乘員坐姿舒適性評價指標權重的評估*

田余洪 李明月,2 史崇月 丁寶華 于飛

（1.揚州大學，揚州 225127；2.吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022；3.寧波吉利汽車研究開發有限公司，寧波 315335）

主題詞：坐姿舒適性 熵權法 層次分析法

1 前言

坐姿舒適性[1-4]直接關系到乘員的工作載荷、道路安全性及心理和生理舒適性[5]。人體各部位舒適度對坐姿舒適性的影響程度可以通過權重系數進行表征，權重系數的確定方法主要包括主觀賦權法[6-9]和客觀賦權法[10-12]。

主觀賦權法主要根據測試者的經驗進行各評價指標權重的測定，客觀賦權法通過分析測試指標的原始數據來確定權重。黃深榮[13]等運用主觀賦權法中的層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）進行人體各部位與坐姿舒適性關系的研究，結果表明，對坐姿舒適性影響權重較大的部位為背部和腰部；Zejda[14]等通過問卷調查的方式進行人體各部位不舒適率的統計分析，結果表明，人體各部位的不舒適程度由大到小依次為頸部、腰部、背部、手腕與前臂；Unikasari[9]等在問卷調查的基礎上，采用熵權法測定了各評價指標對座椅舒適性影響的權重。

上述研究分別從主觀和客觀方面進行人體各部位舒適度對坐姿舒適性影響的研究。但坐姿舒適性是人體各部位感覺的綜合，不同部位間的舒適性存在差異，在實際坐姿下表現為局部不舒適。此外，主觀賦權法僅考慮測試人員的主觀意愿，對測試人員的經驗要求較高；客觀賦權法[15]測定了各評價指標的客觀數據，但未考慮試驗人員的主觀感受。

針對以上問題，為更精確地測定人體各部位舒適度對坐姿舒適性的影響，本文應用客觀賦權法中的熵權法對主觀賦權法中的層次分析法進行修正，測定人體各部位舒適度對坐姿舒適性影響的權重系數。

2 坐姿舒適性主、客觀試驗

2.1 坐姿舒適性主觀試驗

以生理解剖學的人體分區為基礎，并考慮實際駕乘條件下駕乘人員不舒適出現較多的部位，將與坐姿舒適性相關的部位劃分為肩部、背部、腰部、臀部和大腿部。運用九級標度法進行主觀測試者人體各部位對坐姿舒適性影響程度的測定。其中，1 級、3 級、5 級、7 級、9 級分別表示一個評價指標與另一個評價指標相比同樣重要、稍微重要、明顯重要、強烈重要以及極端重要，2級、4級、6級、8級分別表示介于上述兩相鄰判斷的中值。

試驗中，座椅采用3款乘用車前排駕駛員調角式座椅，中間填充有聚氨酯發泡成型材料，蒙皮為皮革面料。其中，1號車座椅為試驗組，2號車和3號車座椅為驗證組。參照GB 10000—1988《中國成年人人體尺寸》及2009年中國標準化研究院的中國成年人人體尺寸數據分析報告，選擇2名第5百分位、5名第50百分位和2名第95百分位測試人員，分別記作測試者1號～測試者9號，并保證參加試驗的人員身體健康、無疼痛病史，試驗前無劇烈運動，駕齡均在3年以上。

試驗前，通過講解使測試人員熟知試驗步驟與內容，并掌握主觀舒適性的評估方法。試驗過程中，測試人員將座椅調整至最舒適駕駛姿勢，實車駕駛0.5 h 以上。最后，測試者保持駕駛姿勢靜坐10 min，進行人體各部位對坐姿舒適性影響程度的評價。第50百分位對應的測試者3號以駕乘姿勢乘坐在1號車座椅上時的測評過程如圖1所示。

圖1 座椅主觀舒適性測試

2.2 坐姿舒適性客觀試驗

體壓分布是車輛駕乘人員作用在座椅座墊和靠背上的壓力分布情況，是影響坐姿舒適性最為重要的特性指標[16-17]。據此，本文運用體壓坐墊開展試驗。

將體壓坐墊平鋪在座椅座墊和靠背上，保證表面相貼合，無褶皺、凸起等。測試人員以駕乘姿勢乘坐在座椅上，實車試駕0.5 h，以減少時間短、座椅變形等情況對試驗結果造成的誤差。最后，駕乘人員保持原駕駛姿勢，采用Tekscan 軟件進行乘員與座椅座墊和靠背界面間體壓分布的測試，如圖2所示。

圖2 座椅體壓分布實測

3 試驗結果與分析

3.1 層次分析法確定評價指標權重

運用層次分析法進行坐姿舒適性主觀試驗結果的評價分析。構造并通過一致性檢驗修正判斷矩陣，計算肩部舒適性A1、背部舒適性A2、腰部舒適性A3、臀部舒適性A4和大腿部舒適性A5對坐姿舒適性影響的權重，具體步驟為：

a.通過每一層中各因素相對于上一層的重要性進行兩兩成對比較，采用1～9標度方法對其重要性進行量化，構造判斷矩陣。以aij表示Ai相對于Aj的重要程度，aij＞0，且aij=1/aji，aii=1。以測試者1為例，構建坐姿舒適性各評價指標間的相對重要性矩陣A：

b.計算矩陣的特征向量及人體各部位對坐姿舒適性影響的權重。根據矩陣理論，設定上述相對重要性矩陣的特征向量及最大特征根分別為W和λmax。

人體各部位的權重計算公式為：

根據式（2）計算得到測試者1的特征向量計算結果為W1=(0.055 8,0.330 1,0.198 7,0.330 1,0.085 37)T。

c.一致性檢驗。對構建的上述判斷矩陣進行一致性檢驗：

式中，IC為一致性指標；n為評價因素數量；(AW)i為矩陣AW的第i個元素；RC為檢驗系數；IR為隨意一致性指標。

根據式（3）～式（5）計算得到RC=0.012 4，小于0.10，判斷矩陣具有完全一致性。

d.同理，重復上述步驟，進行剩余8 位測試人員測定的人體各部位對坐姿舒適性影響權重的計算。其中，第i位測試者的權重記為Wi=(Wi1,Wi2,…,Win)T。9 位測試者構成的權重矩陣記為，如表1所示。

表1 權重矩陣

e.淘汰偏離程度較大測試者的權重。設di為第i位測試者與其他測試者評價意見的相似程度之和，其值越大，表示與其他評價者的意見越集中：

式中，dij為第i位測試者與其他測試者評價意見的相似程度：

式中，s為評價者人數。

最終選用測試者1、測試者2、測試者4～測試者7關于坐姿舒適性各評價指標權重的測定結果，如表2 所示。將上述權重求均值，得到主觀測定的人體各部位對坐姿舒適性影響的權重為Wavg=(0.041 5,0.267 1,0.356 9,0.262 3,0.072 3)T。

表2 篩選測試者人體各部位對坐姿舒適性影響權重系數的測定值與平均權重

3.2 熵權法確定評價指標權重

通過坐姿舒適性客觀試驗測定人體肩部、背部、腰部、臀部和大腿部與座椅界面間的體壓分布，結果如表3所示。

表3 坐姿舒適性客觀試驗結果 N/cm2

運用熵權法計算人體各部位對坐姿舒適性影響的權重，具體步驟如下：

a.將坐姿舒適性體壓云圖轉換成表3 所示的相對量數據。根據9 個評價數列、5 個坐姿舒適性評價指標構建矩陣B=[bij]5×9。其中，bij為第j位測試者測定第i種評價指標對坐姿舒適性的影響權重。

b.將矩陣B進行標準化處理，得到標準化矩陣C=[cij]9×5，如表4所示：

表4 坐姿舒適性客觀試驗結果的標準化矩陣

式中，bmax、bmin分別為測試者測定的評價指標對坐姿舒適性影響權重的最大值和最小值。

求取坐姿舒適性各評價指標的熵。根據熵的定義，第i個評價指標的熵為：

根據上述熵的結果，計算人體各部位對坐姿舒適性影響的權重：

式中，Wi為各指標的權重。

由式（10）計算可得人體各部位對坐姿舒適性影響的權重為W=(0.249 0,0.220 9,0.181 6,0.123 2,0.225 2)T。

3.3 熵權法修正AHP確定評價指標權重

基于AHP和熵權法模型研究，引入熵值變量，將主觀和客觀權重相結合，則最終的權重為：

在上述AHP和熵權法權重計算的基礎上，本文采用熵權法修正AHP，用客觀數據修正主觀數據，以消除主觀賦權法僅突出人為經驗，未反映客觀數據的弊端，增強所確定評價指標的科學性與合理性。運用式（11）修正后的坐姿舒適性各評價指標的綜合權重如表5所示。

表5 熵權法修正AHP確定的權重

4 驗證與討論

為檢驗熵權法修正AHP對人體各部位權重系數研究的適用性，選用2號車和3號車前排座椅進行坐姿舒適性主觀和客觀試驗驗證。與1號車座椅的測試相同，分別從主觀和客觀兩方面測定人體各部位對坐姿舒適性的影響，并分別在AHP 和熵權法測定人體各部位權重的基礎上，運用熵權法修正AHP計算得到2款車用座椅人體各部位對坐姿舒適性影響的權重系數。

2號車和3號車座椅與1號車座椅所得人體各部位對坐姿舒適性影響權重系數的對比如圖3 所示。分析圖3 可知，3 款車座椅得到的人體各部位對坐姿舒適性影響權重系數的排序相同，權重系數由大到小依次為腰部、背部、臀部、大腿部和肩部。

圖3 3款座椅評價指標權重系數對比

圖3中標示比例分別為2號車、3號車座椅與1號車座椅測定的人體各部位對坐姿舒適性影響權重系數的相對誤差。除2號車背部與3號車大腿部權重系數測定值的相對誤差為11.18%和19.03%外，其余指標的權重系數與1號車座椅測試結果的相對誤差均小于5%，表明該賦權法求取的各評價指標間具有較好的一致性。對3款座椅計算得到的權重系數進行求和平均，最終得到肩部、背部、腰部、臀部和大腿部對坐姿舒適性影響的權重系數依次為0.101 0、0.268 7、0.303 5、0.231 8和0.123 7。

分析上述人體各部位對坐姿舒適性影響的權重可知，相對于大腿部和肩部，腰部、背部和臀部對坐姿舒適性影響的權重較大。其中，車輛駕乘人員對腰部舒適性最為敏感，背部次之。且該測試結果與坐姿下的人體生物力學相對應。脊柱[18]是腰背部的主要結構，其穩定性的維持需依靠椎間盤和脊柱周圍附著的肌肉和韌帶，結構非常精密復雜，對坐姿舒適性的影響占比較大。此外，坐姿下椎體承受來自軀干上部較大的壓力，且由上部至尾椎逐漸增大，使得腰背部舒適性的優劣直接影響坐姿的整體舒適性。且坐姿下，坐骨結節區域承載著人體頭部、軀干與上肢的絕大部分質量，臀部的局部舒適性對坐姿整體舒適性的影響占比較大。肩部和大腿部比其他部位具有相對高的自由度，車輛駕乘人員可通過在特定范圍內的肢體活動降低人體的疲勞感，提高乘坐舒適性，對坐姿舒適性的影響較小。

5 結束語

本文針對主觀和客觀賦權法的缺陷與不足，運用熵權法修正AHP，進行人體各部位對坐姿舒適性影響權重的定量評價，獲得了人體各部位對坐姿舒適性影響的權重系數由大到小依次為腰部（0.303 5）、背部（0.268 7）、臀部（0.231 8）、大腿部（0.123 7）和肩部（0.101 0），可為完善自動駕駛汽車乘員個性化舒適性評價提供參考。實際座椅設計在保證腰部、背部和臀部舒適性的同時，也需同時兼顧肩部和大腿部的舒適性，進而整體提升坐姿舒適性。

后續研究中，將引入肌電、座椅材質、座椅布局等評價指標，進一步完善坐姿舒適性評定體系。