Varför kan man bli åksjuk när man åker tåg?

Transkript

1 <._._32an new. Hmmm

2 VTI särtryck 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 mars 1998, Göteborg Utgåva 2 Johan Förstberg SSN x : Omslag:ChristerTonström, Mediabild

3

4 Innehållsförteckning 1 INLEDNING 1 2 METODER 1 3 RESULTAT ÄKKOMEORT, KOMFORTSTÖRNINGAR OCHFÖRMÄGAATTARBETAELLERLÄSA RÖRELSERELATERADE OBEHAG HYPOTESER ANGÅENDE UPPKOMSTEN AV RÖRELSESJUKA SENSORISKA KONELIKTHYPOTESEN EMPIRISKAMODELLER RÖRELSER I TÅGET 7 6 ÖVRIGA RESULTAT 9 7 SAMMANFATTNING LÄMPLIG LITTERATUR REFERENSER 10

5

6 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. Korglutningstekniken 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 Tre program för styrningen av korglutningen provades. De benämndes A, F och G, eftersom alternativen B, C och D hade testas under december 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 Typiskmaximal hastighet/acceleration lateral acceleration [O/s] / [O/S2] [m/sz] AlternativA 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. De fick bedöma åkkomfort, ev. komfortstömingar och i så fall vad de berodde på, sin

7 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 %. 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.

8 Andel personer med något rörelserelaterat obehag (ARO) Andel rörelserelaterade obehag Provomgång två Approximativt 95%konfidensintervall 20% 18% _L.b o\ _L 03 o\ 12% 10% 8% 6% 4% 2% 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% Andel rörelserelaterade obehag (ARO) 20% IMän I Kvinnor l'_'l Totalt 15% 10% S% 0% Alternativ A Alternativ F Alternativ G FigurZ Fördelning mellan könen av andelen rörelserelaterade obehag för de provade alternativen.

9 Andel av försökspersonerna med något obehag 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. 20% 18% 0 1 Rörelserelaterade obehag Andel med obehag som funktion av restiden (etappnumret) + Mede A ' A- Medel F -- Medel G 14% -x Medel A+F+G 1 2 /o 1 O /o 8% 6 /o 4% 2% O% ca 50 min ca 90 min ca 130 min ca 180 min Restid & Etappnummer Figur 3 Andel rörelserelateraa'e obehag som funktion 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.

10 I 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 I I! Motor Volitional control 1, and reflex system I movement I I Updates Active internal model Internal model. movement E (adaptation), yes neural store of expected signals Motion Semicircular stimuli cana 3 \ L [ Neläraltlcentres Motion SiCk- ; _eaky _ ; me '3 ing % ness syndrome.,, integration _/ srgns & \ OtOllthS I / M' '( h symptoms * Passive, \ apadviother,, isma c. signal I of motion (Pallor, sweatlng, g I Threshold sickness nausea,vom t ng, movement» receptors drowsiness,, I I V apath etc.) 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.

11 nonan simutss nunnan u).? 00 O 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 ]976). 0 () NJ Vomiting incidence (%) so * Alexander et al (1947) - McCauley et al (1976) + Lawther and Griffin (1986) _ + ++.!.. *.:. " ** :x *?"är! M#+ fl 1 l Dose (mfl-5) Figur 6 Lowther and Griffins motion dose modell. (ur Griffin 1990). Rörelsedos (motion dose) är definierat 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 [%]. Vägningsfiltret wf är definierat av ISO (ISO 1997).

12 Rörelsedos vertikal acceleration [tn/31 s] 5 Rörelser itåget 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 Lp-K Lp-Jn Lp Jn-K Lp-Jn-Lp Etapp Figur 7 Vertikala rörelsedoser per etapp (undre kurvskara) och ackumulerat (övre kurvskara) 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.

13 Rörelsedos roll acceleration [rad/31's] Roll acceleration rörelsedos Per etapp + 0,65 Roll acc alt A P 0) o,\ -. Roll acc alt G / ;. "Ar Roll acc alt F.' /, " / l " / \\ ll\ A. 0,55. xx," // I,. _; / xx // 050, ~..\\ x, ( "o,!._\ ".Nx 045 "- ~ ""'" 0,40 ),... 0,35 r * 'Ö', 'o/l 0,30 Lp-K K-Jn Jn-K K Lp Etapp Figur 8 Rörelsedoserför rollacceleration utvärderat per etapp för de tre alternativen. In uence from roll acceleration on symptoms ofmotion sickness incidence 50% 450/0. SMSI (Female).. : x SMSI (Total) Fe I (I) ma % 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 %) 300/0 = / w / ' ;; 2 25%, x '/ T0t a popu at' 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/%% 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 = andelmed obehag).

14 PSD [(m/32)2/hz] _ Frekvensanalys En undersökning om det finns skillnader i amplitudnivån för de tre alternativen i frekvensplanet 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 %. o 01 ' Frekvensanalys - Rollvinkelacceleration Jämförelse mellan alternativen A, F och G Rollv acc Alt A Rollv acc Alt F Rollv acc Alt G 0,001 0,0001 0, ,01 0, Frekvens [Hz] Figur 10 Power-spektra (PSD) för rollacceleration pd en sträcka mellan Katrineholm och Åby. PSDför AlternativA dominerar upp enfrekvenspd ca 0,3 Hz. 6 Övriga resultat Fram eller baklängesåkning har stor inverkan på andelen personer med obehag (ARO), se tabell 3. Tabell3 Inverkan avfärdriktningfram- eller baklänges samt inverkan om ) haftfönster 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 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)

15 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 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 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 ) 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] 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 Stockholm: KTH. (Även publicerad som VT] Meddelande 802A. Linköping: VTI) Griffin, M. J. (1990). Handbook ofhuman Vibration. London: Academic Press. ISBN

16 ISO. (1997). Mechanical vibration and shock Evaluation ofhuman exposure to whole body vibrations- Part 1: General requirements. ISO/DIS 263] l:l997(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 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 , 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 andpharmacology, 68, pp Ohno, H. (1996). What aspect is needed for a better understanding of tilt sickness? Quarterly report ofrtri. 37:1, pp Reason, J. T. (1978). Motion sickness adaption: a neural mismatch model. Journal of the Royal Society ofmedicine 71: pp

17