車(chē)輛人機(jī)界面布局優(yōu)化推理系統(tǒng)研究

（2）主參數(shù)設(shè)計(jì)階段的推理體系

參數(shù)設(shè)計(jì)階段包括主參數(shù)設(shè)計(jì)階段和圖形參數(shù)設(shè)計(jì)階段（即詳細(xì)設(shè)計(jì)階段），主參數(shù)設(shè)計(jì)階段指主要參數(shù)設(shè)計(jì)階段，不僅要以方案設(shè)計(jì)的結(jié)果為前提進(jìn)行推理，還要用到已經(jīng)產(chǎn)生的中間參數(shù)進(jìn)行推理，而且不斷地用于各種各樣的數(shù)值計(jì)算方法，是一個(gè)包含了邏輯推理、數(shù)值計(jì)算、優(yōu)化設(shè)計(jì)及綜合評(píng)價(jià)過(guò)程的廣義推理體系。

3 人機(jī)接口

目前一些三維CAD系統(tǒng)，具有二次開(kāi)發(fā)接口，有利于CAD系統(tǒng)與人機(jī)工程的緊密結(jié)合，其中具有代表性的是CATIA/CAA.。CATIA是 IBM/DS基于Windows核心開(kāi)發(fā)的高端CAD/CAM軟件系統(tǒng)。它具有統(tǒng)一的用戶(hù)界面、數(shù)據(jù)管理以及兼容的數(shù)據(jù)庫(kù)和應(yīng)用程序接口，以其強(qiáng)大的設(shè)計(jì)功能而廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車(chē)、造船和電子設(shè)備等行CAA建構(gòu)在Microsoft VisualC++6.0下，DS系統(tǒng)產(chǎn)品擴(kuò)展和客戶(hù)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)的強(qiáng)有力的工具。它通過(guò)API函數(shù)調(diào)用CATIA的核心程序，可以讓用戶(hù)把自己的知識(shí)集成到特定的CATIA應(yīng)用模塊中，從而可以實(shí)現(xiàn)客戶(hù)程序和原系統(tǒng)的緊密集成。在國(guó)內(nèi)，應(yīng)用CAA對(duì)CATIA進(jìn)行組件應(yīng)用架構(gòu)的二次開(kāi)發(fā)剛剛起步，相對(duì)研究較少。由于CATIA軟件功能的強(qiáng)大以及CAA二次開(kāi)發(fā)功能的強(qiáng)大，探索和實(shí)現(xiàn)基于CATIA的二次開(kāi)發(fā)技術(shù)本身也具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

4 實(shí)例研究

根據(jù)上述分析，在Windows操作平臺(tái)上，進(jìn)行CATIA/CAA二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了車(chē)輛人機(jī)界面布局優(yōu)化推理系統(tǒng)。在系統(tǒng)內(nèi)，針對(duì)中國(guó)人的特點(diǎn)，某對(duì)裝甲車(chē)輛駕駛室人機(jī)界面布局進(jìn)行了推理和評(píng)價(jià)研究。

4.1建立數(shù)字人體模型

根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和有關(guān)人體數(shù)據(jù)的測(cè)量資料，確定駕駛員人體肢體活動(dòng)范圍、坐姿下的功能尺寸數(shù)據(jù)和活動(dòng)空間尺度尺寸，以及關(guān)節(jié)角度舒適度范圍，設(shè)計(jì)駕駛員坐姿人體尺寸數(shù)據(jù)庫(kù)，建立評(píng)價(jià)用數(shù)字人體模型。

CATIA自帶的人體模型模塊，包括103組人體測(cè)量項(xiàng)目，100多個(gè)獨(dú)立無(wú)約束的節(jié)段連接，148個(gè)自由度，各種姿勢(shì)輪廓，可實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)活動(dòng)的約束并可進(jìn)行調(diào)節(jié)。軟件中分別有美國(guó)、加拿大、韓國(guó)、法國(guó)和日本的人體數(shù)據(jù)，但是沒(méi)有中國(guó)人的人體數(shù)據(jù)。
經(jīng)比較，現(xiàn)有的中國(guó)裝甲車(chē)輛駕駛員人體測(cè)量項(xiàng)目與CATIA中的人體測(cè)量項(xiàng)目不一致（僅有31項(xiàng)相同），軟件中建立人體模型需要的人體數(shù)據(jù)項(xiàng)有些并不包括在我國(guó)人體測(cè)量的項(xiàng)目之內(nèi)，國(guó)內(nèi)的一些測(cè)量項(xiàng)目也不能在軟件的人體模型中反應(yīng)出來(lái)。究其原因，一是我國(guó)沒(méi)有進(jìn)行某些通用項(xiàng)目的測(cè)量，二是某些測(cè)量項(xiàng)目的測(cè)量基準(zhǔn)與國(guó)際上流行的測(cè)量有所不同。因此現(xiàn)有裝甲車(chē)輛駕駛員人體測(cè)量尺寸并不能滿(mǎn)足人體模型建模的要求。

所缺人體尺寸參數(shù)的確定是建立中國(guó)裝甲車(chē)輛駕駛員人體模型需要解決的首要問(wèn)題。目前必須解決的人體尺寸暫定為其他國(guó)家人體測(cè)量項(xiàng)目中都包括而中國(guó)人體尺寸不包括的部分。解決辦法只能參照韓國(guó)和日本人體測(cè)量數(shù)據(jù)，按照經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選取。今后還應(yīng)繼續(xù)開(kāi)展所需項(xiàng)目的測(cè)量工作。本文中根據(jù)現(xiàn)有的裝甲車(chē)輛駕駛員人體測(cè)量數(shù)據(jù)，遵循“.sws”文件格式編制了中國(guó)裝甲車(chē)輛駕駛員人體數(shù)據(jù)文件，嵌入到CATIA當(dāng)中，擴(kuò)展CATIA人體模型參數(shù)庫(kù)，并提供有人體各部位參數(shù)的修改接口。

4.2構(gòu)建任務(wù)模型與作業(yè)布局

按照相應(yīng)車(chē)型加載人機(jī)界面布局模型，定義座椅各種可能狀態(tài)、人的操作姿勢(shì)、操縱手柄和腳踏板的布局等。

4.3定義人機(jī)分析因素

包括舒適性分析的各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)等。舒適性評(píng)價(jià)的內(nèi)容一般包括乘坐舒適性、操縱舒適性和動(dòng)態(tài)舒適性等，這里主要考慮的是靜態(tài)乘坐舒適性和操縱舒適性，即主要考慮駕駛姿態(tài)的舒適性問(wèn)題，根據(jù)座椅和駕駛裝置幾何參數(shù)、人體測(cè)量參數(shù)、人體坐姿關(guān)節(jié)角度等與用戶(hù)乘坐舒適性的關(guān)系，判斷人體在座椅上的操作姿態(tài)舒適度。
對(duì)裝甲車(chē)輛駕駛艙人機(jī)界面來(lái)講，各操縱元件的安裝位置決定了駕駛員操縱時(shí)的肢體關(guān)節(jié)角度直接影響了駕駛員的駕駛行為。對(duì)人體關(guān)節(jié)的最大和舒適活動(dòng)范圍，已經(jīng)有過(guò)大量的研究，總結(jié)了很多的研究數(shù)據(jù)[7] 。而且，人體關(guān)節(jié)的適宜活動(dòng)范圍不會(huì)隨評(píng)價(jià)環(huán)境的改變發(fā)生變化，通過(guò)對(duì)關(guān)節(jié)角的評(píng)價(jià)可以準(zhǔn)確地反映操作者的乘坐舒適性和操縱舒適性。但考慮到增加坦克作戰(zhàn)時(shí)的防護(hù)性，需要有效減小車(chē)體高度，閉窗駕駛時(shí)的座椅高等數(shù)據(jù)要在允許的范圍內(nèi)盡量減小。

4.4仿真執(zhí)行與設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)

對(duì)實(shí)時(shí)任務(wù)進(jìn)行可視化、動(dòng)態(tài)分析與綜合研究，并提出設(shè)計(jì)改進(jìn)。某裝甲車(chē)輛駕駛室人機(jī)界面初始布局模型和虛擬人的駕駛姿勢(shì)以及添加的人機(jī)界面布局推理與評(píng)價(jià)模塊如圖3所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

提出了車(chē)輛人機(jī)界面布局優(yōu)化推理方法，分析了其中的關(guān)鍵技術(shù)，建立了推理與評(píng)價(jià)系統(tǒng)，進(jìn)行了人機(jī)界面建模和仿真，在仿真過(guò)程中進(jìn)行了乘坐舒適性等人機(jī)工程的分析與評(píng)價(jià)。虛擬驗(yàn)證結(jié)果表明，該方法可以有效地應(yīng)用于虛擬環(huán)境中車(chē)輛駕駛室人機(jī)界面布局優(yōu)化推理與評(píng)價(jià)。另外系統(tǒng)本身還存在一些缺陷，如人體模型數(shù)據(jù)不夠全面，分析與評(píng)價(jià)算法還不夠完善，應(yīng)用系統(tǒng)停留在一些特殊行業(yè)等，今后的研究工作中尚需進(jìn)一步改進(jìn)。

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