车辆人机界面布局优化推理系统研究

（2）主参数设计阶段的推理体系

参数设计阶段包括主参数设计阶段和图形参数设计阶段（即详细设计阶段），主参数设计阶段指主要参数设计阶段，不仅要以方案设计的结果为前提进行推理，还要用到已经产生的中间参数进行推理，而且不断地用于各种各样的数值计算方法，是一个包含了逻辑推理、数值计算、优化设计及综合评价过程的广义推理体系。

3 人机接口

目前一些三维CAD系统，具有二次开发接口，有利于CAD系统与人机工程的紧密结合，其中具有代表性的是CATIA/CAA.。CATIA是 IBM/DS基于Windows核心开发的高端CAD/CAM软件系统。它具有统一的用户界面、数据管理以及兼容的数据库和应用程序接口，以其强大的设计功能而广泛应用于航空、航天、汽车、造船和电子设备等行CAA建构在Microsoft VisualC++6.0下，DS系统产品扩展和客户进行二次开发的强有力的工具。它通过API函数调用CATIA的核心程序，可以让用户把自己的知识集成到特定的CATIA应用模块中，从而可以实现客户程序和原系统的紧密集成。在国内，应用CAA对CATIA进行组件应用架构的二次开发刚刚起步，相对研究较少。由于CATIA软件功能的强大以及CAA二次开发功能的强大，探索和实现基于CATIA的二次开发技术本身也具有很好的应用价值。

4 实例研究

根据上述分析，在Windows操作平台上，进行CATIA/CAA二次开发，实现了车辆人机界面布局优化推理系统。在系统内，针对中国人的特点，某对装甲车辆驾驶室人机界面布局进行了推理和评价研究。

4.1建立数字人体模型

根据相关设计标准和有关人体数据的测量资料，确定驾驶员人体肢体活动范围、坐姿下的功能尺寸数据和活动空间尺度尺寸，以及关节角度舒适度范围，设计驾驶员坐姿人体尺寸数据库，建立评价用数字人体模型。

CATIA自带的人体模型模块，包括103组人体测量项目，100多个独立无约束的节段连接，148个自由度，各种姿势轮廓，可实现关节活动的约束并可进行调节。软件中分别有美国、加拿大、韩国、法国和日本的人体数据，但是没有中国人的人体数据。
经比较，现有的中国装甲车辆驾驶员人体测量项目与CATIA中的人体测量项目不一致（仅有31项相同），软件中建立人体模型需要的人体数据项有些并不包括在我国人体测量的项目之内，国内的一些测量项目也不能在软件的人体模型中反应出来。究其原因，一是我国没有进行某些通用项目的测量，二是某些测量项目的测量基准与国际上流行的测量有所不同。因此现有装甲车辆驾驶员人体测量尺寸并不能满足人体模型建模的要求。

所缺人体尺寸参数的确定是建立中国装甲车辆驾驶员人体模型需要解决的首要问题。目前必须解决的人体尺寸暂定为其他国家人体测量项目中都包括而中国人体尺寸不包括的部分。解决办法只能参照韩国和日本人体测量数据，按照经验进行选取。今后还应继续开展所需项目的测量工作。本文中根据现有的装甲车辆驾驶员人体测量数据，遵循“.sws”文件格式编制了中国装甲车辆驾驶员人体数据文件，嵌入到CATIA当中，扩展CATIA人体模型参数库，并提供有人体各部位参数的修改接口。

4.2构建任务模型与作业布局

按照相应车型加载人机界面布局模型，定义座椅各种可能状态、人的操作姿势、操纵手柄和脚踏板的布局等。

4.3定义人机分析因素

包括舒适性分析的各项评价指标等。舒适性评价的内容一般包括乘坐舒适性、操纵舒适性和动态舒适性等，这里主要考虑的是静态乘坐舒适性和操纵舒适性，即主要考虑驾驶姿态的舒适性问题，根据座椅和驾驶装置几何参数、人体测量参数、人体坐姿关节角度等与用户乘坐舒适性的关系，判断人体在座椅上的操作姿态舒适度。
对装甲车辆驾驶舱人机界面来讲，各操纵元件的安装位置决定了驾驶员操纵时的肢体关节角度直接影响了驾驶员的驾驶行为。对人体关节的最大和舒适活动范围，已经有过大量的研究，总结了很多的研究数据[7] 。而且，人体关节的适宜活动范围不会随评价环境的改变发生变化，通过对关节角的评价可以准确地反映操作者的乘坐舒适性和操纵舒适性。但考虑到增加坦克作战时的防护性，需要有效减小车体高度，闭窗驾驶时的座椅高等数据要在允许的范围内尽量减小。

4.4仿真执行与设计评价

对实时任务进行可视化、动态分析与综合研究，并提出设计改进。某装甲车辆驾驶室人机界面初始布局模型和虚拟人的驾驶姿势以及添加的人机界面布局推理与评价模块如图3所示。

5 结束语

提出了车辆人机界面布局优化推理方法，分析了其中的关键技术，建立了推理与评价系统，进行了人机界面建模和仿真，在仿真过程中进行了乘坐舒适性等人机工程的分析与评价。虚拟验证结果表明，该方法可以有效地应用于虚拟环境中车辆驾驶室人机界面布局优化推理与评价。另外系统本身还存在一些缺陷，如人体模型数据不够全面，分析与评价算法还不够完善，应用系统停留在一些特殊行业等，今后的研究工作中尚需进一步改进。

参考文献：
1、 Issachar Gilad,Reuven Karmi.Architecture of an expert system for ergonormics analysis and design[J].International Journal of Industrial Ergonomics，1999，23（3）：205～221.
2、Yadav R ,Tewari V K.Tractor operator workplace design-a review[J].Journal of Terramechanics，1998，35（1）：41－53.
3、Shikdar Ashraf,Al- Araimi Saeed,Omurtag Bill.Development of a software package for ergonomic assessment ofmanufacturming Industry[J].ComputersIndustrial Engineering,2002,43（3）:485-493
4、Feyen R,Liu Y L,Chaffin D ,et al.Computer- aided ergonomics:a case study of incorporating ergonomic analysis into workplace design[J].Applied Ergonomics,2000,31（3）:291～300.
5、任金东，葛安林，黄金陵．基于知识的汽车驾驶员座椅布置系统[J].汽车工程，2003,25（3）:275～278.
6、方泳龙，邹乃威，杨志华，等．汽车制动专家系统人机界面设计和知识库的建立[J]．农业机械学报，2006，37（6）：23～26.
7、周一鸣，毛恩荣．车辆人机工程学［M］．北京：北京理工大学出版社，1999。