伍賽特

(上海汽車集團股份有限公司，上海 200438)

0 引言

設(shè)計一輛轎車或貨車需要多門學(xué)科專業(yè)人員的合作，如設(shè)計師、車身工程師、底盤工程師、動力總成工程師、制造工程師、產(chǎn)品規(guī)劃師[1]、市場研究人員、人機工程學(xué)工程師和電子工程師等。設(shè)計過程需通過錯綜復(fù)雜的協(xié)調(diào)工作而推動，同時也收到多種需求的反饋，亦受到汽車中不同系統(tǒng)需求間的相互制衡。設(shè)計的產(chǎn)品不僅需具備良好的使用性能，同時也應(yīng)滿足消費者的需求。

在汽車產(chǎn)品開發(fā)過程中人機工程學(xué)領(lǐng)域由于涉及不同車輛設(shè)計團隊的協(xié)同工作，應(yīng)確保及早考慮并解決與其密切相關(guān)的技術(shù)問題，以滿足使用者在使用過程中對整車的需求。

1 人機工程學(xué)簡介

人機工程學(xué)是一門涉及人體等諸多領(lǐng)域的技術(shù)科學(xué)，包括心理學(xué)、人體測量學(xué)、生物力學(xué)、解剖學(xué)、生理學(xué)和心理物理學(xué)等，涉及到人體的特性、能力和局限性，并應(yīng)用相關(guān)信息數(shù)據(jù)來設(shè)計和評估人類所使用的設(shè)備和系統(tǒng)。

人機工程學(xué)的基本目標即為設(shè)計出盡可能滿足用戶(駕駛員)和設(shè)備(車輛)之間的匹配，從而改進用戶的安全(提供不受傷害和損失的自由空間)、舒適、方便、性能和效率(工作效率或不斷增加的輸出/輸入之比)的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品[2]。

2 人機工程學(xué)在汽車設(shè)計過程中的應(yīng)用

汽車設(shè)計中的人機工程學(xué)需求為理解在未來車輛設(shè)計中的應(yīng)用，主要包括以下領(lǐng)域：

(1)為汽車使用者提供更出色的靈活性、舒適性和便捷性。

(2)提高整車安全性，如減少碰撞中的傷害并預(yù)防碰撞發(fā)生。

(3)提高制造生產(chǎn)力、降低成本，如提升燃油經(jīng)濟性，降低燃油消耗。

(4)提供舒適的駕乘環(huán)境，如為駕乘人員提供可選擇的娛樂方式以及寬敞的車內(nèi)空間[3]。

(5)提升駕駛愉悅性。

綜合考慮上述需求，技術(shù)的進步可為消費者提供意想之外的優(yōu)異功能，但同時也需提高舒適性、便捷性以及駕乘愉悅性。以乘用車為例，如下概括了人機工程學(xué)應(yīng)用于乘用車設(shè)計領(lǐng)域所帶來的技術(shù)提升:

(1)提升乘用車的安全性、愉悅性、舒適性，并且實現(xiàn)車輛智能化(如滿足駕乘人員的不同需求、預(yù)判駕駛過程中的不安全因素并及時提醒駕駛員，或通過特定功能來協(xié)助駕駛員)。

(2)逐漸實現(xiàn)乘用車的小型化，使其外觀獨具一格并提升其燃油經(jīng)濟性。

(3)實現(xiàn)乘用車的混合動力化，以充分滿足運動型多功能車(SUV)和小型貨車的動力需求，但節(jié)能效果更佳。

(4)使乘用車具備更舒適的車內(nèi)乘坐環(huán)境，如通過配置可調(diào)座椅、踏板和傾斜/伸縮轉(zhuǎn)向管柱，提供更舒適的駕乘空間[4]。

(5)為隨車攜帶物品提供更寬敞的車內(nèi)倉儲空間[5]。

(6)優(yōu)化防碰撞系統(tǒng)，如改進整車制動性、操縱性、穩(wěn)定性、駕駛員輔助系統(tǒng)、智能照明與可視性系統(tǒng)。

(7)采用被動安全系統(tǒng)以提升安全性，如智能氣囊、預(yù)緊式安全帶、側(cè)面安全氣囊。

(8)改良輔助系統(tǒng)，如空調(diào)系統(tǒng)、加熱/冷卻座椅。

(9)采用其他輔助功能，如廣播電臺、視鏡、盲區(qū)傳感器、輔助停車與巡航控制等。

(10)采用更先進的娛樂系統(tǒng)，如調(diào)頻調(diào)幅廣播、光盤播放器、售后市場娛樂設(shè)備的即時插播能力，以及為后座乘客提供游戲系統(tǒng)。

(11)優(yōu)化通信和交流系統(tǒng)，如藍牙或與手機及其他手持設(shè)備的無線連接、互聯(lián)網(wǎng)搜索與收發(fā)電子郵件、帶實時交通狀況的導(dǎo)航系統(tǒng)、文件/數(shù)據(jù)管理與存儲、整車診斷系統(tǒng)。

3 基于人機工程學(xué)的車載輔助技術(shù)功能

遠程通信通常被認為是拓寬信息界面領(lǐng)域并實現(xiàn)相應(yīng)新功能的關(guān)鍵技術(shù)，通過未來不斷涌現(xiàn)的全新電子技術(shù)、通信技術(shù)和信息技術(shù)集成而得以不斷發(fā)展。

因此，汽車遠程通信技術(shù)是一門跨學(xué)科的應(yīng)用技術(shù)，其涉及通過無線數(shù)據(jù)傳輸、傳感器、微處理器、數(shù)據(jù)庫、顯示器、照明、控制等技術(shù)的集成應(yīng)用。同時為方便汽車駕乘人員通信，開發(fā)了車內(nèi)與外部信息源之間的信息交流設(shè)備。因此，汽車遠程通信技術(shù)在一定程度上促進了數(shù)字汽車技術(shù)的發(fā)展。

通過上述技術(shù)的不斷優(yōu)化，可使得未來的車載設(shè)備具有更豐富多彩的功能。例如，通過結(jié)合GPS和相關(guān)數(shù)據(jù)庫，車內(nèi)導(dǎo)航顯示屏幕可為駕駛員提供有關(guān)前方加油站及其服務(wù)能力的一系列數(shù)據(jù)信息。

通常而言，遠程通信業(yè)務(wù)可以通過與以下技術(shù)的結(jié)合來提供令駕乘人員滿意的服務(wù)平臺：

(1)汽車內(nèi)信息源(例如藍牙設(shè)備)與外界資源的雙向無線通信。

(2)數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用(如在互聯(lián)網(wǎng)和其他數(shù)據(jù)中心)。

(3)定位技術(shù)(如GPS)。

(4)視覺系統(tǒng)(通過傳感器、攝像機及顯示屏進行疊加處理的圖像信息)。

(5)聲控技術(shù)(聲音識別、聲音控制和聲音顯示)。

(6)可重構(gòu)的駕駛?cè)私缑妗?/p>

(7)傳感器、信號處理器和控制單元。

其他一些基于人機工程學(xué)的車載輔助技術(shù)功能的專項技術(shù)分類如下：

(1)駕駛員人機交互技術(shù)，包括可重構(gòu)顯示、觸摸屏、多功能控制器，聲控技術(shù)，轉(zhuǎn)向盤控制等。

(2)駕駛員狀態(tài)測量和輔助系統(tǒng)，包括疲勞駕駛檢測器、駕駛?cè)斯ぷ髫摵杀O(jiān)視器、醉駕(受酒精和/或藥物影響)檢測及防碰撞警示系統(tǒng)等[6]。

(3)汽車狀態(tài)信息與診斷，包括混合動力系統(tǒng)能量顯示、電動車電池電量顯示、維護警告等。

(4)自適應(yīng)控制系統(tǒng)，包括自適應(yīng)巡航控制、增強的穩(wěn)定性控制、自適應(yīng)懸架系統(tǒng)、強化的制動系統(tǒng)等。

(5)照明技術(shù)，包括智能前照燈、新技術(shù)信號燈和車內(nèi)照明(例如LED、照明燈管等)。

(6)質(zhì)量、工藝和品牌感知，包括選擇和使用視覺效果美觀的車內(nèi)材料以及具有愉悅觸感的控制器等。

4 汽車人機工程學(xué)領(lǐng)域尚有待解決的技術(shù)問題

隨著技術(shù)的進步，可預(yù)見到未來汽車功能的數(shù)量將會飛速遞增。而在設(shè)計系統(tǒng)時仍需預(yù)判其是否能真正實現(xiàn)。引入此類功能的同時，依然伴隨著不斷增加的成本以及相應(yīng)的技術(shù)弊端，為此基于汽車人機工程學(xué)領(lǐng)域，仍需要對諸多問題進行重點考慮，同時需在如下細節(jié)問題[7]上作出決定：

(1)控制器和顯示器的位置。

(2)控制器類型、顯示器及其布置方式的選擇。

(3)駕駛員對設(shè)備的理解和操控。

(4)滿足駕駛員的使用便捷性、并考慮到他出現(xiàn)分心現(xiàn)象時對操作過程的影響。

(5)新功能對駕駛員及其他界面操作的影響，如新功能可能會阻礙現(xiàn)有控制器，在操作其他系統(tǒng)過程中導(dǎo)致延誤或中斷。

(6)相對于其他設(shè)備顯示的信息，與新功能有關(guān)的信息享有更高的優(yōu)先級。

(7)在多功能控制器與顯示器內(nèi)部的功能需進行共享或重構(gòu)，同時實現(xiàn)不同感知模式、顯示之間的兼容(比如視覺、聽覺、觸覺相兼容)。

(8)盡可能減少車載功能的操作復(fù)雜性，以降低駕駛員的工作負荷。

5 汽車人機工程學(xué)領(lǐng)域未來重點研究方向及展望

為了保證產(chǎn)品未來的功能特征能使消費者滿意，需在改善產(chǎn)品和產(chǎn)品評價方法的研發(fā)上進行研究，通常有如下相關(guān)研究需求。

5.1 改善人體測量數(shù)據(jù)庫

目前仍需要更全面的人體測量數(shù)據(jù)庫，包括增加測量項目及在不同細分市場中的不同群體駕駛?cè)伺c用戶的測量。

最新發(fā)展的激光掃描設(shè)備可用于獲得人體全身掃描數(shù)據(jù)，就世界范圍而言，該設(shè)備曾被用于由美國汽車工程師學(xué)會(SAE)管理的美國和歐洲民用人體表面測量數(shù)據(jù)源(CAESAR)項目中。

5.2 使用成本低廉、耗時短并可覆蓋大范圍用戶群體的輔助系統(tǒng)

5.2.1 乘員自動布置和可視化系統(tǒng)

這套工具可對基本的乘客空間進行評價，如駕駛員位置、身體空隙、主要操控器的進/出位置；還能進行許多特殊分析，如對不同人群駕駛?cè)诉M行視野分析。

5.2.2 綜合數(shù)字汽車、數(shù)字人體模型和可視化系統(tǒng)

現(xiàn)在不同汽車設(shè)計者利用具有人體模型(數(shù)字人體模型)的CAD系統(tǒng)輔助進行產(chǎn)品開發(fā)。該類系統(tǒng)大部分均已進行了升級，并補充了全新的功能。在設(shè)計過程中使用任何模型前，都需通過人機工程學(xué)對此進行驗證，以確定選定的數(shù)字人體模型中的假定姿態(tài)及其尺寸數(shù)值與實際使用狀況相吻合。

5.2.3 可編程車輛模型

在整車布置工作的前期，有許多種不同的可編程車輛模型可供選用。該類模型能夠用來構(gòu)造不同尺寸和類型的汽車，并可與白車身的CAD系統(tǒng)進行交互。相關(guān)增強功能的可編程車輛模型(PVM)在評估汽車設(shè)計效果時大有用武之地。PVM在車輛研發(fā)的早期階段可有效減少研發(fā)時長以及所耗費的精力。

5.2.4 參考不同汽車使用者的需求

除人體測量學(xué)和對生物力學(xué)特征的研究外，還需對不同汽車使用者的特征進行系統(tǒng)性研究。針對不同細分市場配備相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫是必不可少的，該數(shù)據(jù)庫涵蓋的信息數(shù)據(jù)與駕駛員視覺、聽覺、認知、觸覺感受、駕駛?cè)耸炀毝群推谕?nèi)飾材料和操控的喜好等使用者特性密切相關(guān)。

5.3 電動汽車的駕駛員操作界面

可以預(yù)計，電動汽車在未來會占據(jù)更大的市場份額，針對其開展相關(guān)設(shè)計并通過實時調(diào)整以滿足消費者的相關(guān)需求。由于當前依然受到電池技術(shù)的限制、充電設(shè)施的推廣效果、電動汽車服務(wù)需求的有效性以及整車安全性、電動汽車接受程度的限制[8-10]，其實際使用過程會與傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車有所不同。因此，基于汽車領(lǐng)域的人機工程學(xué)，仍需重點解決如下3個問題：(1)減緩駕駛員在使用電動汽車時的里程焦慮，使他們在駕駛過程中可準確預(yù)測電池工況和車輛可有效行駛的距離。(2)通過為駕駛員提供信息、協(xié)助駕駛員調(diào)整或改變其駕駛行為以降低整車能量消耗。(3)降低車輛使用以及維護費用。

6 總結(jié)及展望

在過去的數(shù)十年內(nèi)，人機工程學(xué)在車輛設(shè)計上的應(yīng)用大幅提升了整車的舒適性、使用方便性和安全性。針對同類車型，對1985年和2015年的結(jié)構(gòu)形式進行對標，會發(fā)現(xiàn)幾乎所有針對機動車駕駛員的人機操作界面部分均發(fā)生了顯著變化。

近年來汽車技術(shù)的飛速發(fā)展，未來針對汽車人機工程學(xué)方面的技術(shù)優(yōu)化需求將數(shù)不勝數(shù)。此類需求將重點體現(xiàn)在兩大方面：一方面需研究先進的方法用于設(shè)計和評估汽車產(chǎn)品；另一方面則著重開發(fā)具有更多功能與特色的全新車型。

目前雖然已經(jīng)有許多圍繞汽車設(shè)計中人機工程學(xué)問題而開展的學(xué)術(shù)研究、設(shè)計工具和方法，但是為了更優(yōu)地對汽車進行設(shè)計仍需開展更深入的學(xué)術(shù)研究。隨著新技術(shù)不斷改良與優(yōu)化，未來汽車的設(shè)計過程將會日趨完善。