人機工程學在汽車設計過程中的應用及展望

伍賽特

(上海汽車集團股份有限公司，上海 200438)

0 引言

設計一輛轎車或貨車需要多門學科專業人員的合作，如設計師、車身工程師、底盤工程師、動力總成工程師、制造工程師、產品規劃師[1]、市場研究人員、人機工程學工程師和電子工程師等。設計過程需通過錯綜復雜的協調工作而推動，同時也收到多種需求的反饋，亦受到汽車中不同系統需求間的相互制衡。設計的產品不僅需具備良好的使用性能，同時也應滿足消費者的需求。

在汽車產品開發過程中人機工程學領域由于涉及不同車輛設計團隊的協同工作，應確保及早考慮并解決與其密切相關的技術問題，以滿足使用者在使用過程中對整車的需求。

1 人機工程學簡介

人機工程學是一門涉及人體等諸多領域的技術科學，包括心理學、人體測量學、生物力學、解剖學、生理學和心理物理學等，涉及到人體的特性、能力和局限性，并應用相關信息數據來設計和評估人類所使用的設備和系統。

人機工程學的基本目標即為設計出盡可能滿足用戶(駕駛員)和設備(車輛)之間的匹配，從而改進用戶的安全(提供不受傷害和損失的自由空間)、舒適、方便、性能和效率(工作效率或不斷增加的輸出/輸入之比)的優質產品[2]。

2 人機工程學在汽車設計過程中的應用

汽車設計中的人機工程學需求為理解在未來車輛設計中的應用，主要包括以下領域：

(1)為汽車使用者提供更出色的靈活性、舒適性和便捷性。

(2)提高整車安全性，如減少碰撞中的傷害并預防碰撞發生。

(3)提高制造生產力、降低成本，如提升燃油經濟性，降低燃油消耗。

(4)提供舒適的駕乘環境，如為駕乘人員提供可選擇的娛樂方式以及寬敞的車內空間[3]。

(5)提升駕駛愉悅性。

綜合考慮上述需求，技術的進步可為消費者提供意想之外的優異功能，但同時也需提高舒適性、便捷性以及駕乘愉悅性。以乘用車為例，如下概括了人機工程學應用于乘用車設計領域所帶來的技術提升:

(1)提升乘用車的安全性、愉悅性、舒適性，并且實現車輛智能化(如滿足駕乘人員的不同需求、預判駕駛過程中的不安全因素并及時提醒駕駛員，或通過特定功能來協助駕駛員)。

(2)逐漸實現乘用車的小型化，使其外觀獨具一格并提升其燃油經濟性。

(3)實現乘用車的混合動力化，以充分滿足運動型多功能車(SUV)和小型貨車的動力需求，但節能效果更佳。

(4)使乘用車具備更舒適的車內乘坐環境，如通過配置可調座椅、踏板和傾斜/伸縮轉向管柱，提供更舒適的駕乘空間[4]。

(5)為隨車攜帶物品提供更寬敞的車內倉儲空間[5]。

(6)優化防碰撞系統，如改進整車制動性、操縱性、穩定性、駕駛員輔助系統、智能照明與可視性系統。

(7)采用被動安全系統以提升安全性，如智能氣囊、預緊式安全帶、側面安全氣囊。

(8)改良輔助系統，如空調系統、加熱/冷卻座椅。

(9)采用其他輔助功能，如廣播電臺、視鏡、盲區傳感器、輔助停車與巡航控制等。

(10)采用更先進的娛樂系統，如調頻調幅廣播、光盤播放器、售后市場娛樂設備的即時插播能力，以及為后座乘客提供游戲系統。

(11)優化通信和交流系統，如藍牙或與手機及其他手持設備的無線連接、互聯網搜索與收發電子郵件、帶實時交通狀況的導航系統、文件/數據管理與存儲、整車診斷系統。

3 基于人機工程學的車載輔助技術功能

遠程通信通常被認為是拓寬信息界面領域并實現相應新功能的關鍵技術，通過未來不斷涌現的全新電子技術、通信技術和信息技術集成而得以不斷發展。

因此，汽車遠程通信技術是一門跨學科的應用技術，其涉及通過無線數據傳輸、傳感器、微處理器、數據庫、顯示器、照明、控制等技術的集成應用。同時為方便汽車駕乘人員通信，開發了車內與外部信息源之間的信息交流設備。因此，汽車遠程通信技術在一定程度上促進了數字汽車技術的發展。

通過上述技術的不斷優化，可使得未來的車載設備具有更豐富多彩的功能。例如，通過結合GPS和相關數據庫，車內導航顯示屏幕可為駕駛員提供有關前方加油站及其服務能力的一系列數據信息。

通常而言，遠程通信業務可以通過與以下技術的結合來提供令駕乘人員滿意的服務平臺：

(1)汽車內信息源(例如藍牙設備)與外界資源的雙向無線通信。

(2)數據庫的應用(如在互聯網和其他數據中心)。

(3)定位技術(如GPS)。

(4)視覺系統(通過傳感器、攝像機及顯示屏進行疊加處理的圖像信息)。

(5)聲控技術(聲音識別、聲音控制和聲音顯示)。

(6)可重構的駕駛人界面。

(7)傳感器、信號處理器和控制單元。

其他一些基于人機工程學的車載輔助技術功能的專項技術分類如下：

(1)駕駛員人機交互技術，包括可重構顯示、觸摸屏、多功能控制器，聲控技術，轉向盤控制等。

(2)駕駛員狀態測量和輔助系統，包括疲勞駕駛檢測器、駕駛人工作負荷監視器、醉駕(受酒精和/或藥物影響)檢測及防碰撞警示系統等[6]。

(3)汽車狀態信息與診斷，包括混合動力系統能量顯示、電動車電池電量顯示、維護警告等。

(4)自適應控制系統，包括自適應巡航控制、增強的穩定性控制、自適應懸架系統、強化的制動系統等。

(5)照明技術，包括智能前照燈、新技術信號燈和車內照明(例如LED、照明燈管等)。

(6)質量、工藝和品牌感知，包括選擇和使用視覺效果美觀的車內材料以及具有愉悅觸感的控制器等。

4 汽車人機工程學領域尚有待解決的技術問題

隨著技術的進步，可預見到未來汽車功能的數量將會飛速遞增。而在設計系統時仍需預判其是否能真正實現。引入此類功能的同時，依然伴隨著不斷增加的成本以及相應的技術弊端，為此基于汽車人機工程學領域，仍需要對諸多問題進行重點考慮，同時需在如下細節問題[7]上作出決定：

(1)控制器和顯示器的位置。

(2)控制器類型、顯示器及其布置方式的選擇。

(3)駕駛員對設備的理解和操控。

(4)滿足駕駛員的使用便捷性、并考慮到他出現分心現象時對操作過程的影響。

(5)新功能對駕駛員及其他界面操作的影響，如新功能可能會阻礙現有控制器，在操作其他系統過程中導致延誤或中斷。

(6)相對于其他設備顯示的信息，與新功能有關的信息享有更高的優先級。

(7)在多功能控制器與顯示器內部的功能需進行共享或重構，同時實現不同感知模式、顯示之間的兼容(比如視覺、聽覺、觸覺相兼容)。

(8)盡可能減少車載功能的操作復雜性，以降低駕駛員的工作負荷。

5 汽車人機工程學領域未來重點研究方向及展望

為了保證產品未來的功能特征能使消費者滿意，需在改善產品和產品評價方法的研發上進行研究，通常有如下相關研究需求。

5.1 改善人體測量數據庫

目前仍需要更全面的人體測量數據庫，包括增加測量項目及在不同細分市場中的不同群體駕駛人與用戶的測量。

最新發展的激光掃描設備可用于獲得人體全身掃描數據，就世界范圍而言，該設備曾被用于由美國汽車工程師學會(SAE)管理的美國和歐洲民用人體表面測量數據源(CAESAR)項目中。

5.2 使用成本低廉、耗時短并可覆蓋大范圍用戶群體的輔助系統

5.2.1 乘員自動布置和可視化系統

這套工具可對基本的乘客空間進行評價，如駕駛員位置、身體空隙、主要操控器的進/出位置；還能進行許多特殊分析，如對不同人群駕駛人進行視野分析。

5.2.2 綜合數字汽車、數字人體模型和可視化系統

現在不同汽車設計者利用具有人體模型(數字人體模型)的CAD系統輔助進行產品開發。該類系統大部分均已進行了升級，并補充了全新的功能。在設計過程中使用任何模型前，都需通過人機工程學對此進行驗證，以確定選定的數字人體模型中的假定姿態及其尺寸數值與實際使用狀況相吻合。

5.2.3 可編程車輛模型

在整車布置工作的前期，有許多種不同的可編程車輛模型可供選用。該類模型能夠用來構造不同尺寸和類型的汽車，并可與白車身的CAD系統進行交互。相關增強功能的可編程車輛模型(PVM)在評估汽車設計效果時大有用武之地。PVM在車輛研發的早期階段可有效減少研發時長以及所耗費的精力。

5.2.4 參考不同汽車使用者的需求

除人體測量學和對生物力學特征的研究外，還需對不同汽車使用者的特征進行系統性研究。針對不同細分市場配備相應的數據庫是必不可少的，該數據庫涵蓋的信息數據與駕駛員視覺、聽覺、認知、觸覺感受、駕駛人熟練度和期望、內飾材料和操控的喜好等使用者特性密切相關。

5.3 電動汽車的駕駛員操作界面

可以預計，電動汽車在未來會占據更大的市場份額，針對其開展相關設計并通過實時調整以滿足消費者的相關需求。由于當前依然受到電池技術的限制、充電設施的推廣效果、電動汽車服務需求的有效性以及整車安全性、電動汽車接受程度的限制[8-10]，其實際使用過程會與傳統內燃機汽車有所不同。因此，基于汽車領域的人機工程學，仍需重點解決如下3個問題：(1)減緩駕駛員在使用電動汽車時的里程焦慮，使他們在駕駛過程中可準確預測電池工況和車輛可有效行駛的距離。(2)通過為駕駛員提供信息、協助駕駛員調整或改變其駕駛行為以降低整車能量消耗。(3)降低車輛使用以及維護費用。

6 總結及展望

在過去的數十年內，人機工程學在車輛設計上的應用大幅提升了整車的舒適性、使用方便性和安全性。針對同類車型，對1985年和2015年的結構形式進行對標，會發現幾乎所有針對機動車駕駛員的人機操作界面部分均發生了顯著變化。

近年來汽車技術的飛速發展，未來針對汽車人機工程學方面的技術優化需求將數不勝數。此類需求將重點體現在兩大方面：一方面需研究先進的方法用于設計和評估汽車產品；另一方面則著重開發具有更多功能與特色的全新車型。

目前雖然已經有許多圍繞汽車設計中人機工程學問題而開展的學術研究、設計工具和方法，但是為了更優地對汽車進行設計仍需開展更深入的學術研究。隨著新技術不斷改良與優化，未來汽車的設計過程將會日趨完善。