鞠偉男，何紹清，李岳，謝云峰

（中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300393）

淺談中國汽車人體數(shù)據(jù)庫的基本思路與方法

鞠偉男，何紹清，李岳，謝云峰

（中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300393）

中國目前沒有成型的汽車人體數(shù)據(jù)庫，研發(fā)中使用的大多數(shù)還是美國SAE人體。美國人體尺寸與中國相比，整體偏大。因此，開展中國人體數(shù)據(jù)庫的建設(shè)迫在眉睫。

中國；人體數(shù)據(jù)庫；建設(shè)

1 項目概要

目前人體數(shù)據(jù)采集主要還是針對人體本身（包括靜態(tài)參數(shù)及相關(guān)力學數(shù)據(jù)等）。中標院從1986年開始，已經(jīng)開展了3批大規(guī)模的人體參數(shù)的采集工作，建立了面向全行業(yè)的人體數(shù)據(jù)庫。從2013年開始正在開展新一輪的人體參數(shù)采集工作，預(yù)計2018年結(jié)束。將在全國六大區(qū)（東北華北區(qū)、中西部區(qū)、長江中游區(qū)、長江下游區(qū)、兩廣福建區(qū)、云貴川區(qū)），選定代表城市進行批量采集，預(yù)計完成后樣本量在2萬左右。

中國汽車技術(shù)研究中心作為汽車行業(yè)的第三方機構(gòu)，將整合行業(yè)資源進行汽車人體數(shù)據(jù)庫建設(shè)工作。將采用人體與車輛相結(jié)合的掃描方式進行人體數(shù)據(jù)采集，得到點云數(shù)據(jù)。對數(shù)據(jù)進行分析處理，得到相關(guān)參數(shù)的函數(shù)關(guān)系或橢圓邊界。同時將會采集與車輛相關(guān)的力學數(shù)據(jù)（旋鈕、換擋等）、座椅壓感數(shù)據(jù)、動態(tài)捕捉數(shù)據(jù)等，豐富汽車研發(fā)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 項目意義及目標

構(gòu)建中國的人體數(shù)據(jù)庫，能夠設(shè)計出更符合中國人駕駛的汽車。隨著汽車的配置越來越高，中控大屏、抬頭顯示、旋鈕式換擋等高科技配置應(yīng)用到越來越多的車型中，使用中國的人體眼橢圓能夠更加準確指導(dǎo)設(shè)計、研發(fā)；隨著二胎政策的放開，越來越多的企業(yè)專注開發(fā)七座車型，七座車型第三排人機的布置一直是困擾企業(yè)的難點，運用中國人體數(shù)據(jù)庫，能夠精確的指導(dǎo)空間布置，在保證人體舒適的前提下讓車輛擁有更大的行李艙空間，提升空間利用率。通過主觀評價，能夠換擋旋鈕及其他不同大小旋鈕阻尼的推薦值，指導(dǎo)新車設(shè)計。

原始數(shù)據(jù)積累到一定數(shù)據(jù)量，能夠進行更進一步的設(shè)計。能夠開發(fā)中國的 HPM 裝置，進行人機硬點的采集工作；能夠開發(fā)中國的人體碰撞模型；能夠在相關(guān)的汽車設(shè)計軟件中集成中國人體數(shù)據(jù)庫（類似UG中的總布置設(shè)計包），讓工程師更方便的使用中國人體數(shù)據(jù)。

3 項目的基本思路與方法

項目預(yù)計在全國六大區(qū)采集 2000樣本量，樣本量比較多，因此將分批進行采集。采集需要確定樣本情況、采集樣本使用的車輛及掃描的基本方案等。

3.1 樣本選定

在利用人體尺寸進行產(chǎn)品設(shè)計時，人體尺寸以百分位數(shù)形式呈現(xiàn)，它表示人體的某項基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對于使用對象中有百分之幾的人可適用。產(chǎn)品設(shè)計中，一般會考慮較大和較小兩個極端值或者中間群體的數(shù)據(jù)作為設(shè)計依據(jù)。如果百分位數(shù)范圍在5%-95%之間，則能夠涵蓋90%的人群。

3.1.1 樣本分布

樣本來源：中國人體數(shù)據(jù)庫

樣本測量時間：2015-2017年

樣本量：男性8840人；女性9495人

地區(qū)分布：全國范圍6大區(qū)（東北華北區(qū)、中西部區(qū)、長江中游區(qū)、長江下游區(qū)、兩廣福建區(qū)、云貴川區(qū)）。

表1 工效學基礎(chǔ)參數(shù)數(shù)據(jù)庫男性和女性身高百分位數(shù)

3.1.2 樣本年齡段

根據(jù)GB/T 10000《中國成年人人體尺寸》中的年齡段劃分，以及對60歲以上老年人較關(guān)注的需求，劃分為12-17歲，18-25歲，26-35歲，36-59歲，60歲以上5個年齡群體。暫時不考慮兒童座椅的乘坐，因此年齡在12歲以下的兒童不予考慮。

根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)可以確定樣本的初選方案，保證各百分位及各年齡段的樣本均能覆蓋到，確保采集樣本的科學性、準確性。

3.2 車輛選定

樣本確定后，需要確定參與掃描的車輛，下面是關(guān)于車輛選定的幾點建議。

目前市面上SUV銷售較為火爆，采集建議以SUV為主，兼顧其他車型；建議選用針對中國市場設(shè)計的車型；建議選用車輛年代較新的車型，出于租賃成本考慮，不建議選擇2～3個月內(nèi)新上市的車型。

后期可考慮運用柔性化臺架進行人體數(shù)據(jù)采集。臺架的座椅高度、踏板、頂棚等都是柔性可調(diào)的，能夠模擬多種樣車的數(shù)據(jù)。同一樣本可一次采集多種樣車數(shù)據(jù)，提高效率并且能較好的進行數(shù)據(jù)積累。

3.3 掃描方案

樣本與車輛選定后，按照掃描清單可以進入實質(zhì)的數(shù)據(jù)采集階段。目前采集分為三種類型：

（1）人體數(shù)據(jù)采集（采集人體三種姿勢）；

（2）車輛點云采集（采集外表面、內(nèi)表面等點云）；

（3）車輛與人體結(jié)合數(shù)據(jù)采集。

3.3.1 人體數(shù)據(jù)采集

（1）掃描前準備

樣本建議穿著內(nèi)衣（能夠顯示出人體本身輪廓），不能佩戴首飾。佩戴泳帽，將所有頭發(fā)遮起。

（2）掃描設(shè)備

選用專業(yè)的人體掃描設(shè)備，型號為3D CaMega DCS系列，能夠自動處理尺寸數(shù)據(jù)，對于不能自動處理的數(shù)據(jù)，可進行手動測量。

（3）掃描過程

圖1 三種人體姿態(tài)

如上圖所示，需要掃描三種人體姿態(tài)，每個姿態(tài)掃描時間幾十秒。數(shù)據(jù)可后期處理，不占用樣本時間，樣本結(jié)束該掃描后，即可進行下一步車輛與人體結(jié)合掃描的準備工作。

3.3.2 車輛點云數(shù)據(jù)采集

掃描前應(yīng)使車輛處于整備狀態(tài)，座椅靜置20分鐘以上，車輛需貼點（包括外飾及內(nèi)飾），對于反光部位需要噴粉。

（1）掃描設(shè)備

為保證較高的點云質(zhì)量，目前使用兩種掃描設(shè)備結(jié)合的方式進行掃描。一種設(shè)備用于掃描車輛，一種設(shè)備用于掃描人體與車輛。兩種掃描設(shè)備均能識別Max-shot全局攝影測量儀定位的點。

選用的手持式激光掃描設(shè)備，型號為 HandyScan 700。該掃描設(shè)備精度較高，能達到 0.002mm。負責掃描車輛的外飾、內(nèi)飾。由于體積小，操作靈活，能夠很好的掃描一些細節(jié)特征。

3.3.3 車輛與人體集合數(shù)據(jù)采集

（1）掃描前準備

樣本人員穿戴白色緊身衣，運動鞋，頭戴白色泳帽，身上不能佩戴任何首飾。樣本人員穿戴完畢后，坐到駕駛位，調(diào)整座椅、方向盤的位置（如果踏板可調(diào)，也需進行調(diào)整），直到達到自己最舒服的狀態(tài)為止。佩戴安全帶之后再次微調(diào)。

（2）掃描設(shè)備

Go scan手持式掃描設(shè)備是掃描人體的專業(yè)設(shè)備，精度在1mm左右。人體的輕微晃動不會影響掃描效果，并且不需要對人體噴粉，掃描速度快，能夠迅速成型。與HandyScan 700設(shè)備結(jié)合掃描，能達到較好的掃描效果。

3.4 數(shù)據(jù)處理

對于單一性別群體而言，大多數(shù)人體一維的測量數(shù)據(jù)（靜態(tài)人體）都近似正態(tài)分布，任何正態(tài)分布的人體尺寸變量的線性組合符合高斯分布，為使某些人體測量數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布，可以對該變量進行變換。對一維或二維數(shù)據(jù)進行測量、分析，能夠得到各參數(shù)相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系及橢圓邊界，中國人體數(shù)據(jù)庫包含各百分位的人體模型、眼橢圓、頭部包絡(luò)、座椅線等工程數(shù)據(jù)。

3.5 其他人體數(shù)據(jù)

人體除了尺寸及眼橢圓方面數(shù)據(jù)，還有其他很多數(shù)據(jù)跟汽車研發(fā)相關(guān)。隨著消費者對汽車的品質(zhì)和要求越來越高，需要更加專業(yè)、細化的數(shù)據(jù)指導(dǎo)研發(fā)工作。

3.5.1 壓感數(shù)據(jù)

壓感數(shù)據(jù)能夠通過壓力毯進行采集，目前壓感數(shù)據(jù)在家居行業(yè)使用較多，有成熟的設(shè)備及方案進行采集。

建議在采集人體與車輛數(shù)據(jù)前，將壓力毯鋪在座椅上，讓樣本進行試坐，采集數(shù)據(jù)。

3.5.2 動態(tài)捕捉數(shù)據(jù)

使用動態(tài)捕捉設(shè)備能夠較好的還原人體上下車的軌跡，指導(dǎo)上下車便利性的設(shè)計。

目前主流的動態(tài)捕捉設(shè)備有兩種，一種是光學設(shè)備，另一種是慣性設(shè)備。

光學設(shè)備精度高，能夠捕捉動作細節(jié)；設(shè)備能夠運輸，在空曠平整的場地搭建，時間需20分鐘；但是實車對攝像頭遮擋較為嚴重，特別是人進入車內(nèi)后的動作較難捕捉；

慣性設(shè)備不受遮擋的影響，通過慣性采集人體動作；精度較低，并且人體運動數(shù)據(jù)可能與車身干涉；不建議使用該設(shè)備進行動態(tài)捕捉；

建議使用光學設(shè)備進行采集，建議搭建樣車臺架。臺架能夠準確還原車輛的座椅、地毯及部分內(nèi)飾。臺架沒有車身覆蓋層，避免對光學設(shè)備的遮擋。

4 結(jié)論

中國作為汽車消費大國也正朝著汽車設(shè)計強國邁進，自主企業(yè)的研發(fā)實力也正穩(wěn)步提升。研發(fā)方式也從逆向向著半正向或正向轉(zhuǎn)變，因此需要越來越多的專業(yè)數(shù)據(jù)指導(dǎo)研發(fā)?？v觀世界上的汽車強國，都有自己的一套行業(yè)內(nèi)的體系標準，例如 SAE、日本人機等，中國需要自己的汽車人體數(shù)據(jù)庫，來研發(fā)更適合中國人駕駛的汽車。目前方案已基本成熟，需要行業(yè)內(nèi)共同努力，提供支持，早日建成中國人機數(shù)據(jù)庫。

[1] 任金東.汽車人機工程學.[M]北京:北京大學出版社,2010.

[2] （美）Vivek D. Bhise 著:李惠彬,劉亞茹,等譯,汽車設(shè)計中的人機工程學. [M]北京:機械工業(yè)出版社,2014.

CoorsTek研發(fā)陶瓷薄膜 利用天然氣量產(chǎn)壓縮氫氣

全球領(lǐng)先的工程陶瓷制造商，CoorsTek于 2017年 11月 16日宣布，CoorsTek材料科學（CoorsTek Membrane Sciences）、挪威奧斯陸大學（University of Oslo）及西班牙科學院化工技術(shù)研究所（Instituto de Tecnología Química）已成功完成一款陶瓷薄膜的實驗室測試，該薄膜可利用天然氣生產(chǎn)壓縮氫氣并發(fā)電。該技術(shù)屬于一階工藝（one-step process），幾乎沒有能量損耗。該款陶瓷薄膜可利用大量低成本的天然氣來實現(xiàn)氫氣的量產(chǎn)，使得氫氣成為未來最便宜、最清潔的車用燃料，比電及石油燃油的表現(xiàn)更為出色。該研究突破基于CoorsTek公司20年來在陶瓷膜研發(fā)及制造方面積累的寶貴經(jīng)驗，當前的薄膜由鋇（barium）、氧化鋯（zirconia）及釔（yttrium）各類材料的氧化物制作而成，形成陶瓷固體電解質(zhì)，可在400-900攝氏度下以質(zhì)子（protons）的形式傳輸氫氣。對陶瓷（燃料）電池施加電勢后，氫氣將與其他其他相分離，并利用電化學方式（electrochemically）將其制成壓縮氫氣。陶瓷薄膜是一項具有競爭力的技術(shù)，可搭配集成碳捕獲（integrated carbon capture）技術(shù)，從而實現(xiàn)氫氣的量產(chǎn)。 （編輯： 王磊 來源：蓋世汽車）

Basic ideas and methods of constructing Chinese automobile human body database

Ju Weinan, He Shaoqing, Li Yue, Xie Yunfeng
（China automotive technology research center, Tianjin 300393）

At present, China does not have a molded human body database, and most of the research and development still use the United States SAE human body. Compared with China, the size of the human body in the United States is larger.Therefore, it is urgent to carry out the construction of Chinese human body database.

China; human body database; construction

U461.99

A

1671-7988(2017)22-34-03

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.22.012

鞠偉男，男，（1992.7-）就讀于沈陽理工大學，專業(yè)：交通運輸，目前在中國汽車技術(shù)研究中心數(shù)據(jù)資源中心工程數(shù)據(jù)部擔任總布置主管工程師一職。

CLC NO.:U461.99

A

1671-7988(2017)22-34-03