摘要：為了在虛擬環境下實現車輛駕駛室人機界面的設計與優化，提出了一種車輛人機界面布局推理方法，該方法包括人機界面知識表示、布局推理架構等研究，并以裝甲車輛駕駛室人機界面布局為例進行了評價驗證。研究結果表明，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的設計與評價中。 關鍵詞：車輛；人機界面；知識表示；空間布局；CATIA 引言 目前，在車輛駕駛室人機工程學設計、分析和評價中常用的人工智能技術主要有專家系統、神經網絡以及遺傳算法。專家系統是人工智能最重要的應用之一，目的是讓計算機根據某領域一個或多個專家提供的知識和經驗，進行推理和判斷，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雜問題。國內外研究中，Gilad等人[sup][1][/sup]于20世紀90-年代提出的基于人機對話框的人機咨詢專家系統，屬于這方面較早的嘗試。文獻[sup][2～3][/sup]研究了基于知識的工作空間設計系統的構建方法。FeyenR等人[sup][4][/sup]將計算機輔助設計軟件與人機工程學分析軟件相結合，開發出用于評價工作空間設計對工人生物力學特性影響的軟件系統。任金東等人[sup][5][/sup]針對車身內部布置，在CATIA平臺上研制出基于知識的汽車駕駛員座椅布置系統。這些研究成果都具有較高的學術價值，并且各具特點。到目前為止，盡管人工智能技術在計算機輔助設計與人機工程學分析中的應用已取得了一定進展，但還未真正解決設計人員與人機工程學家之間的溝通問題。 本文提出的車輛人機界面布局優化推理方法，是在分析車輛人機界面布局優化的任務和特點的前提下，從車輛駕駛室人機工程布局知識表達和推理出發，實現從設計、仿真、評價到反饋修改、優化的過程；并實現人機界面布局推理系統與三維CAD平臺的緊密集成。 1 人機界面布局知識表示 知識表示是把事實知識和專家所有的經驗知識形式化，用計算機能夠接受并進行處理的符號和方法來表示[sup][6][/sup] 。目前常用的知識表示方法主要有產生式表示法、框架表示法、語義網絡表示法和面向對象表示法等。人機界面布置設計過程是相當復雜的，其涉及到的因素、條件很多，是多因素的協調設計、不斷迭代反饋的過程。設計知識也是多樣化的，除了涉及到相關部件的空間布置尺寸參數外，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。設計過程中不但需要大量的專業領域知識及專家經驗和技巧，還需要進行大量的科學計算和分析。設計人員既要考慮設計對象的結構特征、功能特征，又要綜合設計對象的行為特征、操作。因此集中各種單一知識表示方法的優點，采用面向對象技術將框架、規則和過程體結合在一起，構成混合知識表達方法。 在面向對象方法中，類、子類、具體對象構成了一個層次結構，而且子類可以繼承父類的數據及操作。類結構是知識庫的最基本單元，不僅可以表達設計對象的屬性數據，還可以表達設計對象之間的相互關系。每個對象的知識表達都應包括屬性、約束、方法和規則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，繼承關系，屬性類型。屬性集｝ Methods<方法描述> ｛方法項，方法名，繼承關系，法類型，方法集｝ Restraint <約束條件> ｛約束項，約束名，繼承關系，約束類型，約束集｝ Rules<規則描述> ｛規則項，規則名，繼承關系，規則類型，規則集｝ 例如座椅知識表示的結構如圖１所示。 人機界面布局知識庫系統由實例庫、規則庫、約束庫和知識庫構成。實例庫用于存放成功實例及推理機所產生的新實例；規則庫存儲的是進行知識推理的規則，如實例的搜索、相似算法等；約束庫用于存放設計的各類約束，如幾何約束、性能參數以及其他與人機界面設計相關的法規及各種標準，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驗知識、實驗數據、設計準則及公式，由知識庫管理系統對知識庫進行管理。知識庫中的知識數據能夠被推理機所采納并通過系統的知識獲取進行維護。 2 人機界面布局推理架構 2.1總體結構 車輛人機界面布局推理系統的總體結構如圖２所示。為了對設計狀態空間進行簡化，系統采用分層構造的方式，位于最頂層的是方案設計層，其次是主參數設計層，位于底層的是詳細設計層。方案設計的任務就是要推出各方案要素的取值，所有方案要素確定后，進行主參數設計；根據方案設計和主參數設計的結果，進行詳細設計，產生圖形以及技術文件。本系統可以根據用戶的需要，從上兩層的設計數據出發，推理、匹配、產生詳細設計參數，最終輸出結果。 2.2推理與評價體系 車輛人機界面布局優化系統是分層建造的，而不同的層各有其特點，因此也相應地存在著不同類型的推理機制，不僅有主推理機，還有嵌入到各對象內的子推理機。 （1）方案設計的推理與評價體系 在方案設計階段，因主要利用的是經驗設計，故推理方式采用模糊邏輯推理與評價相結合的方式。 ①推理的模糊矩陣法。對于模糊規則：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系；設為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，另一方面對產生的多方案進行篩選。在方案設計階段對方案要素進行評價，可以彌補推理過程中的知識不足或不確定。是否進行評價有2種策略：無論如何都對推理結果進行評價；推理產生的結果隸屬度比較接近時，再使用評價。 （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[sup][7][/sup] 。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。 在改進前的人機界面布局中，通過對靜態乘坐舒適性的分析，發現改進前的布局在很多方面都不符合人機工程學標準。圖4為改進前人體駕駛姿勢舒適度評價分析結果。可以看出，裝甲車輛駕駛員腿部的舒適度較低，這主要是由于裝甲車輛駕駛室座椅高度不符合人機工程學標準造成的。 [align=center] [/align] 借助系統反饋的信息，對裝甲車輛人機界面布局進行了改進設計，主要包括座椅和腳踏板的布置優化，重新進行仿真評價。在改進后的人機界面布局中，通過對人體坐姿的舒適度等分析，得出改進后的布局在很多方面都比改進前的布局符合人機工程標準。改進后的布局模型、設計參數和評價結果如圖5所示。可以看出，虛擬人腿部舒適度有所提高。然而，受駕駛空間所限，裝甲車輛人機界面的布局仍然存在一些問題。 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： 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].Computers&Industrial 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、任金東，葛安林，黃金陵．基于知識的汽車駕駛員座椅布置系統[J].汽車工程，2003,25（3）:275～278. 6、方泳龍，鄒乃威，楊志華，等．汽車制動專家系統人機界面設計和知識庫的建立[J]．農業機械學報，2006，37（6）：23～26. 7、周一鳴，毛恩榮．車輛人機工程學［M］．北京：北京理工大學出版社，1999。