基于標(biāo)桿車的汽車座椅人體壓力研究

溫泉，鞠偉男，劉麗萍，石攀，李岳

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基于標(biāo)桿車的汽車座椅人體壓力研究

溫泉，鞠偉男，劉麗萍，石攀，李岳

（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津 300393）

駕駛舒適性是汽車空間設(shè)計(jì)不可忽視的因素，人體壓力數(shù)據(jù)是汽車座椅設(shè)計(jì)的依據(jù)。文章設(shè)計(jì)試驗(yàn)對(duì)駕駛員背部與臀部的平均壓力、峰值壓力、平均壓強(qiáng)、峰值壓強(qiáng)和接觸面積等體壓數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集，利用單因素方差分析、回歸分析等方法對(duì)不同類型駕駛員的體壓數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，探究不同類型駕駛員各體壓數(shù)據(jù)的變化規(guī)律。該研究為汽車的空間設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與理論指導(dǎo)，對(duì)提高人-車-環(huán)境系統(tǒng)的效率具有重要意義。

汽車座椅；體壓數(shù)據(jù)；單因素方差分析；回歸分析；汽車空間設(shè)計(jì)

前言

隨著汽車的廣泛普及，舒適性逐漸成為人們購(gòu)車時(shí)不可忽視的因素，汽車座椅作為人機(jī)交互的重要界面，其設(shè)計(jì)的合理性難免會(huì)對(duì)整車舒適性產(chǎn)生影響。研究表明，乘車人員對(duì)座椅的體壓數(shù)據(jù)是汽車座椅設(shè)計(jì)過程中必須要考慮的因素[1]，目前關(guān)于體壓數(shù)據(jù)的研究主要集中在體壓分布指導(dǎo)汽車座椅設(shè)計(jì)與體壓分布仿真計(jì)算等方面。

陳俊豪等[2]對(duì)不同身材駕駛員體壓分布的特點(diǎn)和腰部支撐對(duì)乘坐舒適性的影響進(jìn)行了研究，建立了體壓分布與乘坐舒適性的關(guān)系，證實(shí)了腰部支撐對(duì)提高座椅舒適性的作用。劉鵬等[3]通過汽車座椅體壓分布檢測(cè)，對(duì)影響體壓分布的若干汽車座椅結(jié)構(gòu)因素進(jìn)行了研究，并將這些因素考慮在汽車座椅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，優(yōu)化結(jié)構(gòu)使人與座椅接觸界面的壓力分布變化均勻平緩，對(duì)提高乘坐舒適性具有重要意義。賈豐源等[4]通過設(shè)計(jì)駕駛?cè)遂o態(tài)體壓分布試驗(yàn)，建立了座墊舒適度主觀評(píng)價(jià)邏輯回歸模型，并對(duì)座墊軟硬度主觀評(píng)價(jià)結(jié)果與踝關(guān)節(jié)角度、坐高、座墊平均載荷之間的關(guān)系進(jìn)行了深入分析。張志飛等[5]通過體壓分布測(cè)試和振動(dòng)舒適性試驗(yàn)對(duì)汽車座椅舒適性進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明，動(dòng)態(tài)工況下除最大壓強(qiáng)以外的其它體壓指標(biāo)均大于靜態(tài)工況，且隨車速增加而增加，且平均壓強(qiáng)與振動(dòng)加權(quán)加速度有很強(qiáng)的相關(guān)性。侯件件等[6]利用MADYMO進(jìn)行座椅參考點(diǎn)R點(diǎn)坐標(biāo)的預(yù)測(cè)，并分析了不同百分位假人模型的體壓分布情況，探尋50百分位多體假人模型最理想的體壓分布圖，研究結(jié)果可作為轎車座椅設(shè)計(jì)、座椅舒適性評(píng)價(jià)的參考和依據(jù)。

由此可見，專家學(xué)者對(duì)汽車座椅體壓分布進(jìn)行了較為廣泛且深入的研究，但大多數(shù)研究并未對(duì)所研究的群體進(jìn)行分類，由于不同性別、不同體質(zhì)駕駛員的體壓數(shù)據(jù)存在明顯差異，因此，本文根據(jù)駕駛員的性別、體質(zhì)對(duì)其進(jìn)行分類，分別研究了不同駕駛員各體壓數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)特征與變化規(guī)律，為汽車空間設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 人體座椅壓力試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

試驗(yàn)樣本容量為205，其中男性87名，女性118名；年齡分布在17~70歲之間，平均年齡45.9周歲；實(shí)驗(yàn)對(duì)象職業(yè)涵蓋學(xué)生、黨政機(jī)關(guān)事業(yè)單位工作者、企業(yè)/公司員工、自由職業(yè)者、退休、失業(yè)人員等。

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

此次試驗(yàn)選用高爾夫、途觀L兩輛樣車，采用pliance-x壓力墊與配套軟件采集被試的背部與臀部體壓數(shù)據(jù)，包括：平均壓力、峰值壓力、平均壓強(qiáng)、峰值壓強(qiáng)和接觸面積。每位被試者單獨(dú)進(jìn)行試驗(yàn)，具體步驟如下：

（1）向被試者介紹試驗(yàn)?zāi)康?、流程和試?yàn)要求，統(tǒng)計(jì)被試者性別、年齡、體重、身高、職業(yè)等基本信息。

（2）將pliance-x壓力墊鋪放在汽車副駕駛座椅的座面和靠背上，調(diào)整座椅使靠背傾角為25°（靠背傾角指靠背與垂線夾角），座椅高度為最低高度，如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試場(chǎng)景圖

（3）被試人員按要求統(tǒng)一身穿緊身內(nèi)衣，并按照規(guī)定姿勢(shì)坐在座椅上，臀部和背部要求貼合壓力墊，保持自然姿態(tài)并雙腿并攏。待被試坐姿平穩(wěn)后，試驗(yàn)測(cè)試人員操作壓力墊進(jìn)行體壓測(cè)試，并連續(xù)記錄一段10s左右的壓力數(shù)據(jù)。

1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

應(yīng)用pliance-x配套軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到臀部與背部體壓數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表，如表1、表2所示（表示方式為：平均值±標(biāo)準(zhǔn)差），部分被試體壓分布圖如圖2所示。

圖2 部分被試體壓分布圖

表1 被試臀部壓力數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

表2 被試背部壓力數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

2 體壓數(shù)據(jù)分析

駕駛員的性別、體質(zhì)等物理因素是影響體壓數(shù)據(jù)的重要因素，本文利用單因素方差分析探索不同性別駕駛員體壓數(shù)據(jù)的差異，并對(duì)不同體質(zhì)的駕駛員體壓數(shù)據(jù)進(jìn)行了回歸分析，對(duì)其變化規(guī)律與變化區(qū)間進(jìn)行了研究。

2.1 基于單因素方差分析的不同性別駕駛員體壓數(shù)據(jù)分析

方差分析（Analysis of Variance, ANOVA）是指通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，檢驗(yàn)方差相同的多個(gè)（多于兩個(gè)）正態(tài)總體的均值是否相等，并以此來判斷各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響是否顯著，其中單因素方差分析只考慮一個(gè)因素A對(duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的影響[7]。

何為美，每個(gè)人自有不同判斷、不同視角，而中國(guó)石化正是要傳遞如此理念：美來自各個(gè)崗位，不分大小，不分高低，不分性別，只要付出、努力、堅(jiān)持，你就能散發(fā)出無盡光彩。

設(shè)因素A有r個(gè)水平，記為A1，A2，…，Ar。在水平Ai下觀察ni個(gè)樣本單位，可獲得實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的ni個(gè)數(shù)據(jù)：xi1，xi2，xi3，…，（i=1，2，…，r）。第Ai（i=1，2，…，r）水平之下各觀察值可視為來自總體Xi（i=1，2，…，r），且Xi服從正態(tài)分布，Xi與Xj（）相互獨(dú)立，即。Xi1，Xi2，Xi3，…，Xin表示從總體Xi中抽取的樣本，xi1，xi2，xi3，…，xin表示相應(yīng)的觀察值，對(duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行單因素方差分析的基本步驟如下：

1）建立檢驗(yàn)假設(shè)

H0：

來了外地人，從巷子里經(jīng)過，老人會(huì)問：誰家的親戚啊?有時(shí)也不問，笑瞇瞇地看著你，仿佛你原本就是這村里的人。

H1：各不等或不全相等

2）計(jì)算離差平方和

組內(nèi)離差平方和，它是每個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)與其組內(nèi)平均值的離差平方和，是所有隨機(jī)誤差造成試驗(yàn)指標(biāo)變化的總度量，計(jì)算方法為：

（1）

組間離差平方和，它是組內(nèi)樣本均值與總平均值的離差加權(quán)平方和，是反映因子的不同水平造成實(shí)驗(yàn)指標(biāo)變化的總度量，因此也稱為系統(tǒng)誤差，計(jì)算方法為：

微信服務(wù)目前在起步階段，大部分已經(jīng)開通了微信服務(wù)的中學(xué)圖書館，也只是僅僅開通了而已，并沒有提供實(shí)質(zhì)性的服務(wù)內(nèi)容。究其原因，首先中學(xué)圖書館的師生都以高考和會(huì)考為主要目標(biāo)，并不十分重視圖書館的相關(guān)工作；其次中學(xué)圖書館服務(wù)人員和管理人員的水平有限，在提升服務(wù)層次，優(yōu)化服務(wù)技術(shù)方面力不從心；再次許多中學(xué)在管理過程中，以學(xué)習(xí)為第一要?jiǎng)?wù)，禁止學(xué)生攜帶手機(jī)，微信服務(wù)又離不開手機(jī)運(yùn)營(yíng)，造成該服務(wù)的受眾不明朗；最后開發(fā)運(yùn)營(yíng)圖書館微信服務(wù)客戶端，還需要投入資金支持和技術(shù)支持，需要校領(lǐng)導(dǎo)的重視和支持。中學(xué)圖書館要升級(jí)理念，改善服務(wù)還有很長(zhǎng)的路要走。

（2）

總離差平方和，它是所有數(shù)據(jù)到總樣本均值的距離平方和，是實(shí)驗(yàn)指標(biāo)對(duì)中心位置的變化的總度量，計(jì)算方法為：

式中：Vc為泥石流流速，m/s；Ic為泥位縱坡率，以溝道縱坡率代替；1/n為泥石流溝床糙率系數(shù)，查水文手冊(cè)；Φ為泥石流泥沙修正系數(shù)，取1.919-1=0.919；γH為泥石流固體物質(zhì)重度，t/m3；φ為泥石流泥沙修正系數(shù)，取1.919-1=0.919；Hc為平均泥深，m；

（3）

記為均方差：

（4）

（5）

其中，稱r-1與n-r分別為組間自由度與組內(nèi)自由度。

3）計(jì)算檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量F：

在與急救中心聯(lián)系時(shí)，要向醫(yī)生告知孩子誤食了什么，誤食了多少，多久之前誤食的。在送往醫(yī)院時(shí)，要帶上剩余物品及其包裝，如果確實(shí)不知道孩子誤食了什么，在家中有嘔吐或者催吐的話，應(yīng)將孩子的嘔吐物一起帶往醫(yī)院，以便醫(yī)生了解情況及時(shí)采取有效的救護(hù)措施。

組間離差平方和組內(nèi)離差平方和分別除以各自的自由度之后的比值將服從F分布：

（6）

在給定顯著性α水平的情況下，查F分布表值有，若統(tǒng)計(jì)量F超過這一臨界點(diǎn)，則拒絕原假設(shè)，認(rèn)為樣本均值之間不完全相同（存在顯著差異），否則不能夠拒絕原假設(shè)H0。

本文利用單因素方差分析對(duì)不同性別駕駛員的體壓數(shù)據(jù)進(jìn)行差異性檢測(cè)，結(jié)果如表3所示，可以看出，所有體壓數(shù)據(jù)的p值均小于0.05，因此，可認(rèn)為不同性別駕駛員各體壓值均有顯著差異。利用直方圖更直觀地展示不同性別駕駛員的體壓數(shù)據(jù)，如圖3所示，可以看出，男性體壓數(shù)據(jù)數(shù)值明顯大于女性，且臀部的體壓數(shù)據(jù)數(shù)值遠(yuǎn)大于背部。

圖3 不同性別駕駛員體壓數(shù)據(jù)對(duì)比圖

表3 不同性別駕駛員體壓數(shù)據(jù)單因素方差分析表

2.2 基于回歸分析的不同BMI駕駛員體壓數(shù)據(jù)分析

回歸分析（regression analysis)是確定兩種或兩種以上變量間相互依賴的定量關(guān)系的一種統(tǒng)計(jì)分析方法[8]。體質(zhì)指數(shù)（Body Mass Index, BMI）是目前國(guó)際上衡量人體胖瘦程度的常用指標(biāo)，其計(jì)算公式為：體質(zhì)指數(shù)（BMI）=體重（kg）÷身高^2（m）。利用回歸分析尋找各體壓數(shù)據(jù)（背部與臀部平均壓力、平均壓強(qiáng)、接觸面積）與BMI之間的關(guān)系，得到各體壓數(shù)據(jù)與BMI關(guān)系如圖4~圖9所示。

圖4 背部平均壓力與BMI關(guān)系圖

圖5 臀部平均壓力與BMI關(guān)系圖

由圖4~圖9可知，除背部平均壓強(qiáng)隨BMI指數(shù)的增大而略有下降外，其余體壓數(shù)據(jù)均隨BMI指數(shù)的增大而增大。對(duì)比不同部位的體壓數(shù)據(jù)可以看出，臀部體壓數(shù)據(jù)隨BMI指數(shù)增大而增大的趨勢(shì)明顯，背部體壓數(shù)據(jù)隨BMI指數(shù)增大而增大的趨勢(shì)相對(duì)平緩。對(duì)比不同類型的體壓數(shù)據(jù)可以看出，接觸面積隨BMI指數(shù)增大而增大的趨勢(shì)最明顯，平均壓力次之，平均壓強(qiáng)增幅最為平緩。

IT設(shè)備耗電的測(cè)量可選取在M3點(diǎn)：UPS系統(tǒng)的輸出電量可很容易地獲取。根據(jù)PUE的定義，IT設(shè)備耗電量的測(cè)量應(yīng)當(dāng)選取在M5點(diǎn)更為準(zhǔn)確，但在實(shí)際工程中，IT設(shè)備的數(shù)往往相當(dāng)龐大，且設(shè)備類型眾多，要把他們的耗電量全部準(zhǔn)確測(cè)出成本太高。

圖6 背部平均壓強(qiáng)與BMI關(guān)系圖

圖7 臀部平均壓強(qiáng)與BMI關(guān)系圖 圖8 背部接觸面積與BMI關(guān)系圖

圖9 臀部接觸面積與BMI關(guān)系圖

進(jìn)一步分析不同體壓數(shù)據(jù)的分布區(qū)間，可以得到：背部平均壓力主要集中在0-150N，臀部平均壓力主要集中在200-500N；背部平均壓強(qiáng)主要集中在1.5-3kpa，臀部平均壓強(qiáng)主要集中在3-5kpa；背部接觸面積主要集中在150-700cm2，臀部接觸面積主要集中在700-1250cm2。

3 結(jié)論

汽車座椅體壓數(shù)據(jù)是指導(dǎo)汽車設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，本文對(duì)不同性別、不同體質(zhì)駕駛員的背部與臀部體壓數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，研究結(jié)果表明，不同性別、不同體質(zhì)駕駛員的體壓數(shù)據(jù)具有明顯差異。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，男性體壓數(shù)據(jù)數(shù)值明顯大于女性，臀部的體壓數(shù)據(jù)數(shù)值遠(yuǎn)大于背部，且多數(shù)體壓數(shù)據(jù)均隨BMI指數(shù)的增大而增大。該研究可為汽車座椅設(shè)計(jì)提供參考，對(duì)提高汽車空間的有效利用率具有重要意義。

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Research on Human Body Pressure Based on Benchmarking Car

Wen Quan, Ju Weinan, Liu Liping, Shi Pan, Li Yue

( China Automotive Technology and Research Center, Tianjin 300393 )

Abstract:Driving comfort is a factor that cannot be ignored in the design of car space. The body pressure data is the basis of car seat design. In this paper, the body pressure data such as average pressure, peak pressure, average pressure, peak pressure and contact area of the driver's back and buttocks were collected. The body pressure of different types of drivers was measured by one-way analysis of variance and regression analysis. The data was statistically analyzed to explore the changes in the body pressure data of different types of drivers. This research provides basic data and theoretical guidance for the space design of automobiles, and is of great significance for improving the efficiency of the human-vehicle-environment system.

Keywords: Car seat; Body pressure data; One-way Analysis of Variance; Regression analysis; Car space design

CLC NO.: U461.4

Document Code: A

Article ID: 1671-7988(2018)21-148-04

中圖分類號(hào)：U461.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-7988(2018)21-148-04

作者簡(jiǎn)介：溫泉，男，漢族，1984年生，天津人，天津大學(xué)研究生，高級(jí)工程師職稱，目前擔(dān)任中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司數(shù)據(jù)資源中心工程數(shù)據(jù)部部長(zhǎng)一職。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.21.051