李崇玉，吳良芹

（215600 江蘇省 張家港市 沙洲職業(yè)工學(xué)院 機(jī)電工程系）

0 引言

人們?cè)隈{乘汽車過(guò)程中，身體與座艙內(nèi)座椅直接接觸，汽車座椅設(shè)計(jì)得是否合理，直接決定駕乘人員的安全性和舒適性。隨著智能座艙概念的興起，對(duì)座艙整體舒適性提出新的要求，汽車廠商逐漸加大對(duì)座艙的研發(fā)投入。

有關(guān)研究方面，金曉平等[1]研究了發(fā)泡硬度，分析主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)發(fā)泡硬度對(duì)舒適性影響極大，并得到不同硬度發(fā)泡的舒適性程度；劉濤等[2]利用人體點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立人體有限元模型，設(shè)計(jì)9 組不同駕駛姿勢(shì)的壓力分布仿真試驗(yàn)，利用仿真模型評(píng)價(jià)汽車座椅的舒適性；Le[3]認(rèn)為乘坐者頻繁變換坐姿是為了緩解不舒適，可以通過(guò)坐姿的變換頻率判斷座椅是否舒適。

隨著學(xué)者對(duì)座椅舒適性評(píng)價(jià)的深入研究，獲得了更多研究成果。但仍能發(fā)現(xiàn)目前研究中存在的問(wèn)題：（1）參與舒適性評(píng)價(jià)的人員特征代表性不足；（2）客觀特征參數(shù)和主觀評(píng)價(jià)項(xiàng)目的選擇上有所差異，應(yīng)根據(jù)企業(yè)產(chǎn)品的特點(diǎn)選擇相符的客觀特征參數(shù)和主觀評(píng)價(jià)指標(biāo)。

本文根據(jù)BMI 值篩選能充分代表人體特征的測(cè)試人員，然后根據(jù)該企業(yè)產(chǎn)品特性設(shè)計(jì)主、客觀舒適性評(píng)價(jià)試驗(yàn)，提取客觀特征參數(shù)，并處理主觀評(píng)價(jià)指標(biāo)，從而獲得精準(zhǔn)的模型樣本數(shù)據(jù)。

1 座椅舒適性理論

舒適性是人自我滿足的主觀感受，至今仍未形成統(tǒng)一的概念。對(duì)舒適性水平做出準(zhǔn)確判斷的前提是先搞清楚舒適性定義。大家普遍認(rèn)同的看法：（1）舒適是一種主觀感受，不同工作地點(diǎn)、不同任務(wù)、不同時(shí)間、不同人的主觀感受又有差異；（2）舒適是生理與心理之間經(jīng)驗(yàn)的感知，在評(píng)價(jià)時(shí)必須結(jié)合生理上的測(cè)量評(píng)價(jià)主觀的感受[4]。

通過(guò)人體解剖學(xué)原理，人體坐骨相對(duì)于周圍其他部件更加粗壯，可承擔(dān)更多重量。神經(jīng)系統(tǒng)和血管分布在大腿上，過(guò)大的壓力會(huì)影響血液循環(huán)，并使人產(chǎn)生不舒適的感受，因此人在乘坐車輛時(shí)，壓力分布應(yīng)遵循不同部位承受不同壓力等級(jí)的原則，即壓力分布應(yīng)該在坐骨骨節(jié)部位最大，逐漸向周圍遞減，在大腿前部壓力降低至最小[5]。

2 座椅靜態(tài)舒適性評(píng)價(jià)試驗(yàn)

合理的試驗(yàn)設(shè)計(jì)和高質(zhì)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)是座椅靜態(tài)舒適性評(píng)價(jià)研究的基礎(chǔ)?？陀^試驗(yàn)設(shè)計(jì)需要借助專業(yè)體壓采集設(shè)備，主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)設(shè)計(jì)需結(jié)合企業(yè)現(xiàn)有評(píng)價(jià)量表和產(chǎn)品特性。本節(jié)分析采集設(shè)備不同模塊的原理和使用方法，選擇試驗(yàn)需要的座椅，并選取樣本豐富的試驗(yàn)測(cè)試人員。

2.1 客觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)設(shè)備及產(chǎn)品

2.1.1 體壓采集試驗(yàn)設(shè)備

本文采用美國(guó)XSENSOR 技術(shù)公司的座椅壓力分布測(cè)量系統(tǒng)（XSENSOR PRESSURE IMAGING SYSTEM）。該座椅壓力分布測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量被測(cè)試者背部和臀部各點(diǎn)的壓力，并分析、計(jì)算出各壓力。信號(hào)處理流程如圖1 所示。

圖1 信號(hào)處理流程圖Fig.1 Signal processing flowchart

2.1.2 選擇實(shí)驗(yàn)座椅

本文選擇國(guó)內(nèi)某自主品牌技術(shù)中心自主開(kāi)發(fā)的3 張不同級(jí)別車型的座椅作為試驗(yàn)對(duì)象。座椅詳細(xì)信息如表1 所示。

表1 試驗(yàn)所選座椅信息Tab.1 Information of seat selected for the test

本文選取的試驗(yàn)座椅形態(tài)圖如圖2 所示。

圖2 試驗(yàn)座椅形態(tài)圖Fig.2 Test seat shape diagram

2.2 主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.2.1 設(shè)計(jì)主觀評(píng)分表

因不同車企產(chǎn)品特征不同，其在設(shè)定舒適性主觀評(píng)價(jià)表會(huì)有所差異。參考國(guó)內(nèi)汽車廠商在座椅舒適性評(píng)價(jià)的常用方法，選擇合適的主觀舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo)。主要從發(fā)泡軟硬程度、輪廓貼合程度、乘坐人員體型等幾方面進(jìn)行考慮。

結(jié)合本文研究的目的以及該企業(yè)座椅開(kāi)發(fā)的實(shí)際要求，設(shè)計(jì)一份符合該企業(yè)研究和試驗(yàn)條件的主觀評(píng)分表。座椅舒適性主觀評(píng)分表共有2 層，第1 層為主觀評(píng)價(jià)的目標(biāo)層，第2 層為目標(biāo)層下面的評(píng)價(jià)指標(biāo)。本文把座椅靜態(tài)舒適性主觀評(píng)價(jià)的目標(biāo)層分成坐墊、靠背和身體局部3 個(gè)部分。坐墊部分的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括坐墊軟硬度、坐墊輪廓和人體貼合程度、下半身整體舒適度；靠背部分的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括靠背軟硬度、靠背輪廓和人體貼合程度、上半身整體舒適度；局部部分的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括坐骨部分舒適度、大腿舒適度、臀部舒適度、低背舒適度、中背舒適度。主觀評(píng)分表如表2 所示。

表2 主觀評(píng)分表Tab.2 Subjective score sheet

2.2.2 測(cè)試人員選取

衡量健康及身材的標(biāo)準(zhǔn)有很多，其中BMI（Body Mass Index）是一個(gè)國(guó)際上通用的指標(biāo)，本文通過(guò)BMI 標(biāo)準(zhǔn)選取不同體型的試驗(yàn)人員，如式（1）：

式中：kg——人的體重；ξ——人的身高。外國(guó)人與中國(guó)人身材有較大差異，相關(guān)機(jī)構(gòu)也制定了符合中國(guó)人身體特征的參考標(biāo)準(zhǔn)，如表3 所示。

表3 BMI 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 BMI China Standard

試驗(yàn)共選取20 名測(cè)試人員，其中包括該企業(yè)座椅舒適性評(píng)審專家?guī)斐蓡T10 名，實(shí)驗(yàn)室志愿者10 名，試驗(yàn)測(cè)試人員BMI 值的分布區(qū)間為16.9～29.0。參照表3可以分出，偏瘦1人，正常12人，偏胖6 人，肥胖1 人，如表4 所示。

表4 試驗(yàn)人員信息統(tǒng)計(jì)表Tab.4 Test personnel information statistics

2.2.3 試驗(yàn)步驟

完成舒適性評(píng)價(jià)試驗(yàn)共分7 個(gè)步驟。步驟1：準(zhǔn)備試驗(yàn)座椅；步驟2：調(diào)校壓力分布測(cè)量系統(tǒng)；步驟3：對(duì)試驗(yàn)人員講解測(cè)試過(guò)程；步驟4：建立舒適性概念；步驟5：測(cè)量體壓分布；步驟6：填寫主觀評(píng)分表；步驟7：循環(huán)測(cè)試。試驗(yàn)人員測(cè)試過(guò)程如圖3 所示。

圖3 試驗(yàn)人員測(cè)試過(guò)程圖Fig.3 Tester's test process diagram

每個(gè)試驗(yàn)人員完成整組測(cè)試需要30 min左右，本文通過(guò)對(duì)3 張座椅進(jìn)行主、客觀舒適性評(píng)價(jià)試驗(yàn)，共收集60 組體壓分布數(shù)據(jù)和60 組主觀評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，主、客觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)數(shù)據(jù)相互對(duì)應(yīng)，為研究提供數(shù)據(jù)樣本。

3 座椅靜態(tài)舒適性評(píng)價(jià)試驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理

3.1 體壓分布數(shù)據(jù)處理

座椅舒適性評(píng)價(jià)試驗(yàn)中，通過(guò)壓力分布測(cè)量系統(tǒng)采集試驗(yàn)人員體壓分布情況，在軟件處理模塊中呈現(xiàn)成壓力云圖的形式。圖4 和圖5 是體壓采集實(shí)驗(yàn)設(shè)備顯示的坐墊壓力分布2D 云圖和3D 云圖。

圖4 2D 云圖Fig.4 2D cloud map

圖5 3D 云圖Fig.5 3D cloud map

壓力云圖能夠直觀反應(yīng)壓力的變化趨勢(shì)，但單純的依靠壓力云圖只能獲取每個(gè)壓力點(diǎn)的壓力數(shù)值，無(wú)法直接獲取數(shù)學(xué)模型所需數(shù)據(jù)樣本，需把試驗(yàn)采集到的客觀體壓分布數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理。作為表征乘坐人員與座椅接觸壓力的特征參數(shù)，首先需要具備明確的物理意義，即提取的特征參數(shù)需能夠從不同角度反映座椅特征；其次需要能夠反映體壓分布和主觀評(píng)價(jià)之間的關(guān)系[6]。本文提取坐墊平均壓力、坐墊最大壓力、坐墊接觸面積、坐墊圓形壓力梯度、坐墊最大壓力梯度、靠背平均壓力、靠背最大壓力、靠背接觸面積為特征參量[7]。同時(shí)，座椅體壓分布與座椅舒適性并非簡(jiǎn)單、單一的關(guān)系，要更好地體現(xiàn)汽車座椅舒適特性，應(yīng)把體壓分布與人體體征相結(jié)合，最終模型共10 個(gè)變量，分別記作x1，x2，…，x10。試驗(yàn)數(shù)據(jù)提取的體壓參數(shù)特征表如表5 所示。

表5 體壓特征參數(shù)Tab.5 Body pressure characteristic parameters

3.2 主觀評(píng)分?jǐn)?shù)據(jù)處理

3.2.1 精簡(jiǎn)主觀評(píng)價(jià)指標(biāo)

本文采用相關(guān)分析法分析評(píng)價(jià)指標(biāo)的相關(guān)度。相關(guān)系數(shù)用R 表示，|R|值越大，變量之間的線性相關(guān)程度越高；|R|值越接近0，變量之間的線性相關(guān)程度越低。

根據(jù)主觀評(píng)分表，每個(gè)試驗(yàn)樣本會(huì)有11 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中令C1=坐墊軟硬度，C2=坐墊輪廓和人體貼合程度，C3=下半身整體舒適度，C4=靠背軟硬度，C5=靠背輪廓和人體貼合程度，C6=上半身整體舒適度，C7=坐骨部分舒適度，C8=大腿舒適度，C9=臀部舒適度，C10=低背舒適度，C11=中背舒適度。表6 為本次試驗(yàn)所獲主觀評(píng)分表數(shù)組。

表6 主觀評(píng)分表數(shù)組Tab.6 Subjective score table array

表6 中共60 組主觀評(píng)價(jià)樣本數(shù)據(jù)。運(yùn)用SPSS軟件對(duì)11 個(gè)主觀評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，通過(guò)計(jì)算得出兩兩主觀評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)[8]，分析結(jié)果如表7 所示。

表7 主觀評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)Tab.7 Correlation coefficients between subjective evaluation indicators

由計(jì)算結(jié)果可以看出，|R|＞0.8 的指標(biāo)有C1和C7，C3和C7，C7和C9，即坐骨部分舒適度與坐墊軟硬度、下半身整體舒適度和臀部舒適度具有高度相關(guān)性，因此要剔除C7所代表的評(píng)價(jià)指標(biāo)——坐骨部分舒適度。

3.2.2 主觀評(píng)價(jià)指標(biāo)賦權(quán)

使用層次分析法對(duì)方案的重要性進(jìn)行兩兩比較時(shí)，通常會(huì)模擬決策人員做判斷的兩種極端現(xiàn)象：肯定或否定。但是，決策人員通常不會(huì)選擇極端關(guān)系，而是使用模糊概念。換言之，通常情況下，人在進(jìn)行兩兩因素的比較時(shí)，會(huì)認(rèn)為某因素在某個(gè)程度內(nèi)比另外一個(gè)因素重要，而不會(huì)單純地覺(jué)得 A比B 或B 比A 重要[9]。所以本文選擇層次分析法中的模糊層次分析法對(duì)主觀評(píng)價(jià)指標(biāo)建立3 層遞階層次關(guān)系結(jié)構(gòu)：

第1 層為座椅舒適性，記作LY；第2 層為3個(gè)主觀評(píng)價(jià)項(xiàng)目，即坐墊、靠背和局部，分別記作A1，A2，A3；第3 層為10 個(gè)主觀評(píng)價(jià)指標(biāo)，即C1，C2，C3，C4，C5，C6，C8，C9，C10，C11。

計(jì)算遞階層次第3 層的所有指標(biāo)總權(quán)重值，如表8 所示。

表8 所有指標(biāo)權(quán)重值Tab.8 All indicator weight values

汽車座椅靜態(tài)舒適性評(píng)分用y 表示，如式（2）所示：

式中：y——舒適性主觀評(píng)分值；TCi——評(píng)價(jià)指標(biāo)總權(quán)重值；Ci——評(píng)價(jià)項(xiàng)目打分值。

3.2.3 整體主觀評(píng)分值

對(duì)主觀評(píng)分表數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，由復(fù)雜的主觀評(píng)分表計(jì)算得出主觀評(píng)分值，結(jié)果如表9 所示。

表9 試驗(yàn)樣本主觀評(píng)分值Tab.9 Subjective score of test sample

4 座椅靜態(tài)舒適性評(píng)價(jià)模型建立及應(yīng)用

4.1 基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)舒適性評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)模型

試驗(yàn)共收集60 組數(shù)據(jù)，構(gòu)成60×11 的樣本數(shù)據(jù)集。如表10 所示。

表10 樣本數(shù)據(jù)集Tab.10 Sample data set

建立BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)模型，需構(gòu)建初始網(wǎng)絡(luò)，初始BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型如下：

可用向量表示為：

初始網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)定，隱含層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)是13 個(gè)，初始權(quán)重值是0.9，學(xué)習(xí)率為0.01，訓(xùn)練次數(shù)為500 次，訓(xùn)練目標(biāo)為0.001，其余網(wǎng)絡(luò)參數(shù)按照系統(tǒng)默認(rèn)的值為準(zhǔn)，不再單獨(dú)調(diào)整。

BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)初始模型各項(xiàng)參數(shù)確定之后，運(yùn)用45 組試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，經(jīng)過(guò)300 次左右訓(xùn)練模型收斂。

建立模型是為了實(shí)現(xiàn)良好的預(yù)測(cè)功能，模型建立的優(yōu)劣標(biāo)準(zhǔn)是檢驗(yàn)其在學(xué)習(xí)過(guò)程中是否出現(xiàn)過(guò)擬合或欠擬合情況。對(duì)測(cè)試集的15 組數(shù)據(jù)代入模型進(jìn)行舒適性評(píng)分預(yù)測(cè)，對(duì)比預(yù)測(cè)評(píng)分與真實(shí)評(píng)分。模型的測(cè)試驗(yàn)證情況如圖6 所示。

圖6 測(cè)試集驗(yàn)證對(duì)比圖Fig.6 Test set verification comparison chart

BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)模型實(shí)際評(píng)分與預(yù)測(cè)評(píng)分誤差分析如表11 所示。

表11 實(shí)際評(píng)分與預(yù)測(cè)評(píng)分誤差分析Tab.11 Error analysis of actual score and predicted score

在進(jìn)行模型訓(xùn)練后，一般會(huì)利用均方根誤差指標(biāo)來(lái)客觀評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)的精度，均方根誤差主要用來(lái)衡量預(yù)測(cè)值同真實(shí)值之間的偏差，能夠反映測(cè)量的精密度，BP 網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練REMS 收斂情況如圖7 所示。

圖7 BP 網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練REMS 收斂情況Fig.7 BP network training REMS convergence

由模型訓(xùn)練結(jié)果分析：模型在訓(xùn)練集上的均方根誤差是0.6，測(cè)試集上的均方根誤差是0.66，模型預(yù)測(cè)的平均誤差率是6.7%，結(jié)果證明模型的預(yù)測(cè)效果較為理想。

4.2 工程應(yīng)用

不同體型的人落座時(shí)，乘坐姿勢(shì)不同，對(duì)舒適性的感受也會(huì)不同。本節(jié)基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)舒適性評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)模型，對(duì)該車企某款SOP 階段座椅進(jìn)行靜態(tài)舒適性評(píng)價(jià)。

當(dāng)座椅靠背角發(fā)生變化時(shí)，限制坐墊傾角為4.5°，坐墊高度43.5 cm，試驗(yàn)人員男性，身高1.78 m，體重70 kg，符合50%人體模型（參照安全碰撞測(cè)試人體），進(jìn)行6 組舒適性評(píng)價(jià)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表12 所示。結(jié)果表明：此條件下靠背角度調(diào)整為64°時(shí)，乘坐舒適性最好。

表12 靠背角度變化對(duì)比Tab.12 Comparison of backrest angle changes

5 結(jié)論

本文基于體壓分布數(shù)據(jù)，結(jié)合人體生理學(xué)研究成果，通過(guò)研究座椅舒適性主、客觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)，分別對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，建立汽車座椅靜態(tài)舒適性評(píng)價(jià)模型。獲得的階段性研究成果如下：

（1）通過(guò)合理設(shè)計(jì)主、客觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)，選取該企業(yè)座椅評(píng)審專家和隨機(jī)人員作為試驗(yàn)對(duì)象，利用BMI 篩選被試人員的體型特征，優(yōu)化被試人員的身材比例，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的豐富性，一定程度上補(bǔ)償樣本量不足的缺點(diǎn)。

（2）提取能充分反應(yīng)體壓分布特征的參數(shù)，并對(duì)各特征參數(shù)物理含義進(jìn)行分析；采用相關(guān)分析法和模糊層次分析法把復(fù)雜的主觀評(píng)價(jià)表轉(zhuǎn)化為汽車座椅靜態(tài)舒適性評(píng)分值；采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法建立汽車座椅靜態(tài)舒適性評(píng)價(jià)模型。