人机工程学在汽车设计过程中的应用及展望

伍赛特

(上海汽车集团股份有限公司，上海 200438)

0 引言

设计一辆轿车或货车需要多门学科专业人员的合作，如设计师、车身工程师、底盘工程师、动力总成工程师、制造工程师、产品规划师[1]、市场研究人员、人机工程学工程师和电子工程师等。设计过程需通过错综复杂的协调工作而推动，同时也收到多种需求的反馈，亦受到汽车中不同系统需求间的相互制衡。设计的产品不仅需具备良好的使用性能，同时也应满足消费者的需求。

在汽车产品开发过程中人机工程学领域由于涉及不同车辆设计团队的协同工作，应确保及早考虑并解决与其密切相关的技术问题，以满足使用者在使用过程中对整车的需求。

1 人机工程学简介

人机工程学是一门涉及人体等诸多领域的技术科学，包括心理学、人体测量学、生物力学、解剖学、生理学和心理物理学等，涉及到人体的特性、能力和局限性，并应用相关信息数据来设计和评估人类所使用的设备和系统。

人机工程学的基本目标即为设计出尽可能满足用户(驾驶员)和设备(车辆)之间的匹配，从而改进用户的安全(提供不受伤害和损失的自由空间)、舒适、方便、性能和效率(工作效率或不断增加的输出/输入之比)的优质产品[2]。

2 人机工程学在汽车设计过程中的应用

汽车设计中的人机工程学需求为理解在未来车辆设计中的应用，主要包括以下领域：

(1)为汽车使用者提供更出色的灵活性、舒适性和便捷性。

(2)提高整车安全性，如减少碰撞中的伤害并预防碰撞发生。

(3)提高制造生产力、降低成本，如提升燃油经济性，降低燃油消耗。

(4)提供舒适的驾乘环境，如为驾乘人员提供可选择的娱乐方式以及宽敞的车内空间[3]。

(5)提升驾驶愉悦性。

综合考虑上述需求，技术的进步可为消费者提供意想之外的优异功能，但同时也需提高舒适性、便捷性以及驾乘愉悦性。以乘用车为例，如下概括了人机工程学应用于乘用车设计领域所带来的技术提升:

(1)提升乘用车的安全性、愉悦性、舒适性，并且实现车辆智能化(如满足驾乘人员的不同需求、预判驾驶过程中的不安全因素并及时提醒驾驶员，或通过特定功能来协助驾驶员)。

(2)逐渐实现乘用车的小型化，使其外观独具一格并提升其燃油经济性。

(3)实现乘用车的混合动力化，以充分满足运动型多功能车(SUV)和小型货车的动力需求，但节能效果更佳。

(4)使乘用车具备更舒适的车内乘坐环境，如通过配置可调座椅、踏板和倾斜/伸缩转向管柱，提供更舒适的驾乘空间[4]。

(5)为随车携带物品提供更宽敞的车内仓储空间[5]。

(6)优化防碰撞系统，如改进整车制动性、操纵性、稳定性、驾驶员辅助系统、智能照明与可视性系统。

(7)采用被动安全系统以提升安全性，如智能气囊、预紧式安全带、侧面安全气囊。

(8)改良辅助系统，如空调系统、加热/冷却座椅。

(9)采用其他辅助功能，如广播电台、视镜、盲区传感器、辅助停车与巡航控制等。

(10)采用更先进的娱乐系统，如调频调幅广播、光盘播放器、售后市场娱乐设备的即时插播能力，以及为后座乘客提供游戏系统。

(11)优化通信和交流系统，如蓝牙或与手机及其他手持设备的无线连接、互联网搜索与收发电子邮件、带实时交通状况的导航系统、文件/数据管理与存储、整车诊断系统。

3 基于人机工程学的车载辅助技术功能

远程通信通常被认为是拓宽信息界面领域并实现相应新功能的关键技术，通过未来不断涌现的全新电子技术、通信技术和信息技术集成而得以不断发展。

因此，汽车远程通信技术是一门跨学科的应用技术，其涉及通过无线数据传输、传感器、微处理器、数据库、显示器、照明、控制等技术的集成应用。同时为方便汽车驾乘人员通信，开发了车内与外部信息源之间的信息交流设备。因此，汽车远程通信技术在一定程度上促进了数字汽车技术的发展。

通过上述技术的不断优化，可使得未来的车载设备具有更丰富多彩的功能。例如，通过结合GPS和相关数据库，车内导航显示屏幕可为驾驶员提供有关前方加油站及其服务能力的一系列数据信息。

通常而言，远程通信业务可以通过与以下技术的结合来提供令驾乘人员满意的服务平台：

(1)汽车内信息源(例如蓝牙设备)与外界资源的双向无线通信。

(2)数据库的应用(如在互联网和其他数据中心)。

(3)定位技术(如GPS)。

(4)视觉系统(通过传感器、摄像机及显示屏进行叠加处理的图像信息)。

(5)声控技术(声音识别、声音控制和声音显示)。

(6)可重构的驾驶人界面。

(7)传感器、信号处理器和控制单元。

其他一些基于人机工程学的车载辅助技术功能的专项技术分类如下：

(1)驾驶员人机交互技术，包括可重构显示、触摸屏、多功能控制器，声控技术，转向盘控制等。

(2)驾驶员状态测量和辅助系统，包括疲劳驾驶检测器、驾驶人工作负荷监视器、醉驾(受酒精和/或药物影响)检测及防碰撞警示系统等[6]。

(3)汽车状态信息与诊断，包括混合动力系统能量显示、电动车电池电量显示、维护警告等。

(4)自适应控制系统，包括自适应巡航控制、增强的稳定性控制、自适应悬架系统、强化的制动系统等。

(5)照明技术，包括智能前照灯、新技术信号灯和车内照明(例如LED、照明灯管等)。

(6)质量、工艺和品牌感知，包括选择和使用视觉效果美观的车内材料以及具有愉悦触感的控制器等。

4 汽车人机工程学领域尚有待解决的技术问题

随着技术的进步，可预见到未来汽车功能的数量将会飞速递增。而在设计系统时仍需预判其是否能真正实现。引入此类功能的同时，依然伴随着不断增加的成本以及相应的技术弊端，为此基于汽车人机工程学领域，仍需要对诸多问题进行重点考虑，同时需在如下细节问题[7]上作出决定：

(1)控制器和显示器的位置。

(2)控制器类型、显示器及其布置方式的选择。

(3)驾驶员对设备的理解和操控。

(4)满足驾驶员的使用便捷性、并考虑到他出现分心现象时对操作过程的影响。

(5)新功能对驾驶员及其他界面操作的影响，如新功能可能会阻碍现有控制器，在操作其他系统过程中导致延误或中断。

(6)相对于其他设备显示的信息，与新功能有关的信息享有更高的优先级。

(7)在多功能控制器与显示器内部的功能需进行共享或重构，同时实现不同感知模式、显示之间的兼容(比如视觉、听觉、触觉相兼容)。

(8)尽可能减少车载功能的操作复杂性，以降低驾驶员的工作负荷。

5 汽车人机工程学领域未来重点研究方向及展望

为了保证产品未来的功能特征能使消费者满意，需在改善产品和产品评价方法的研发上进行研究，通常有如下相关研究需求。

5.1 改善人体测量数据库

目前仍需要更全面的人体测量数据库，包括增加测量项目及在不同细分市场中的不同群体驾驶人与用户的测量。

最新发展的激光扫描设备可用于获得人体全身扫描数据，就世界范围而言，该设备曾被用于由美国汽车工程师学会(SAE)管理的美国和欧洲民用人体表面测量数据源(CAESAR)项目中。

5.2 使用成本低廉、耗时短并可覆盖大范围用户群体的辅助系统

5.2.1 乘员自动布置和可视化系统

这套工具可对基本的乘客空间进行评价，如驾驶员位置、身体空隙、主要操控器的进/出位置；还能进行许多特殊分析，如对不同人群驾驶人进行视野分析。

5.2.2 综合数字汽车、数字人体模型和可视化系统

现在不同汽车设计者利用具有人体模型(数字人体模型)的CAD系统辅助进行产品开发。该类系统大部分均已进行了升级，并补充了全新的功能。在设计过程中使用任何模型前，都需通过人机工程学对此进行验证，以确定选定的数字人体模型中的假定姿态及其尺寸数值与实际使用状况相吻合。

5.2.3 可编程车辆模型

在整车布置工作的前期，有许多种不同的可编程车辆模型可供选用。该类模型能够用来构造不同尺寸和类型的汽车，并可与白车身的CAD系统进行交互。相关增强功能的可编程车辆模型(PVM)在评估汽车设计效果时大有用武之地。PVM在车辆研发的早期阶段可有效减少研发时长以及所耗费的精力。

5.2.4 参考不同汽车使用者的需求

除人体测量学和对生物力学特征的研究外，还需对不同汽车使用者的特征进行系统性研究。针对不同细分市场配备相应的数据库是必不可少的，该数据库涵盖的信息数据与驾驶员视觉、听觉、认知、触觉感受、驾驶人熟练度和期望、内饰材料和操控的喜好等使用者特性密切相关。

5.3 电动汽车的驾驶员操作界面

可以预计，电动汽车在未来会占据更大的市场份额，针对其开展相关设计并通过实时调整以满足消费者的相关需求。由于当前依然受到电池技术的限制、充电设施的推广效果、电动汽车服务需求的有效性以及整车安全性、电动汽车接受程度的限制[8-10]，其实际使用过程会与传统内燃机汽车有所不同。因此，基于汽车领域的人机工程学，仍需重点解决如下3个问题：(1)减缓驾驶员在使用电动汽车时的里程焦虑，使他们在驾驶过程中可准确预测电池工况和车辆可有效行驶的距离。(2)通过为驾驶员提供信息、协助驾驶员调整或改变其驾驶行为以降低整车能量消耗。(3)降低车辆使用以及维护费用。

6 总结及展望

在过去的数十年内，人机工程学在车辆设计上的应用大幅提升了整车的舒适性、使用方便性和安全性。针对同类车型，对1985年和2015年的结构形式进行对标，会发现几乎所有针对机动车驾驶员的人机操作界面部分均发生了显著变化。

近年来汽车技术的飞速发展，未来针对汽车人机工程学方面的技术优化需求将数不胜数。此类需求将重点体现在两大方面：一方面需研究先进的方法用于设计和评估汽车产品；另一方面则着重开发具有更多功能与特色的全新车型。

目前虽然已经有许多围绕汽车设计中人机工程学问题而开展的学术研究、设计工具和方法，但是为了更优地对汽车进行设计仍需开展更深入的学术研究。随着新技术不断改良与优化，未来汽车的设计过程将会日趋完善。