汽车内饰材料气味的用户嗅觉体验测评及装置

唐帮备 郭 钢 夏进军

1.重庆大学机械工程学院，重庆，400044 2.重庆大学汽车工程学院，重庆，4000443.重庆大学艺术学院，重庆，400044

汽车内饰材料气味的用户嗅觉体验测评及装置

唐帮备1郭 钢2夏进军3

1.重庆大学机械工程学院，重庆，400044 2.重庆大学汽车工程学院，重庆，4000443.重庆大学艺术学院，重庆，400044

为改善汽车内饰气味用户嗅觉体验的愉悦度，提出了一种汽车内饰工业设计材料气味用户嗅觉体验测试评选方法，并设计了相关装置。分析了用户嗅觉感知体验测试原理，构建了基于用户嗅觉体验的气味评价指标体系，建立了用户嗅觉体验模糊综合测评模型。以汽车座椅设计材料气味用户体验测试评选为例，招募20名被试对象对来自4家供应商的座椅材料进行用户嗅觉体验测试，通过评价模型对实验数据进行了验算，选出了气味最优的汽车座椅材料方案。

用户体验；嗅觉；模糊综合评价方法；评价体系

0 引言

随着汽车工业的发展，用户消费能力的提升，用户在选择和购买汽车时，不再单纯考虑价格因素，而更加注重视觉、触觉和嗅觉等感官体验[1]。汽车内饰气味是一种直观的感官反映，气味坏的汽车会直接打消目标用户的消费欲望[2]。同时，车内气味也影响着用户心情和驾驶安全[3]，已成为用户购买决策的重要因素之一。目前对汽车内饰气味测试的研究主要集中在环境污染的检测，国家制定了相关的法规和标准来对车内挥发性有机物和环境污染进行控制。通过电子鼻可对车内空气的成分直接进行测量[4-5]，而影响用户主观感受、心情的气味性测试却没有相关的测试标准。

汽车内饰气味主要来自于座椅、顶棚、地毯、仪表板和门护板等内饰件[6]，由于材料、工艺不同，不同供应商生产出来的内饰件的气味各不相同，为了有针对性地控制和改善车内气味，就要控制车内难闻气味的来源——具体的某个内饰件，因此需要分别对各内饰件的气味进行体验测试评选。目前全球不同汽车企业对汽车内饰气味测试方法不同，总体来说可以分为三类：常规测试方法、水萃取测试及整车气味测试[7]。但上述测试方法存在以下问题：①被试对象者为职业气味评价人员，而职业气味评价人员往往不是产品的最终用户，其测试结果不能完全代替用户的感受；②主观打分，评价值存在模糊性和不确定性；③汽车生产制造出来后才进行测试，容易造成时间和成本的浪费。

用户体验测试是一种获取用户感受的有效手段，可分为“主观评价法”、“客观评价法”和”主客观相结合的评价法”[8-10]。测试原理为，在用户体验产品造型、功能和交互过程中，使用心理量表或脑电分析[11]、眼动追踪[12]、运动追踪[13]、面部表情分析[14]、行为观察分析[15]和功能核磁共振[16]等测试手段采集用户心理、生理和行为数据，依据测量的数据对用户体验进行量化评价。但用户的嗅觉体验是一种本能反应，不需要用户学习和经验，因此生理和行为测试对于气味用户体验测评却并不实用。心理量表测试是心理学常用的实验手段，对于汽车内饰气味的用户嗅觉体验测试是一种比较合适的方法，但心理量表本身无法处理用户评价模糊性和不确定性。三角模糊综合评价法能够很好捕捉用户主观评价的模糊性，是一种比较成熟的多属性决策模型，已被广泛应用于工业设计[17]、工程设计[18]、机械制造[19]等领域。本文将心理测试量表测试法与三角模糊综合评价理论结合，在设计阶段进行用户嗅觉体验测试评选研究，以避免汽车制造出来后因内饰气味达不到用户要求，而造成重新设计和制造的风险，以降低产品开发成本、节约产品开发时间。

1 用户嗅觉感知体验的测试原理

嗅觉是人鼻腔里的嗅细胞受到挥发性物质刺激，产生神经冲动并沿嗅神经传入大脑皮层而引起的感觉，包含了气味的强度、类型、舒适度等信息，可对人的心理产生影响。用户对内饰气味的嗅觉体验评价过程如下：首先，通过鼻腔直接感知内饰挥发的气味；然后，联合视觉增强用户嗅觉体验的场景感；之后，大脑对感知到的嗅觉信息进行特征分类；最后，结合用户记忆和经验对内饰气味进行嗅觉体验评价。根据心理学研究，人类所有认知和知觉都是可评价的，当看待某一对象或行为时，都会在好/坏、积极/消极维度上对其进行判断[10]。心理学上，可通过心理学量表(李克特量表、语义差异量表等)对用户体验的态度进行度量。用户对汽车内饰工业设计材料气味的嗅觉感知体验测试的原理，如图1所示。

图1 汽车内饰设计材料气味用户嗅觉感知体验测试原理Fig.1 Testing principle of automotive interior design material smell user experience

2 用户嗅觉体验模糊综合评价模型

2.1 用户嗅觉体验评价体系构建

已有文献将气味评价的维度分为气味的强度、气味的类型、气味的舒适性、气味的敏感性、身体对气味的反应[2-3，6-7]。根据对20名用户气味维度辨别的调查，发现气味的舒适性和身体对气味的反应可合为一个指标，最终确定了汽车内饰工业设计材料气味用户体验评价的指标体系，评价维度为气味强度、气味类型、气味舒适性、气味的敏感性。采用李克特7级心理量表“极其不满意”、“非常不满意”、“不满意”、“一般” 、“满意”、“非常满意”、“极其满意”对汽车内饰工业设计材料气味的各个指标维度进行评价。评价的等级越高，对整体评价的贡献越大，故气味强度、气味类型、气味舒适性都是效益型指标，即正向指标。

2.2 语言变量与三角模糊数

用户的主观评价通常是带有模糊性的，即不确定性。三角模糊数能够很好地捕捉这种模糊性，通过三角模糊数表示语言变量之间的关系比较符合用户的思维。当用户在对汽车内饰工业设计材料气味强度进行评价时，并不能准确地区分“满意”、“非常满意”与“极满意”之间的差异，使用三角模糊数进行转换，如“满意”、“非常满意”的三角模糊数分别为(5， 7， 9)与(7，9， 10)，它们有共同的区间[7，9]，既体现了模糊的概念，又使得各个语言变量之间有所区分。因此本文引入了三角模糊数，通过标度变换法将语言变量转变为模糊数，将指标权重和方案评价的语言变量转换为三角模糊数评级，如表1、表2所示。

表1 指标权重语言变量-三角模糊数对照表Tab.1 Corresponding table between index weight linguistic variables and triangular fuzzy numbers

表2 评价语言变量-三角模糊数对照表Tab.2 Corresponding table between linguistic variables of evalution and triangular fuzzy numbers

2.3 用户嗅觉体验模糊综合评价模型

将三角模糊综合评价模型用于汽车内饰工业设计材料气味用户嗅觉体验评价的步骤如下：

(2)构建模糊决策矩阵。内饰件方案模糊评价矩阵为

(1)

(2)

(3)标准化模糊决策矩阵。正向指标的标准化公式为

负向指标的标准化公式为

(4)计算加权标准化模糊矩阵：

(5)确定模糊最优解A+与最劣解A-：

i=1,2,…,m j=1,2,…,n

3 用户嗅觉体验测评实验与模型分析

3.1 被试对象和测试材料

被试对象为20名来自重庆大学的在校研究生， 22～24岁，男女比例1∶1，嗅觉正常，拥有驾照，且被要求正式实验时不能使用香水。

测试材料为4种来自不同供应商不同型号的座椅材料如表3所示。

表3 4种座椅皮革材料Tab.3 4 kinds of seat leather materials

3.2 测试实验过程

(1)实验前，将4种皮革材料剪碎置于玻璃瓶中，并密封好。加热到80 ℃并保持一段时间后，冷却到室温[2，4]。

(2)被试对象在电脑上阅读本次实验的指导语。

(3)被试对象分别对4种皮革材料的气味进行嗅觉体验。

(4)被试对象体验材料气味后，在纸质问卷上分别对气味强度Z1、气味类型Z2、气味舒适度Z3和气味敏感性Z4的权重以及4种材料在Z1、Z2、Z3和Z4方面的感受进行评价，其指标权重语言变量和评价语言变量见表1和表2。

(5)20名被试对象依次进行实验测试。

(6)实验结束。

3.3 测试实验数据处理

4种材料方案集C={C1，C2，C3，C4}；4项评价指标组成的评价指标集z={Z1，Z2，Z3，Z4}，权重为Wi(i=1，2，3，4)，20名目标用户集U={U1,U2,…，U20}。20名被试对象对4种方案在4个指标维度下构建的决策矩阵。被试对象对指标权重与各方案在不同指标维度下评价的原始数据如表4、表5所示。

表4 被试对象对指标权重的评价Tab.4 Evaluation of users on index weight

表5 被试对象对各方案在不同指标下的评价Tab.5 Evaluation of users on different schemes under different indexes

将实验原始数据按照模型计算的步骤进行验算，得到各方案到模糊最优解与模糊最劣解的距离及各方案与理想解的相对贴近度zi，如表6所示。根据相对贴近度值由大到小对4种材料的气味进行排序，材料方案序号依次为C2、C3、C1、C4。即在4个方案中，方案C2对应材料的气味为最优。

3.4 模型分析

3.4.1 评价模型的信度分析

为了检测评价结果的的有效性与可靠性，采用克朗巴哈α信度系数法对20名被试对象的评价数据进行信度分析，其计算模型为

表6 4种方案与理想解的相对贴近度Tab.6 elative closeness between each solution and ideal solution

(3)

其中，X为评价方案的总数；z为评价指标的数目；vij为方案j在第i个评价指标下得分的内在方差；vj为方案j的总得分的方差。由于三角模糊数无法进行方差分析，为了便于计算，先将用户评价的语言变量 “极其不满意”、“非常不满意”、“不满意”、“一般” 、“满意”、“非常满意”、“极其满意”依次转换为数值1，2，…，7。利用SPSS软件计算20名被试对象对4个方案评价值的内在信度系数，如表7所示。进行平均值处理后得到标准化克朗巴哈α系数为0.868，大于0.8，因此总体上该评价模型的内在信度是比较理想的。

表7 信度统计分析表Tab.7 Reliability statistical analysis

3.4.2 模型评价权重的敏感性分析

为了研究4项评价指标权重对汽车座椅方案评价结果的影响，进行11项敏感性分析实验，如表7所示。实验1～实验7中，设定4个评价指标的权重评级依次为(0，0，0.10)，(0，0.10，0.25)，(0.15，0.20，0.45)，(0.35，0.50，0.65)，(0.55，0.70，0.85)，(0.75，0.90，1.00)，(0.90，1.00，1.00)。实验8～实验11中，依次设定某一个评价指标权重评级为(0.90，1.00，1.00)，其余的均为(0，0，0.10)，按照模型计算过程获得4个方案的相对贴近度及排序。对表8分析可知，方案C2排在第一位的概率为100%，方案C3排在第二位的概率为91%，方案C1排在第三的概率为64%，方案C4排在末位概率为73%。因此，得出评价指标权重对评价结果的影响较小，这说明气味评价的4个指标之间具有较强的相关性，且为正相关。

表8 敏感性分析实验Tab.8 Sensitivity analysis experiment

注： WZi为指标Zi的权重评级，i=1，2，3，4。

4 用户嗅觉感知体验测试系统装置

汽车内饰材料用户嗅觉体验测试验证了嗅觉模糊综合评价方法的可行性，但存在一些问题，如实验数据需要人工统计，效率低且容易出错。当实验材料种类增加时，实验过程管理变得困难。为了将该方法进行工程化应用，设计了一种汽车内饰工业设计材料气味用户嗅觉感知体验测试系统装置。

4.1 用户嗅觉感知体验测试系统构成与工作流程

汽车内饰工业设计材料气味用户嗅觉体验测试系统由控制电脑、材料气味发生器和用户嗅觉体验测试软件组成。

汽车内饰工业设计材料气味用户嗅觉体验测试工作流程如下:

(1)汽车内饰工业设计材料识别“活区”设置。在第一图层显示汽车内饰工业设计效果图；第二图层为二维坐标系，效果图叠加在二维坐标系上。使用自由曲线工具将座椅材料所在区域设置为“活区”。“活区”能够触发座椅材料气味输出的控制信号。

(2)汽车内饰工业设计材料气味用户嗅觉体验测试。当用户想体验某材料的气味时，点击该材料所在坐标区域，该材料气味识别“活区”被触发，通过蓝牙将控制信号传输到气味发生器，驱动材料气味输出控制系统工作，把材料的气味从出风口吹出。同时，气味发生器出风口的指示灯被点亮，指示用户体验该材料的气味。

(3)用户嗅觉体验测试数据采集。用户体验气味后，电脑屏幕上自动弹出问卷调查表窗口，对材料气味进行评价(极其满意、非常满意、满意、一般、不满意、非常满意、极其不满意)，数据采集软件记录和存储每次用户体验测试数据。重复上述过程，直至汽车内饰设计效果图中所有材料气味体验测试完。

(4)测试数据处理与统计报告输出。当所有用户完成一组汽车内饰工业设计材料气味用户嗅觉体验测试后，电脑根据用户嗅觉体验测试模糊综合评价模型对所有用户体验测试数据进行统计分析，生成和输出多个用户的体验测试报告。

4.2 材料气味发生器的工作原理

(1)气味发生器初始状态。在用户进行嗅觉体验前，供用户体验的所有材料颗粒处于气味发生瓶内，材料气味发生瓶插座板上预先插上n个供用户体验的气味发生瓶，每个气味发生瓶所处的气味输送管道的进气口设置一个进口阀门，气味输送管道出气口设置一个出口阀门，这些材料气味颗粒的编码与电脑屏幕上产品设计材料所处识别“活区”编码相对应，即一个识别“活区”编码对应一个材料气味颗粒编码、一个气味输送管道进口阀门编码和一个气味输送管道出口阀门编码，这些对应关系都存储在用户嗅觉体验测试软件系统中。

(2)材料气味发生器接收控制信号。当用户用鼠标点击汽车内饰工业设计效果图中材料所在区域时，测试软件触发一个控制信号，这个控制信号通过蓝牙，到达气味发生器的通信模块，通信模块将控制信息送至控制装置。

(3)控制信号工作。控制装置接收到控制信号后，经处理和放大，输出一个控制信号给风机、恒温加热器、气味输送管道进出口阀门，风机电源开启并开始供电，恒温加热器开始加热，材料气味颗粒加热后挥发出气味，同时该材料气味颗粒所在的气味输送管道的进出口阀门打开。

(4)材料气味从出气口吹出。外界空气被风机从气味发生器进气孔吸入，通过材料气味颗粒所在的气味输送管道进口阀门进入气味输送下管道，然后通过气味输送上下管道连接口进入气味输送上管道。材料颗粒加热后挥发的气味与进入气味输送上管道内的空气融合，一起通过气味输送上管道到输送管道出口阀门，进入气味输出总管道，到达气味发生器出气口吹出，气味发起器处于用户体验状态。

(5)指示灯亮。当材料气味吹出后，触发指示灯点亮，告之用户体验气味发生器出气口吹出的气味就是用户想体验的产品设计材料的气味，用户可通过出气口调节器调节出气口风向，通过气味风量大小调节按钮调节风速，然后对其他材料气味进行嗅觉体验。

(6)气味发生器停止吹出气味。气味发生器持续吹出材料气味颗粒产生的气味10～20 s后，控制装置触发关闭控制信号给气味输送通道进出口阀门、风机、指示灯和恒温加热器，使它们停止工作。材料颗粒发生的气味被封闭在气味输送上管道和下管道中，指示灯熄灭，指示气味发生器停止吹出气味。

(7)材料气味体验问卷调查。当气味发生器指示灯关闭后，触发问卷调查表窗口在屏幕上弹出，并提示用户评价答题，完成材料气味的体验测试。

(8)循环体验测试。重复步骤(2)至步骤(7)的过程，直到全部材料气味被用户体验完毕。

图2为材料气味发生器的信号接收与传递的控制框图。

图2 气味发生器的控制框图Fig.2 Diagram of odor generator control

4.3 用户嗅觉体验测试软件系统的构成和实现

4.3.1 测试软件系统的构成

用户嗅觉体验测试软件系统由实验基本信息/用户基本信息设置模块、汽车内饰工业设计显示模块、汽车内饰工业设计与二维坐标系叠加设置、材料识别“活区”模块、汽车内饰工业设计材料气味用户嗅觉体验测试问卷调查题目设置模块、识别“活区”与材料颗粒编码模块、材料识别“活区”触发控制模块、控制信号双向传输模块、单片机、材料气味输送管道进出口阀门开关控制模块、指示灯开关控制模块、材料颗粒管道进出口阀门间的互锁模块、问卷调查表窗口弹出/关闭模块、问卷调查数据采集模块、用户体验测试数据处理与统计模块、测试分析报告生成与输出打印模块、测试数据存储模块、测试数据远程网络发送模块和云端数据中心模块等组成。汽车内饰工业设计材料气味用户嗅觉体验测试软件系统框架如图3所示。

图3 汽车内饰设计材料气味用户嗅觉体验测试系统框架Fig.3 System framework of automotive interior design material odor user experience testing

4.3.2 软件功能的实现

(1)用户嗅觉体验测试实现的程序流程。用户在进行嗅觉体验测试时，需要控制电脑和气味发生器进行实时交互。材料气味发生器按照控制信号进行动作，将动作执行的结果反馈给电脑，并对材料气味发生器执行动作的结果进行判断，然后决定下一步的动作。用户嗅觉体验测试实现的程序流程如图4所示。

(2)材料识别“活区”的设置与关联。首先将汽车内饰工业设计效果图导入系统。在一张效果图上可以设置和定义多个材料识别活区，得到“活区”集合。对材料气味发生器中的材料样本、恒温加热器和电磁阀进行编码，得到一组材料样本、恒温加热器和电磁阀的集合。每个材料样本编码对应1个恒温加热器和2个电磁阀的控制指令。将活区与材料样本编码进行设置关联，当鼠标触发活区所在的坐标时，即触发对应恒温加热器加热、电磁阀、指示灯和风机打开的指令，其原理如图5所示。

5 结语

本文针对汽车工业设计阶段缺少设计材料气味测试研究的现状，提出了一种汽车内饰工业设计材料气味用户体验测试评价方法并设计了相关装置，构建了内饰工业设计材料气味用户体验评价指标体系，将心理测试量表测试手段与三角模糊综合评价理论进行结合，并依据敏感性分析确立评价指标权重对评价结果的影响。实验案例证明，三角模糊综合评价法可以消减用户对汽车内饰工业设计材料气味评价的主观性和模糊性，实现相对客观的汽车内饰工业设计材料气味测评。在汽车设计阶段进行内饰工业设计材料气味用户体验测试，可以降低汽车制造出来后因车内气味不受用户喜欢而影响汽车销量的风险。对汽车内饰工业设计材料气味用户嗅觉体验模糊综合评价方法进行了工程化应用，设计了一种汽车内饰工业设计材料气味用户嗅觉体验测试的系统装置。本文所提的测试方法和系统装置适用于对各内饰件材料气味进行用户嗅觉体验测试评选，其目的是为了有效地控制和改善车内气味的来源——具体的内饰件。下一步的工作计划是对各内饰件气味与整车车内气味的关系进行用户嗅觉体验测试评价研究。

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图4 用户嗅觉体验测试的程序流程图Fig.4 Flow chart of user experience test

图5 识别“活区”设置与关联的原理图Fig.5 Schematic diagram of the identification of the active region setting and Association

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(编辑 张 洋)

Method and Device for Material Odor Evaluation and Selection of Automobile Interior esign Based on User’s Olfactory Sensation Experiences

TANG Bangbei1GUO Gang2XIA Jinjun3

1.College of Mechanical Engineering,Chongqing University,Chongqing,400044 2.College of Automotive Engineering,Chongqing University,Chongqing,400044 3.College of Arts,Chongqing University,Chongqing,400044

To improve the pleasure of user’s olfactory sensation experiences in automobile interior design，an automobile interior industrial material odor evaluation and selection method and device were proposed based on user smell perception experience. Firstly，the principles of user smell perception experiences were analysed. Then，the evaluation index system was constructed based on user’s smell experiences. The triangular fuzzy comprehensive evaluation model of user’s smell perception experiences was established. The automobile seat material odor user experience testing was used as an example， and 20 subjects were recruited for the user smell experience test experiments of four car seat leather materials from different manufacturers. The experimental data was calculated by the evaluation model to select the optimal car interior smell of leather material，and inspection and analysis were carried out on the model.

user experience; olfactory sensation; fuzzy comprehensive evaluation; system of evaluation

2016-03-18

国家自然科学基金资助项目(51375510)；中央高校基本科研业务费资助项目(CDJZR14050050)

TB472

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.02.013

唐帮备，男，1990年生。重庆大学机械工程学院博士研究生。研究方向为产品创新设计及工业设计用户体验测试评价。发表论文2篇。E-mail:tangbangbei@126.com。郭 钢，男，1960年生。重庆大学汽车工程学院教授、博士研究生导师。夏进军，男，1978年生。重庆大学艺术学院副教授。