劉力卓, 方興祥, 趙義格

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和諧號動車座椅的人因?qū)W改善研究

劉力卓, 方興祥, 趙義格

(燕山大學(xué) 經(jīng)濟管理學(xué)院， 河北 秦皇島 066004)

以和諧號動車座椅為研究對象，以人因?qū)W為理論依據(jù)，以人因?qū)W軟件Jack為研究工具，建立數(shù)字人，對動車座椅進行建模仿真，通過舒適度檢驗發(fā)現(xiàn)其存在的問題。結(jié)果表明：通過對動車座椅座面高度、座面傾角以及靠背高度的重新設(shè)計，可以顯著提高旅客乘坐的舒適度。

動車座椅； 數(shù)字人； Jack軟件

高速列車是旅客出行和旅游活動場所，其舒適程度直接影響到人們對這類交通工具的評價程度。座椅是與乘客接觸最頻繁和時間最長的設(shè)施，座椅與乘客的身體感覺有著密切關(guān)系，它的設(shè)計直接關(guān)系到列車的舒適性和旅客對出行交通工具的選擇。旅客對列車座椅的評價，最基本也是最重要的決定因素就是舒適度，特別是在長途旅行中，隨著乘車時間的延長，旅客的疲勞感和煩躁感會逐漸增加，如果沒有一個舒適的座椅供旅客調(diào)節(jié)休息，將會對旅客產(chǎn)生一定的不良效果和負面情緒。在列車座椅舒適度的研究上，國外學(xué)者走在了前沿。他們通過理論與試驗相結(jié)合的方法，獲得許多有價值的研究成果。如 Lee等[1]研究了列車座位上兩種不同形式(即更柔和更堅實的座位)的座椅。Siefert等[2]分別測量了軟、硬兩種座椅的座面最大壓力值來對座椅進行研究；也有一些學(xué)者通過運用測量分析法來分析不同座椅座面對乘客的壓力來評價座椅的舒適度[2-4]。我國學(xué)者李培松等[5]提出一種基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的座椅舒適度評價模型, 應(yīng)用8個座椅壓力分布參數(shù)和2個人體參數(shù)等對座椅舒適性進行綜合評價；馬佳等[6]針對汽車座椅舒適度評價方法研究的不足，探討壓力分布與舒適度之間的關(guān)系，引入人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò), 建立基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的汽車座椅舒適度評價模型；余江鴻等[7]提出一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測駕駛座椅主觀舒適度的方法，該方法有助于降低當(dāng)前汽車制造企業(yè)提高汽車座椅舒適性過程中的成本，并縮短制造時間。

1 Jack軟件

Jack軟件由賓夕法尼亞大學(xué)的人體建模和仿真中心在1995年研制開發(fā)，經(jīng)由西門子工業(yè)軟件有限公司進行商業(yè)化運作。經(jīng)過近十多年的研究，該軟件已成為一款集三維仿真、數(shù)字人體建模、人因工效分析等功能于一體的高端仿真軟件：可以導(dǎo)入CAD三維模型來構(gòu)建仿真環(huán)境；能夠引入具備生物力學(xué)特質(zhì)的三維人體模型；能夠給數(shù)字模擬人派發(fā)任務(wù)；可以通過數(shù)字人行為仿真分析來獲取有價值的信息等[8-9]。

2 基于Jack的和諧號動車座椅仿真

2.1 動車座椅

由于二等車廂是我國大部分乘客的乘車選擇，同時二等車廂的主要服務(wù)對象就是普通大眾，我國CRH系列列車二等車廂的座椅尺寸構(gòu)建如圖1所示。

圖1 CRH系列列車二等座座椅尺寸示意圖

2.2 數(shù)字人

乘坐動車出行的絕大多數(shù)是中國人，因此，本文進行改善所建立的數(shù)字人也是中國人，在Jack8.2版本中提供了中國人體數(shù)據(jù)庫，如圖2所示。

圖2 數(shù)字人創(chuàng)建

2.3 座椅仿真分析

2.3.1 座面高度

座面高度是指座椅座面到地面的垂直距離。合理的座面高度應(yīng)使乘客大腿接近水平、小腿可以自然伸直的同時略向前傾。座面如果過高，則使小腿懸空，致使大腿肌肉受座面前緣壓迫影響阻礙血液循環(huán)，久坐會使乘客感到小腿麻木腫脹等不舒服現(xiàn)象[10]。在Jack仿真實驗中，座面高度以坐姿下小腿加足高的高度為設(shè)計依據(jù)，分別以女性第5百分位和男性第95百分位建立數(shù)字人，進行舒適度檢驗，仿真結(jié)果如圖3、圖4所示。

在圖3的仿真中，選用Porter數(shù)據(jù)源，它是一種單關(guān)節(jié)舒適度分析，其中Mode值是指“大多數(shù)乘客可接受的值”,數(shù)據(jù)條的長度顯示的是和這個標準值的差距，空白條是指該關(guān)節(jié)的舒適度超出標準值。從圖3可以看出，膝蓋(-20.4)與小腿(28.6)處的數(shù)據(jù)條均為空白條，表明該關(guān)節(jié)的舒適度超出標準值，乘客會表現(xiàn)出一定程度的不舒適現(xiàn)象，通過對座面高度的多次調(diào)整發(fā)現(xiàn)，這種不舒適情況是由于座面高度過高致使數(shù)字人小腿懸空導(dǎo)致的。

圖3 女性第5百分位座面高度舒適度檢驗

圖4 男性第95百分位座面高度舒適度檢驗

在圖4的仿真中，選用Krist數(shù)據(jù)源，它是一種多關(guān)節(jié)舒適度分析，給出從0～80的舒適度評分，分數(shù)越低代表舒適度越大。由圖4可以看出，臀部的不舒適感最為強烈，為52.3，此外這時的疲勞度也較高，為42.5，而乘客的綜合舒適度就更低了，數(shù)值高達52.1，顯然在這樣的情境下，乘客的不舒適感會很強烈。

2.3.2 座面傾角

座面傾角是指座椅座面與水平面之間的夾角。在列車行駛過程中，合適的座面傾角能夠防止乘客久坐而帶來的臀部向前移動，以方便背部自然向后靠到靠背上，讓腰背獲得更大面積支撐，從而減少背部壓力，以此減輕疲勞。座椅主要以休息為主，座面傾角應(yīng)稍微大些才有助于肌肉放松，但是過大的傾角也會加大大腿前端的壓力，阻礙血液循環(huán)造成腿部發(fā)麻腫脹。由于沒有找到相關(guān)的座面傾角數(shù)據(jù)，筆者通過實地測量得到，座面傾角約為12°。在本文中，以女性第50百分位數(shù)字人進行座面傾角的舒適度檢驗，如圖5所示。

圖5 座面傾角12°時女性第50百分位的舒適度檢驗

在圖5 的仿真中，可以看到，左右胳膊的舒適度最高，為0，臀部和肩部的舒適度較低，分別為47.5和32.8。從整體上看，乘客的疲勞度很高，導(dǎo)致舒適度就更低了，分別為50.2和59.7，顯然對于長途旅行的乘客而言，很快會導(dǎo)致疲勞，舒適度降低。

2.3.3 靠背高度

座椅靠背的功能是保持脊椎處于自然狀態(tài)。為滿足大部分人對靠背的尺寸要求，接下來則以男性第95百分位、女性第5百分位和男性女性第50百分位數(shù)字人進行舒適度檢驗，如圖6～圖9所示。

圖6 男性第95百分位靠背高度舒適度檢驗

圖7 男性第50百分位靠背高度舒適度檢驗

圖8 女性第50百分位靠背高度舒適度檢驗

圖9 女性第5百分位靠背高度舒適度檢驗

由圖6可以看出，當(dāng)采用男性第95百分位進行舒適度檢驗時，臀部的舒適性較低，為37.8，同時由于靠背高度不夠，肩部基本由靠背頂部位置支撐，從而給肩部帶來較大壓力，所以肩部的舒適度也較低，為33.4。在這種情況下，導(dǎo)致乘客的疲勞度增加，為49.1，而綜合舒適度降低，為54.4。由圖7和圖8可以看出，當(dāng)采用男性第50百分位和女性第50百分位進行舒適度檢驗時，男性第50百分位舒適度較女性第50百分位舒適度相對較低，其中主要體現(xiàn)在肩部的舒適度上，這是由于當(dāng)前的座椅高度只能給女性第50百分位的數(shù)字人帶來更加合適的肩部支撐。由圖9可以看出，當(dāng)采用女性第5百分位進行舒適度檢驗時，數(shù)字人的肩部和臀部都表現(xiàn)出一定程度的不舒適，分別為33.1和37.6，而此時的疲勞度也較大，為48.9，綜合舒適度最低，為54.2。這是由于當(dāng)前的座椅高度使得女性第5百分位數(shù)字人基本不能獲得頭部支撐，同時靠背的支撐位置偏高，因此也使得肩部表現(xiàn)出一定的不舒適狀態(tài)。

3 和諧號動車座椅的人因?qū)W改善

3.1 座面高度

通過上面座面高度的仿真分析顯示，針對于女性第5百分位數(shù)字人可通過略微降低座面高度來提高舒適度；對于男性第95百分位數(shù)字人，為了提高數(shù)字人乘客腿部的舒適度可以通過添加一定角度的腳踏板來實現(xiàn)，仿真分析如圖10、圖11所示。

圖10 女性第5百分位座面高度舒適度檢驗

圖11 男性第95百分位座面高度舒適度檢驗

對于女性第5百分位數(shù)字人由于座面高度過高造成的不舒適，可以通過將座面高度降低30 mm，使得數(shù)字人的雙腳剛好可以與地面平行。通過圖10的仿真可以看到，所有的數(shù)據(jù)條均已變成黑色，沒有空白條。其中，膝蓋的數(shù)據(jù)偏差由-20.4變?yōu)?12.1，小腿的數(shù)據(jù)偏差由28.6變?yōu)?2.2，這意味著所有關(guān)節(jié)的舒適度均在標準值的范圍之內(nèi)，達到改善預(yù)期。對于男性第95百分位數(shù)字人，由于座面高度不夠致使小腿得不到合理屈伸，導(dǎo)致乘客腰椎坐姿的變形帶來臀部的不舒適，則通過添加輔助設(shè)施腳踏板來緩解由于腿部屈伸時所帶來的不舒適。仿真中通過對腳踏板角度的調(diào)節(jié)也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)腳踏板的角度在20°左右時，臀部的舒適度為38.9，提升了25.6%，而此時的疲勞度為37，下降了12.9%，乘客的綜合舒適度為41.3，提升了20.7%，如圖11所示。同時為了滿足不同類型的乘客，建議腳踏板的設(shè)計應(yīng)該是前后可移動調(diào)整的。故針對座面高度所提出的人因?qū)W改善措施為：座面高度降低30 mm，添加傾角為20°的前后可移動的腳踏板。

3.2 座面傾角

針對如何選擇適當(dāng)?shù)淖鎯A角這一問題，主要是通過多次對座面傾角的調(diào)試來觀察肩部和臀部舒適度的變化來進行確定，通過仿真分析發(fā)現(xiàn)，座面傾角為8°時，數(shù)字人肩部的舒適度為19.9，提升了39.3%，臀部舒適度為37.9，提升了20.2%，疲勞度為37.7，下降了24.9%，綜合舒適度為42.1，提升了29.5%。但從總體來看，臀部的舒適度相對來說還是比較低的，在這種情況下，為了減小臀部帶來的壓力，可以給座椅配置符合臀部理想體壓分布曲線的坐墊，或者直接將座面設(shè)計成符合臀部理想體壓分布曲線的形狀。故針對座面傾角所提出的人因?qū)W改善措施為：設(shè)計座面傾角為8°，配置符合臀部理想體壓分布曲線的坐墊，仿真分析如圖12所示。

圖12 座面傾角8°時女性第50百分位的舒適度檢驗

3.3 靠背高度

對座椅靠背高度的仿真分析顯示，對于男性第50百分位的數(shù)字人而言靠背高度不夠，舒適度相對低一些。然而，對于男性第95百分位的數(shù)字人和女性第5百分位的數(shù)字人而言，則疲勞度較高，舒適度較低，如何使得兩類數(shù)字人的頸部和肩背部都獲得較為充分的支撐則是改善的方向。

在對男性第95百分位數(shù)字人進行舒適度檢驗時發(fā)現(xiàn)，由于靠背高度不夠，肩部基本由靠背頂部位置支撐，以至于頭部幾乎失去支撐，從而給頸椎帶來壓力導(dǎo)致頸部和肩背部舒適度較低。針對舒適度較低的情況，通過將座椅靠背高度由760 mm提高至870 mm左右，此靠背高度下的男性第95百分位數(shù)字人的頭部能夠得有效支撐，而且頸部和肩背部的舒適度也大大提高。然而，當(dāng)提高了靠背高度使得男性第95百分位數(shù)字人能得到充分支撐的同時，相對于女性第5百分位數(shù)字人等身材偏小的乘客而言，在此靠背高度下顯然是不能獲得充分支撐的。此時，通過分別確定放松坐姿下男性第95百分位和女性第5百分位數(shù)字人提供肩部支撐、腰部支撐和頸部支撐3個位置所處的靠背高度來確定提供肩部、腰部和頸部所需支撐的支撐點范圍，即：頸椎的第5～6胸椎之間提供肩部支撐，第4～5腰椎之間的高度上提供腰部支撐，頸部提供頭部支撐，仿真分析如圖13所示。

圖13 男性第95百分位靠背高度舒適度檢驗

實驗結(jié)果顯示：肩背部的支撐點范圍為：290～345 mm，頸部的支撐點范圍為：575～680 mm。由于肩背部所需的支撐點范圍不是很大，在此處通過設(shè)計該范圍下的肩背部支撐面來給不同身材的乘客提供肩背部的支撐，肩部的舒適度提高了8.68%，而背部的舒適度則達到了最佳。然而，頸部所需的支撐點范圍跨度較大，設(shè)計如此大的一個支撐面略顯臃腫，同時由于不同乘客頸部所需的支撐面范圍有限，大面積的支撐反而會令不需要獲得支撐的部位獲得支撐，導(dǎo)致舒適度下降。因而，頸部支撐點的提供則應(yīng)該是設(shè)計一個頸部支撐點范圍下的可以上下移動的頭枕來提供頸部所需的支撐。此時，舒適度提高66%。乘客疲勞度降低32.2%，綜合舒適度提高43.2%。

4 結(jié)論

隨著社會經(jīng)濟的快速增長，人們越來越關(guān)注安全與健康問題。本文運用人因?qū)W理論以及Jack軟件，對我國和諧號二等座動車座椅進行舒適度檢驗，通過對動車座椅的座面高度、座面傾角以及靠背高度的重新設(shè)計，發(fā)現(xiàn)改善后的動車座椅在乘坐舒適度上顯著優(yōu)于現(xiàn)有座椅，表明改善后方案能夠有效提高乘坐的舒適性。但是由于篇幅限制，僅對座椅的座面高度、座面傾角和靠背高度進行檢驗，但是這并不影響新舊座椅對乘客舒適度的對比。

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Improvement Research of Human Factors on CRH Seats

LIU Lizhuo, FANG Xingxiang, ZHAO Yige

(Economic and Management Institute, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China)

Taking CRH seats as research object, Human Factors as theoretical basis, and Jack software as research tool, CRH seats are studied while digital human set up and the problems found by comfort experiments. The results show that passengers' comfort can be significantly improved by redesigning seat height, seat angle and backrest height.

CRH (China Railways High-speed)seats; digital human; Jack software

2015- 12- 10

河北省科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計劃資助項目(14457667D)

劉力卓(1971-)，女，河北省人，教授，碩士，主要研究方向為人因工程、港口物流.

10.3969/j.issn.1007- 7375.2016.05.003

Q984

A

1007-7375(2016)05- 0016- 08