車輛人機(jī)界面布局優(yōu)化推理系統(tǒng)研究
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引言
目前，在車輛駕駛室人機(jī)工程學(xué)設(shè)計、分析和評價中常用的人工智能技術(shù)主要有專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及遺傳算法。專家系統(tǒng)是人工智能最重要的應(yīng)用之一，目的是讓計算機(jī)根據(jù)某領(lǐng)域一個或多個專家提供的知識和經(jīng)驗，進(jìn)行推理和判斷，模擬人類專家的決策過程，以便解決那些需要人類專家處理的復(fù)雜問題。國內(nèi)外研究中，Gilad等人[1]于20世紀(jì)90-年代提出的基于人機(jī)對話框的人機(jī)咨詢專家系統(tǒng)，屬于這方面較早的嘗試。文獻(xiàn)[2～3]研究了基于知識的工作空間設(shè)計系統(tǒng)的構(gòu)建方法。FeyenR等人[4]將計算機(jī)輔助設(shè)計軟件與人機(jī)工程學(xué)分析軟件相結(jié)合，開發(fā)出用于評價工作空間設(shè)計對工人生物力學(xué)特性影響的軟件系統(tǒng)。任金東等人[5]針對車身內(nèi)部布置，在CATIA平臺上研制出基于知識的汽車駕駛員座椅布置系統(tǒng)。這些研究成果都具有較高的學(xué)術(shù)價值，并且各具特點。到目前為止，盡管人工智能技術(shù)在計算機(jī)輔助設(shè)計與人機(jī)工程學(xué)分析中的應(yīng)用已取得了一定進(jìn)展，但還未真正解決設(shè)計人員與人機(jī)工程學(xué)家之間的溝通問題。
本文提出的車輛人機(jī)界面布局優(yōu)化推理方法，是在分析車輛人機(jī)界面布局優(yōu)化的任務(wù)和特點的前提下，從車輛駕駛室人機(jī)工程布局知識表達(dá)和推理出發(fā)，實現(xiàn)從設(shè)計、仿真、評價到反饋修改、優(yōu)化的過程；并實現(xiàn)人機(jī)界面布局推理系統(tǒng)與三維CAD平臺的緊密集成。
1 人機(jī)界面布局知識表示
知識表示是把事實知識和專家所有的經(jīng)驗知識形式化，用計算機(jī)能夠接受并進(jìn)行處理的符號和方法來表示[6] 。目前常用的知識表示方法主要有產(chǎn)生式表示法、框架表示法、語義網(wǎng)絡(luò)表示法和面向?qū)ο蟊硎痉ǖ?。人機(jī)界面布置設(shè)計過程是相當(dāng)復(fù)雜的，其涉及到的因素、條件很多，是多因素的協(xié)調(diào)設(shè)計、不斷迭代反饋的過程。設(shè)計知識也是多樣化的，除了涉及到相關(guān)部件的空間布置尺寸參數(shù)外，要更考慮乘坐舒適性、操縱舒適性、視野可見性等諸多影響因素。設(shè)計過程中不但需要大量的專業(yè)領(lǐng)域知識及專家經(jīng)驗和技巧，還需要進(jìn)行大量的科學(xué)計算和分析。設(shè)計人員既要考慮設(shè)計對象的結(jié)構(gòu)特征、功能特征，又要綜合設(shè)計對象的行為特征、操作。因此集中各種單一知識表示方法的優(yōu)點，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)將框架、規(guī)則和過程體結(jié)合在一起，構(gòu)成混合知識表達(dá)方法。
在面向?qū)ο蠓椒ㄖ?，類、子類、具體對象構(gòu)成了一個層次結(jié)構(gòu)，而且子類可以繼承父類的數(shù)據(jù)及操作。類結(jié)構(gòu)是知識庫的最基本單元，不僅可以表達(dá)設(shè)計對象的屬性數(shù)據(jù)，還可以表達(dá)設(shè)計對象之間的相互關(guān)系。每個對象的知識表達(dá)都應(yīng)包括屬性、約束、方法和規(guī)則4個部分，其描述形式如下：
Class對象名>：基類>
｛
Attribute屬性描述>
｛屬性項，屬性名，繼承關(guān)系，屬性類型。屬性集｝
Methods方法描述>
｛方法項，方法名，繼承關(guān)系，法類型，方法集｝
Restraint 約束條件>
｛約束項，約束名，繼承關(guān)系，約束類型，約束集｝
Rules規(guī)則描述>
｛規(guī)則項，規(guī)則名，繼承關(guān)系，規(guī)則類型，規(guī)則集｝
例如座椅知識表示的結(jié)構(gòu)如圖１所示。
人機(jī)界面布局知識庫系統(tǒng)由實例庫、規(guī)則庫、約束庫和知識庫構(gòu)成。實例庫用于存放成功實例及推理機(jī)所產(chǎn)生的新實例；規(guī)則庫存儲的是進(jìn)行知識推理的規(guī)則，如實例的搜索、相似算法等；約束庫用于存放設(shè)計的各類約束，如幾何約束、性能參數(shù)以及其他與人機(jī)界面設(shè)計相關(guān)的法規(guī)及各種標(biāo)準(zhǔn)，包括人體尺寸、視覺特性、肢體伸及范圍等；知識庫用于存儲大量專家的經(jīng)驗知識、實驗數(shù)據(jù)、設(shè)計準(zhǔn)則及公式，由知識庫管理系統(tǒng)對知識庫進(jìn)行管理。知識庫中的知識數(shù)據(jù)能夠被推理機(jī)所采納并通過系統(tǒng)的知識獲取進(jìn)行維護(hù)。
2 人機(jī)界面布局推理架構(gòu)
2.1總體結(jié)構(gòu)
車輛人機(jī)界面布局推理系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖２所示。為了對設(shè)計狀態(tài)空間進(jìn)行簡化，系統(tǒng)采用分層構(gòu)造的方式，位于最頂層的是方案設(shè)計層，其次是主參數(shù)設(shè)計層，位于底層的是詳細(xì)設(shè)計層。方案設(shè)計的任務(wù)就是要推出各方案要素的取值，所有方案要素確定后，進(jìn)行主參數(shù)設(shè)計；根據(jù)方案設(shè)計和主參數(shù)設(shè)計的結(jié)果，進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計，產(chǎn)生圖形以及技術(shù)文件。本系統(tǒng)可以根據(jù)用戶的需要，從上兩層的設(shè)計數(shù)據(jù)出發(fā)，推理、匹配、產(chǎn)生詳細(xì)設(shè)計參數(shù)，最終輸出結(jié)果。
2.2推理與評價體系
車輛人機(jī)界面布局優(yōu)化系統(tǒng)是分層建造的，而不同的層各有其特點，因此也相應(yīng)地存在著不同類型的推理機(jī)制，不僅有主推理機(jī)，還有嵌入到各對象內(nèi)的子推理機(jī)。
（1）方案設(shè)計的推理與評價體系
在方案設(shè)計階段，因主要利用的是經(jīng)驗設(shè)計，故推理方式采用模糊邏輯推理與評價相結(jié)合的方式。
①推理的模糊矩陣法。對于模糊規(guī)則：IF x is A THEN y is B,A、B分別是論域U、V上的模糊子集，表示A、B之間存在模糊的因果關(guān)系；設(shè)為R。若已知模糊事實A，通過A與R的合成可得到B，即B＝R＊A。②方案設(shè)計中的評價策略。評價的過程與推理過程相似，評價一方面輔助推理，另一方面對產(chǎn)生的多方案進(jìn)行篩選。在方案設(shè)計階段對方案要素進(jìn)行評價，可以彌補(bǔ)推理過程中的知識不足或不確定。是否進(jìn)行評價有2種策略：無論如何都對推理結(jié)果進(jìn)行評價；推理產(chǎn)生的結(jié)果隸屬度比較接近時，再使用評價。
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