在同等振动下承受更强生理应激，故对医院、养老院、学校等敏感设施应预留附加安全裕度，可参考ISO 2631-1及国家标准的30%—50%加严。平陆运河应用显示，基于舒适度的分区预警和人员撤离可实现“零投诉”治理。局限性在于实验环境与真实城市爆破的噪声、粉尘、空气超压和心理预期存在差异，且样本为健康青年，阈值外推需谨慎。
研究结论（译）：（1）竖向振动是决定人体舒适度的主导矢量，70 Hz为关键敏感频率；水平振动主要见于下肢且烦扰较小，竖向振动呈由足向头的频率依赖性体感进展，70 Hz时胸腰区不适最集中；ECG见ST段抬高而P、T、QRS波群基本稳定，提示与振动强度相关的急性自主神经应激。（2）HRV的LF/HF比值被验证为评价振动诱发不适的稳健定量生物标志物；振动暴露较静息显著升高LF/HF，竖向强于水平，且随频率呈非线性并在70 Hz共振点达峰、随速度正相关。（3）男性LF/HF增量一般高于女性，久坐者较规律运动者更易感，高基线LF/HF人群更易受振动应激，提示城市安全管理需针对敏感人群加强保护。（4）在50—100 Hz、1—3 cm·s^?1竖向范围内，主观反应由“一般烦扰”快速转向“高度烦扰”；为保持可接受舒适度，建议地面竖向振动控制在小于1 cm·s^?1并避免70 Hz敏感频带。（5）该评价体系在平陆运河城市爆破中通过韧性导向安全分区和人员管理，实现“零投诉”施工，验证了以生理指标服务城市环境治理的可靠性，并为密集城区振动控制标准提供科学依据。