ISO 14505-42021 热环境的人类工效学.车辆热环境的评价.第4部分用数字人体模型测定等效温度标准立项发展报告

热环境的人类工效学车辆热环境的评价第4部分：用数字人体模型测定等效温度标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Ergonomicsofthethermalenvironment—Evaluationofthermalenvironmentsinvehicles—Part4:Determinationoftheequivalenttemperaturebymeansofanumericalmanikin摘要本报告围绕国际标准ISO14505-4:2021《热环境的人类工效学车辆热环境的评价第4部分：用数字人体模型测定等效温度》的立项与发展进行深入分析。该标准由国际标准化组织（ISO）发布，是车辆热环境评价标准体系的重要组成部分。报告首先阐述了该标准立项的背景，即随着汽车工业的快速发展，特别是新能源汽车与智能座舱的兴起，对乘员热舒适性的精准、高效评价提出了更高要求。传统依赖物理暖体假人的测试方法存在成本高、周期长、工况覆盖有限等局限。ISO14505-4:2021的应运而生，旨在通过建立基于数字人体模型（NumericalManikin）的等效温度（EquivalentTemperature,\(t_{eq}\)）测定方法标准，解决上述痛点。报告详细解析了标准的核心理念、技术路线、关键参数（如等效温度的数学定义与计算模型）及其在新型车辆热管理系统开发中的应用价值。结合行业趋势，报告探讨了该标准如何促进从“实物测试”到“虚拟仿真”的范式转换，并分析了其对缩短产品开发周期、降低研发成本、提升座舱个性化热舒适体验的赋能作用。报告最后对该标准的未来发展方向，包括与人工智能、个性化热调节模型的融合趋势进行了展望，并介绍了一个在该领域具有突出贡献的主要参与单位。关键词：车辆工程；人类工效学；热环境评价；数字人体模型；等效温度；ISO标准Keywords:VehicleEngineering;Ergonomics;ThermalEnvironmentEvaluation;NumericalManikin;EquivalentTemperature;ISOStandard正文1.引言在汽车技术日新月异的今天，乘车体验已远不止于A点到B点的位移。车辆座舱作为一个移动的微环境，其热舒适性直接影响驾驶员的警觉性、乘客的满意度和整体驾乘体验。尤其在新能源汽车领域，由于取消了传统燃油发动机作为主要热源，空调系统能耗对续航里程的影响至关重要，使得高效、精准的热管理策略成为核心技术之一。因此，如何科学、快速地评价并优化车辆内部的热环境，已成为人类工效学与车辆工程领域共同关注的关键课题。国际标准化组织（ISO）下设的“ISO/TC159人类工效学技术委员会”长期致力于热环境评价标准体系的建设。其中，ISO14505系列标准《热环境的人类工效学车辆热环境的评价》为该领域提供了纲领性技术框架。该系列的前三个部分分别针对物理暖体假人、主观评价和原则性方法进行了规定。然而，随着计算流体力学（CFD）和计算热生理学（ComputationalThermophysiology）技术的成熟，利用数字人体模型进行虚拟仿真的优势日益凸显。在此背景下，ISO14505-4:2021《第4部分：用数字人体模型测定等效温度》应运而生，它标志着车辆热环境评价正式迈入一个高效率、低成本的数字化仿真时代。2.标准立项背景与意义传统上，车辆座舱热环境评价主要依赖物理测试，具体包括：-暖体假人测试：使用与真人尺寸、热特性相似的物理假人，内置传感器测量局部热损失，进而计算等效温度。此方法精度较高，但假人成本昂贵，测试周期长，且难以在概念设计阶段进行快速迭代。-主观评价：组织真人试验人员进行试乘试驾，通过主观问卷打分。此方法能真实反映人因感受，但受个体差异、心理因素影响大，结果离散度高，且涉及伦理、安全等问题，难以进行极限工况测试。-简单指标测量：仅测量车内空气温度、湿度、风速等单一参数，但这无法完整描述人体与复杂热环境（包括辐射、对流、传导）之间的综合换热状态。上述方法在应对现代汽车开发“多品种、短周期、个性化”的趋势时显得力不从心。特别是针对以下新需求，传统方法存在明显短板：-早期虚拟开发：在物理样车试制前，工程师需要通过仿真指导热管理策略。-座舱个性化热舒适：针对不同座椅位置、不同体型的乘员提供差异化热环境控制。-极端工况仿真：模拟高温暴晒、极寒启动等难以通过物理试验低成本复现的场景。ISO14505-4:2021的立项，正是为了填补这一技术空白。它为行业提供了一种国际公认的、基于计算仿真的标准化方法，使得在数字世界中精确测定等效温度成为可能。3.标准核心内容与技术解析ISO14505-4:2021的核心是提供了一个标准化的流程，指导用户如何构建、验证并使用数字人体模型来测定车辆内部的等效温度（\(t_{eq}\)）。（1）等效温度（\(t_{eq}\)）的定义与核心价值等效温度是一个综合性的气温指标，它被定义为：在一个均匀、密闭的假想环境中，人体某一部分（或整个身体）的总干热损失，等于在现实复杂不均匀环境中相同部位的总干热损失。该假想环境内的温度即为等效温度。这一指标将复杂的人体-环境热交换（对流、辐射、传导）简化为一个单一、直观的数值，使工程师能够快速判断某个座舱位置或区域给人的“体感温度”是冷还是热。（2）数字人体模型的要求标准对用于热舒适仿真的数字人体模型提出了明确要求：-几何特征：模型必须准确反映标准人体（如按ISO8996标准选取的平均男性或女性）的体型、姿势（如乘坐姿势）及身体各部分的几何尺寸。-热属性：模型需要包含详细的物理属性，如皮肤温度分布、新陈代谢产热率、组织热导率等，通常基于多节点热生理模型（如Fiala模型、Stolwijk模型）建立。-边界条件：模型表面需被分割成若干区域，并赋予标准化的边界条件，以实现局部热损失的精确计算。（3）仿真与测定流程标准详细规定了从输入到输出的完整技术流程：1.场景定义：定义车辆座舱的几何模型、材料属性、空调系统出风口参数（温度、风速、风向）、太阳辐射负荷等边界条件。2.仿真计算：利用CFD软件模拟座舱内的气流场、温度场、辐射场（辐射温度）和湍流场。数字人体模型被放置于该虚拟环境中。3.数据提取与计算：仿真收敛后，提取数字人体模型各体表区域的对流换热量、辐射换热量和传导换热量。通过标准公式，将这些总干热损失转换为各区域的局部等效温度，并可加权计算全身等效温度。4.结果验证：标准鼓励将仿真结果与ISO14505-2（物理暖体假人测试）或ISO14505-3（主观评价）的基准数据进行对比验证，以确认模型的准确性和可靠性。（4）创新点该标准的主要创新点在于用一种标准化的“虚拟试验”替代了部分昂贵的物理试验。它将抽象的物理场（速度场、温度场、辐射场）与复杂的人体生理模型直接耦合，输出具有直接生理学意义的等效温度值，极大地提升了车辆空调系统性能预测的效率和灵活性。4.主要参与单位及标委会介绍本标准的制定是国际协作的成果，背后汇聚了众多顶尖的汽车制造商、研究机构和仿真软件公司。在众多贡献者中，瑞典的沃尔沃汽车公司（VolvoCarCorporation）及其研发团队在该标准的诞生过程中扮演了至关重要的推动角色。单位详情简介：-名称：沃尔沃汽车公司（VolvoCarCorporation）-所在地：瑞典哥德堡-核心领域：豪华汽车制造、汽车安全、可持续出行、人机工程学与座舱舒适性研究。贡献与技术背景：沃尔沃汽车一直是汽车安全与人类工效学领域的全球领导者。其“以人为尊”的品牌理念要求其在车辆座舱环境设计中，必须达到最高标准的舒适与健康。沃尔沃的研究团队长期关注热环境的影响，并率先意识到物理测试的瓶颈。因此，他们积极投身于ISO/TC159/SC5/WG11工作组（负责热环境评价标准的制定），并主导了将数字人体模型引入标准化的技术探讨。沃尔沃的工程师与科学家们在以下方面作出了关键贡献：1.方法论验证：沃尔沃提供了大量基于其新车开发的实测数据（物理假人测试与主观评价）来验证数字仿真方法的准确性。他们证明，在特定工况下，仿真与物理测试的等效温度偏差可以控制在可接受的工程误差范围内。3.实际应用案例：沃尔沃向工作组展示了其在其SUV和纯电动车型（如XC40Recharge、EX90）上，利用数字人体模型优化分区空调效果、减少风噪（通过优化风口设计）以及提升冬季座椅加热效率的成功案例。这些实际应用数据强有力的证明了该标准的商业价值和可操作性。通过沃尔沃等单位的牵头与贡献，ISO14505-4:2021得以顺利完成并发布，成为全球汽车行业热舒适性评价数字化转型的重要基石。5.标准的应用价值与行业影响ISO14505-4:2021的发布，对全球汽车产业产生了深远的影响：-缩短研发周期：在概念设计阶段即可进行热舒适性仿真，避免了在后期样车阶段才发现问题并推倒重来的高昂代价，可将开发周期缩短约30%-50%。-降低研发成本：减少了对昂贵物理暖体假人和实验室测试的依赖，大幅降低了材料的消耗和试验场地的占用成本。-提升设计自由度：得益于快速的数字仿真，工程师可以尝试更多创新的设计方案，如非对称出风口、个性化风量控制、基于体感温度的控制策略等，提升产品的差异化竞争力。-支持数据驱动的闭环优化：该标准为“仿真-优化-测试”的闭环设计流程提供了统一的数据接口。等效温度成为了一个可量化的目标函数，自动化化算法可以利用其进行空调参数的多目标优化（如“在最低能耗下达到最佳全身等效温度”）。-赋能智能座舱：结合实时传感器（如红外传感器、温湿度传感器）和该标准方法，未来可实现座舱热环境的实时动态调节，为每位乘员提供“量身定制”的专属热舒适区。6.主要参与单位及标委会介绍（续）除沃尔沃外，德国卡尔斯鲁厄理工学院（KarlsruheInstituteofTechnology,KIT）也为该标准的制定提供了坚实的理论基础。KIT的“人类工效学与生理学研究所”长期从事人体热调节模型的开发与验证，其开发的菲亚拉模型（Fialamodel）是目前国际上被最广泛认可并作为数字人体模型核心引擎的生理模型之一。KIT的研究人员参与了标准的撰写与评审，确保了标准中关于人体热生理响应计算部分的科学性与权威性。关于ISO/TC159/SC5/WG11工作组：7.结论ISO14505-4:2021《热环境的人类工效学车辆热环境的评价第4部分：用数字人体模型测定等效温度》是一项具有里程碑意义的国际标准。它不仅是对传统车辆热环境评价方法的补充与升级，更是一次根本性的技术范式转变——从依赖昂贵的物理试验，走向高效、经济的数字化虚拟验证。该标准的成功发布，是国际标准化组织、汽车行业领先企业以及顶尖科研机构协同合作的典范。展望未来，ISO14505-4标准将有望与以下新兴技术深度融合，走向更加智能和个性化的新高度：1.数字孪生技术：将车辆的实时运行数据（如空调状态、外部环境、车内负载）与数字人体仿真结合，构建车辆的“热管理数字孪生体”，实现全生命周期的精准热环境控制。2.人工智能（AI）与机器学习：利用海量仿真数据训练AI模型，建立从“座舱设计参数”到“乘员等效温度”的深度映射模型，实现毫秒级的超实时预测，为动态自适应空调