中国人体尺寸预测方法研究

勾俊杰 冷济光 毕显 丁立杰

（1.同济大学，上海 201804；2.中国第一汽车集团有限公司，长春 130013）

主题词：中国人体 外国人体 人体尺寸预测 RAMSIS软件

1 前言

人机工程学的目标是建立人-机-环境相互和谐的共处环境，人-机-环境的密切配合离不开准确的人体模型库。人体尺寸参数的测量和数据的预测是建立人体模型库的基础，专业的人体测量方法可以获得特定群体的人体尺寸测量数据及其分布规律，进而指导工具、设备及作业空间等的设计。人体尺寸受地域、性别、年龄、人种、身材比例等诸多因素影响。在汽车产品开发中，乘员舱和汽车外部都需要依据特定的目标群体设计，因而必须充分了解目标群体的人体尺寸参数，并据此建立人体模型库。

目前，通常以GB 10000—1988《中国成年人人体尺寸》中提供的参数作为设计依据，这在理论层面上符合人机工程学的原则[1]，但人体尺寸具有明显的时代差异[2]，这会直接导致以此设计的产品与现实人体尺寸状况不符，所以需要在国家标准的基础上对现阶段的中国人体尺寸进行预测。

本文对基于RAMSIS 软件的中国人体尺寸预测方法进行分析，并基于多国人体尺寸变化规律开展中国人体尺寸等效预测，以期获得更符合现阶段中国人体尺寸实际情况的预测模型。

2 人体尺寸的预测方法

在汽车产品开发中，目前主要应用RAMSIS软件的人体尺寸预测功能模块实现人体尺寸预测，但至今，该模块的尺寸预测仅对部分人体（如德国）做了调整。随着时间的推移，人体尺寸不可能无限制地增长，因而RAMSIS软件中人体尺寸预测模块的预测方法必然存在问题。

2.1 RAMSIS人体尺寸预测存在的问题

图1所示为RAMSIS中从1988年开始的德国（旧版数据库）和中国第95百分位男性人体每7年的身高尺寸变化情况，由图1 可以看出，中国人体和旧版德国人体的身高尺寸预测均符合等差数列的规律，且德国人体身高尺寸的增长速度较中国人体快。对应地，新版德国人体数据库（2004年起）第95百分位男性人体每4年身高尺寸见图1，新版德国数据库的身高尺寸增长预测趋势相比旧版数据库变缓。随着身高尺寸的增长，其增长速度呈现出减小的趋势，这显然更符合人体身高尺寸的实际增长规律。

图1 中国与德国第95百分位男性人体身高尺寸对比

通过对比新、旧版RAMSIS数据库德国人体身高尺寸的增长趋势可以发现，1988～2016 年，德国人体身高尺寸的增长在2个阶段内分别符合等差数列规律，但整体趋势可以用相切拟合的二次曲线来表征。

不同百分位中国人体身高尺寸RAMSIS 预测结果如表1所示。分析表1可知，不同百分位人体的增长速度不同，但相同百分位男性和女性的人体增长速度却是相同的，每7 年第95 百分位、第50 百分位、第5 百分位人体（男性和女性）身高的增长速度分别为7.4 mm、7.0 mm、6.6 mm，符合等差数列的特征。

表1 不同百分位中国人体身高尺寸RAMSIS预测结果 mm

表2所示为旧版数据库德国人体身高尺寸，由表2可知，德国人体身高尺寸增长速度基本符合等差数列的特征，但是每个百分位人体身高尺寸的增长速度都不相同，大尺寸人体身高增长速度较快，男性和女性人体身高尺寸增长速度也不相同，男性人体身高尺寸增长速度较快。

表2 旧版数据库不同百分位德国人体身高尺寸 mm

表3 所示为新版数据库德国人体身高尺寸，由表3可知，德国人体身高尺寸增长速度随时间的推移逐渐变缓，且每个百分位人体身高尺寸增长速度都不相同，大尺寸人体身高尺寸增长速度较快，男性人体身高尺寸增长速度较女性人体快。

表3 新版数据库不同百分位德国人体身高尺寸 mm

综上，对比新、旧版数据库德国人体身高尺寸变化规律，可得出如下结论：

a.人体身高尺寸的增长方式在短期内符合等差数列规律。

b.RAMSIS中国人体数据库男性和女性人体身高增长速度相同的预测方式不可取。

c.随着时间的推移，预测函数必然是非线性的，可考虑采用二次曲线表征。

d.不同百分位的人体身高增长速度不同，需单独预测。

e.大尺寸人体的身高增长速度快于小尺寸人体。f.男性人体身高尺寸的增长速度较女性快。

2.2 中国人体尺寸的类比预测方法

选取2000年和2010年不同国家的人体身高尺寸数据，以男性人体的身高尺寸为例制作散点图，应用最小二乘法提取身高尺寸变化规律的参考曲线，结果如图2所示。由图2可以看出，德国人体和美国人体身高尺寸及其增长趋势都基本等效，而日本人体身高尺寸略小，增长略缓。

图2 不同百分位男性身高尺寸增长规律

此外，中国标准化研究院对中国人体尺寸及其他多国人体尺寸进行了统计研究，通过其最新统计数据可以发现，北美与德国人体的身高尺寸均值基本相当，而中国人体与日本人体的均值也基本相当[3]。中国人体与日本人体的差异主要体现在胸围等宽度尺寸，以及手长和脚宽等局部尺寸，身高尺寸差异较小。

通过对德国人体增长规律、其他多国人体身高尺寸均值及增长规律的分析，可以得出以下推断：

a.德国人体尺寸与美国人体尺寸基本相当，说明同一纬度上相似人种的人体身高尺寸可能近似等效。

b.随着中国人生活水平的不断提升，中国人体与日本人体作为相似人种，其身高尺寸可以基本等效。

c.各国人体的增长趋势在一定时间段（如15 年内）内符合等差数列规律。

基于此，本文提出一种身高尺寸预测方法，以第95百分位男性人体身高为例，其预测公式推导过程如下：

a.利用RAMSIS 预测功能推算出2000 年第95 百分位中国男性人体身高尺寸为1 787.3 mm。

b.从2000 年开始，参考日本第95 百分位男性人体增长速度推算2010年中国第95百分位男性人体身高尺寸，假设预测线性方程为y=1.6x+m，将推算出的2000年第95百分位中国男性人体身高尺寸代入得到m的取值，故得到线性方程式为：

c.由式（1）求得2010 年中国第95 百分位男性人体身高尺寸为1 803.3 mm。

d.假设预测函数为y=Ax2+Bx+C，将得到的1988年、2000年、2010年数据带入，求得A、B、C的取值，得到中国第95百分位男性人体身高尺寸预测方程为：

同理，可以求得中国第50 百分位、第5 百分位男性及第95百分位、第50百分位、第5百分位女性人体身高预测模型分别为：

2.3 2种预测方法的对比

对本文提出的预测方法与RAMSIS 预测方法获得的2016 年中国人体身高尺寸预测结果进行比较，可以发现二者差别较大，如表4 所示，本文提出的预测方法得到的大尺寸人体身高尺寸增长趋势明显更快。

表4 两种方法2016年中国人体身高尺寸预测结果 mm

本文提出的预测模型得到的中国人体身高尺寸在产品开发中应用效果良好，并在此基础上完成了设计规范推荐数值范围的更新，解决了设计规范不适用的问题。例如，在后背门开启位置的布置设计中，依据国家标准中人体身高尺寸设定的后背门开启位置在主观评价及用户使用中存在抱怨，有碰头现象，更新设计规范推荐数值范围后，此类问题未再出现。

3 中国人体数据库

汽车产品开发中，根据分析项目的不同，需要选择不同尺寸的人体模型。因此，需要选取一组有代表性的人体模型作为产品开发的辅助工具[4]。

因参数获取方式有限，身高的获取相对方便，以身高尺寸为例预测中国人体模型后，利用RAMSIS的人体模型修改功能创建人体数据库。RAMSIS 可以通过调节部分人体尺寸创建不同的人体模型。当改变某一人体尺寸时（例如身高），可以驱动人体的其他关联尺寸自动改变，以有效防止设计人员创造出不符合人体合理比例的人体模型。

基于为汽车产品开发提供有效设计参考的原则，设定年代为2016年，年龄范围为18～60周岁，参考通用的分类方式及RAMSIS 的功能，将人体模型库按照身高（第95 百分位、第50 百分位、第5 百分位）、性别（男性、女性）、身材比例（长、适中、短）、身材（胖、适中、瘦）进行分类，并在此基础上选取典型人体类型，尽可能少但又全面代表所有人体尺寸，如表5所示。

表5 人体数据库

RAMSIS 软件的人体模块提供了三维人体模型用于模拟人体的行为，同时可以通过编辑约束条件将人体姿态调整为正常驾驶、操作等人机操作任务模式[5]。以上10 个人体模型构成了现阶段中国人体模型库，可以作为汽车产品开发的辅助工具，针对性地应用于面向中国市场车型的开发，如图3所示。

图3 中国人体数据库

4 结束语

本文对比了RAMSIS新、旧版数据库德国人体尺寸的变化规律，对RAMSIS软件提供的中国人体尺寸预测方法进行了分析，揭示了该方法的不足之处，通过分析德国、美国及日本人体尺寸随时间变化的规律，基于GB 10000—1988中的中国人体尺寸提出了中国人体尺寸的预测模型，并以2016 年为例建立了中国人体模型数据库。

本文提出的预测模型虽然可准确地预测有限时间内的人体身高尺寸的变化情况，但更长期的预测需要进一步增加数据输入。截至目前，中国人体只有1988 年的人体尺寸可以公开查询使用，而日本人体也只有极少量解密数据可以应用。在后续的研究中，将通过改善人体尺寸识别的方法，如图像识别、三维点云识别等，进一步提高人体尺寸获取的效率，从而提高人体尺寸预测模型的精度。