汽車乘員人機工程綜合設計方法的研究和應用

張明晶　胡細平

摘 要：文中針對汽車駕駛員人機舒適性和便利性的評價，將基于德爾菲法的主觀人機工程評價方法和基于逆向掃描數(shù)據(jù)對標分析的客觀設計方法相結(jié)合，并通過某汽車產(chǎn)品的設計驗證，初步建立了一套適用于乘用車駕駛員人機工程綜合評價的指標。通過該評價方法的研究和應用，進一步完善了乘用車駕駛員人機工程評價體系，為汽車駕駛室的人機工程設計提供了一種有效可行的實施方法。

關鍵詞：人機工程 綜合設計方法 逆向?qū)?用戶評價 德爾菲法

Research and Application of Comprehensive Ergonomic Design Method for Automobile Occupants

Zhang Mingjing Hu Xiping

Abstract：Aiming at the evaluation of human-machine comfort and convenience of car drivers， this article combines subjective ergonomics evaluation method based on Delphi method and objective design method based on bench marking analysis of reverse scanning data， and passed the evaluation of a certain automobile product design verification， and initially established a set of indicators suitable for comprehensive evaluation of passenger car drivers ergonomics. Through the research and application of this evaluation method， the ergonomic evaluation system for passenger car drivers is further improved， and an effective and feasible implementation method is provided for the ergonomic design of automobile cabs.

Key words：ergonomics， comprehensive design method， reverse bench marking， user evaluation， Delphi method

1 前言

人機工程學是一門綜合性較強的交叉學科，它是從人的生理和心理特點出發(fā)研究人、機、環(huán)境相互關系和相互作用的規(guī)律。其目的是讓人在使用機械的過程中感到安全、健康、舒適、高效[1]。汽車產(chǎn)品作為人們的出行工具，其設計核心之一是滿足乘員的人機工程要求。汽車人機系統(tǒng)設計的優(yōu)劣在虛擬設計階段就應該做出有效準確的判斷，以避免實車制造之后因人機問題而進行設計變更造成的時間和成本的浪費，因此一種高效可行的汽車人機工程設計方法在汽車設計中具有重要地位。

2 汽車人機工程綜合設計方法分析

汽車乘員的人機工程設計方法一直是國內(nèi)外汽車行業(yè)研究的熱門問題，其中既有針對整車的人機工程設計方法研究，也有針對汽車局部人機性能的設計方法研究。例如，文獻[1-3]詳細研究了汽車座椅舒適性的設計，并把汽車座椅舒適性分為靜態(tài)、動態(tài)和震動舒適性。文獻[3-4]建立了數(shù)字仿真系統(tǒng)，可虛擬分析不同百分位人體的視野、駕駛姿態(tài)、操作便利性。文獻[5-6]在汽車人機工程總體設計方面做了不少研究。相關研究中，設計方法單一，側(cè)重理論設計，綜合評價指標體系不全面，很難對汽車人機工程設計做出完善的評價。因此，文中針對汽車乘員人機工程的綜合設計方法進行研究。該方法是采用逆向數(shù)據(jù)分析、用戶評價法和德爾菲法相結(jié)合來進行汽車人機工程綜合設計。

2.1 逆向數(shù)據(jù)分析法

該方法的實現(xiàn)是利用逆向掃描的方法將車輛信息進行準確重構，然后通過建模軟件對掃描的數(shù)據(jù)進行逆向建模，再通過測量逆向數(shù)據(jù)得到所需的人機工程數(shù)據(jù)，最后通過不同車輛的數(shù)據(jù)對比，對人機指標進行理論上的評價。該方法可以較為快速和準確的得出車輛的人機工程信息，但該方法的數(shù)據(jù)分析是屬于理論分析，對于不同人體，單純的理論分析與實車感受會有偏差。

2.2 用戶評價法

用戶評價法是基于專家評價法衍生而來的一種汽車人機工程設計方法。專家評價法出現(xiàn)較早，而且應用比較廣泛。其評價的主要步驟為：先由具體情況選定評價對象的人機指標，對每個指標都給出評價等級，且用分值表示每個等級;然后以此為基準，由專家對評價對象進行分析和評價，給出各個評價指標的分值，計算評價對象的總分值可以采用乘法評分法、加法評分法或加乘評分法，計算得出評價結(jié)果。但僅靠專家的評價難以全面地反應汽車消費人群的人機需求。因此，本文提出用戶評價法。該方法與專家評價法的區(qū)別在于：第一、評價者是通過對汽車的市場銷售人群進行定位后，在該銷售人群中隨機抽取一定的人體樣本，將這些樣本作為評價者;第二、對人機指標除了打分統(tǒng)計外，還對每個指標系統(tǒng)存在的問題進行匯總，更直觀的體現(xiàn)出需要改進的問題和方向;第三、用戶評價是通過用戶使用車輛的各種場景的組合評價，充分考慮用戶用車的各環(huán)節(jié)。

2.3 德爾菲法

該方法的基本原理是：針對一定問題，函請相關領域的專家提出意見或看法，然后將專家的意見或新設想加以科學地整理、歸納，以匿名的方式將所歸納的結(jié)果反饋給各專家再次征詢意見。經(jīng)過多輪反復（經(jīng)典德爾菲法為4輪，改進德爾菲法為2～3輪），直到意見趨于較集中，得到比較一致的、可靠性較高的意見[9]。

將以上三種方法進行相互結(jié)合，即得出本文提出的人機工程綜合評價方法。

3 汽車人機工程綜合設計法的實施

以某汽車人機工程設計為例，對汽車人機工程綜合設計法的可行性和準確性進行驗證。

3.1 人機工程設計參數(shù)的建立

進行汽車人機工程綜合設計，首先要確立人機工程設計參數(shù)。

按圖1所示，汽車人機工程綜合設計參數(shù)包括六大項，每一項可以細分到如圖所示的子項，每個子項目還包含有具體的設計參數(shù)，例如進出便利性參數(shù)中的前門進出便利性參數(shù)包括了圖2所示的9個設計參數(shù)。

3.2 理論人機工程指標設計

理論人機工程指標的設計采用逆向數(shù)據(jù)法進行。通過與競品車的對標來設置理論人機工程設計參數(shù)的目標值，本文選擇H6、途觀和GS4作為競品車。

3.2.1 設備

逆向競品車數(shù)據(jù)采用HandyPROBE與C-Track。該設備是由加拿大的Creaform公司所設計及生產(chǎn)，用來獲取物體表面特征線的設備。通過C-Track和定位標點定位，在HandyPROBE紅寶石測頭處生成點線面圓等特征。

如圖3所示，該設備的測量精度可以達到偏差±5mm以內(nèi)，能夠很好的還原競品車數(shù)據(jù)。

3.2.2 人機工程指標建立

通過逆向設備的數(shù)據(jù)采集，并通過UG軟件的逆向建模和數(shù)據(jù)測量，即可得到競品車的人機工程設計參數(shù)值。將競品車的人機工程設計參數(shù)值進行統(tǒng)計整理，再與原型車進行對比分析，即可得出新車型的人機工程參數(shù)理論目標值，例如表1所示的縱向內(nèi)控關鍵參數(shù)。

從表1可以看出，某車型的理論人機工程設計參數(shù)值已經(jīng)得到確定。通過同樣的方法，可以將所有的人機工程設計參數(shù)理論目標值進行確定，并判斷其與競品車的優(yōu)劣。

3.3 人機工程設計參數(shù)驗證

理論目標值設定之后，采用用戶評價法對理論人機工程指標進行驗證。

3.3.1 驗證設備

為了達到既快速高效，又節(jié)省成本的效果，采用Seatingbuck模型與人機臺架相結(jié)合的方法進行驗證。

Seatingbuck是用于驗證駕駛艙及乘員艙空間尺寸、操作舒適性和視野等人機性能的1：1的實體艙室模型。該模型基于造型cas面和人機工程理論設計參數(shù)制造。

人機臺架是一種柔性化的駕駛室簡化模型，通過快速樣件的組裝和根據(jù)人機工程理論設計參數(shù)進行的調(diào)節(jié)，進行駕駛員操控系統(tǒng)和按鍵操縱舒適性的驗證。

3.3.2 驗證過程

將seatingbuck模型、人機臺架、原型車和競品車統(tǒng)一放置于空曠平坦地面，然后通過用戶評價法進行人機工程設計參數(shù)的驗證。從不同百分位的人群中隨機抽取不少于20人作為用戶，按照視野、儲物、上下車等各類場景需求進行實車評審，對每個場景中的人機性能進行打分，最后對打分進行分析統(tǒng)計后排名，得到如圖4所示的表格。

3.3.2 用戶評價結(jié)果統(tǒng)計和分析

通過用戶評價的收集，得出各項人機參數(shù)的得分、排名，以及與競品車相比的優(yōu)勢和缺點，進行統(tǒng)計分析。

圖5為統(tǒng)計結(jié)果分析得出的某車型與競品車的人機評價分值，從中可以看出，某車型的縱向空間設計和貨廂設計評價分值高于競品車，用戶滿意度高，也證明了實車驗證與理論設計相符合。

3.4 人機工程問題解決

用戶評價不僅得出了各項人機參數(shù)設計的實際評分，用戶還針對某些不滿意參數(shù)提出了問題，針對這些問題中重要和難以決策的問題，采用德爾菲法可以得到有效的解決。

3.4.1 專家組的選擇

德爾菲法的基礎是專家知識和經(jīng)驗的匯總，因此專家組的選擇尤為重要。對于汽車公司專家組的設定，通常會選擇相關領域工作經(jīng)驗豐富的主管、經(jīng)理、專家甚至是總工程師，也可選擇外部資源的支持，如外籍專家、高校中經(jīng)驗豐富的學者等。

3.4.2 某車型手剎布置問題的處理

某車型用戶評價提出手剎高度過高且手剎拉力過大。針對該問題，工程師提出了將手剎初始狀態(tài)手柄部分做到水平和將手剎高度整體下降20mm兩個方案，前者更利于提高人機舒適性，但是需要改動較大，后者人機舒適性稍差，但是零件改動較小。通過將兩個方案分別發(fā)送給部門主管和經(jīng)理、項目總工程師、韓國外籍專家，經(jīng)過兩次反饋，最終四位專家達成一致意見，選擇將手剎的操作手柄部分做到水平，以得到更舒適的人機體驗，順利解決問題。

4 人機工程綜合設計方法的應用與展望

從2013年至今，人機工程綜合設計方法已經(jīng)應用于商用車、SUV、MPV、轎車等多款車型的設計研發(fā)中，均取得了優(yōu)異的效果。該設計方法也正在逐步的完善和推廣中。例如用戶評價方法中，為了適應項目的快速開發(fā)，其評價設備不局限于實際模型，還逐步加入虛擬現(xiàn)實技術，利用虛擬設計模型就可進行人機工程評價。

5 結(jié)論

本文結(jié)合某車型的人機工程設計，闡述了一種人機工程綜合設計方法，通過對該方法的研究和應用，得出如下結(jié)論：

1、人機工程綜合設計方法綜合考慮整車人機系統(tǒng)設計，將駕駛員、乘員以及與乘員相關的貨物作為汽車人機工程設計的對象做統(tǒng)一處理，為汽車人機系統(tǒng)設計提出了一種新的思路。

2、人機工程綜合設計方法有理論設計與實際驗證，有效地對汽車人機性能進行了優(yōu)化設計。

3、人機工程綜合設計方法對人機問題提出了有效的處理方式，能夠更快速和有效的解決人機設計問題。

參考文獻：

[1]蔣華偉. 中國汽車安全帶的發(fā)展及現(xiàn)狀研究[J]. 中國機械，2014年，第16期：213.

[2]柴春雷. 基于駕駛姿勢預測模型的人機工程設計技術研究[D]. 杭州：浙江大學，2005.

[3]智睿瑞，劉社明. 基于虛擬人的駕駛艙布局分析[J]. 機械制造，2014年，第2期：32～35.

[4]趙巖. 虛擬人技術在環(huán)控生保艙內(nèi)布局中的應用[J]. 系統(tǒng)工程理論與實踐，2007，第2期：186～191.

[5]朱煒昱，陳昌明，沈浩. RAMSIS在汽車人機工程學中的應用[J]. 中國科技信息，2007年，第8期：59.

[6]趙尚義. RAMSIS軟件在汽車人機工程設計中的應用[J]. 裝備制造技術，2008年， 第7期：64～65.