汽車乘員人機(jī)工程綜合設(shè)計(jì)方法的研究和應(yīng)用

張明晶　胡細(xì)平

摘 要：文中針對汽車駕駛員人機(jī)舒適性和便利性的評價(jià)，將基于德爾菲法的主觀人機(jī)工程評價(jià)方法和基于逆向掃描數(shù)據(jù)對標(biāo)分析的客觀設(shè)計(jì)方法相結(jié)合，并通過某汽車產(chǎn)品的設(shè)計(jì)驗(yàn)證，初步建立了一套適用于乘用車駕駛員人機(jī)工程綜合評價(jià)的指標(biāo)。通過該評價(jià)方法的研究和應(yīng)用，進(jìn)一步完善了乘用車駕駛員人機(jī)工程評價(jià)體系，為汽車駕駛室的人機(jī)工程設(shè)計(jì)提供了一種有效可行的實(shí)施方法。

關(guān)鍵詞：人機(jī)工程 綜合設(shè)計(jì)方法 逆向?qū)?biāo) 用戶評價(jià) 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(jī)工程學(xué)是一門綜合性較強(qiáng)的交叉學(xué)科，它是從人的生理和心理特點(diǎn)出發(fā)研究人、機(jī)、環(huán)境相互關(guān)系和相互作用的規(guī)律。其目的是讓人在使用機(jī)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(shè)計(jì)核心之一是滿足乘員的人機(jī)工程要求。汽車人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣在虛擬設(shè)計(jì)階段就應(yīng)該做出有效準(zhǔn)確的判斷，以避免實(shí)車制造之后因人機(jī)問題而進(jìn)行設(shè)計(jì)變更造成的時(shí)間和成本的浪費(fèi)，因此一種高效可行的汽車人機(jī)工程設(shè)計(jì)方法在汽車設(shè)計(jì)中具有重要地位。

2 汽車人機(jī)工程綜合設(shè)計(jì)方法分析

汽車乘員的人機(jī)工程設(shè)計(jì)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(jī)工程設(shè)計(jì)方法研究，也有針對汽車局部人機(jī)性能的設(shè)計(jì)方法研究。例如，文獻(xiàn)[1-3]詳細(xì)研究了汽車座椅舒適性的設(shè)計(jì)，并把汽車座椅舒適性分為靜態(tài)、動(dòng)態(tài)和震動(dòng)舒適性。文獻(xiàn)[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(xiàn)[5-6]在汽車人機(jī)工程總體設(shè)計(jì)方面做了不少研究。相關(guān)研究中，設(shè)計(jì)方法單一，側(cè)重理論設(shè)計(jì)，綜合評價(jià)指標(biāo)體系不全面，很難對汽車人機(jī)工程設(shè)計(jì)做出完善的評價(jià)。因此，文中針對汽車乘員人機(jī)工程的綜合設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究。該方法是采用逆向數(shù)據(jù)分析、用戶評價(jià)法和德爾菲法相結(jié)合來進(jìn)行汽車人機(jī)工程綜合設(shè)計(jì)。

2.1 逆向數(shù)據(jù)分析法

該方法的實(shí)現(xiàn)是利用逆向掃描的方法將車輛信息進(jìn)行準(zhǔn)確重構(gòu)，然后通過建模軟件對掃描的數(shù)據(jù)進(jìn)行逆向建模，再通過測量逆向數(shù)據(jù)得到所需的人機(jī)工程數(shù)據(jù)，最后通過不同車輛的數(shù)據(jù)對比，對人機(jī)指標(biāo)進(jìn)行理論上的評價(jià)。該方法可以較為快速和準(zhǔn)確的得出車輛的人機(jī)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(shí)車感受會(huì)有偏差。

2.2 用戶評價(jià)法

用戶評價(jià)法是基于專家評價(jià)法衍生而來的一種汽車人機(jī)工程設(shè)計(jì)方法。專家評價(jià)法出現(xiàn)較早，而且應(yīng)用比較廣泛。其評價(jià)的主要步驟為：先由具體情況選定評價(jià)對象的人機(jī)指標(biāo)，對每個(gè)指標(biāo)都給出評價(jià)等級，且用分值表示每個(gè)等級;然后以此為基準(zhǔn)，由專家對評價(jià)對象進(jìn)行分析和評價(jià)，給出各個(gè)評價(jià)指標(biāo)的分值，計(jì)算評價(jià)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(jì)算得出評價(jià)結(jié)果。但僅靠專家的評價(jià)難以全面地反應(yīng)汽車消費(fèi)人群的人機(jī)需求。因此，本文提出用戶評價(jià)法。該方法與專家評價(jià)法的區(qū)別在于：第一、評價(jià)者是通過對汽車的市場銷售人群進(jìn)行定位后，在該銷售人群中隨機(jī)抽取一定的人體樣本，將這些樣本作為評價(jià)者;第二、對人機(jī)指標(biāo)除了打分統(tǒng)計(jì)外，還對每個(gè)指標(biāo)系統(tǒng)存在的問題進(jìn)行匯總，更直觀的體現(xiàn)出需要改進(jìn)的問題和方向;第三、用戶評價(jià)是通過用戶使用車輛的各種場景的組合評價(jià)，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(guān)領(lǐng)域的專家提出意見或看法，然后將專家的意見或新設(shè)想加以科學(xué)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(fù)（經(jīng)典德爾菲法為4輪，改進(jìn)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(jìn)行相互結(jié)合，即得出本文提出的人機(jī)工程綜合評價(jià)方法。

3 汽車人機(jī)工程綜合設(shè)計(jì)法的實(shí)施

以某汽車人機(jī)工程設(shè)計(jì)為例，對汽車人機(jī)工程綜合設(shè)計(jì)法的可行性和準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 人機(jī)工程設(shè)計(jì)參數(shù)的建立

進(jìn)行汽車人機(jī)工程綜合設(shè)計(jì)，首先要確立人機(jī)工程設(shè)計(jì)參數(shù)。

按圖1所示，汽車人機(jī)工程綜合設(shè)計(jì)參數(shù)包括六大項(xiàng)，每一項(xiàng)可以細(xì)分到如圖所示的子項(xiàng)，每個(gè)子項(xiàng)目還包含有具體的設(shè)計(jì)參數(shù)，例如進(jìn)出便利性參數(shù)中的前門進(jìn)出便利性參數(shù)包括了圖2所示的9個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)。

3.2 理論人機(jī)工程指標(biāo)設(shè)計(jì)

理論人機(jī)工程指標(biāo)的設(shè)計(jì)采用逆向數(shù)據(jù)法進(jìn)行。通過與競品車的對標(biāo)來設(shè)置理論人機(jī)工程設(shè)計(jì)參數(shù)的目標(biāo)值，本文選擇H6、途觀和GS4作為競品車。

3.2.1 設(shè)備

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

如圖3所示，該設(shè)備的測量精度可以達(dá)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(jī)工程指標(biāo)建立

通過逆向設(shè)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(jī)工程設(shè)計(jì)參數(shù)值。將競品車的人機(jī)工程設(shè)計(jì)參數(shù)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理，再與原型車進(jìn)行對比分析，即可得出新車型的人機(jī)工程參數(shù)理論目標(biāo)值，例如表1所示的縱向內(nèi)控關(guān)鍵參數(shù)。

從表1可以看出，某車型的理論人機(jī)工程設(shè)計(jì)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(jī)工程設(shè)計(jì)參數(shù)理論目標(biāo)值進(jìn)行確定，并判斷其與競品車的優(yōu)劣。

3.3 人機(jī)工程設(shè)計(jì)參數(shù)驗(yàn)證

理論目標(biāo)值設(shè)定之后，采用用戶評價(jià)法對理論人機(jī)工程指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證。

3.3.1 驗(yàn)證設(shè)備

為了達(dá)到既快速高效，又節(jié)省成本的效果，采用Seatingbuck模型與人機(jī)臺(tái)架相結(jié)合的方法進(jìn)行驗(yàn)證。

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

人機(jī)臺(tái)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(jī)工程理論設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行的調(diào)節(jié)，進(jìn)行駕駛員操控系統(tǒng)和按鍵操縱舒適性的驗(yàn)證。

3.3.2 驗(yàn)證過程

將seatingbuck模型、人機(jī)臺(tái)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(jià)法進(jìn)行人機(jī)工程設(shè)計(jì)參數(shù)的驗(yàn)證。從不同百分位的人群中隨機(jī)抽取不少于20人作為用戶，按照視野、儲(chǔ)物、上下車等各類場景需求進(jìn)行實(shí)車評審，對每個(gè)場景中的人機(jī)性能進(jìn)行打分，最后對打分進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)后排名，得到如圖4所示的表格。

3.3.2 用戶評價(jià)結(jié)果統(tǒng)計(jì)和分析

通過用戶評價(jià)的收集，得出各項(xiàng)人機(jī)參數(shù)的得分、排名，以及與競品車相比的優(yōu)勢和缺點(diǎn)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

圖5為統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析得出的某車型與競品車的人機(jī)評價(jià)分值，從中可以看出，某車型的縱向空間設(shè)計(jì)和貨廂設(shè)計(jì)評價(jià)分值高于競品車，用戶滿意度高，也證明了實(shí)車驗(yàn)證與理論設(shè)計(jì)相符合。

3.4 人機(jī)工程問題解決

用戶評價(jià)不僅得出了各項(xiàng)人機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)的實(shí)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(chǔ)是專家知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)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(shè)定，通常會(huì)選擇相關(guān)領(lǐng)域工作經(jīng)驗(yàn)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(yàn)豐富的學(xué)者等。

3.4.2 某車型手剎布置問題的處理

某車型用戶評價(jià)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(gè)方案，前者更利于提高人機(jī)舒適性，但是需要改動(dòng)較大，后者人機(jī)舒適性稍差，但是零件改動(dòng)較小。通過將兩個(gè)方案分別發(fā)送給部門主管和經(jīng)理、項(xiàng)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(dá)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(jī)體驗(yàn)，順利解決問題。

4 人機(jī)工程綜合設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用與展望

從2013年至今，人機(jī)工程綜合設(shè)計(jì)方法已經(jīng)應(yīng)用于商用車、SUV、MPV、轎車等多款車型的設(shè)計(jì)研發(fā)中，均取得了優(yōu)異的效果。該設(shè)計(jì)方法也正在逐步的完善和推廣中。例如用戶評價(jià)方法中，為了適應(yīng)項(xiàng)目的快速開發(fā)，其評價(jià)設(shè)備不局限于實(shí)際模型，還逐步加入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，利用虛擬設(shè)計(jì)模型就可進(jìn)行人機(jī)工程評價(jià)。

5 結(jié)論

本文結(jié)合某車型的人機(jī)工程設(shè)計(jì)，闡述了一種人機(jī)工程綜合設(shè)計(jì)方法，通過對該方法的研究和應(yīng)用，得出如下結(jié)論：

1、人機(jī)工程綜合設(shè)計(jì)方法綜合考慮整車人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，將駕駛員、乘員以及與乘員相關(guān)的貨物作為汽車人機(jī)工程設(shè)計(jì)的對象做統(tǒng)一處理，為汽車人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了一種新的思路。

2、人機(jī)工程綜合設(shè)計(jì)方法有理論設(shè)計(jì)與實(shí)際驗(yàn)證，有效地對汽車人機(jī)性能進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3、人機(jī)工程綜合設(shè)計(jì)方法對人機(jī)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(jī)設(shè)計(jì)問題。

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