层次分析法在汽车座椅静态舒适性主观评价中的应用

徐伟，刘伟，冯钊，钟凡，何林英

(广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东广州 511434)

0 引言

座椅舒适性主观评价在座椅开发过程中具有重要的意义，从前期竞品车的对标、性能目标的制定、多轮次的验收及改进，以及最终的验收通过，都需要使用主观评价工具来完成。

目前，对于座椅舒适性主观评价，学者们为了使主观打分尽可能的准确，在主观评价的指标上及权重、评价标准等方面做出了不同探索。2003年，KOLICH等[1]在探索座椅最佳设计尺寸的研究中，让测试者对坐垫厚度、脊柱部位、臀部舒适性和背部两侧舒适性等指标进行评分，其设计的主观评价体系具有较强的实用性。2006年，SMITH等[2]采用视觉模拟评分方法，让测试者对设计的舒适性问卷项目进行评分，与KOLICH的评分结果相比较，证明该方法具有较好的可靠性。目前，国内各大汽车研发企业，在借鉴国外成熟的开发经验基础上，基本形成了适合自家车型风格的座椅舒适性评价体系，但受限于评价工程师的经验和评价指标的繁多，评价体系的运用经验仍待提升。

层次分析法是把系统的复杂问题中各种因素，根据问题的性能和总的目的，及它们之间相互联系和隶属关系进行不同层次的组合，构成了一个多层次的系统分析结构模型[3]。层次分析法在汽车主观评价过程中得到广泛应用。王生昌等[4]运用层次分析法进行了汽车制动性能主观评价指标权重的研究。陈涛等人[5]运用层次分析法进行了汽车动力性主观评价的研究，建立了动力性能和制动性能层次分析模型，计算得到指标权重。

本文作者在各位学者对主观评价指标摸索的基础上，首先建立了汽车座椅静态舒适性评价指标体系，然后基于层次分析法建立层级结构模型和构建判断矩阵，计算得到各层级指标权重系数，最后对某三款轿车的前排座椅舒适性主观评价，并加权得分，提出当前阶段存在问题和改进方向。

1 汽车座椅静态舒适性主观指标

座椅舒适性是指座椅基本尺寸、材料特性、角度设计及坐姿变化等综合因素能否使乘客在座椅上有良好的坐姿和体压分布，能够按照自己的意愿调整坐垫和靠背的角度，并在长时间的乘坐过程中感到轻松和舒适，没有受压迫部位和劳累感。文中在借鉴各位学者研究基础上，使用层次分析法将各指标逐层排列构成综合的评价体系，如表1所示。

表1 座椅静态舒适性主观指标

座椅各指标的好坏直接决定驾驶员乘坐的舒适与否，座椅各指标对舒适性的影响主要表现如下：

(1)表面软硬度

座椅最直接的功能是支撑驾驶员的身体，表面硬的座椅不仅容易使驾驶员疲劳，且存在与身体某些部位贴合度差，造成压力集中，压迫身体某一部位，从而引起驾乘人员的疲劳感增加，时间长还会造成肌肉损伤。

(2)包裹感、宽阔感

座椅坐垫、靠背、头枕型面与人体臀部、大腿、背部及后头骨的形状相贴合，且大小适配，有利于增加接触面积，降低单位面积的压力，从而提高驾乘舒适性。

(3)腰部支撑感

汽车座椅靠背应该提供形状和位置适宜的两点支撑，第一支撑位于人体第5和6胸椎之间的高度上，作为肩靠能减轻颈曲变形；第二支撑位置位于腰曲部位，作为腰靠能保证乘坐姿势下近似于腰曲弧线，提高驾驶员的舒适性。

(4)侧面支撑感

车辆在变道和转弯等操作时，受车辆侧向加速度的影响，人体随着车体会左右侧倾，此时需要坐垫和靠背侧面有一定的支撑性，使驾乘人员的身体维持在一定空间内左右侧倾，从而提高驾乘人员的身体保持性。

(5)异物感

对于坐垫的支撑，需求是在自然坐下时，有一定下陷量，包裹身体，但下陷量过多容易造成触底，引起压力的局部集中，让驾乘人员有如异物的感觉，此外，座椅不佳的缝线分块也容易导致驾驶员有异物感，长时间造成局部劳累，影响舒适性。

2 层次分析法综合评价方法

2.1 层次分析法及其使用步骤

层次分析法是一种层次权重决策分析方法，把一个复杂的决策性问题表示为有序的递进层次结构，通过人们的判断逐层比较各关联因素的重要性来构建判断矩阵，并按照数学方法来计算各指标的权重，为决策提供依据，从而将复杂的问题变得系统化，简洁化[6]。文中运用层次分析法(AHP)步骤如下：

(1)建立层次结构模型。分析系统中各因素之间的关系，构建座椅舒适性层次架构模型，如表1所示。

(2)构建判断矩阵。在各层元素之间按照9分制标度表进行两两比较，计算两元素之间的重要度，进而排定各因素的优劣顺序，最终构建判断矩阵，判断矩阵的标度表及含义见表2。

表2 判断矩阵标度及含义

(3)层次单排序及一致性检验

首先，确定判断矩阵的特征向量，也是各因素相对权重。设判断矩阵A：

(1)

(a)将判断矩阵的每一列进行归一化：

(2)

(b)将归一化后判断矩阵的每一列相加：

(3)

(c)将上述b′向量各元素进行归一化处理：

(4)

则W=[W1W2......Wn]T即为所求的特征向量。

(d)计算判断矩阵的最大特征值：

(5)

式中：λmax为矩阵A的最大特征根。

然后，进行一致性检验，以保证判断矩阵精确。为此引入CI(Consistent index)来判断一致性，即

(6)

当CI=0时，则说明判断矩阵完全一致。为了能给出具体的度量指标，使用平均一致性指标RI来检验。9分制判断矩阵的RI值见表3。

表3 判断矩阵的RI值

当n>2时，引入相对一致性指标，即为CI与RI的比值。

(7)

当CR>0.10时，则认为判断矩阵的一致性差，需要重新调整判断矩阵，直到CR<0.10，判断矩阵才具有很好的一致性，此时层次单排序的权重值才有意义。

(4)层次总排序及一致性检验

层次单排序只计算出了相对重要度，同时也需要计算同一层次的所有元素对目标层相对重要性的权重值。

表4 B层各元素总排序权值

(8)

层次总排序仍需要一致性检验。此时的一致性检验是从第一层到最底层逐层进行。假如A层中任何一个元素Aj对应B层中判断矩阵侧一致性指标为CIj，而平均随机一致性指标为RIj，则可以得到B层总排序随机一致性比值CR为

(9)

当CR≤0.1时，则可以判断该层次的总排序具有满意的一致性结果，如果一致性较差，则需要对本层次的判断矩阵重新调整，直到满足一致性。

2.2 建立层次结构模型

依据层次分析法的分层规则，将座椅舒适性评价分为3层。第一层是待解决目标的层次，文中的目标层就是得到座椅舒适性的综合评分；第二层是支撑目标实现的准则层，文中将座椅舒适性主要分为坐垫舒适性、靠背舒适性和头枕舒适性3个方面的评价准则层；第三层即是表征各准则层的多个指标，形成指标层。

2.3 判断矩阵构建、权重计算及一致性检验

选取3位经验丰富的座椅舒适性评价工程师，在了解层次模型、判断矩阵的标度和含义后，对各层次元素进行两两比较评分并取三人的平均分，构建判断矩阵，然后按照第2.1节中层次分析法中的步骤进行各指标的权重计算和一致性检验。各层次指标的判断矩阵及指标权重，见表5—表8所示。

表5 坐垫舒适性指标层判断矩阵及指标权重

表6 靠背舒适性指标层判断矩阵及指标权重

表7 头枕舒适性指标层判断矩阵及指标权重

表8 座椅舒适性准则层判断矩阵及指标权重

其中，坐垫舒适性指标层CR=0.091 5<0.1，λmax=6.576 6；靠背舒适性指标层CR=0.099 2<0.1，λmax=6.624 8；头枕舒适性指标层CR=0.090 4<0.1，λmax=3.094 0；座椅舒适性准则层CR=0.000 0<0.1，λmax=3.000 0，经过一致性检验，符合要求。

将准则层和指标层的权重系数进行汇总，以图1、图2表示。由图1可知，坐垫舒适性和靠背舒适性相对于座椅舒适性而言权重较大。从图2可知，异物感在坐垫和靠背舒适性中占有较大权重，且头枕位置在头枕舒适性中占有较大权重，在评价过程中需要着重关注。

图1 座椅静态舒适性准则层权重系数

图2 座椅舒适性指标层权重系数

2.4 座椅静态舒适性评价实车分析

经过层次分析法，得出了座椅静态舒适性准则层权重系数W(Bi)和指标层权重系数W(Bij)，结合指标层各指标驾驶员的主观评分S(Bij)，先加权计算出准则层评价得分C(Bij)加权计算出座椅静态舒适性综合评分S(A)，计算公式如下

C(Bij)=W(Bij)S(Bij)

(10)

(11)

表9为三台车型座椅静态舒适性的主观得分。

表9 三台车型座椅静态舒适性的主观得分

其中，C1和C2代表同一台车的不同开发阶段。

以3款C级乘用车前排座椅静态舒适性评价为样本进行实车分析。首先，由3位专业评价工程师依据SAE十点评分方法对3台车辆前排座椅舒适性评价体系中指标层的每个指标进行主观打分，对3位评价人员的分数取平均得到每台车指标层指标主观分数，如表9所示。

然后，依据公式(10)、(11)，计算出3款车型前排座椅静态舒适性评价体系准则层评分和目标层评分，将3台车的准则层和目标层得分汇总绘制雷达图，如图3所示。

图3 座椅静态舒适性主观评价雷达图

由图可知，车型C得分最好，尤其是坐垫舒舒适性和靠背舒适性得分最高，虽然车型C的头枕舒适性不及车型A和车型B，但头枕舒适性占据目标层权重较低，对总得分影响较小。通过以上数据的对比分析，得知各车型优劣指标特征，且在开发过程中，应该优先考虑权重系数较大的性能指标的提升，从而快速提升总体得分，同时对于权重较低的性能指标，应给予重视，应达到及格线，从而也能进一步提升总体得分。

结合以往项目对综合评价体系的应用进行阐述，从表9和图3中可知，车型C1总得分已经超过两台竞品车型A和B，但在其准则层研究中，发现C1靠背舒适性(7.11)与车型A的靠背舒适性几乎相当，且指标层腰部支撑(6)刚刚及格，同时腰部支撑权重系数(0.154 6)相对较高，如果能够提升腰部支撑评分，能促进靠背总体分数提升。所以，小组采取适当优化权重系数较高的腰部支撑(0.154 6)，同时适当降低权重系数较低的肩部支撑(0.083 3)的方案，方案实施后再次评价，从车型C2评分中可见，靠背舒适性整体评分提升了0.24分。此外，在准则层头枕舒适性研究中，发现车型C1的头枕舒适性(6.90)不及车型A(7.50)和车型B(7.40)，且指标层表面硬度不及格(5.5)。经过小组讨论，认为改善整体头枕舒适性花费代价较大，头枕舒适性占比权重低(0.066 7)，且顾客实际驾驶过程中头型面距离头枕一般有一定间距，整体改善性价比低，故采用提升可能引起顾客抱怨的指标层表面硬度的性能指标方案，从C2评价结果可知，头枕舒适性有些许提升。最终，两种改善方案反映到前排座椅静态舒适性总体得分上有较明显提升。

3 结论

(1)在借鉴国内外学者研究基础上，依照层次分析法构建了座椅静态舒适性主观评价体系，使得座椅静态舒适性主观评价工作更加便捷，总指标得分更加科学。

(2)借助层次分析法，构建了判断矩阵并通过一致性检验，得到了座椅静态舒适性各层次指标权重系数，有效地解决了主观经验少的工程师对总体性能难以把握的难题。

(3)结合对三款C级乘用车前排座椅舒适性主观评价，运用各层级指标权重计算出座椅舒适性综合得分，能够直观地比较各车辆座椅舒适性优劣，同时能够提出当前阶段座椅舒适性存在的问题及优化方向。

然而，构建的判断矩阵定性成分较多，得到的权重系数也受主观影响，需要结合不同专家意见进行综合性考虑，且要结合企业座椅舒适性开发方式，防止出现较大误差。