車輛人機界面布局優化推理系統研究

（2）主參數設計階段的推理體系

參數設計階段包括主參數設計階段和圖形參數設計階段（即詳細設計階段），主參數設計階段指主要參數設計階段，不僅要以方案設計的結果為前提進行推理，還要用到已經產生的中間參數進行推理，而且不斷地用于各種各樣的數值計算方法，是一個包含了邏輯推理、數值計算、優化設計及綜合評價過程的廣義推理體系。

3 人機接口

目前一些三維CAD系統，具有二次開發接口，有利于CAD系統與人機工程的緊密結合，其中具有代表性的是CATIA/CAA.。CATIA是 IBM/DS基于Windows核心開發的高端CAD/CAM軟件系統。它具有統一的用戶界面、數據管理以及兼容的數據庫和應用程序接口，以其強大的設計功能而廣泛應用于航空、航天、汽車、造船和電子設備等行CAA建構在Microsoft VisualC++6.0下，DS系統產品擴展和客戶進行二次開發的強有力的工具。它通過API函數調用CATIA的核心程序，可以讓用戶把自己的知識集成到特定的CATIA應用模塊中，從而可以實現客戶程序和原系統的緊密集成。在國內，應用CAA對CATIA進行組件應用架構的二次開發剛剛起步，相對研究較少。由于CATIA軟件功能的強大以及CAA二次開發功能的強大，探索和實現基于CATIA的二次開發技術本身也具有很好的應用價值。

4 實例研究

根據上述分析，在Windows操作平臺上，進行CATIA/CAA二次開發，實現了車輛人機界面布局優化推理系統。在系統內，針對中國人的特點，某對裝甲車輛駕駛室人機界面布局進行了推理和評價研究。

4.1建立數字人體模型

根據相關設計標準和有關人體數據的測量資料，確定駕駛員人體肢體活動范圍、坐姿下的功能尺寸數據和活動空間尺度尺寸，以及關節角度舒適度范圍，設計駕駛員坐姿人體尺寸數據庫，建立評價用數字人體模型。

CATIA自帶的人體模型模塊，包括103組人體測量項目，100多個獨立無約束的節段連接，148個自由度，各種姿勢輪廓，可實現關節活動的約束并可進行調節。軟件中分別有美國、加拿大、韓國、法國和日本的人體數據，但是沒有中國人的人體數據。
經比較，現有的中國裝甲車輛駕駛員人體測量項目與CATIA中的人體測量項目不一致（僅有31項相同），軟件中建立人體模型需要的人體數據項有些并不包括在我國人體測量的項目之內，國內的一些測量項目也不能在軟件的人體模型中反應出來。究其原因，一是我國沒有進行某些通用項目的測量，二是某些測量項目的測量基準與國際上流行的測量有所不同。因此現有裝甲車輛駕駛員人體測量尺寸并不能滿足人體模型建模的要求。

所缺人體尺寸參數的確定是建立中國裝甲車輛駕駛員人體模型需要解決的首要問題。目前必須解決的人體尺寸暫定為其他國家人體測量項目中都包括而中國人體尺寸不包括的部分。解決辦法只能參照韓國和日本人體測量數據，按照經驗進行選取。今后還應繼續開展所需項目的測量工作。本文中根據現有的裝甲車輛駕駛員人體測量數據，遵循“.sws”文件格式編制了中國裝甲車輛駕駛員人體數據文件，嵌入到CATIA當中，擴展CATIA人體模型參數庫，并提供有人體各部位參數的修改接口。

4.2構建任務模型與作業布局

按照相應車型加載人機界面布局模型，定義座椅各種可能狀態、人的操作姿勢、操縱手柄和腳踏板的布局等。

4.3定義人機分析因素

包括舒適性分析的各項評價指標等。舒適性評價的內容一般包括乘坐舒適性、操縱舒適性和動態舒適性等，這里主要考慮的是靜態乘坐舒適性和操縱舒適性，即主要考慮駕駛姿態的舒適性問題，根據座椅和駕駛裝置幾何參數、人體測量參數、人體坐姿關節角度等與用戶乘坐舒適性的關系，判斷人體在座椅上的操作姿態舒適度。
對裝甲車輛駕駛艙人機界面來講，各操縱元件的安裝位置決定了駕駛員操縱時的肢體關節角度直接影響了駕駛員的駕駛行為。對人體關節的最大和舒適活動范圍，已經有過大量的研究，總結了很多的研究數據[7] 。而且，人體關節的適宜活動范圍不會隨評價環境的改變發生變化，通過對關節角的評價可以準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時的防護性，需要有效減小車體高度，閉窗駕駛時的座椅高等數據要在允許的范圍內盡量減小。

4.4仿真執行與設計評價

對實時任務進行可視化、動態分析與綜合研究，并提出設計改進。某裝甲車輛駕駛室人機界面初始布局模型和虛擬人的駕駛姿勢以及添加的人機界面布局推理與評價模塊如圖3所示。

5 結束語

提出了車輛人機界面布局優化推理方法，分析了其中的關鍵技術，建立了推理與評價系統，進行了人機界面建模和仿真，在仿真過程中進行了乘坐舒適性等人機工程的分析與評價。虛擬驗證結果表明，該方法可以有效地應用于虛擬環境中車輛駕駛室人機界面布局優化推理與評價。另外系統本身還存在一些缺陷，如人體模型數據不夠全面，分析與評價算法還不夠完善，應用系統停留在一些特殊行業等，今后的研究工作中尚需進一步改進。

參考文獻：
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