汽車座椅舒適性區(qū)間評(píng)價(jià)方法

王昊

摘 要：本文主要介紹一種汽車座椅舒適性的區(qū)間評(píng)價(jià)方法。本文結(jié)合大量汽車座椅舒適性主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果中的評(píng)價(jià)打分和相對(duì)應(yīng)人體壓力數(shù)據(jù)，建立汽車座椅舒適性客觀數(shù)據(jù)與主觀評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)間的不確定數(shù)學(xué)關(guān)系——區(qū)間關(guān)系。在本文中，將大量舒適性試驗(yàn)結(jié)果建立座椅評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)庫(kù)，并使用該數(shù)學(xué)模型研究了汽車座椅舒適性區(qū)間評(píng)價(jià)方法。運(yùn)用這個(gè)方法，座椅設(shè)計(jì)工程師可以用其取代復(fù)雜的人工座椅評(píng)價(jià)過(guò)程得到更加可靠的座椅舒適性評(píng)價(jià)結(jié)果，同時(shí)這個(gè)舒適性分?jǐn)?shù)也為座椅改進(jìn)性設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：汽車座椅舒適性;歸一化方法;數(shù)據(jù)庫(kù);樣條曲線擬合

1 前言

汽車工業(yè)發(fā)展了一百多年，汽車性能不斷突破自身極限。但無(wú)論汽車如何發(fā)展，汽車始終是為人服務(wù)的，而人對(duì)汽車的評(píng)價(jià)本質(zhì)上是主觀的。汽車座椅舒適性評(píng)價(jià)就其中的典型代表。我國(guó)汽車座椅廠十分注重引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)座椅制作的制造工藝、加工設(shè)備和生產(chǎn)材料，甚至完全仿制其造型，但對(duì)能汽車座椅設(shè)計(jì)理念研究不足，相關(guān)的研究也很有限。

國(guó)外汽車客觀性能研究和座椅舒適性等主觀性能的研究是同步的進(jìn)行的。比如Lee[1]等人針對(duì)分析了座盆和靠背的最大和平均壓力、壓力梯度與整體和局部舒適性的相關(guān)性。Thakurta[2]等利用壓力測(cè)試裝置針對(duì)不同的汽車座椅測(cè)試體壓分布數(shù)據(jù)，指出體壓分布與舒適性相關(guān)性顯著。A.Milivojevich[3]研究了坐骨平均壓力、大腿平均壓力、坐墊接觸面積、腰部平均壓力和背部接觸面積與主觀舒適性的相關(guān)性。Salvatore Demontis[4]對(duì)座椅的壓力分布對(duì)舒適度影響做了統(tǒng)計(jì)分析，分別計(jì)算了坐姿、坐墊厚度和包裹度對(duì)靠背和坐墊的舒適性的影響權(quán)重。韓國(guó)的Park Se Jin[5]等通過(guò)對(duì)照被試人員的主觀評(píng)價(jià)與客觀評(píng)價(jià)不同的轎車和緊湊型汽車座椅的舒適性。

如今汽車行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈，汽車座椅廠習(xí)慣按照汽車制造廠提出設(shè)計(jì)要求和主觀評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)座椅。一旦汽車改型或新車型推出，原來(lái)的設(shè)計(jì)要求和主觀評(píng)價(jià)要重新進(jìn)行。這樣每次座椅廠都需要重新根據(jù)客戶要求進(jìn)行改型和生產(chǎn)，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)自主推出按照自己理念設(shè)計(jì)的座椅廠品。其主要原因是座椅廠不了解汽車制造廠的主觀評(píng)價(jià)的理念。又由于主觀評(píng)價(jià)師的培養(yǎng)過(guò)程和打分過(guò)程一定是保密的，評(píng)價(jià)結(jié)果也只是一個(gè)分值而廠家不知道具體加分和扣分規(guī)則。因此，他們無(wú)法完全理解汽車制造廠的主觀評(píng)價(jià)師感受并將其數(shù)學(xué)化和工程化。我國(guó)汽車座椅目前主要為國(guó)內(nèi)汽車產(chǎn)品匹配，理應(yīng)根據(jù)國(guó)人的感受打分并改進(jìn)座椅，長(zhǎng)期根據(jù)外國(guó)的座椅評(píng)價(jià)師打分是不客觀的。[6-10]因此，制定符合我國(guó)國(guó)人身體特點(diǎn)和舒適感受的座椅評(píng)價(jià)打分體系、形成數(shù)據(jù)樣本庫(kù)，并最終實(shí)現(xiàn)軟件化是我國(guó)汽車座椅廠的最終要求。

本文基于上述要求，提出了一種符合國(guó)人身體特點(diǎn)的汽車座椅舒適性區(qū)間評(píng)價(jià)方法。首先，根據(jù)中國(guó)人座椅舒適性主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)獲得大量主觀評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)和座椅壓力數(shù)據(jù);再通過(guò)分類和篩選形成具有實(shí)際代表性的主觀評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫(kù);然后，對(duì)這些主觀評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值分析，通過(guò)數(shù)學(xué)方法客觀化，即形成座椅舒適性函數(shù);最后，將數(shù)據(jù)庫(kù)中的人體壓力數(shù)據(jù)、座椅樣本數(shù)據(jù)和評(píng)價(jià)打分?jǐn)?shù)據(jù)按照其關(guān)聯(lián)函數(shù)關(guān)系整合成一個(gè)座椅舒適性評(píng)價(jià)方法，進(jìn)而形成軟件。通過(guò)這個(gè)軟件，座椅生產(chǎn)企業(yè)可以快速獲得座椅舒適性得分，從而節(jié)省了外國(guó)聘請(qǐng)?jiān)u價(jià)師打分的時(shí)間和費(fèi)用，保證其打分是按照中國(guó)人身體特點(diǎn)和駕駛習(xí)慣的綜合得出的。

2 座椅舒適性實(shí)驗(yàn)方法及主觀評(píng)價(jià)打分

座椅舒適性試驗(yàn)臺(tái)架包含一臺(tái)駕駛模擬器。其中，主要測(cè)試設(shè)備是x-sensor壓力分布測(cè)試系統(tǒng)，如圖2。它可以測(cè)試人體與座椅界面的壓力分布情況和壓力數(shù)據(jù)。評(píng)價(jià)者左手輕握方向盤圖示左側(cè)位置，右手握方向盤右側(cè)位置，左右腳分別踏在油門踏板和離合器踏板。

試驗(yàn)評(píng)價(jià)表主要由被試人員口述并由實(shí)驗(yàn)員填寫，包括被試人員信息，主要內(nèi)容是被測(cè)試者對(duì)座椅的主觀評(píng)價(jià)。背部打分：分為1-9#區(qū)域，如圖3所示。實(shí)驗(yàn)者主要感受這幾個(gè)區(qū)域的舒適性，并給出綜合評(píng)價(jià)打分。臀部打分：分為10-15#區(qū)域。實(shí)驗(yàn)者被感受這幾個(gè)區(qū)域的舒適性，并給出其主觀評(píng)分。

3 體壓分布評(píng)價(jià)指標(biāo)

座椅舒適性評(píng)價(jià)的客觀數(shù)據(jù)主要是坐墊和靠背的壓力云圖?？偨Y(jié)云圖的共同特點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)，座墊最大壓力大，但是對(duì)于同一材質(zhì)的座椅，由于表面形狀的差異，使得受力壓傳感器的個(gè)數(shù)不同（受力面積有差異），平均壓力也不同。這也反映出座椅形狀與人體壓力間的復(fù)雜關(guān)系。這一點(diǎn)座椅設(shè)計(jì)工程師也普遍認(rèn)可[11-15]。

另外，從圖4.可以看出即使同一個(gè)人臀部或背部壓力也不是完全對(duì)稱的。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中會(huì)隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)峰值。但是縱觀整個(gè)實(shí)驗(yàn)，一個(gè)被測(cè)座椅打分和一個(gè)評(píng)價(jià)人員的壓力數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性基本能保持一致。利用這種一致性，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中盡量讓座椅評(píng)價(jià)者坐下后，再穩(wěn)定一段時(shí)間后才開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明這種方法能夠地保證了不同實(shí)驗(yàn)者主觀評(píng)價(jià)一致性。所以，座椅舒適性試驗(yàn)時(shí)間要求實(shí)驗(yàn)者乘坐5分鐘以上，以保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。背部數(shù)據(jù)同理。

個(gè)人的身形和體重都有差別。座椅舒適性實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，人體的體型和體重直接關(guān)系很大。實(shí)驗(yàn)后的數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析，這種差異性也應(yīng)體現(xiàn)出來(lái)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)者壓力變化（體型變化）和打分結(jié)果變化相關(guān)性較為密切。所以，應(yīng)該按照不同的體形指標(biāo)設(shè)計(jì)不同的評(píng)價(jià)尺度。根據(jù)國(guó)際上通用的BMI算法，我們把實(shí)驗(yàn)者分為3類：瘦：低于BMI<18.5;正常：BMI=[18.5-24.99];胖：BMI>25。

4 數(shù)據(jù)庫(kù)建立

我們把所有座椅評(píng)價(jià)者的壓力云圖數(shù)據(jù)和主觀打分結(jié)果匯總，并形成數(shù)據(jù)庫(kù)。根據(jù)座椅權(quán)威評(píng)價(jià)師以往針對(duì)這些座椅的評(píng)價(jià)打分，我們篩除掉所有評(píng)價(jià)結(jié)果差異大的云圖和打分。這樣，剩下的數(shù)據(jù)是比較可靠的打分和壓力對(duì)應(yīng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。再按照體形指標(biāo)不同分類實(shí)驗(yàn)者，并按照座椅打分高低順序整理數(shù)據(jù)。

這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)主要用來(lái)給座椅開(kāi)發(fā)者提供座椅開(kāi)發(fā)的參考數(shù)據(jù)。更為重要的，我們可以通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)座椅舒適性評(píng)價(jià)的重要規(guī)律，并據(jù)此形成座椅舒適型評(píng)價(jià)方法。

5 座椅舒適性區(qū)間評(píng)價(jià)方法

按照人體BMI標(biāo)準(zhǔn)不同分成3個(gè)人群，分別建立評(píng)價(jià)方法。要強(qiáng)調(diào)的是，雖然三個(gè)人群BMI指標(biāo)數(shù)據(jù)不同但評(píng)價(jià)方法是相同。

另外，同一類人群中所有人的壓力云圖無(wú)論是壓力點(diǎn)個(gè)數(shù)還是壓力值都有差異。所以還要在評(píng)價(jià)中采用歸一化方法統(tǒng)一數(shù)據(jù)分布區(qū)間。

在評(píng)價(jià)中，還要使用區(qū)間方法將評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)區(qū)間化，即考慮試驗(yàn)過(guò)程的不確定性，進(jìn)而修正評(píng)價(jià)結(jié)果。數(shù)據(jù)處理過(guò)程如下：

第一步：歸一化處理

x-sensor測(cè)到的數(shù)據(jù)是各個(gè)點(diǎn)的壓力傳感器測(cè)得的壓力數(shù)據(jù)。設(shè)：壓力不為零的壓力點(diǎn)個(gè)數(shù)mmax。這些數(shù)據(jù)Pi，0

比值從0.1-1分成10等分段，統(tǒng)計(jì)十個(gè)分段 [0.0-0.1，0.1-0.2，…，0.9-1]內(nèi)的壓力點(diǎn)個(gè)數(shù)mk，k=1，2，3，…，10。再把這些數(shù)值除以所有有壓力值的傳感器個(gè)數(shù)，從而轉(zhuǎn)化為對(duì)總壓力個(gè)數(shù)的比值

第二步：形成基礎(chǔ)評(píng)價(jià)指標(biāo)曲線。

上述各個(gè)壓力區(qū)間內(nèi)的點(diǎn)占總點(diǎn)數(shù)的比例值mmk依次對(duì)應(yīng)0.1，0.2，0.3…1形成一條二維折線。采用樣條曲線擬合方法擬合成一條近似這條折線的二維函數(shù)曲線，即基礎(chǔ)評(píng)價(jià)指標(biāo)曲線函數(shù)。

第三步：建立評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)曲線庫(kù)

設(shè)座椅評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)范圍為1-10分，將按照傳統(tǒng)方法做過(guò)舒適性評(píng)價(jià)的參考座椅按照1-10分依次排序。再根據(jù)人體BMI算法的人體的3個(gè)分類選擇實(shí)驗(yàn)人員坐座椅，并測(cè)的壓力云圖。最后，通過(guò)上述第一步和第二步建立基本評(píng)價(jià)指標(biāo)曲線從而形成不同分?jǐn)?shù)下的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)曲線庫(kù)。

第四步：基礎(chǔ)打分

被測(cè)座椅要根據(jù)BMI選擇三類人進(jìn)行乘坐。計(jì)算機(jī)根據(jù)第一步和第二步形成測(cè)試曲線，其然后與10個(gè)分值基礎(chǔ)評(píng)價(jià)指標(biāo)曲線對(duì)比一致性，

其中，Cov為兩個(gè)函數(shù)的協(xié)方差，Var為兩個(gè)函數(shù)的方差。r值越小說(shuō)明一致性越好。所以，曲線與哪個(gè)分?jǐn)?shù)基礎(chǔ)評(píng)價(jià)指標(biāo)曲線一致性好，該座椅的基礎(chǔ)打分就是該分值。

第五步：區(qū)間修正

由于參考座椅評(píng)分就是1-10的整數(shù)分，被測(cè)座椅的評(píng)價(jià)曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線是有差異的。這種差異是座椅舒適性分值修正的依據(jù)。以基礎(chǔ)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)曲線為中心線，以0.25為區(qū)間半徑帶，建立區(qū)間函數(shù)?？疾鞙y(cè)試曲線整體是否這個(gè)曲線帶內(nèi)，評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)要在基礎(chǔ)打分上修正。修正原則：區(qū)間半徑每增加0.025，減0.1分，下限為0.5。區(qū)間半徑每減少0.025加0.1分，上限為-0.5。修正后的分?jǐn)?shù)是被測(cè)座椅的初步舒適性得分。

第六步：平均分?jǐn)?shù)

按照上述人體BMI標(biāo)準(zhǔn)選擇方法。三種體型各選一人，按照上述第4和5步打分，再取平均分。這個(gè)分?jǐn)?shù)就是被測(cè)座椅最終舒適性評(píng)分。

6 座椅舒適性評(píng)價(jià)軟件

本文利用上述方法建立了座椅評(píng)價(jià)軟件，如圖5。其除了具備評(píng)價(jià)功，還記錄實(shí)驗(yàn)時(shí)間、座椅廠家、座椅型號(hào)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)人信息等重要數(shù)據(jù)，這樣每次評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)才能完整，并可在今后形成數(shù)據(jù)庫(kù)。而且評(píng)價(jià)時(shí)建議使用如下更加評(píng)價(jià)表述：非常舒服（10-8分）;一般舒服（6-7.9分）;正常（4-5.9分）;不舒服（2-3.9分）;很不舒服（0-1.9分）。

7 總結(jié)

本文介紹了一種座椅舒適性區(qū)間評(píng)價(jià)方法，其通過(guò)歸一化方法解決了不同人體（BMI）類型的在不同評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)座椅的壓力數(shù)據(jù)變化大的問(wèn)題，而且在傳統(tǒng)打分的同時(shí)，引入了區(qū)間參數(shù)修正功能，使得打分更加科學(xué)。根據(jù)該方法開(kāi)發(fā)了對(duì)應(yīng)軟件，實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)用漢字表述舒適性更直觀。軟件還能記錄實(shí)際應(yīng)用過(guò)程和重要數(shù)據(jù)，如圖5。通過(guò)軟件的實(shí)際使用進(jìn)一步證明了座椅舒適性區(qū)間評(píng)價(jià)方法具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值。

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