汽车乘员人机工程综合设计方法的研究和应用

张明晶　胡细平

摘 要：文中针对汽车驾驶员人机舒适性和便利性的评价，将基于德尔菲法的主观人机工程评价方法和基于逆向扫描数据对标分析的客观设计方法相结合，并通过某汽车产品的设计验证，初步建立了一套适用于乘用车驾驶员人机工程综合评价的指标。通过该评价方法的研究和应用，进一步完善了乘用车驾驶员人机工程评价体系，为汽车驾驶室的人机工程设计提供了一种有效可行的实施方法。

关键词：人机工程 综合设计方法 逆向对标 用户评价 德尔菲法

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

人機工程学是一门综合性较强的交叉学科，它是从人的生理和心理特点出发研究人、机、环境相互关系和相互作用的规律。其目的是让人在使用机械的过程中感到安全、健康、舒适、高效[1]。汽车产品作为人们的出行工具，其设计核心之一是满足乘员的人机工程要求。汽车人机系统设计的优劣在虚拟设计阶段就应该做出有效准确的判断，以避免实车制造之后因人机问题而进行设计变更造成的时间和成本的浪费，因此一种高效可行的汽车人机工程设计方法在汽车设计中具有重要地位。

2 汽车人机工程综合设计方法分析

汽车乘员的人机工程设计方法一直是国内外汽车行业研究的热门问题，其中既有针对整车的人机工程设计方法研究，也有针对汽车局部人机性能的设计方法研究。例如，文献[1-3]详细研究了汽车座椅舒适性的设计，并把汽车座椅舒适性分为静态、动态和震动舒适性。文献[3-4]建立了数字仿真系统，可虚拟分析不同百分位人体的视野、驾驶姿态、操作便利性。文献[5-6]在汽车人机工程总体设计方面做了不少研究。相关研究中，设计方法单一，侧重理论设计，综合评价指标体系不全面，很难对汽车人机工程设计做出完善的评价。因此，文中针对汽车乘员人机工程的综合设计方法进行研究。该方法是采用逆向数据分析、用户评价法和德尔菲法相结合来进行汽车人机工程综合设计。

2.1 逆向数据分析法

该方法的实现是利用逆向扫描的方法将车辆信息进行准确重构，然后通过建模软件对扫描的数据进行逆向建模，再通过测量逆向数据得到所需的人机工程数据，最后通过不同车辆的数据对比，对人机指标进行理论上的评价。该方法可以较为快速和准确的得出车辆的人机工程信息，但该方法的数据分析是属于理论分析，对于不同人体，单纯的理论分析与实车感受会有偏差。

2.2 用户评价法

用户评价法是基于专家评价法衍生而来的一种汽车人机工程设计方法。专家评价法出现较早，而且应用比较广泛。其评价的主要步骤为：先由具体情况选定评价对象的人机指标，对每个指标都给出评价等级，且用分值表示每个等级;然后以此为基准，由专家对评价对象进行分析和评价，给出各个评价指标的分值，计算评价对象的总分值可以采用乘法评分法、加法评分法或加乘评分法，计算得出评价结果。但仅靠专家的评价难以全面地反应汽车消费人群的人机需求。因此，本文提出用户评价法。该方法与专家评价法的区别在于：第一、评价者是通过对汽车的市场销售人群进行定位后，在该销售人群中随机抽取一定的人体样本，将这些样本作为评价者;第二、对人机指标除了打分统计外，还对每个指标系统存在的问题进行汇总，更直观的体现出需要改进的问题和方向;第三、用户评价是通过用户使用车辆的各种场景的组合评价，充分考虑用户用车的各环节。

2.3 德尔菲法

该方法的基本原理是：针对一定问题，函请相关领域的专家提出意见或看法，然后将专家的意见或新设想加以科学地整理、归纳，以匿名的方式将所归纳的结果反馈给各专家再次征询意见。经过多轮反复（经典德尔菲法为4轮，改进德尔菲法为2～3轮），直到意见趋于较集中，得到比较一致的、可靠性较高的意见[9]。

将以上三种方法进行相互结合，即得出本文提出的人机工程综合评价方法。

3 汽车人机工程综合设计法的实施

以某汽车人机工程设计为例，对汽车人机工程综合设计法的可行性和准确性进行验证。

3.1 人机工程设计参数的建立

进行汽车人机工程综合设计，首先要确立人机工程设计参数。

按图1所示，汽车人机工程综合设计参数包括六大项，每一项可以细分到如图所示的子项，每个子项目还包含有具体的设计参数，例如进出便利性参数中的前门进出便利性参数包括了图2所示的9个设计参数。

3.2 理论人机工程指标设计

理论人机工程指标的设计采用逆向数据法进行。通过与竞品车的对标来设置理论人机工程设计参数的目标值，本文选择H6、途观和GS4作为竞品车。

3.2.1 设备

逆向竞品车数据采用HandyPROBE与C-Track。该设备是由加拿大的Creaform公司所设计及生产，用来获取物体表面特征线的设备。通过C-Track和定位标点定位，在HandyPROBE红宝石测头处生成点线面圆等特征。

如图3所示，该设备的测量精度可以达到偏差±5mm以内，能够很好的还原竞品车数据。

3.2.2 人机工程指标建立

通过逆向设备的数据采集，并通过UG软件的逆向建模和数据测量，即可得到竞品车的人机工程设计参数值。将竞品车的人机工程设计参数值进行统计整理，再与原型车进行对比分析，即可得出新车型的人机工程参数理论目标值，例如表1所示的纵向内控关键参数。

从表1可以看出，某车型的理论人机工程设计参数值已经得到确定。通过同样的方法，可以将所有的人机工程设计参数理论目标值进行确定，并判断其与竞品车的优劣。

3.3 人机工程设计参数验证

理论目标值设定之后，采用用户评价法对理论人机工程指标进行验证。

3.3.1 验证设备

为了达到既快速高效，又节省成本的效果，采用Seatingbuck模型与人机台架相结合的方法进行验证。

Seatingbuck是用于验证驾驶舱及乘员舱空间尺寸、操作舒适性和视野等人机性能的1：1的实体舱室模型。该模型基于造型cas面和人机工程理论设计参数制造。

人机台架是一种柔性化的驾驶室简化模型，通过快速样件的组装和根据人机工程理论设计参数进行的调节，进行驾驶员操控系统和按键操纵舒适性的验证。

3.3.2 验证过程

将seatingbuck模型、人機台架、原型车和竞品车统一放置于空旷平坦地面，然后通过用户评价法进行人机工程设计参数的验证。从不同百分位的人群中随机抽取不少于20人作为用户，按照视野、储物、上下车等各类场景需求进行实车评审，对每个场景中的人机性能进行打分，最后对打分进行分析统计后排名，得到如图4所示的表格。

3.3.2 用户评价结果统计和分析

通过用户评价的收集，得出各项人机参数的得分、排名，以及与竞品车相比的优势和缺点，进行统计分析。

图5为统计结果分析得出的某车型与竞品车的人机评价分值，从中可以看出，某车型的纵向空间设计和货厢设计评价分值高于竞品车，用户满意度高，也证明了实车验证与理论设计相符合。

3.4 人机工程问题解决

用户评价不仅得出了各项人机参数设计的实际评分，用户还针对某些不满意参数提出了问题，针对这些问题中重要和难以决策的问题，采用德尔菲法可以得到有效的解决。

3.4.1 专家组的选择

德尔菲法的基础是专家知识和经验的汇总，因此专家组的选择尤为重要。对于汽车公司专家组的设定，通常会选择相关领域工作经验丰富的主管、经理、专家甚至是总工程师，也可选择外部资源的支持，如外籍专家、高校中经验丰富的学者等。

3.4.2 某车型手刹布置问题的处理

某车型用户评价提出手刹高度过高且手刹拉力过大。针对该问题，工程师提出了将手刹初始状态手柄部分做到水平和将手刹高度整体下降20mm两个方案，前者更利于提高人机舒适性，但是需要改动较大，后者人机舒适性稍差，但是零件改动较小。通过将两个方案分别发送给部门主管和经理、项目总工程师、韩国外籍专家，经过两次反馈，最终四位专家达成一致意见，选择将手刹的操作手柄部分做到水平，以得到更舒适的人机体验，顺利解决问题。

4 人机工程综合设计方法的应用与展望

从2013年至今，人机工程综合设计方法已经应用于商用车、SUV、MPV、轿车等多款车型的设计研发中，均取得了优异的效果。该设计方法也正在逐步的完善和推广中。例如用户评价方法中，为了适应项目的快速开发，其评价设备不局限于实际模型，还逐步加入虚拟现实技术，利用虚拟设计模型就可进行人机工程评价。

5 结论

本文结合某车型的人机工程设计，阐述了一种人机工程综合设计方法，通过对该方法的研究和应用，得出如下结论：

1、人机工程综合设计方法综合考虑整车人机系统设计，将驾驶员、乘员以及与乘员相关的货物作为汽车人机工程设计的对象做统一处理，为汽车人机系统设计提出了一种新的思路。

2、人机工程综合设计方法有理论设计与实际验证，有效地对汽车人机性能进行了优化设计。

3、人机工程综合设计方法对人机问题提出了有效的处理方式，能够更快速和有效的解决人机设计问题。

参考文献：

[1]蒋华伟. 中国汽车安全带的发展及现状研究[J]. 中国机械，2014年，第16期：213.

[2]柴春雷. 基于驾驶姿势预测模型的人机工程设计技术研究[D]. 杭州：浙江大学，2005.

[3]智睿瑞，刘社明. 基于虚拟人的驾驶舱布局分析[J]. 机械制造，2014年，第2期：32～35.

[4]赵岩. 虚拟人技术在环控生保舱内布局中的应用[J]. 系统工程理论与实践，2007，第2期：186～191.

[5]朱炜昱，陈昌明，沈浩. RAMSIS在汽车人机工程学中的应用[J]. 中国科技信息，2007年，第8期：59.

[6]赵尚义. RAMSIS软件在汽车人机工程设计中的应用[J]. 装备制造技术，2008年， 第7期：64～65.