人机界面大幅优化虚拟车辆驾驶室的设计

摘要：为了在虚拟环境下实现车辆驾驶室人机界面的设计与优化，提出了一种车辆人机界面布局推理方法，该方法包括人机界面知识表示、布局推理架构等研究，并以装甲车辆驾驶室人机界面布局为例进行了评价验证。研究结果表明，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的设计与评价中。

关键词：车辆；人机界面；知识表示；空间布局；CATIA

引言

目前，在车辆驾驶室人机工程学设计、分析和评价中常用的人工智能技术主要有专家系统、神经网络以及遗传算法。专家系统是人工智能最重要的应用之一，目的是让计算机根据某领域一个或多个专家提供的知识和经验，进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，以便解决那些需要人类专家处理的复杂问题。国内外研究中，Gilad等人^[1]于20世纪90-年代提出的基于人机对话框的人机咨询专家系统，属于这方面较早的尝试。文献^[2～3]研究了基于知识的工作空间设计系统的构建方法。FeyenR等人^[4]将计算机辅助设计软件与人机工程学分析软件相结合，开发出用于评价工作空间设计对工人生物力学特性影响的软件系统。任金东等人^[5]针对车身内部布置，在CATIA平台上研制出基于知识的汽车驾驶员座椅布置系统。这些研究成果都具有较高的学术价值，并且各具特点。到目前为止，尽管人工智能技术在计算机辅助设计与人机工程学分析中的应用已取得了一定进展，但还未真正解决设计人员与人机工程学家之间的沟通问题。

本文提出的车辆人机界面布局优化推理方法，是在分析车辆人机界面布局优化的任务和特点的前提下，从车辆驾驶室人机工程布局知识表达和推理出发，实现从设计、仿真、评价到反馈修改、优化的过程；并实现人机界面布局推理系统与三维CAD平台的紧密集成。

1 人机界面布局知识表示

知识表示是把事实知识和专家所有的经验知识形式化，用计算机能够接受并进行处理的符号和方法来表示^[6] 。目前常用的知识表示方法主要有产生式表示法、框架表示法、语义网络表示法和面向对象表示法等。人机界面布置设计过程是相当复杂的，其涉及到的因素、条件很多，是多因素的协调设计、不断迭代反馈的过程。设计知识也是多样化的，除了涉及到相关部件的空间布置尺寸参数外，要更考虑乘坐舒适性、操纵舒适性、视野可见性等诸多影响因素。设计过程中不但需要大量的专业领域知识及专家经验和技巧，还需要进行大量的科学计算和分析。设计人员既要考虑设计对象的结构特征、功能特征，又要综合设计对象的行为特征、操作。因此集中各种单一知识表示方法的优点，采用面向对象技术将框架、规则和过程体结合在一起，构成混合知识表达方法。

在面向对象方法中，类、子类、具体对象构成了一个层次结构，而且子类可以继承父类的数据及操作。类结构是知识库的最基本单元，不仅可以表达设计对象的属性数据，还可以表达设计对象之间的相互关系。每个对象的知识表达都应包括属性、约束、方法和规则4个部分，其描述形式如下： Class<对象名>：<基类> ｛ Attribute<属性描述> ｛属性项，属性名，继承关系，属性类型。属性集｝ Methods<方法描述> ｛方法项，方法名，继承关系，法类型，方法集｝ Restraint <约束条件> ｛约束项，约束名，继承关系，约束类型，约束集｝ Rules<规则描述> ｛规则项，规则名，继承关系，规则类型，规则集｝ 例如座椅知识表示的结构如图１所示。

人机界面布局知识库系统由实例库、规则库、约束库和知识库构成。实例库用于存放成功实例及推理机所产生的新实例；规则库存储的是进行知识推理的规则，如实例的搜索、相似算法等；约束库用于存放设计的各类约束，如几何约束、性能参数以及其他与人机界面设计相关的法规及各种标准，包括人体尺寸、视觉特性、肢体伸及范围等；知识库用于存储大量专家的经验知识、实验数据、设计准则及公式，由知识库管理系统对知识库进行管理。知识库中的知识数据能够被推理机所采纳并通过系统的知识获取进行维护。

2 人机界面布局推理架构

2.1总体结构

车辆人机界面布局推理系统的总体结构如图２所示。为了对设计状态空间进行简化，系统采用分层构造的方式，位于最顶层的是方案设计层，其次是主参数设计层，位于底层的是详细设计层。方案设计的任务就是要推出各方案要素的取值，所有方案要素确定后，进行主参数设计；根据方案设计和主参数设计的结果，进行详细设计，产生图形以及技术文件。本系统可以根据用户的需要，从上两层的设计数据出发，推理、匹配、产生详细设计参数，最终输出结果。

2.2推理与评价体系

车辆人机界面布局优化系统是分层建造的，而不同的层各有其特点，因此也相应地存在着不同类型的推理机制，不仅有主推理机，还有嵌入到各对象内的子推理机。

（1）方案设计的推理与评价体系

在方案设计阶段，因主要利用的是经验设计，故推理方式采用模糊逻辑推理与评价相结合的方式。

①推理的模糊矩阵法。对于模糊规则：IF x is A THEN y is B,A、B分别是论域U、V上的模糊子集，表示A、B之间存在模糊的因果关系；设为R。若已知模糊事实A，通过A与R的合成可得到B，即B＝R＊A。②方案设计中的评价策略。评价的过程与推理过程相似，评价一方面辅助推理，另一方面对产生的多方案进行筛选。在方案设计阶段对方案要素进行评价，可以弥补推理过程中的知识不足或不确定。是否进行评价有2种策略：无论如何都对推理结果进行评价；推理产生的结果隶属度比较接近时，再使用评价。

（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。

在改进前的人机界面布局中，通过对静态乘坐舒适性的分析，发现改进前的布局在很多方面都不符合人机工程学标准。图4为改进前人体驾驶姿势舒适度评价分析结果。可以看出，装甲车辆驾驶员腿部的舒适度较低，这主要是由于装甲车辆驾驶室座椅高度不符合人机工程学标准造成的。 借助系统反馈的信息，对装甲车辆人机界面布局进行了改进设计，主要包括座椅和脚踏板的布置优化，重新进行仿真评价。在改进后的人机界面布局中，通过对人体坐姿的舒适度等分析，得出改进后的布局在很多方面都比改进前的布局符合人机工程标准。改进后的布局模型、设计参数和评价结果如图5所示。可以看出，虚拟人腿部舒适度有所提高。然而，受驾驶空间所限，装甲车辆人机界面的布局仍然存在一些问题。

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。

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