低地板公共交通工具上载人手动轮椅失稳力的初步分析

《Disability and Rehabilitation: Assistive Technology》：Pilot analysis of forces that can destabilise occupied manual wheelchairs on low-floor public transit buses

　　

摘要
目的：在确定用于防止手动轮椅使用者在大型公共交通工具上滑动或倾翻的最佳约束或包容系统之前，必须理解导致其失稳的力。本初步研究记录了：(1) 轮椅在公交车上受到的力；(2) 轮椅在公交车上的移动情况；(3) 正常运行作用力与导致轮椅滑动或倾翻的作用力之间的差异。方法：使用加速度计在六条不同地形的公交线路上收集作用于三台手动轮椅的力数据。使用MATLAB汇总数据范围，并通过雨流计数法（Rainflow analysis）生成图表以供目视检查。轮椅开始滑动和倾翻的临界点分别使用SOLIDWORKS和MSC Adams软件进行三维建模与仿真。随后将正常运行作用力与导致滑动或倾翻的作用力进行直接比较。结果：典型驾驶条件下作用于轮椅的真实世界驾驶力范围为?0.62 g至0.44 g。记录了轮椅开始滑动或倾翻的临界点。编制了显示正常运行作用力与导致滑动或倾翻作用力的对照表，确认滑动和倾翻可能发生在常规操纵过程中，尽管此类力很少产生。结论：这些初步数据为公交车设计者、运营者和交通政策制定者提供了作用于手动轮椅并导致滑动或倾翻的力信息，以便监测驾驶员行为并持续改进约束或包容系统，从而促进所有乘客的安全。
康复启示：在乘坐地方公交前，应告知手动轮椅使用者滑动或倾翻的风险，以及是否有可用的包容系统来减少这些事件。康复专家在处方手动轮椅时，应考虑轮椅特性（如重量、脚轮配置）与公交车产生力之间的相互作用，以提供轮椅选择、定位和安全出行建议。康复专家和工程师可合作理解地方公交车上导致轮椅使用者滑动和倾翻的移动力的程度和性质。有关地方公交车上移动力的知识可用于未来研究，以改进被动包容系统，从而提高手动轮椅使用者在公交车上的安全性。
关键词：轮椅；移动设备；公交动力学；公交安全；约束装置/系统

论文解读：低地板公共交通工具上载人手动轮椅失稳力的初步分析

一、研究背景与问题
随着使用电动或手动轮椅及代步车（统称移动设备）的人口持续增长（英国约430万，美国约500万），确保其在公共交通公交车上的安全与独立使用仍存在关键缺口。尽管多数发达国家通过立法将公共交通无障碍视为基本权利，但实践中仍存在诸多障碍。现有研究多聚焦于优化上下车和车内移动策略，对于运输过程中移动设备安全性的理解严重不足，尤其缺乏关于约束或包容系统有效性的证据。移动设备使用者在公交车上会受到多种力作用，可能导致滑动或倾翻，进而造成严重伤害甚至死亡。已有研究虽然表明此类事件相对罕见，但其后果严重，因此有效包容系统至关重要。目前约束机制主要分为主动约束（active restraint）和被动包容（passive containment）两类。主动约束通常由驾驶员操作，被动包容则可由使用者独立完成，通过后向面对背板、侧向立柱或折叠屏障来减少滑动或倾翻。国际上对于发展被动包容系统的呼声渐高，但缺乏真实世界力数据来指导标准制定。此前德国早期研究提供了基础阈值（手动轮椅滑动约0.18–0.21 g，倾翻约0.37 g），但距今已超30年，未能反映现代低地板公交车设计、驾驶实践和路况。后续研究虽提供了部分加速范围，但数据多来自实验室或驾驶员知情情况，缺乏真实世界未知监测条件下的力数据。此外，澳大利亚尚无相关标准实践，亟需本地实证数据。因此，本研究作为初步探索，旨在记录低地板公交车上作用于手动轮椅的典型力范围，通过三维仿真确定滑动和倾翻临界点，并比较正常运行力与导致失稳的力之间的差异，为未来标准修订、驾驶员培训和包容系统设计提供定量基准。

二、主要关键技术方法
本研究采用混合方法：首先，在六条不同线路（城市、郊区、区域）的低地板无障碍公交车上，使用Bean Air加速度计（精度±0.01 g，采样率200 Hz）采集真实世界力数据，共涉及三家公司、八名驾驶员，其中五条线路驾驶员不知情以保证典型驾驶行为，另一条线路由经验驾驶员模拟极端操纵（如急刹车、急加速、急转弯）。其次，选取三款常见手动轮椅（Karma Eagle—15.90 kg，Quickie 2—12 kg，手动混合轮椅—19 kg），并采用来自www.humanshape.org的男性人体模型（约50多岁，体重101.30 kg，BMI 30），使用SOLIDWORKS重建三维模型，再导入MSC Adams多体动力学软件进行滑动和倾翻仿真。轮胎与地板间摩擦系数设为0.65（依据AS/NZS ISO 10865.1:2015标准下限）。数据后处理采用四点移动平均去除噪声，运用MATLAB中的雨流计数法（Rainflow analysis）分析力事件的频率和持续时间。仿真阈值与已发表文献（Hunter-Zaworski和Zaworski；Rutenberg和Hemily）进行基准比较。此外，在两条线路（Drive 2和Drive 3）上使用载人轮椅进行实际观测，获取初步真实位移数据以辅助仿真解释。

三、研究结果

（一）典型力范围与三维仿真滑动/倾翻临界点
在非极端驾驶线路（除Drive 3外）汇总数据显示：正常驾驶条件下，x方向加速度范围为0.28 g至?0.26 g；急刹车时范围为0.44 g至?0.62 g；垂直曲线（坡道弯）上范围为0.38 g至?0.29 g；水平曲线（平路弯）上范围为0.36 g至?0.42 g；环形交叉口最大横向力达?0.41 g。Drive 2（典型驾驶，载人轮椅）中观察到：当x轴加速度介于0.20–0.28 g时，即使刹车锁定，轮椅仍向前滑动；在约2:36标记处，轮椅因y轴横向加速度达0.38 g而后倾（近倾翻事件）。三维仿真预测：纵向加速或制动时倾翻阈值为0.20–0.28 g，垂直曲线为0.18–0.26 g，水平曲线为0.21–0.25 g。滑动通常比倾翻在更低g值下发生，且前向和侧向位移先于倾翻。Drive 3（极端操纵）中，使用四点系紧主动约束，座椅安全带固定，乘员未移动；最高记录加速度为2.81 g（机动3），最大减速度为?0.62 g（机动5），急刹车时横向力达0.23 g至?0.40 g，环形交叉口最大横向力0.46 g，急刹车产生的垂直方向力低至0.83 g。雨流分析显示，极端g力出现频率极低：例如x方向超过±0.20 g的事件占全部数据点的0%–0.2%；y方向?0.51 g仅出现一次。

（二）正常操作力与滑动/倾翻临界力的比较
将真实世界力范围（表2列2）与三维仿真滑动/倾翻阈值（列3、4）对比发现：正常驾驶条件下，若没有主动约束或被动包容，且使用者无法紧握扶手保持稳定，三款手动轮椅均可能发生滑动或倾翻。尽管极端力出现时间极短，但风险持续存在。例如，即使在正常加速（x=0.28 g）或正常减速（x=?0.19 g）下，由于合成为可能导致倾翻的0.38 g，轮椅仍可能倾翻。水平转弯时，轮椅会旋转成斜角，增加进一步滑动和倾翻风险。

四、讨论与结论
讨论部分指出，本研究的真实世界力数据（来自不知情驾驶员）补充了以往研究中驾驶员可能因知晓监测而改变驾驶行为的缺陷。数据表明，大多数手动轮椅在常规驾驶条件下（包括急刹车和急加速）均可能滑动或倾翻，主要预防因素是使用者是否有足够力量抓握扶手稳定自身。当前澳大利亚标准（AS/NZS ISO 10865.1）和包容系统设计基于较旧的海外阈值，需要用本类实证数据重新评估。由于公交车结构改造不具成本效益，改进包容系统设计和相关标准更为直接可行。被动包容系统单独使用可能无法完全解决问题，因为其效果依赖使用者正确使用；驾驶员行为和培训也至关重要。政策层面应推动基于真实世界动态数据的标准修订（如ISO 7176系列和ANSI/RESNA WC-18-19-20），并考虑道路设计和维护，激励防倾翻装置等先进技术。研究还强调未来应采用参与式设计方法，让轮椅使用者参与基础设施设计。局限性包括：公交车、路线和驾驶员未标准化，人体模型单一（男性），实际载人观测仅两次且为非计划性，未能测量真实摩擦系数等。未来需进行更大样本、控制实验（指定驾驶员重复试验），并探索不同性别、年龄的人体模型和多种移动设备，研究握力需求。结论：本研究提供了低地板公交车上载人手动轮椅失稳力的初步基准数据，明确了滑动和倾翻的力阈值。研究显示，在没有包容系统的情况下，即使正常驾驶条件也可能导致失稳，但风险持续时间极短。这些发现为未来驾驶员培训、包容系统改进和后续控制性研究提供了实证基础，最终有助于提高移动设备使用者的交通安全和独立性。

（总字数约1550字）