驾乘舱非均匀热环境中人体热生理响应与主观热感觉相关性分析*

李伟健，陈吉清，兰凤崇，谢海亮

（1.华南理工大学机械与汽车工程学院，广州 510640；2.华南理工大学，广东省汽车工程重点实验室，广州 510640）

前言

当前智能汽车在行驶控制、视觉识别等方向获得充分关注，但乘员舱热环境的自动化和个性化研究尚属空白。当前依靠乘员主观判断及手动调整的制冷/制暖系统工作滞后于环境变化，并不能满足未来汽车高效节能、个性化以及智能调控的迫切需求。将来环境系统无须人为干预，汽车通过生物识别和可穿戴技术快速获取乘客个性特征及生理热响应，结合热感觉预测算法及后台数据库，获得乘客热感觉及热需求信息，环境系统以个人局部热需求和多人群多目标需求为目标，决策出兼顾热舒适和节能的温度策略。因此，生理热响应参数与人体热感觉的关系是智能热环境系统实现的前提和基础。从医学角度而言，人体热感觉来源于人体生理热调节，两者存在必然联系，但是缺乏对客观规律总结和提炼。明确乘员舱非均匀热环境下乘员生理热响应与热感觉的关系对汽车热环境智能系统开发具有迫切需求。

对于人体热感觉热舒适分析研究在建筑、医疗、航空航天等领域已有初步的研究和应用。其中Fangers 的PMV-PDD 热舒适评价方法被广泛应用在不同热环境分析评价。加利福尼亚大学研究人员在大量试验的基础上，建立了Berkeley 热舒适评价模型。建筑环境通风系统也引入人体的动态热响应及热舒适性热舒适分析，从而反馈和修正建筑环境温度控制，达到建筑环境满足居住环境要求。学者针对不同代谢状态的人体及其与环境的热湿传递关系，预测人体的换热过程及其热舒适。但是上述方法主要适用于空间较大、受外界干扰少、趋于稳态的建筑环境。然而车辆乘员舱属于小空间小环境，同时乘员舱隔热和储热性能弱，允许太阳辐射进入，在乘员舱内形成瞬态非均匀热环境。因此现有方法采用空气温度等环境因素判断人体热感觉，对乘员舱热环境的评价结果并不准确，不适用于乘员舱热环境管理。Zhang 等通过汽车乘员热舒适性试验分析得出在乘员舱非均匀环境监测乘员皮肤温度变化比空气温度条件更为有效。相关研究表明，心率、血压等生理热响应与热感觉之间存在显著的关系，但是无论生理医学还是环境研究都缺乏对两者关系特征的深度剖析和总结。

综上所述，当前缺乏乘员舱非均匀热环境下人体生理热响应与热感觉关系规律研究，不足以形成乘员舱热环境热感觉预测方法，仍需要进一步深入研究。本文试验分析了不同座舱温度下受试者的生理响应和热感觉，试验记录了皮肤温度、脉率（PR）、血压（BP）、动脉血氧饱和度（SPO）。乘员的局部皮肤温度对于整体热感觉存在相关性，高温条件下头部和背部更容易感到热，而手和手臂的冷感觉易导致乘客整体不适。研究了汽车乘坐环境对生理参数影响及与人体热感觉的关系，分析作为热感觉模型指标的可能性。为开发参数易采集、可个性化的乘员热舒适性客观评价模型奠定研究基础。

1 热响应与热感觉关系试验方案

1.1 试验研究目标

针对车舱非均匀热环境下人体生理热响应与热感觉的关系对受试者开展了生理响应、主观热感觉试验研究。通过搭建试验平台，采集人体生理热响应参数及主观热感觉，为数理统计分析提供试验数据。

1.2 试验对象基本体征

试验选择10名健康、基本体征相似、年龄22～26岁的男性大学生。受试者身着统一短袖和长裤的夏装，材质为棉和涤纶，衣服热阻约为0.5 Clo。记录受试者的基本体征信息（如年龄、身高、体质量），数据汇总见表1。其中，受试者的身高、体质量和身体质量指数（body mass index，BMI）与中国男性基本特征相近。所有受试者均知情同意本研究目的、试验过程和潜在风险，并获得每位受试者同意。所有受试者均未服用处方药物，且没有皮肤过敏、发烧或其他疾病，并被要求在测试前12 h避免咖啡因、酒精和高强度的体育活动。

表1 受试者基本体征

1.3 非均匀热流乘员舱试验平台搭建

试验基于微型电动汽车平台搭建了乘员舱气候室，该乘员舱平台采用单排双人座位布局，基本布局如图1 所示。试验过程中受试者处于副驾驶位置，并在副驾驶位置布置空气温度、相对湿度和风速测点。T 型热电偶采集空气温度（±0.1 ℃），而热线风速计测量气流速度（±0.01 m/s）。用于记录这些参数的仪器总结在表2 中。试验在车库中开展，不受太阳辐射影响。试验过程中，车舱外空气温度为外界环境温度。

图1 乘员舱气候平台

表2 环境参数采集设备

气候平台的气温通过暖通空调系统提供调整，考虑到车辆的加热和冷却性能。在试验过程，将受试者置于试验平台中，将测点2-4 的平均值作为温度控制条件，加载16-32 ℃温度空气条件，形成非均匀热负荷。根据Danca 等的研究，人体皮肤温度会在经历温度变化的10-20 min内达到恒定水平，因此每隔20 min 改变温度条件，如图2 所示，令受试者产生热、冷和中性等热感觉。试验开始前，试验气候室设置在25 ℃的中性温度下。受试者在气候室中佩戴测量传感器。在试验开始20 min，乘员舱保持25 ℃的舒适环境，避免受试者因之前的环境暴露造成的生理偏差。

图2 温度变化条件

经历20 min 的中性环境后，利用供热设备将舱室温度提高到32 ℃，令乘员处于较热状态下，观察了受试者从中性状态向热不适状态转变过程中的生理变化。在第40 min，调节温度至25 ℃，维持20 min，实现由热不适到中性的生理状态转变。在第60 min，温度调整到16 ℃，获得冷不适。低温持续20 min后，空气温度调节至25 ℃，获得人体由冷到中性的热调节过程。试验过程中相对湿度保持在30%～40%。气流速度保持在小于0.2 m/s，避免气流影响受试者。

1.4 热感觉与生理热响应的试验方法

受试者在所搭建的试验平台开展乘员热感觉试验、人体生理热响应试验两方面研究，结合人体热感觉评价体系进行主观热感觉评分，并测量人体生理热响应变化。

1.4.1 人体主观热感觉评分方法

通过热舒适调查问卷调查受试者的热感觉和热舒适，热感觉标尺如图3所示。热感觉投票（TSV）按ASHRAE/ISO 7 点热感觉量表进行评价，热舒适（TC）则采用Berkeley热舒适6点标尺进行评定。

图3 热感觉和热舒适标尺

受试者在试验开始后第5 min，在移动设备的投票系统进行第一次热感觉和热舒适投票，投票调查内容包括头部、前胸、腹部、后背、上臂、下臂、手部、大腿、小腿和足部的局部部位以及人体整体。之后每隔5 min提醒受试者再次投票。此外，由于当乘员舱环境的送风温度开始调整温度后的5 min内，该阶段环境温度快速变化会引起人体热感觉改变，故该阶段增加每2 min进行一次热感觉投票。

1.4.2 人体生理热响应采集方法

试验测量受试者的生理热响应参数，包括皮肤温度（）、耳蜗温度（）、脉率（）、血氧饱和度（）和血压（收缩压/舒张压/平均压）。试验中生理参数采集仪器规格如表3所示。

表3 生理参数采集设备

皮肤温度随环境温度而快速变化，是判断人体热感觉的重要指标。每个受试者选取14 个皮肤温度测量点，各测点具体位置如图4 所示。试验中采用T 型热电偶测量（±0.1 ℃），所有热电偶均连接到多通道数据采集系统（安捷伦34970A 数据采集器），自动采样间隔为0.1 s。

图4 皮肤温度测点

生理参数传感装置安装在受试者的指定测量位置，如图5 所示。为避免干扰右臂皮肤温度传感器，袖带式血压计固定在受试者的左上臂。脉率与心率具有相似特征，且可通过腕/手指感知，而无需侵入式测量，因此更适合作为测量和评价指标。受试者在食指或中指上佩戴指套式传感器，通过光学方法采集血氧饱和度（）和脉率。脉率和血氧饱和度每1 min记录一次，而血压则受限制于设备的响应时间每3 min记录一次。

图5 试验设置

1.5 试验数据处理方法

采用SPSS Statistics 19 软件和Origin Pro 对试验数据进行统计分析。为了评估生理参数的差异，识别潜在的预测特征，研究采用方差分析（ANOVA）来分析生理参数对热感觉的影响。对正态分布和非正态分布的数据进行T 检验和Wilcoxon-Mann-Whitney 检验。采用相关分析研究主观反应与生理反应的整体关系。显著性水平设为95%（*＜0.05），而**＜0.01和***＜0.001。

由于不同受试者的生理参数具有不同的正常水平，所以采用中性感觉下受试者生理参数的平均值作为基本值，并定义变化率来避免这一问题。热感觉生理参数的变化率（）定义为生理参数与中性感觉生理参数的差值和中性感觉生理参数的比值，为生理响应值；i是中性状态下的平均生理反应。

2 生理热响应变化规律分析

试验平台在试验过程中的热环境如图6 所示，根据温度测点位置可知热环境空间可分为头部、胸部、腿部3 个水平区域，腿部空间区域温升能力弱于其他位置，存在约1.5 ℃的差异。

图6 试验平台非均匀热环境

所构建的试验环境与汽车乘员舱热环境非均匀特征是一致的。当然，空间较大的轿车其不均匀性相比基于微小型乘员舱搭建的试验平台会更明显。基于在试验平台上的生理热响应与热感觉关系试验结果，分析受试者在不同环境阶段时生理热响应的变化规律。

2.1 皮肤温度响应

人体皮肤与周围空气直接交换热量，皮肤温度变化能有效反映热环境中人体热状态变化。试验结果显示，皮肤温度与环境温度变化趋势相同，但向低温转变时存在滞后。图7 为受试者的典型部位皮肤温度变化，在升温过程中头部温度快速上升，但从高温转向中性时下降较慢，而降温时，皮肤温度下降显著。相比有衣服遮盖部位，下臂和头部皮肤温度变化幅度更大。试验最初20 min人体皮肤温度上升可能源于准备阶段人体受外界干扰，并在汽车座椅强保暖效果下变热。

图7 受试者的局部皮肤温度

根据受试者不同局部身体部位测量结果及车内环境变化，受试者暴露于瞬态非均匀热环境。然而当前两种最常用的热感觉模型——PMV 模型和标准等效温度（SET），只考虑均匀的稳态条件，并不适用于瞬态非均匀和非对称的汽车乘员舱热环境。因此，ISO 9886 指出了平均皮肤温度（）来评估汽车热感觉的可能性，研究采用Stolwijk/Hardy 的非权重计算方法，式中为局部皮肤温度。

受试者的变化趋势如图8 所示，试验开始时平均值缓慢上升，当环境温度上升后，快速上升至33.5 ℃，而在环境温度下降时，下降，但与中性环境的接近，现有方法进行热状态评估存在一定的局限性。

图8 受试者的平均皮肤温度

2.2 脉率与血氧响应

脉率是反映人体代谢的常见指标之一，受试者的脉率如图9 所示。随着温度的变化，脉率虽然存在波动面，但其均值变化存在一定规律性。当环境温度升高时，脉率均值变化并不明显，在降温过程中，脉率均值程下降趋势，因此温度变化一定程度对心脏有影响。在3种环境条件下，受试者代谢速率有差异，如图10所示，随着环境温度上升，所有受试者平均脉率都出现上升现象，即便上升程度并不一致。

图9 平均脉率变化

图10 脉率随环境变化情况

健康人群的血氧饱和度处于较高水平，而且环境温度的改变对人体影响并不明显。试验结果表明，虽然在16 ℃的低温环境中，略有降低，但基本维持在97%以上，变化如图11 所示。所有受试者在3种环境条件下，平均血氧饱和度变化幅度在2%以内，难以看出显著差异，如图12所示。

图11 平均血氧饱和度变化

图12 平均血氧饱和度随环境变化情况

2.3 血压变化

血管通过收缩和扩张控制与人体肌肉的热量交换，人体血压随血管运动产生变化。人体的血压指标由收缩压、舒张压和平均压（mean arterial pressure）组成，其中

当环境温度上升到32 ℃时，血管扩张，血压下降，增加散热；而环境温度下降到16 ℃时，血管收缩血压增大，减少散热，如图13 所示。图14 监测了受试者收缩压、舒张压和平均压。结果显示，收缩压、舒张压和平均压在16 ℃环境下高于32 ℃，而25 ℃下40%受试者与在32 ℃的血压接近，低温对人体血压调整明显。

图13 受试者平均压均值变化

图14 血压随环境变化状态

3 生理响应与热感觉相关性分析

3.1 皮肤温度与热感觉相关性分析

分析人体皮肤温度变化是评价乘员在瞬态非均匀热环境中热感觉的有效方法。图15 为局部皮肤温度对环境变化的响应情况。暴露在高温环境时，人体各部位皮肤温度上升。环境温度上升前8 min，皮肤温度上升趋势较快，随后趋于稳定。由于人体热调节系统的作用，15 min 后皮肤温度略有下降。大腿和背部皮肤温度由于座椅保暖效果，皮肤温度在中性环境就开始上升，会影响到乘员的热感觉。而当暴露于寒冷环境时，各部位皮肤温度逐渐降低。在降温开始10 min，皮肤温度以较高下降梯度快速下降，然后温度变化趋于稳定。其中，对于缺乏衣服覆盖的身体部位，皮肤温度降幅可达4 ℃。在热调节系统作用下，部分身体部位的皮肤温度会出现略有升高现象。乘员背部一般会紧贴座椅靠背，背部受到较好保暖作用，因此低温环境下其皮肤温度变化不明显。

图15 皮肤温度对不同热负荷的响应

进一步分析局部部位对整体热感觉的影响，统计了各局部热感觉对整体热感觉的影响程度，如图16所示。当受试者处于16 ℃热环境时，整体热感觉投票主要为-3 和-2，此时上臂、下臂、手部和足部的热感觉在冷（-3）和凉（-2）占较大比例，而其他局部部位集中在中性和微凉。当受试者整体处于中性25 ℃环境时，整体热感觉投票集中在-1、0和1，而足部感到稍凉，头部、前胸、腹部和后背部热感觉为稍暖，其他部位以中性为主。当受试者处于32 ℃环境时，整体热感觉投票集中在2 和3，头部热感觉投票主要是热（3）和暖（2），而其他部位主要处于稍暖和暖。上述分析可知，乘员舱热环境中，上下臂及手部感到寒冷是导致整体热感觉偏冷的主要因素，而乘客头部和背部感到热是导致整体热感觉偏热的主要原因。这可能是由于四肢从血液获得的热量较少且缺乏保暖；而炎热环境下头部产热量大，后背散热困难，导致皮肤温度较高。

图16 局部热感觉对整体热感觉影响力

图17分析平均皮肤温度与人体热感觉相关性。变化幅度较大，这可能是个体因素或温度转变时存在感觉超前现象，因此主要研究25%-75%区间内与人体热感觉的关系。热感觉投票为-3时，受试者的主要集中在29-31.5 ℃间，而热感觉投票为3 时，的25%阈值高于32 ℃。皮肤温度与热感觉呈正相关，但中性热感觉的与在稍冷（-1）和稍暖（-2）无明显差异，可用3 阶多项式对热感觉投票与进行拟合，=0.98。

图17 MST与热感觉的拟合关系

心率和血压等心血管生理反应是为维持皮肤温度动态平衡而进行。因此，这些生理参数与存在关联，并在一定程度上具有皮肤温度表征人体热感觉的能力。不同平均皮肤温度范围、脉搏率和平均压力的变化如图18 所示。显然，脉率范围随着皮肤温度的升高而增加，而血压中位线下降明显。

图18 平均皮肤温度与心血管参数关系

3.2 脉率响应与热感觉相关性分析

人体暴露在高温环境中脉率明显高于暴露在寒冷环境。脉率均值与热感觉投票值呈正相关。图19表明，在热感觉-3时均值最小，而在+3时均值最大。人体更容易接受温暖的环境，热感觉+1和+2 与中性感觉0 之间的无显著差异。在冷-3和热+3间存在显著差异*0.034。

图19 脉率响应

试验测得脉率与相关文献的健康人群静息脉率试验接近，变化趋势和规律具有合理性。图20采用脉率变化率-分析热感觉值。热感觉投票值与脉率变化也呈正相关。低气温条件下相邻热感觉等级间的-没有显著差异，但处于温暖环境的-与冷环境的-显著差异（*＜0.05），说明-作为热感觉因素有较大潜力。

图20 PR变化率

3.3 血氧饱和度响应与热感觉相关性分析

高温和低温条件下特征的热感觉没有显著差异。理论上，健康乘员的血氧饱和度会保持在较高状态。不同热舒适性下及其变化率如图21所示。环境因素可能导致的动态波动，但变化幅度小于仪器精确度。不同热感觉下的变化率均小于1%。低温环境中平均值低于高温环境，这是由于低温时人体为减少热量损失降低呼吸速率引起的。

图21 不同热舒适性下SpO2及其变化率

3.4 血压响应与热感觉相关性分析

根据生理学原理，人体感到热时，人体热调节系统通过促进血管扩张，增加身体散热，而在寒冷环境中进行血管收缩，减少热量散失。由图22 统计可知，在冷环境下热感觉［-3，-2］时，血压明显高于热感觉［-1，3］。热感觉为-3 时的收缩压比热感觉投票0 时的收缩压高6.3 mmHg。热感觉从微凉（-1）到热（3）时血压略有下降，相差1.8 mmHg。因此，血压对于低温环境中的热感觉变化表征具有较大潜力，而在温暖环境表现相差不大。

图22 不同血压指标参数变化

3.5 相关系数及回归分析

Pearson 相关系数应用于衡量变量之间的线性关系，是相关性分析重要的指标。

采用Pearson 系数分析人体热感觉与生理反应之间的相关性，生理热响应与热感觉的相关系数如表4 所示。和与热感觉值显著正相关，和-与热感觉值相关性不强。与热感觉的Pearson 相关系数为-0.955，为显著负相关（＜0.001）。相比各种血压参数指标，、-与热感觉值呈显著负相关（＜0.001）。脉率和血压的生理热响应与人体整体热感觉存在显著相关性。

表4 热感觉与生理特征间的Pearson系数

结合分析可知，乘员的脉率和血压变化率与热感觉具有相关关系。因此，采用回归分析方法，确定和与热感觉的函数关系。根据数据变化趋势，使用3 阶多项式进行拟合，用于判断回归方程的拟合程度，越接近1 说明自变量与因变量间的线性关系越强，拟合系数和拟合曲线如表5和图23所示。

表5 拟合系数

图23 PR-CR 和MAP-CR拟合曲线

4 结论

（1）搭建了非均匀热流耦合乘员舱气候试验平台，构建了人体主观热感觉的双标尺评价体系，受试者在试验平台中开展热感觉投票和脉率、血压、皮肤温度等生理热响应的试验研究。

（2）试验获得不同环境条件对生理热调节与热感觉带来的潜在影响及两者的变化规律。乘员舱非均匀热负荷使人体局部皮肤温度响应存在差异，温暖环境下头部和背部热感觉评分达到+3（热），而寒冷环境下手臂和手部降温导致热感觉评分达到-3（冷）。人体平均皮肤温度与其整体热感觉的关系可用三次线性关系表达。

（3）试验数据T 检验表明，人体的主观热感觉与、、显著相关（＜0.05）。受试者在温暖热条件下比在寒冷热条件下脉率增加11%和平均压降低8%，故过高或过低的乘员舱温度对乘客心血管系统存在威胁。分析人体生理热调节响应与热感觉的Pearson 相关系数，和与热感觉显著正相关（=0.943，＜0.001），与热感觉的相关系数为-0.955（＜0.001）。

（4）本研究针对具有相似BMI的年轻人群，随着年龄和生理机能的不同，热感知也会受到影响，因此有必要开展对儿童和老人的深入研究。