長時間駕駛過程中駕駛員姿勢調節的研究*

王 波，成 波，張非若，陶 鑫

(清華大學，汽車安全與節能國家重點實驗室，北京 100084)

前言

近年來，車輛的駕乘舒適性得到了汽車制造商和駕駛員越來越多的重視。與駕駛相關的職業健康問題也得到了人們越來越多的關注。有關駕駛員尤其是職業駕駛員的身體狀態調查結果表明，駕齡12～15年的駕駛員中，患有各種腰椎疾病的占65%［1］。

為提高駕乘舒適性，文獻［2］中研究了提高座椅的舒適性設計水平的途徑。文獻［3］～文獻［5］中則進行了駕駛員的姿勢偏好的研究，以指導座椅可調節行程的設計。美國汽車工程學會也根據美國人口的統計學數據制定了座椅行程和坐墊高度選取的指導準則［6］。

近年來，隨著研究的深入，有些研究成果已經能夠對駕駛員的姿勢偏好給出較為精細的描述:文獻［7］的研究得到了座椅前后位置的回歸模型;文獻［8］的研究則進一步利用統計的方法得到了駕駛員姿勢(包括多個姿勢關節角度和多個人體標志點)的回歸模型。這些研究成果能夠用于指導座椅行程的設計，甚至用于設計智能調節座椅以提高駕乘舒適性。然而，有研究指出，由駕乘導致的疲勞，可以簡單歸因于駕駛時間的延長，而與座椅的設計沒有必然的聯系［9］，也即導致駕駛疲勞的因素可能是多種多樣的，而且事實上是由其他因素而不是座椅導致的［10］。因此，通過改進座椅設計的方法并不能夠避免因長時間駕駛而導致的疲勞。

為了肌肉健康，姿勢上的變動常常是非常必要的［10］。文獻［11］中指出，一個舒適的座椅應當能夠適應人的姿勢變化。文獻［12］中指出，姿勢的變化能夠使肌肉得到放松并使營養得到補充。同樣，文獻［13］中指出應該允許駕駛員改變身體位置來使肌肉上的壓力得到緩解。由此可見，駕駛員的姿勢變化能夠有效地緩解駕駛疲勞。而在實際的駕駛過程中，尤其是在高速路上駕駛時，駕駛員很難主動進行姿勢調整，而且主動進行大幅度的姿勢調整還有潛在的安全風險。因此，如果座椅能夠智能地對駕駛員的姿勢進行調節則可以很好地解決這一問題，本研究所關注的就是在長期駕駛過程中進行姿勢調節的效果。

為提高車輛的駕乘舒適性，姿勢分析、體壓分布與電生理測試手段等客觀評價方法和主觀問卷等主觀評價方法已經被廣泛使用［14］。在這些方法中，體壓分布因為能夠準確描述人與座椅的接觸特性而在近年來得到廣泛的應用［10，15－16］。因而，本文中也將采用體壓分布測試方法。

1 實驗設計

為研究在長時間駕駛過程中進行姿勢調節的效果，設計了3個實驗環節:對照實驗、坐墊調節實驗和靠背調節實驗。每名被試人員均須參與3個實驗環節。實驗均在Ford S-Max上進行，且均為實車的靜態駕駛實驗，實驗時間為75min。在對照實驗環節，駕駛員首先被要求通過自行調整以找出自己最舒適的位置，然后在此位置上進行靜態駕駛75min。坐墊調節實驗環節和靠背調節實驗環節只是在對照實驗環節的基礎上增加了相應的調節手段。其余實驗條件均保持不變。

1.1 被試人員

共計有24名被試人員參與了實驗，其中12名為男性，年齡為20－30，平均身高(標準差)為174.1(5.1)cm，平均體質量為68.0(6.6)kg;另外12名為女性，年齡為20－30，平均身高(標準差)為163.3(4.3)cm，平均體質量為51.3(5.1)kg。所有被試人員均有駕駛證且身體健康，無職業健康問題。

1.2 實驗方案

坐墊調節與靠背調節均選取在駕駛員駕駛30min后開始。坐墊調節實驗環節中的調節為采用調節坐墊前后位置的調節方法，對不同的被試人員設置了不同的調節方向、頻度和幅度;靠背調節實驗中的調節為采用調節靠背角度的調節方法，對不同的被試人員設置了不同的調節方向、頻度和幅度。具體的實驗內容設計見表1。

表1 調節實驗方案

1.3 體壓分布

實驗中采用兩塊Tekscan的壓力測試墊來采集坐墊和靠背上的壓力分布。每塊測試墊上共有1 024(32×32)個厚度為1.78mm的力傳感器，可以測量高達250mmHg的壓力，每塊測試墊的可測試面積為471.4mm×471.4mm。壓力墊表面有布覆蓋，試驗中用膠帶固定壓力墊的邊緣，以避免壓力墊在測試過程中出現滑移。壓力測試墊的示意圖見圖1，圖中每個黑色圓圈代表一個力傳感器。

為更好地描述體壓分布，本文定義了8個體壓分布變量(見表2)。由于本研究更關注由姿勢調節而導致的體壓分布變化，因而在分析中選取的是體壓分布變量與駕駛時間的相關系數作為分析對象。

表2 體壓分布變量定義

1.4 主觀評價

在3個實驗環節中，每5min對被試人員進行一次主觀評價，評價量表為0～10的不舒適量表，其中0代表沒有任何不適感，10代表極度不舒適。主觀評價針對人體的各個局部部位:前臂、上臂、肩、上背部、腰部、臀部、大腿和小腿。因為主觀評價結果具有不確定性，不同人之間的主觀評價結果不具有可比性，甚至同一個人在不同時間的主觀評價結果也不具有很強的可比性，為消除這種主觀不確定性的影響，定義了如下變量:

式中:rijk為第k(1，2，3分別代表對照實驗、坐墊調節實驗和靠背調節實驗)次實驗中的第j(1，2，…，7分別代表7個不同身體部位)個部位的第i(1，2，…，16)次主觀評價結果。ratejk反映了被試人員前后期的主觀評價變化情況，值越小表明不舒適性隨時間的增加越緩慢。本文中最終選取了指標ECj來計算坐墊調節的效果:

ECj越小表明坐墊調節效果越好，ECj＜1表明坐墊調節提高了舒適性，反之則表明沒有改善。

類似地，選取指標EBj來計算靠背調節的效果:

EBj越小表明靠背調節效果越好，EBj＜1表明靠背調節提高了舒適性，反之則表明沒有改善。

2 坐墊調節效果

由于在實驗中，每個組(分組方案見表1)的調節方案一致，因而在比較調節效果時，選取每組主觀評價數據(EC值)的均值進行比較。對于體壓分布數據，選取體壓分布變量與駕駛時間的相關系數作為分析變量，此處采用的數據為坐墊調節實驗中的體壓分布變量與駕駛時間相關系數與對照實驗中的對應值之差，且對每一組的數據取均值進行分析。

2.1 調節方向

對于坐墊調節，組1對組4、組2對組5、組3對組6，有差異的實驗條件僅為坐墊調節的方向。它們之間的主觀評價EC值的兩兩比較結果見圖2。由圖可見:坐墊向前調節能夠顯著改善舒適性，向后調節則無法顯著改善舒適性，甚至會增加不舒適感;而對于具體各個部位而言，坐墊向前調節能夠顯著改善人的末端(上臂、前臂、大腿、小腿)舒適性，在人體的軀干舒適性上，總體上有所改善，但是改善程度較低。

坐墊調節的體壓分布結果見表3，體壓分布的結果與前述的主觀數據相吻合。此前的研究［17］顯示，對于多數駕駛員而言，隨著駕駛時間的延長，駕駛員的姿勢會變得更加蜷縮，即背部更加彎曲。當坐墊向前調節時，人的臀部和腰部能夠與座椅更加充分地貼合，使得人體在不進一步彎曲背部的情況下就能得到比較好的支撐，提高了脊柱的舒適性。此外，因為腰部沒有進一步彎曲，也使得人體末端具有更大空間，提高了操作舒適性。表3中的體壓分布數據也證實了這一點，相比于組 4、5、6，組 1、2、3的Centerb相關系數增加值更小。由于駕駛員的姿勢變得更加蜷縮，因而人體上身與臀部有連動效應，因此對應的組1、2、3的Centerc相關系數增加值更大。其他的體壓分布變量則受到多種因素的影響而沒有一致的結果，座椅向前調節和向后調節的結果示意圖見圖3。

表3 坐墊調節體壓分布結果(相對于對照實驗的體壓變量與時間相關系數的增加值)

2.2 調節頻度和幅度

對于坐墊調節，組2對組3、組5對組6有差異的實驗條件僅為坐墊調節的頻度和每次調節的幅度，而總的調節幅度是一致的，也即僅存在調節頻度上的差別。它們之間的主觀評價EC值的兩兩比較結果參見圖2?？梢园l現對應的組間無明顯差異。表3的體壓分布數據也證實了這一結果，組2對組3、組5對組6的體壓分布數據也沒有一致性的結果，即在體壓分布數據上也未顯示出明顯的可區分性。

組1對組3、組4對組6有差異的實驗條件僅為每次調節的幅度。由圖2可以發現，對應的組間無明顯差異。同樣，根據表3的體壓分布數據，組1對組3、組4對組6也沒有明顯的差異。也即結果表明，坐墊調節的幅度和頻度對調節效果無顯著影響。

3 靠背調節效果

3.1 調節方向

對于靠背調節，組1對組4、組2對組5、組3對組6有差異的實驗條件僅為靠背調節的方向。它們之間的主觀評價EB值的兩兩比較結果見圖4。由圖可見:靠背向前調節能夠在總體上(組1和組2改善較為明顯，組3相對不明顯)改善舒適性，向后調節無法顯著改善舒適性，甚至會增加不舒適感;而對于具體各個部位而言，靠背向前調節能夠顯著改善人的末端(上臂、前臂、大腿、小腿)舒適性，而臀部則因為坐墊與靠背的角度減小而受到擠壓，舒適性變差。

靠背調節的體壓分布結果見表4，表4的結果與主觀評價結果相吻合。對于多數駕駛員，隨著駕駛時間的延長，駕駛員的姿勢會變得更加蜷縮，即背部更加彎曲。當靠背向前調節時，其作用與座椅向前調節的作用類似，人不必進一步彎曲背部就能得到比較好的支撐，提高了脊柱的舒適性，此外，因為腰部沒有進一步彎曲，也使得人體末端具有更大空間，提高了操作舒適性。表3中的體壓數據也證實了這一點，相比于組4、5，組1、2的 Centerb相關系數增加值更小。由于人體上身與臀部的連動效應，對應的組1、2的Centerc相關系數增加值更大。對于組3對組6，主觀評價的結果即不具有顯著差異，且組3的主觀評價顯示改善效果不明顯，因而在體壓分布數據上未能得到與組1、2一致的結論。

表4 靠背調節體壓分布結果(相對于對照實驗的體壓變量與時間相關系數的增加值)

3.2 調節頻度和幅度

對于靠背調節，組2對組3、組5對組6有差異的實驗條件僅為靠背調節的頻度和每次調節的幅度。而總的調節幅度是一致的。它們之間的主觀評價EB值的兩兩比較結果可以參見圖4。由圖4可以發現，對應的組間無明顯差異性。由表4可以發現，組2對組3、組5對組6的體壓分布數據也不具有顯著的差異。

組1對組3、組4對組6有差異的實驗條件僅為每次調節的幅度。由圖4可以發現，對應的組間無明顯差異。也即結果表明，靠背調節的幅度和頻度對調節效果無顯著的影響。

4 討論

綜合采用了體壓分布測試手段和主觀問卷等評價方法，分別研究了在駕駛過程中進行坐墊調節和靠背調節的效果，并研究了調節方向、幅度和頻度等因素的影響。

研究結果顯示，坐墊調節和靠背調節對于駕駛員舒適性的影響機制具有一致性，即都主要通過影響腰部的狀態來影響舒適性。有研究證實，很多人在乘坐時會選取一種脊柱彎曲的姿勢，而這一姿勢則因為會導致背部肌肉活動下降而加重乘坐不適感［18－20］。本文的結果與這一結論相吻合，也即使得背部無須過多彎曲就能完成駕駛任務的調節方法取得了更好的駕乘舒適性。坐墊調節和靠背調節主要通過影響腰部來影響駕乘舒適性也與駕駛員職業健康現狀相吻合:對于職業駕駛員而言，腰部是最容易罹患職業病的部位，也即腰部是最為容易受到傷病、容易疲勞的部位。人在駕駛過程中首先應保持駕駛安全，確保座椅能有足夠的支撐以安全地完成駕駛任務。因此，很容易出現為了滿足腰部的支撐而導致人體末端舒適性降低的情況。因而，坐墊調節和靠背調節都通過影響腰部而主要提高了人體的末端舒適性，而對于腰背部的舒適性改善則不明顯。

本文中分別研究了在駕駛過程中進行坐墊調節和靠背調節的效果，雖然兩種調節在作用機制上存在一致性，然而兩種調節方法可能存在交互影響且有互補性，比如靠背向前調節的同時適當向后調節座椅則有可能消除對臀部的擠壓感。因而，今后應進一步研究兩種調節方法的交互影響，并提出效果更好的綜合調節方法。此外，坐墊調節和靠背調節對腰背部的改善效果不明顯，今后須研究結合腰靠調節的綜合調節方法來提高整體的駕乘舒適性。

本文中研究結果顯示，調節的幅度和頻度對駕駛員的舒適性均無顯著的影響。然而，因為選取的幅度和頻度較少，所以對這兩個因素的影響尚無法得到確定性的結論，需要在后續的研究中擴大試驗樣本做進一步的研究。

5 結論

本文中研究了在長時間駕駛過程中進行坐墊調節及腰靠調節的效果，并研究了調節方向、調節幅度和調節頻度的影響。結果顯示:向前調整坐墊的調節方法能夠顯著提高人體的舒適性，尤其是人體的手臂、下肢等末端舒適性;向后調整坐墊的調節方法無法顯著改善舒適性，甚至會增加不舒適感;向前調整靠背的調節方法能夠在整體上提高人體舒適性，但是臀部的舒適性會下降;向后調整靠背的方法無法顯著改善舒適性;就本文選取的調節幅度和頻度，未見其對坐墊調節效果和靠背調節效果有顯著的影響。

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