王華亭，田 宇，程廣偉，王普毅，汪立國

(1.西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099；2.陜西通家汽車有限責任公司，陜西 寶雞 722405)

自行高炮乘員艙是車長和炮手操控火炮的場所，在戰(zhàn)斗狀態(tài)時，車長和炮手需要進行各種信息觀察、狀態(tài)監(jiān)控和頻繁操作控制。由于乘員艙內空間狹小、控制和顯示裝置繁多、使用環(huán)境較惡劣。乘員艙內設備布局是否滿足可達性要求，操縱機構操縱力是否適宜，座椅的設計是否滿足舒適度要求，將直接影響到車長和炮手的作戰(zhàn)效率，也關系到整個武器系統(tǒng)能否安全、可靠和穩(wěn)定運行[1]，因此，對乘員艙進行工效評估具有非常重要的意義。

傳統(tǒng)的工效評估一般利用人機工效評估專家對樣機進行預先評估和有經(jīng)驗的操作手進行實際操作評估相結合的辦法。這種評估方法具有耗費資金多、周期長、指標選擇隨意和人為干擾因素大等諸多弊端。JACK軟件是一款優(yōu)秀的虛擬工效評估軟件，可為各種乘員艙進行有效的工效評估。這種評估方法，具有修改方便、成本低、研制周期短和工效評估內容強大等優(yōu)點，已經(jīng)在飛機座艙和汽車駕駛室的工效評估、導彈裝卸虛擬仿真評估和航天艙出艙活動等方面取得很好的應用效果[2-3]。本文利用JACK軟件工效評估功能，對某自行高炮乘員艙進行工效評估。

1 虛擬人的創(chuàng)建

JACK最強大的功能就是能夠精確地建立不同尺寸的人體模型。JACK創(chuàng)建的人體模型包含68個關節(jié)點、69個節(jié)段、135個自由度、脊柱有17段、手有16段，逼真的肩膀/鎖骨關節(jié)模型。JACK有兩種人體模型創(chuàng)建模塊，基本模塊(Basic Scaling)和高級模塊(Advanced Scaling)。在基本模塊中，可以建立身高和體重為P5、P50、P95的人體模型，同時也可以指定特定身高、體重和人體模型的類型(男、女或小孩)。在高級模塊中，可以指定26種人體測量學數(shù)據(jù)來建立人體模型。

圖1為利用JACK軟件和GJB2873-1997[3]創(chuàng)建的我國18～25歲男性人體模型，從左向右依次為P95、P50、P5的虛擬人。

2 乘員艙優(yōu)化和評估模型的建立

某自行高炮UG模型在存儲和打開時，占據(jù)了較大的硬盤和內存使用空間，常出現(xiàn)死機或內存不足等問題，無法將模型快速地導出，因此，對模型的優(yōu)化處理就顯得非常必要。該優(yōu)化方法就是根據(jù)實際需要刪除掉不影響工效評估部件，增加需要評估的部件模塊。優(yōu)化后，模型具有能夠快速地在UG軟件環(huán)境下打開、并能夠實現(xiàn)模型易修改和易轉換成其他軟件格式等特點，進而方便做工效評估研究。

某自行高炮的乘員艙模型為UG軟件制作的.prt格式，在JACK中不能直接打開，需要進行格式轉換，即將.prt格式導為.jt格式。.jt格式在JACK中可以直接打開，也可以運用格式轉換器將其轉換成.fig格式。由坐標變換可知，乘員艙.jt格式轉換為中間.fig格式要繞X軸旋轉-90°，其中，圖2是UG坐標系和JACK坐標系的相對關系(本文在后面論述中的坐標均指JACK坐標系)。

3 乘員艙人機工效評估

3.1 乘員艙布局

某自行高炮為雙人炮塔，乘員艙內布置如圖3所示。車長座椅位于乘員艙左側，炮手座椅位于右側，操控臺位于車長和炮手座椅正前方；方向機為2臺(雙驅動)，左方向機具有手動-機動轉換手輪箱，右方向機只有機動功能。兩臺方向機沿乘員艙縱軸線布置，分別安裝在車長右前方和炮手前方；高低機主傳動箱安置在火力艙內，通過萬向聯(lián)軸節(jié)連接到乘員艙內，手動-機動轉換手輪箱安裝在火力艙和乘員艙之間的隔板上，位于車長、炮手座椅中間；高低行軍固定器位于車長座椅左上方，安裝在炮塔左側內壁上；方位行軍固定器位于車長座椅左前下方，安裝在乘員艙底板上。車長鏡位于車長正前方，安裝在操控臺頂面上；方向機、高低機手-機動轉換手輪箱，一般只在高炮裝調、檢查和維修過程中使用。

3.2 座椅工效評估

原乘員艙座椅高低前后方向不可調整，僅可繞y軸旋轉。使用JACK軟件工效評估分析后發(fā)現(xiàn)，當車長利用車長鏡觀察外部戰(zhàn)場環(huán)境時，P50、P95的虛擬人需要低頭、彎腰，P5的虛擬人需要抬頭挺腰進行操作；當車長或炮手操作方向機時，P5、P50、P95虛擬人需要低頭、彎腰，虛擬人的軀干、腰部彎曲角接近彎曲極限值，虛擬人的頭部容易碰撞操控臺底面。基于上述分析，原座椅基本滿足可達性和操作性要求，但不滿足舒適度區(qū)域使用要求，座椅高度方向應該設計為可調整的。

圖4為虛擬人的Bottom_head.sight點，圖5為lower_torso.crotch點。將lower_torso.crotch點約束在座椅中心點，最舒適坐姿應滿足的條件是人體模型的Bottom_head.sight點與設計眼位點重合[4]，向上調整量應滿足虛擬人Bottom_head.sight點與車長鏡中心點重合，向下調整量應滿足虛擬人手部關節(jié)達到左方向機手柄處于最下端的情況。

表1為利用3種人體模型測得座椅高度、前后移動量，其中y1為最舒適坐姿時的座椅高度，y2為觀察車長鏡時的座椅高度，y3為操作左方向機手輪的座椅高度；將坐標原點置于原座椅中心點，測得z1為最舒適坐姿時的座椅前后移動量，z2為觀察車長鏡時的座椅前后移動量，z3為操作方向機手輪時的座椅前后移動量。由表1知，乘員艙座椅高度范圍為231～489.8 mm。乘員艙座椅向前調整量為16.3 mm，向后調整量為55.3 mm，前后調整量幾乎對虛擬人的操作沒有影響，最舒適坐姿操作時，座椅向后調整量為50 mm左右，建議將安裝位置向后調整50 mm。

表1 座椅高度和前后調整量

3.3 操控臺工效評估

3.3.1 操控臺可達性的評估

P5虛擬人身材較小，采用P5的虛擬人坐姿操控進行操控臺可達域判斷。將P5的虛擬車長、炮手Bottom_head.sight點置于設計眼位點，分別創(chuàng)建車長、炮手手部關節(jié)最大可達域的包絡域，如圖6所示，除左上角和右上角操控盒的幾個按鈕不可達之外，公共部分的按鈕車長和炮手均可達，操控臺其他按鈕、開關均在最大可達域內。車長操縱桿和炮手操縱桿均在最舒適可達域范圍內。

3.3.2 綜合信息顯示器可視性評估

綜合信息顯示器是自行高炮獲取目標、跟蹤和系統(tǒng)工作狀態(tài)等信息的主要顯示裝置，應處于最佳視區(qū)和視距范圍內。在其左、右邊界中心選取A點、B點，上、下邊界中心選取C點、D點，O為眼位點，如圖7所示，a1、a2為左右水平視角、β1、β2為上下垂直視角。

從JACK軟件中得出眼位點O、A、B、C、D點坐標，經(jīng)過計算得出了當前布局和座椅調整之后車長的水平視角和垂直視角值，如表2所示。座椅調整后，垂直視角在MIL-STD-1472F[5]規(guī)定的最佳視野范圍內，水平視角超出了眼部轉動時最佳視野范圍，但滿足頭部轉動時(左右各60°)的要求。

表2 水平視角和垂直視角

3.3.3 操控臺視角評估

與計算綜合信息顯示器視角同樣的方法，計算出調整布局后，車長觀察操控臺上最左邊指示燈的水平視角34.6°，操控臺最右端“故障/狀態(tài)”指示區(qū)水平視角49.7°，滿足頭部轉動時水平最大視野所規(guī)定的要求。最上端指示燈垂直視角為14.7°，最下端的指示燈垂直視角為向下47°，滿足頭部轉動時(向上55°向下50°)的要求。

3.4 高低機手輪的工效評估

P5、P50、P95虛擬人正常坐姿下，手部關節(jié)無法操控高低機手輪。在評估高低機可達性時，選擇P50人，需要將車長座椅繞y軸順時針旋轉90°，將虛擬人的手掌固定到高低機手輪上，在其處于舒適狀態(tài)下，形成肩、肘、腰、臀、膝蓋和腳踝的最大可達域。經(jīng)分析，高低機手輪不可達。因為高低機手輪不可調整，所以只能調整座椅的高度。當座椅高度為250 mm，軀干彎曲角為39°，高低機手輪處于舒適性可達域范圍內。

3.5 行軍固定器的工效評估

P50虛擬人在操作高低行固定器時，需將車長座椅繞y軸逆時針旋轉60°，座椅高度設置為最舒適高度。車長坐姿下，其頭部和肩部容易碰到高低行軍固定器。為避免車長頭和肩部被碰撞，建議將高低行軍固定器安裝在車長左側偏前的艙壁上。

P50虛擬人在操作方位行軍固定器，需將座椅高度調整到255 mm，頭部需在操控臺的下面并彎腰方能操作，頭部容易被操控臺磕碰，建議設計輔助機構，將輔助機構布置到車長易于操作的左側操控區(qū)域內。

4 結束語

本文運用JACK軟件的人機工效評估功能，評估分析了某自行高炮的乘員艙，經(jīng)過評估得出以下結論：

1)乘員艙布局基本符合人機工效要求，操控臺所有按鈕、開關均滿足可達性要求，綜合信息顯示器處于上下最佳視野內，其他部件均在最大視野范圍內。

2)座椅應設計為高低、前后方向可調整的座椅。本文給出了最佳座椅高度，同時，將座椅安裝位置向后調整50 mm。

3)建議：將高低行軍固定器布置車長左側操控區(qū)域內；方位行軍固定器設計輔助機構，將其布置在車長左側操控區(qū)域內。

4)該人機工效評估方法，也可應用于各類武器裝備乘員艙的優(yōu)化設計和工效評估分析。

[1] 談樂斌.火炮人機工程學[M].北京:兵器工業(yè)出版社，1999.

TAN Le-bin. Human machine engineering of gun[M].Beijing：The Publishing House of Ordrance Industry，1999.(in Chinese)

[2] 馬智，薛紅軍，蘇潤娥.基于JACK的人體建模與人機工效分析[J].航空計算技術，2008，38(1)：98-100.

MA Zhi，XUE Hong-jun，Su Run-e.Human-modeling and analysis of ergonomics based on jack[J].Aeronutical Computing Technique，2008，38(1)：98-100.(in Chinese)

[3] 顧輝，談樂斌，潘孝斌.基于JACK的某車載炮裝填過程仿真研究[J].人類工效學， 2011，17(4)：48-51.

GU Hui,TAN Le-bin,PAN Xiao-bin.The simulation of truck-mounted artillery filling based on JACK software[J]. Chinese Journal of Ergonomics， 2011，17(4)：48-51.(in Chinese)

[4] 蘇潤娥.基于虛擬設計的民機駕駛艙工效布局評價[J].航空計算學報，2008，38(1)：69-72.

SU Run-e.Ergonomic assessment for cockpit layout of civil aircraft based on virtual design[J].Aeronutical Computing Technique，2008，38(1)：69-72.(in Chinese)

[5] Department of Defense.MIL-STD-1472F Design criteria standard of human engineering[S].Philadelphia PA：Navy Publishing and Printing Office,1999:16-18.