中國人體尺寸預(yù)測方法研究

勾俊杰 冷濟光 畢顯 丁立杰

（1.同濟大學(xué)，上海 201804；2.中國第一汽車集團有限公司，長春 130013）

主題詞：中國人體 外國人體 人體尺寸預(yù)測 RAMSIS軟件

1 前言

人機工程學(xué)的目標是建立人-機-環(huán)境相互和諧的共處環(huán)境，人-機-環(huán)境的密切配合離不開準確的人體模型庫。人體尺寸參數(shù)的測量和數(shù)據(jù)的預(yù)測是建立人體模型庫的基礎(chǔ)，專業(yè)的人體測量方法可以獲得特定群體的人體尺寸測量數(shù)據(jù)及其分布規(guī)律，進而指導(dǎo)工具、設(shè)備及作業(yè)空間等的設(shè)計。人體尺寸受地域、性別、年齡、人種、身材比例等諸多因素影響。在汽車產(chǎn)品開發(fā)中，乘員艙和汽車外部都需要依據(jù)特定的目標群體設(shè)計，因而必須充分了解目標群體的人體尺寸參數(shù)，并據(jù)此建立人體模型庫。

目前，通常以GB 10000—1988《中國成年人人體尺寸》中提供的參數(shù)作為設(shè)計依據(jù)，這在理論層面上符合人機工程學(xué)的原則[1]，但人體尺寸具有明顯的時代差異[2]，這會直接導(dǎo)致以此設(shè)計的產(chǎn)品與現(xiàn)實人體尺寸狀況不符，所以需要在國家標準的基礎(chǔ)上對現(xiàn)階段的中國人體尺寸進行預(yù)測。

本文對基于RAMSIS 軟件的中國人體尺寸預(yù)測方法進行分析，并基于多國人體尺寸變化規(guī)律開展中國人體尺寸等效預(yù)測，以期獲得更符合現(xiàn)階段中國人體尺寸實際情況的預(yù)測模型。

2 人體尺寸的預(yù)測方法

在汽車產(chǎn)品開發(fā)中，目前主要應(yīng)用RAMSIS軟件的人體尺寸預(yù)測功能模塊實現(xiàn)人體尺寸預(yù)測，但至今，該模塊的尺寸預(yù)測僅對部分人體（如德國）做了調(diào)整。隨著時間的推移，人體尺寸不可能無限制地增長，因而RAMSIS軟件中人體尺寸預(yù)測模塊的預(yù)測方法必然存在問題。

2.1 RAMSIS人體尺寸預(yù)測存在的問題

圖1所示為RAMSIS中從1988年開始的德國（舊版數(shù)據(jù)庫）和中國第95百分位男性人體每7年的身高尺寸變化情況，由圖1 可以看出，中國人體和舊版德國人體的身高尺寸預(yù)測均符合等差數(shù)列的規(guī)律，且德國人體身高尺寸的增長速度較中國人體快。對應(yīng)地，新版德國人體數(shù)據(jù)庫（2004年起）第95百分位男性人體每4年身高尺寸見圖1，新版德國數(shù)據(jù)庫的身高尺寸增長預(yù)測趨勢相比舊版數(shù)據(jù)庫變緩。隨著身高尺寸的增長，其增長速度呈現(xiàn)出減小的趨勢，這顯然更符合人體身高尺寸的實際增長規(guī)律。

圖1 中國與德國第95百分位男性人體身高尺寸對比

通過對比新、舊版RAMSIS數(shù)據(jù)庫德國人體身高尺寸的增長趨勢可以發(fā)現(xiàn)，1988～2016 年，德國人體身高尺寸的增長在2個階段內(nèi)分別符合等差數(shù)列規(guī)律，但整體趨勢可以用相切擬合的二次曲線來表征。

不同百分位中國人體身高尺寸RAMSIS 預(yù)測結(jié)果如表1所示。分析表1可知，不同百分位人體的增長速度不同，但相同百分位男性和女性的人體增長速度卻是相同的，每7 年第95 百分位、第50 百分位、第5 百分位人體（男性和女性）身高的增長速度分別為7.4 mm、7.0 mm、6.6 mm，符合等差數(shù)列的特征。

表1 不同百分位中國人體身高尺寸RAMSIS預(yù)測結(jié)果 mm

表2所示為舊版數(shù)據(jù)庫德國人體身高尺寸，由表2可知，德國人體身高尺寸增長速度基本符合等差數(shù)列的特征，但是每個百分位人體身高尺寸的增長速度都不相同，大尺寸人體身高增長速度較快，男性和女性人體身高尺寸增長速度也不相同，男性人體身高尺寸增長速度較快。

表2 舊版數(shù)據(jù)庫不同百分位德國人體身高尺寸 mm

表3 所示為新版數(shù)據(jù)庫德國人體身高尺寸，由表3可知，德國人體身高尺寸增長速度隨時間的推移逐漸變緩，且每個百分位人體身高尺寸增長速度都不相同，大尺寸人體身高尺寸增長速度較快，男性人體身高尺寸增長速度較女性人體快。

表3 新版數(shù)據(jù)庫不同百分位德國人體身高尺寸 mm

綜上，對比新、舊版數(shù)據(jù)庫德國人體身高尺寸變化規(guī)律，可得出如下結(jié)論：

a.人體身高尺寸的增長方式在短期內(nèi)符合等差數(shù)列規(guī)律。

b.RAMSIS中國人體數(shù)據(jù)庫男性和女性人體身高增長速度相同的預(yù)測方式不可取。

c.隨著時間的推移，預(yù)測函數(shù)必然是非線性的，可考慮采用二次曲線表征。

d.不同百分位的人體身高增長速度不同，需單獨預(yù)測。

e.大尺寸人體的身高增長速度快于小尺寸人體。f.男性人體身高尺寸的增長速度較女性快。

2.2 中國人體尺寸的類比預(yù)測方法

選取2000年和2010年不同國家的人體身高尺寸數(shù)據(jù)，以男性人體的身高尺寸為例制作散點圖，應(yīng)用最小二乘法提取身高尺寸變化規(guī)律的參考曲線，結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出，德國人體和美國人體身高尺寸及其增長趨勢都基本等效，而日本人體身高尺寸略小，增長略緩。

圖2 不同百分位男性身高尺寸增長規(guī)律

此外，中國標準化研究院對中國人體尺寸及其他多國人體尺寸進行了統(tǒng)計研究，通過其最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，北美與德國人體的身高尺寸均值基本相當(dāng)，而中國人體與日本人體的均值也基本相當(dāng)[3]。中國人體與日本人體的差異主要體現(xiàn)在胸圍等寬度尺寸，以及手長和腳寬等局部尺寸，身高尺寸差異較小。

通過對德國人體增長規(guī)律、其他多國人體身高尺寸均值及增長規(guī)律的分析，可以得出以下推斷：

a.德國人體尺寸與美國人體尺寸基本相當(dāng)，說明同一緯度上相似人種的人體身高尺寸可能近似等效。

b.隨著中國人生活水平的不斷提升，中國人體與日本人體作為相似人種，其身高尺寸可以基本等效。

c.各國人體的增長趨勢在一定時間段（如15 年內(nèi)）內(nèi)符合等差數(shù)列規(guī)律。

基于此，本文提出一種身高尺寸預(yù)測方法，以第95百分位男性人體身高為例，其預(yù)測公式推導(dǎo)過程如下：

a.利用RAMSIS 預(yù)測功能推算出2000 年第95 百分位中國男性人體身高尺寸為1 787.3 mm。

b.從2000 年開始，參考日本第95 百分位男性人體增長速度推算2010年中國第95百分位男性人體身高尺寸，假設(shè)預(yù)測線性方程為y=1.6x+m，將推算出的2000年第95百分位中國男性人體身高尺寸代入得到m的取值，故得到線性方程式為：

c.由式（1）求得2010 年中國第95 百分位男性人體身高尺寸為1 803.3 mm。

d.假設(shè)預(yù)測函數(shù)為y=Ax2+Bx+C，將得到的1988年、2000年、2010年數(shù)據(jù)帶入，求得A、B、C的取值，得到中國第95百分位男性人體身高尺寸預(yù)測方程為：

同理，可以求得中國第50 百分位、第5 百分位男性及第95百分位、第50百分位、第5百分位女性人體身高預(yù)測模型分別為：

2.3 2種預(yù)測方法的對比

對本文提出的預(yù)測方法與RAMSIS 預(yù)測方法獲得的2016 年中國人體身高尺寸預(yù)測結(jié)果進行比較，可以發(fā)現(xiàn)二者差別較大，如表4 所示，本文提出的預(yù)測方法得到的大尺寸人體身高尺寸增長趨勢明顯更快。

表4 兩種方法2016年中國人體身高尺寸預(yù)測結(jié)果 mm

本文提出的預(yù)測模型得到的中國人體身高尺寸在產(chǎn)品開發(fā)中應(yīng)用效果良好，并在此基礎(chǔ)上完成了設(shè)計規(guī)范推薦數(shù)值范圍的更新，解決了設(shè)計規(guī)范不適用的問題。例如，在后背門開啟位置的布置設(shè)計中，依據(jù)國家標準中人體身高尺寸設(shè)定的后背門開啟位置在主觀評價及用戶使用中存在抱怨，有碰頭現(xiàn)象，更新設(shè)計規(guī)范推薦數(shù)值范圍后，此類問題未再出現(xiàn)。

3 中國人體數(shù)據(jù)庫

汽車產(chǎn)品開發(fā)中，根據(jù)分析項目的不同，需要選擇不同尺寸的人體模型。因此，需要選取一組有代表性的人體模型作為產(chǎn)品開發(fā)的輔助工具[4]。

因參數(shù)獲取方式有限，身高的獲取相對方便，以身高尺寸為例預(yù)測中國人體模型后，利用RAMSIS的人體模型修改功能創(chuàng)建人體數(shù)據(jù)庫。RAMSIS 可以通過調(diào)節(jié)部分人體尺寸創(chuàng)建不同的人體模型。當(dāng)改變某一人體尺寸時（例如身高），可以驅(qū)動人體的其他關(guān)聯(lián)尺寸自動改變，以有效防止設(shè)計人員創(chuàng)造出不符合人體合理比例的人體模型。

基于為汽車產(chǎn)品開發(fā)提供有效設(shè)計參考的原則，設(shè)定年代為2016年，年齡范圍為18～60周歲，參考通用的分類方式及RAMSIS 的功能，將人體模型庫按照身高（第95 百分位、第50 百分位、第5 百分位）、性別（男性、女性）、身材比例（長、適中、短）、身材（胖、適中、瘦）進行分類，并在此基礎(chǔ)上選取典型人體類型，盡可能少但又全面代表所有人體尺寸，如表5所示。

表5 人體數(shù)據(jù)庫

RAMSIS 軟件的人體模塊提供了三維人體模型用于模擬人體的行為，同時可以通過編輯約束條件將人體姿態(tài)調(diào)整為正常駕駛、操作等人機操作任務(wù)模式[5]。以上10 個人體模型構(gòu)成了現(xiàn)階段中國人體模型庫，可以作為汽車產(chǎn)品開發(fā)的輔助工具，針對性地應(yīng)用于面向中國市場車型的開發(fā)，如圖3所示。

圖3 中國人體數(shù)據(jù)庫

4 結(jié)束語

本文對比了RAMSIS新、舊版數(shù)據(jù)庫德國人體尺寸的變化規(guī)律，對RAMSIS軟件提供的中國人體尺寸預(yù)測方法進行了分析，揭示了該方法的不足之處，通過分析德國、美國及日本人體尺寸隨時間變化的規(guī)律，基于GB 10000—1988中的中國人體尺寸提出了中國人體尺寸的預(yù)測模型，并以2016 年為例建立了中國人體模型數(shù)據(jù)庫。

本文提出的預(yù)測模型雖然可準確地預(yù)測有限時間內(nèi)的人體身高尺寸的變化情況，但更長期的預(yù)測需要進一步增加數(shù)據(jù)輸入。截至目前，中國人體只有1988 年的人體尺寸可以公開查詢使用，而日本人體也只有極少量解密數(shù)據(jù)可以應(yīng)用。在后續(xù)的研究中，將通過改善人體尺寸識別的方法，如圖像識別、三維點云識別等，進一步提高人體尺寸獲取的效率，從而提高人體尺寸預(yù)測模型的精度。