王 波，成 波，张非若，陶 鑫

(清华大学，汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084)

前言

近年来，车辆的驾乘舒适性得到了汽车制造商和驾驶员越来越多的重视。与驾驶相关的职业健康问题也得到了人们越来越多的关注。有关驾驶员尤其是职业驾驶员的身体状态调查结果表明，驾龄12～15年的驾驶员中，患有各种腰椎疾病的占65%［1］。

为提高驾乘舒适性，文献［2］中研究了提高座椅的舒适性设计水平的途径。文献［3］～文献［5］中则进行了驾驶员的姿势偏好的研究，以指导座椅可调节行程的设计。美国汽车工程学会也根据美国人口的统计学数据制定了座椅行程和坐垫高度选取的指导准则［6］。

近年来，随着研究的深入，有些研究成果已经能够对驾驶员的姿势偏好给出较为精细的描述:文献［7］的研究得到了座椅前后位置的回归模型;文献［8］的研究则进一步利用统计的方法得到了驾驶员姿势(包括多个姿势关节角度和多个人体标志点)的回归模型。这些研究成果能够用于指导座椅行程的设计，甚至用于设计智能调节座椅以提高驾乘舒适性。然而，有研究指出，由驾乘导致的疲劳，可以简单归因于驾驶时间的延长，而与座椅的设计没有必然的联系［9］，也即导致驾驶疲劳的因素可能是多种多样的，而且事实上是由其他因素而不是座椅导致的［10］。因此，通过改进座椅设计的方法并不能够避免因长时间驾驶而导致的疲劳。

为了肌肉健康，姿势上的变动常常是非常必要的［10］。文献［11］中指出，一个舒适的座椅应当能够适应人的姿势变化。文献［12］中指出，姿势的变化能够使肌肉得到放松并使营养得到补充。同样，文献［13］中指出应该允许驾驶员改变身体位置来使肌肉上的压力得到缓解。由此可见，驾驶员的姿势变化能够有效地缓解驾驶疲劳。而在实际的驾驶过程中，尤其是在高速路上驾驶时，驾驶员很难主动进行姿势调整，而且主动进行大幅度的姿势调整还有潜在的安全风险。因此，如果座椅能够智能地对驾驶员的姿势进行调节则可以很好地解决这一问题，本研究所关注的就是在长期驾驶过程中进行姿势调节的效果。

为提高车辆的驾乘舒适性，姿势分析、体压分布与电生理测试手段等客观评价方法和主观问卷等主观评价方法已经被广泛使用［14］。在这些方法中，体压分布因为能够准确描述人与座椅的接触特性而在近年来得到广泛的应用［10，15－16］。因而，本文中也将采用体压分布测试方法。

1 实验设计

为研究在长时间驾驶过程中进行姿势调节的效果，设计了3个实验环节:对照实验、坐垫调节实验和靠背调节实验。每名被试人员均须参与3个实验环节。实验均在Ford S-Max上进行，且均为实车的静态驾驶实验，实验时间为75min。在对照实验环节，驾驶员首先被要求通过自行调整以找出自己最舒适的位置，然后在此位置上进行静态驾驶75min。坐垫调节实验环节和靠背调节实验环节只是在对照实验环节的基础上增加了相应的调节手段。其余实验条件均保持不变。

1.1 被试人员

共计有24名被试人员参与了实验，其中12名为男性，年龄为20－30，平均身高(标准差)为174.1(5.1)cm，平均体质量为68.0(6.6)kg;另外12名为女性，年龄为20－30，平均身高(标准差)为163.3(4.3)cm，平均体质量为51.3(5.1)kg。所有被试人员均有驾驶证且身体健康，无职业健康问题。

1.2 实验方案

坐垫调节与靠背调节均选取在驾驶员驾驶30min后开始。坐垫调节实验环节中的调节为采用调节坐垫前后位置的调节方法，对不同的被试人员设置了不同的调节方向、频度和幅度;靠背调节实验中的调节为采用调节靠背角度的调节方法，对不同的被试人员设置了不同的调节方向、频度和幅度。具体的实验内容设计见表1。

表1 调节实验方案

1.3 体压分布

实验中采用两块Tekscan的压力测试垫来采集坐垫和靠背上的压力分布。每块测试垫上共有1 024(32×32)个厚度为1.78mm的力传感器，可以测量高达250mmHg的压力，每块测试垫的可测试面积为471.4mm×471.4mm。压力垫表面有布覆盖，试验中用胶带固定压力垫的边缘，以避免压力垫在测试过程中出现滑移。压力测试垫的示意图见图1，图中每个黑色圆圈代表一个力传感器。

为更好地描述体压分布，本文定义了8个体压分布变量(见表2)。由于本研究更关注由姿势调节而导致的体压分布变化，因而在分析中选取的是体压分布变量与驾驶时间的相关系数作为分析对象。

表2 体压分布变量定义

1.4 主观评价

在3个实验环节中，每5min对被试人员进行一次主观评价，评价量表为0～10的不舒适量表，其中0代表没有任何不适感，10代表极度不舒适。主观评价针对人体的各个局部部位:前臂、上臂、肩、上背部、腰部、臀部、大腿和小腿。因为主观评价结果具有不确定性，不同人之间的主观评价结果不具有可比性，甚至同一个人在不同时间的主观评价结果也不具有很强的可比性，为消除这种主观不确定性的影响，定义了如下变量:

式中:rijk为第k(1，2，3分别代表对照实验、坐垫调节实验和靠背调节实验)次实验中的第j(1，2，…，7分别代表7个不同身体部位)个部位的第i(1，2，…，16)次主观评价结果。ratejk反映了被试人员前后期的主观评价变化情况，值越小表明不舒适性随时间的增加越缓慢。本文中最终选取了指标ECj来计算坐垫调节的效果:

ECj越小表明坐垫调节效果越好，ECj＜1表明坐垫调节提高了舒适性，反之则表明没有改善。

类似地，选取指标EBj来计算靠背调节的效果:

EBj越小表明靠背调节效果越好，EBj＜1表明靠背调节提高了舒适性，反之则表明没有改善。

2 坐垫调节效果

由于在实验中，每个组(分组方案见表1)的调节方案一致，因而在比较调节效果时，选取每组主观评价数据(EC值)的均值进行比较。对于体压分布数据，选取体压分布变量与驾驶时间的相关系数作为分析变量，此处采用的数据为坐垫调节实验中的体压分布变量与驾驶时间相关系数与对照实验中的对应值之差，且对每一组的数据取均值进行分析。

2.1 调节方向

对于坐垫调节，组1对组4、组2对组5、组3对组6，有差异的实验条件仅为坐垫调节的方向。它们之间的主观评价EC值的两两比较结果见图2。由图可见:坐垫向前调节能够显著改善舒适性，向后调节则无法显著改善舒适性，甚至会增加不舒适感;而对于具体各个部位而言，坐垫向前调节能够显著改善人的末端(上臂、前臂、大腿、小腿)舒适性，在人体的躯干舒适性上，总体上有所改善，但是改善程度较低。

坐垫调节的体压分布结果见表3，体压分布的结果与前述的主观数据相吻合。此前的研究［17］显示，对于多数驾驶员而言，随着驾驶时间的延长，驾驶员的姿势会变得更加蜷缩，即背部更加弯曲。当坐垫向前调节时，人的臀部和腰部能够与座椅更加充分地贴合，使得人体在不进一步弯曲背部的情况下就能得到比较好的支撑，提高了脊柱的舒适性。此外，因为腰部没有进一步弯曲，也使得人体末端具有更大空间，提高了操作舒适性。表3中的体压分布数据也证实了这一点，相比于组 4、5、6，组 1、2、3的Centerb相关系数增加值更小。由于驾驶员的姿势变得更加蜷缩，因而人体上身与臀部有连动效应，因此对应的组1、2、3的Centerc相关系数增加值更大。其他的体压分布变量则受到多种因素的影响而没有一致的结果，座椅向前调节和向后调节的结果示意图见图3。

表3 坐垫调节体压分布结果(相对于对照实验的体压变量与时间相关系数的增加值)

2.2 调节频度和幅度

对于坐垫调节，组2对组3、组5对组6有差异的实验条件仅为坐垫调节的频度和每次调节的幅度，而总的调节幅度是一致的，也即仅存在调节频度上的差别。它们之间的主观评价EC值的两两比较结果参见图2。可以发现对应的组间无明显差异。表3的体压分布数据也证实了这一结果，组2对组3、组5对组6的体压分布数据也没有一致性的结果，即在体压分布数据上也未显示出明显的可区分性。

组1对组3、组4对组6有差异的实验条件仅为每次调节的幅度。由图2可以发现，对应的组间无明显差异。同样，根据表3的体压分布数据，组1对组3、组4对组6也没有明显的差异。也即结果表明，坐垫调节的幅度和频度对调节效果无显著影响。

3 靠背调节效果

3.1 调节方向

对于靠背调节，组1对组4、组2对组5、组3对组6有差异的实验条件仅为靠背调节的方向。它们之间的主观评价EB值的两两比较结果见图4。由图可见:靠背向前调节能够在总体上(组1和组2改善较为明显，组3相对不明显)改善舒适性，向后调节无法显著改善舒适性，甚至会增加不舒适感;而对于具体各个部位而言，靠背向前调节能够显著改善人的末端(上臂、前臂、大腿、小腿)舒适性，而臀部则因为坐垫与靠背的角度减小而受到挤压，舒适性变差。

靠背调节的体压分布结果见表4，表4的结果与主观评价结果相吻合。对于多数驾驶员，随着驾驶时间的延长，驾驶员的姿势会变得更加蜷缩，即背部更加弯曲。当靠背向前调节时，其作用与座椅向前调节的作用类似，人不必进一步弯曲背部就能得到比较好的支撑，提高了脊柱的舒适性，此外，因为腰部没有进一步弯曲，也使得人体末端具有更大空间，提高了操作舒适性。表3中的体压数据也证实了这一点，相比于组4、5，组1、2的 Centerb相关系数增加值更小。由于人体上身与臀部的连动效应，对应的组1、2的Centerc相关系数增加值更大。对于组3对组6，主观评价的结果即不具有显著差异，且组3的主观评价显示改善效果不明显，因而在体压分布数据上未能得到与组1、2一致的结论。

表4 靠背调节体压分布结果(相对于对照实验的体压变量与时间相关系数的增加值)

3.2 调节频度和幅度

对于靠背调节，组2对组3、组5对组6有差异的实验条件仅为靠背调节的频度和每次调节的幅度。而总的调节幅度是一致的。它们之间的主观评价EB值的两两比较结果可以参见图4。由图4可以发现，对应的组间无明显差异性。由表4可以发现，组2对组3、组5对组6的体压分布数据也不具有显著的差异。

组1对组3、组4对组6有差异的实验条件仅为每次调节的幅度。由图4可以发现，对应的组间无明显差异。也即结果表明，靠背调节的幅度和频度对调节效果无显著的影响。

4 讨论

综合采用了体压分布测试手段和主观问卷等评价方法，分别研究了在驾驶过程中进行坐垫调节和靠背调节的效果，并研究了调节方向、幅度和频度等因素的影响。

研究结果显示，坐垫调节和靠背调节对于驾驶员舒适性的影响机制具有一致性，即都主要通过影响腰部的状态来影响舒适性。有研究证实，很多人在乘坐时会选取一种脊柱弯曲的姿势，而这一姿势则因为会导致背部肌肉活动下降而加重乘坐不适感［18－20］。本文的结果与这一结论相吻合，也即使得背部无须过多弯曲就能完成驾驶任务的调节方法取得了更好的驾乘舒适性。坐垫调节和靠背调节主要通过影响腰部来影响驾乘舒适性也与驾驶员职业健康现状相吻合:对于职业驾驶员而言，腰部是最容易罹患职业病的部位，也即腰部是最为容易受到伤病、容易疲劳的部位。人在驾驶过程中首先应保持驾驶安全，确保座椅能有足够的支撑以安全地完成驾驶任务。因此，很容易出现为了满足腰部的支撑而导致人体末端舒适性降低的情况。因而，坐垫调节和靠背调节都通过影响腰部而主要提高了人体的末端舒适性，而对于腰背部的舒适性改善则不明显。

本文中分别研究了在驾驶过程中进行坐垫调节和靠背调节的效果，虽然两种调节在作用机制上存在一致性，然而两种调节方法可能存在交互影响且有互补性，比如靠背向前调节的同时适当向后调节座椅则有可能消除对臀部的挤压感。因而，今后应进一步研究两种调节方法的交互影响，并提出效果更好的综合调节方法。此外，坐垫调节和靠背调节对腰背部的改善效果不明显，今后须研究结合腰靠调节的综合调节方法来提高整体的驾乘舒适性。

本文中研究结果显示，调节的幅度和频度对驾驶员的舒适性均无显著的影响。然而，因为选取的幅度和频度较少，所以对这两个因素的影响尚无法得到确定性的结论，需要在后续的研究中扩大试验样本做进一步的研究。

5 结论

本文中研究了在长时间驾驶过程中进行坐垫调节及腰靠调节的效果，并研究了调节方向、调节幅度和调节频度的影响。结果显示:向前调整坐垫的调节方法能够显著提高人体的舒适性，尤其是人体的手臂、下肢等末端舒适性;向后调整坐垫的调节方法无法显著改善舒适性，甚至会增加不舒适感;向前调整靠背的调节方法能够在整体上提高人体舒适性，但是臀部的舒适性会下降;向后调整靠背的方法无法显著改善舒适性;就本文选取的调节幅度和频度，未见其对坐垫调节效果和靠背调节效果有显著的影响。

［1］王波，金晓萍，成波.腰靠在驾驶员脊柱上最佳支撑研究［J］.汽车工程，2013，35(12).

［2］Kamp I.The Influence of Car-seat Design on Its Character Experience［J］.Applied Ergonomics，2012，43:329 －335.

［3］Kyung G，Nussbaum M A.Specifying Comfortable Driving Postures for Ergonomic Design and Evaluation of the Driver Workspace Using Digital Human Models［J］.Ergonomics，2009，52(8):939－953.

［4］Hanson L，Sperling L，Akselsson R.Preferred Car Driving Posture Using 3-D Information［J］.International Journal of Vehicle Design，2006，42(1 －2):154 －169.

［5］Vogt C，Mergl C，Bubb H.Interior Layout Design of Passenger Vehicles with RAMSIS［J］.Human Factors and Ergonomics in Manufacturing，2005，15(2):197 －212.

［6］Society of Automotive Engineers(SAE).J1517Driver Selected Seat Position［S］.1998.

［7］Kolich M.Driver Selected Seat Position:Practical Applications［C］.SAE Paper 2000－01－0644.

［8］Reed M P，Manary M A，Flannagan C A C，et al.A Statistical Method for Predicting Automobile Driving Posture［J］.Human Factors，2002，44(4):557 －568.

［9］Helander M，Zhang L.Field Studies of Comfort and Discomfort Insitting［J］.Ergonomics，1997，40(9):895 －915.

［10］Kyung G，Nussbaum M A.Driver Sitting Comfort and Discomfort(part II):Relationships with and Prediction from Interface Pressure［J］.International Journal of Industrial Ergonomics，2008，38(5－6):526－538.

［11］Akerbloom B.Standing and Sitting Posture［M］.Nordiska Bokhandeln，Stockholm，Sweaden，1948.

［12］Jenny P，Joy H，Martin M.Seeking the Optimal Posture of Theseated Lumbar Spine［J］.Physiotherapy Theory and Practice，2001，17(1):5 －21.

［13］Dhingra H，Tewari V，Singh S.Discomfort，Pressure Distributionand Safety in Operator's Seat—a Critical Review［J］.Agricultural Engineering International:the CIGR Journal of Scientific Researchand Development，2003，5:1 － 16.

［14］De Looze M P，Kuijt-Evers Lfm，Van Dieen J.Sitting Comfortand Discomfort and the Relationships with Objective Measures［J］.Ergonomics，2003，46(10):985 －997.

［15］Porter J M，Gyi De，Tait H A.Interface Pressure Data and the Prediction of Driver Discomfort in Road Trials［J］.Applied Ergonomics，2003，34:207 －214.

［16］Gyi D E，Porter J M.Interface Pressure and the Prediction of Car Seat Discomfort［J］.Applied Ergonomics，1999，30:99 － 107.

［17］Wang B，Jin X P，Cheng B.Assessment of Driver Movement During Prolonged Driving Using Seat Pressure Measurements［C］.In Proceedings of the Human Factors and Ergonomics Society 55th Annual Meeting，Las Vegas，2011:1568 －1572.

［18］Callaghan J P，Dunk N M.Examination of the Flexion Relaxation Phenomenonin Erector Spinae Muscles During Short Duration Slumped Sitting［J］.ClinicalBiomechanics，2002，17:353 －360.

［19］Mork J P，Westgaard R H.Back Posture and Low Back Muscle Activity Infemale Computer Workers:a Field Study［J］.Clinical Biomechanics，2009，24:169 －175.

［20］O'sullivan P B，Dankaerts W，Burnettaf，et al.Effect of Different Upright Sitting Postures on Spinal-Pelviccurvature and Trunk Muscle Activation in a Pain-Free Population［J］.Spine，2006，31:E707-E712.