中國人體尺寸預測方法研究

勾俊杰 冷濟光 畢顯 丁立杰

（1.同濟大學，上海 201804；2.中國第一汽車集團有限公司，長春 130013）

主題詞：中國人體 外國人體 人體尺寸預測 RAMSIS軟件

1 前言

人機工程學的目標是建立人-機-環境相互和諧的共處環境，人-機-環境的密切配合離不開準確的人體模型庫。人體尺寸參數的測量和數據的預測是建立人體模型庫的基礎，專業的人體測量方法可以獲得特定群體的人體尺寸測量數據及其分布規律，進而指導工具、設備及作業空間等的設計。人體尺寸受地域、性別、年齡、人種、身材比例等諸多因素影響。在汽車產品開發中，乘員艙和汽車外部都需要依據特定的目標群體設計，因而必須充分了解目標群體的人體尺寸參數，并據此建立人體模型庫。

目前，通常以GB 10000—1988《中國成年人人體尺寸》中提供的參數作為設計依據，這在理論層面上符合人機工程學的原則[1]，但人體尺寸具有明顯的時代差異[2]，這會直接導致以此設計的產品與現實人體尺寸狀況不符，所以需要在國家標準的基礎上對現階段的中國人體尺寸進行預測。

本文對基于RAMSIS 軟件的中國人體尺寸預測方法進行分析，并基于多國人體尺寸變化規律開展中國人體尺寸等效預測，以期獲得更符合現階段中國人體尺寸實際情況的預測模型。

2 人體尺寸的預測方法

在汽車產品開發中，目前主要應用RAMSIS軟件的人體尺寸預測功能模塊實現人體尺寸預測，但至今，該模塊的尺寸預測僅對部分人體（如德國）做了調整。隨著時間的推移，人體尺寸不可能無限制地增長，因而RAMSIS軟件中人體尺寸預測模塊的預測方法必然存在問題。

2.1 RAMSIS人體尺寸預測存在的問題

圖1所示為RAMSIS中從1988年開始的德國（舊版數據庫）和中國第95百分位男性人體每7年的身高尺寸變化情況，由圖1 可以看出，中國人體和舊版德國人體的身高尺寸預測均符合等差數列的規律，且德國人體身高尺寸的增長速度較中國人體快。對應地，新版德國人體數據庫（2004年起）第95百分位男性人體每4年身高尺寸見圖1，新版德國數據庫的身高尺寸增長預測趨勢相比舊版數據庫變緩。隨著身高尺寸的增長，其增長速度呈現出減小的趨勢，這顯然更符合人體身高尺寸的實際增長規律。

圖1 中國與德國第95百分位男性人體身高尺寸對比

通過對比新、舊版RAMSIS數據庫德國人體身高尺寸的增長趨勢可以發現，1988～2016 年，德國人體身高尺寸的增長在2個階段內分別符合等差數列規律，但整體趨勢可以用相切擬合的二次曲線來表征。

不同百分位中國人體身高尺寸RAMSIS 預測結果如表1所示。分析表1可知，不同百分位人體的增長速度不同，但相同百分位男性和女性的人體增長速度卻是相同的，每7 年第95 百分位、第50 百分位、第5 百分位人體（男性和女性）身高的增長速度分別為7.4 mm、7.0 mm、6.6 mm，符合等差數列的特征。

表1 不同百分位中國人體身高尺寸RAMSIS預測結果 mm

表2所示為舊版數據庫德國人體身高尺寸，由表2可知，德國人體身高尺寸增長速度基本符合等差數列的特征，但是每個百分位人體身高尺寸的增長速度都不相同，大尺寸人體身高增長速度較快，男性和女性人體身高尺寸增長速度也不相同，男性人體身高尺寸增長速度較快。

表2 舊版數據庫不同百分位德國人體身高尺寸 mm

表3 所示為新版數據庫德國人體身高尺寸，由表3可知，德國人體身高尺寸增長速度隨時間的推移逐漸變緩，且每個百分位人體身高尺寸增長速度都不相同，大尺寸人體身高尺寸增長速度較快，男性人體身高尺寸增長速度較女性人體快。

表3 新版數據庫不同百分位德國人體身高尺寸 mm

綜上，對比新、舊版數據庫德國人體身高尺寸變化規律，可得出如下結論：

a.人體身高尺寸的增長方式在短期內符合等差數列規律。

b.RAMSIS中國人體數據庫男性和女性人體身高增長速度相同的預測方式不可取。

c.隨著時間的推移，預測函數必然是非線性的，可考慮采用二次曲線表征。

d.不同百分位的人體身高增長速度不同，需單獨預測。

e.大尺寸人體的身高增長速度快于小尺寸人體。f.男性人體身高尺寸的增長速度較女性快。

2.2 中國人體尺寸的類比預測方法

選取2000年和2010年不同國家的人體身高尺寸數據，以男性人體的身高尺寸為例制作散點圖，應用最小二乘法提取身高尺寸變化規律的參考曲線，結果如圖2所示。由圖2可以看出，德國人體和美國人體身高尺寸及其增長趨勢都基本等效，而日本人體身高尺寸略小，增長略緩。

圖2 不同百分位男性身高尺寸增長規律

此外，中國標準化研究院對中國人體尺寸及其他多國人體尺寸進行了統計研究，通過其最新統計數據可以發現，北美與德國人體的身高尺寸均值基本相當，而中國人體與日本人體的均值也基本相當[3]。中國人體與日本人體的差異主要體現在胸圍等寬度尺寸，以及手長和腳寬等局部尺寸，身高尺寸差異較小。

通過對德國人體增長規律、其他多國人體身高尺寸均值及增長規律的分析，可以得出以下推斷：

a.德國人體尺寸與美國人體尺寸基本相當，說明同一緯度上相似人種的人體身高尺寸可能近似等效。

b.隨著中國人生活水平的不斷提升，中國人體與日本人體作為相似人種，其身高尺寸可以基本等效。

c.各國人體的增長趨勢在一定時間段（如15 年內）內符合等差數列規律。

基于此，本文提出一種身高尺寸預測方法，以第95百分位男性人體身高為例，其預測公式推導過程如下：

a.利用RAMSIS 預測功能推算出2000 年第95 百分位中國男性人體身高尺寸為1 787.3 mm。

b.從2000 年開始，參考日本第95 百分位男性人體增長速度推算2010年中國第95百分位男性人體身高尺寸，假設預測線性方程為y=1.6x+m，將推算出的2000年第95百分位中國男性人體身高尺寸代入得到m的取值，故得到線性方程式為：

c.由式（1）求得2010 年中國第95 百分位男性人體身高尺寸為1 803.3 mm。

d.假設預測函數為y=Ax2+Bx+C，將得到的1988年、2000年、2010年數據帶入，求得A、B、C的取值，得到中國第95百分位男性人體身高尺寸預測方程為：

同理，可以求得中國第50 百分位、第5 百分位男性及第95百分位、第50百分位、第5百分位女性人體身高預測模型分別為：

2.3 2種預測方法的對比

對本文提出的預測方法與RAMSIS 預測方法獲得的2016 年中國人體身高尺寸預測結果進行比較，可以發現二者差別較大，如表4 所示，本文提出的預測方法得到的大尺寸人體身高尺寸增長趨勢明顯更快。

表4 兩種方法2016年中國人體身高尺寸預測結果 mm

本文提出的預測模型得到的中國人體身高尺寸在產品開發中應用效果良好，并在此基礎上完成了設計規范推薦數值范圍的更新，解決了設計規范不適用的問題。例如，在后背門開啟位置的布置設計中，依據國家標準中人體身高尺寸設定的后背門開啟位置在主觀評價及用戶使用中存在抱怨，有碰頭現象，更新設計規范推薦數值范圍后，此類問題未再出現。

3 中國人體數據庫

汽車產品開發中，根據分析項目的不同，需要選擇不同尺寸的人體模型。因此，需要選取一組有代表性的人體模型作為產品開發的輔助工具[4]。

因參數獲取方式有限，身高的獲取相對方便，以身高尺寸為例預測中國人體模型后，利用RAMSIS的人體模型修改功能創建人體數據庫。RAMSIS 可以通過調節部分人體尺寸創建不同的人體模型。當改變某一人體尺寸時（例如身高），可以驅動人體的其他關聯尺寸自動改變，以有效防止設計人員創造出不符合人體合理比例的人體模型。

基于為汽車產品開發提供有效設計參考的原則，設定年代為2016年，年齡范圍為18～60周歲，參考通用的分類方式及RAMSIS 的功能，將人體模型庫按照身高（第95 百分位、第50 百分位、第5 百分位）、性別（男性、女性）、身材比例（長、適中、短）、身材（胖、適中、瘦）進行分類，并在此基礎上選取典型人體類型，盡可能少但又全面代表所有人體尺寸，如表5所示。

表5 人體數據庫

RAMSIS 軟件的人體模塊提供了三維人體模型用于模擬人體的行為，同時可以通過編輯約束條件將人體姿態調整為正常駕駛、操作等人機操作任務模式[5]。以上10 個人體模型構成了現階段中國人體模型庫，可以作為汽車產品開發的輔助工具，針對性地應用于面向中國市場車型的開發，如圖3所示。

圖3 中國人體數據庫

4 結束語

本文對比了RAMSIS新、舊版數據庫德國人體尺寸的變化規律，對RAMSIS軟件提供的中國人體尺寸預測方法進行了分析，揭示了該方法的不足之處，通過分析德國、美國及日本人體尺寸隨時間變化的規律，基于GB 10000—1988中的中國人體尺寸提出了中國人體尺寸的預測模型，并以2016 年為例建立了中國人體模型數據庫。

本文提出的預測模型雖然可準確地預測有限時間內的人體身高尺寸的變化情況，但更長期的預測需要進一步增加數據輸入。截至目前，中國人體只有1988 年的人體尺寸可以公開查詢使用，而日本人體也只有極少量解密數據可以應用。在后續的研究中，將通過改善人體尺寸識別的方法，如圖像識別、三維點云識別等，進一步提高人體尺寸獲取的效率，從而提高人體尺寸預測模型的精度。