柳 飛

(1.南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，江蘇南京 210003;2.貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng) 510003)

0 引言

傳統(tǒng)的車輛人機(jī)工程學(xué)中，研究的主要內(nèi)容是如何將人適應(yīng)機(jī)器的設(shè)計(jì)方式，轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)器適應(yīng)人，涉及的內(nèi)容包括:人體對(duì)作業(yè)負(fù)荷的耐受性、人體尺寸的個(gè)體差異分析、人體的生物力學(xué)特征、人的感知特性分析和人的勞動(dòng)舒適度姿態(tài)分析等。隨著機(jī)器復(fù)雜程度的快速提升，操作人員與機(jī)器之間的交互行為日漸復(fù)雜，許多重大事故主要是由于操作界面的設(shè)置不當(dāng)，加大誤操作的可能性，同時(shí)，許多的職業(yè)病癥也是源于不合理的操作界面導(dǎo)致錯(cuò)誤的作業(yè)姿態(tài)，因此人機(jī)接口(Human Machine Interface，HMI)問題快速引起重視［1］。

目前，針對(duì)具體人機(jī)界面的幾何尺寸標(biāo)準(zhǔn)沒有推出，但是許多研究已經(jīng)針對(duì)機(jī)器控制、控制臺(tái)和操作員之間產(chǎn)生的多種影響元素進(jìn)行深入的分析，包括控制面板的布置、空間布置的自動(dòng)設(shè)計(jì)和操作室的組成分析等［2］。這些分析研究多從某一個(gè)具體領(lǐng)域或案例出發(fā)，沒有將人體各元素之間的關(guān)系進(jìn)行整體分析，需要進(jìn)一步分析。

1 HMI設(shè)計(jì)規(guī)范

在車輛機(jī)器設(shè)計(jì)中，人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)需要考慮多方面的需求，包括操作位置和操作部件的大小、顯示區(qū)域的位置和尺寸、振動(dòng)的類型、噪聲源的定位和控制、照明的亮度和覆蓋范圍、溫度的允許范圍以及觀測(cè)口的視域位置和尺寸等。這些需求在不同的產(chǎn)品和不同的銷售領(lǐng)域存在許多的不同，需要柔性化生產(chǎn)和售后反饋的支持。

需求之間容易出現(xiàn)相互影響，甚至出現(xiàn)沖突現(xiàn)象，所以不可能在通用范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)全局的最優(yōu)化，只存在指定需求上達(dá)到局部的最優(yōu)化。

具體而言，人機(jī)交互的設(shè)計(jì)目標(biāo)可以概述為下述三個(gè)方面:安全性、效率、舒適性。安全性包括車輛系統(tǒng)的安全性、操作員的安全性和其它人員的安全性。車輛安全性是指人機(jī)操作的控制臺(tái)布置需要滿足多種要求，如功能劃分明確，最小化誤操作的幾率;報(bào)警指示明確，減小指數(shù)指示、一般警告和危險(xiǎn)警告的錯(cuò)誤導(dǎo)引;操作部件的功能互鎖，一方面規(guī)定操作員只能完成邏輯相關(guān)動(dòng)作，另一方面實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的急停和恢復(fù)為初始安全狀態(tài)的功能。車輛控制的效率要求主要包括布局、邏輯和人工智能等三個(gè)方面。布局是指車輛操作部件安排合理，便于操作人員快速識(shí)別和響應(yīng);邏輯是指界面布局將相關(guān)操作部件安置在鄰近區(qū)域，方便操作者順序操作，或最小化運(yùn)動(dòng)路徑;人工智能是指軟件平臺(tái)能夠?qū)⒉僮髡叩牧?xí)慣、當(dāng)前工作的邏輯關(guān)聯(lián)和下一個(gè)可能的目標(biāo)綜合整理，給予操作人員智能化的選擇，減少?gòu)?fù)雜操作和頻繁的可能。車輛操作的舒適性主要針對(duì)操作員，主要涉及人機(jī)界面的顏色、布局邏輯、尺寸、布置原則、認(rèn)知水平和操作難度等。不規(guī)范的車輛操作界面容易長(zhǎng)期處于不舒適的環(huán)境中，增加操作難度和誤操作的幾率，同時(shí)也大幅提高操作員患上職業(yè)病的風(fēng)險(xiǎn)［3］。

其中，提高人機(jī)界面中軟件平臺(tái)的智能水平通常需要滿足下述規(guī)范。

(1)統(tǒng)一色調(diào)，既匹配操作環(huán)境又滿足色彩標(biāo)識(shí)規(guī)范，如:藍(lán)色表示應(yīng)該遵守的規(guī)定，綠色表示允許通行或安全狀態(tài)，黃色表示警告，紅色表示禁止或停止。

(2)操作界面符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，依次符合操作系統(tǒng)、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)。

(3)交互操作明確，去除二義性可能。界面操作需要事先經(jīng)過有限自動(dòng)機(jī)分析，將操作的輸入與輸出限定，并且將選擇項(xiàng)以菜單或模態(tài)窗口的方式呈現(xiàn)。

(4)提供配置功能，允許軟件智能化操作。通過配置，操作員可以將操作喜好與軟件中內(nèi)嵌的智能算法關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)提升操作效率和安全操作的目的。

2 HMI中人體因素分析

人機(jī)界面根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)局部范圍的最優(yōu)化。人體差異對(duì)在界面設(shè)計(jì)的要求可能存在巨大的不同，因而需要模糊化處理人體因素，綜合評(píng)判操作平臺(tái)的設(shè)計(jì)思路。

2.1 人體模型選擇

1964年Buffa等人提出了CRAFT模型，其參考標(biāo)準(zhǔn)是基于功能單元的使用頻率，通常用于操作平臺(tái)的初步設(shè)計(jì)。1977年Bonney等人提出了CPABLE模型，將人體坐姿納入設(shè)計(jì)考量范疇，步驟包括確定操作平臺(tái)上涉及的基本數(shù)據(jù)，如面板類型、座位、操作邏輯和任務(wù)流程等信息，并設(shè)定權(quán)值。其次，分別根據(jù)舒適原則設(shè)定座位大小、位置，并根據(jù)肢體的活動(dòng)范圍確定功能單元的布置。最后，計(jì)算肢體完成指定任務(wù)的運(yùn)動(dòng)距離、時(shí)間和操作方便程度，進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化。與CRAFT相比，CPABLE實(shí)用性更強(qiáng)，但是它沒有將人體各因素之間的相互關(guān)系進(jìn)行分析，無法在大尺度范圍的人群中應(yīng)用。1995年由Jung等人提出CSP(Constraint Satisfaction Problem)模型［4］，將人機(jī)接口問題看作是一個(gè)多約束問題，設(shè)計(jì)目標(biāo)可以被數(shù)學(xué)化表示，并得出可行解空間。CSP模型可以應(yīng)用在各種約束問題上，如人體部件的結(jié)構(gòu)約束，控制平臺(tái)的功能約束，以及人機(jī)工程學(xué)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則等。在CSP的求解過程中，約束集根據(jù)需要可以分為硬約束和軟約束，前者是滿足要求的最小集，后者是可供優(yōu)化的最大集。依據(jù)約束集合，設(shè)計(jì)人員根據(jù)需要不斷構(gòu)造新的可行解空間，不斷模糊搜索出局部最優(yōu)解，并不斷回溯得到理想的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。

筆者將在Jung等人提出的CSP模型上，構(gòu)建一個(gè)基于計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)的車輛人機(jī)界面設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

2.2 人體因素分析

人體因素不知包括操作者的身體特性，還包括動(dòng)作范圍、作業(yè)位姿、操作空間等。人體動(dòng)作范圍如圖1所示。圖1展示了人體在平面范圍內(nèi)的動(dòng)作范圍，前提假設(shè)是普通操作員且每次運(yùn)動(dòng)一個(gè)身體部分［5］。

圖1 人體活動(dòng)空間圖(二維)

按照操作員與人機(jī)界面的位置劃分，人體姿態(tài)(posture)通常包括站立、下蹲、前屈、后仰、左右傾等六種，可以用下列數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單表示。

(1)站立

(2)下蹲

(3)彎腰

(4)后仰

(5)左右傾

其中，坐標(biāo)系設(shè)定如下，操作者面向紙外，三坐標(biāo)分別是水平方向X、垂直方向Y和垂直紙面向外方向Z。t是時(shí)間參數(shù);在YOZ面內(nèi)，θ1垂直方向上，頭與軀干的夾角，θ2是軀干與大腿的夾角，θ3是大腿與小腿的夾角，θ4和θ5分別是腳背與小腿的夾角，θ6是軀干在XOY平面內(nèi)與中垂線的夾角。另外，手臂的自由度較大，受到的限制主要來自操作空間。

3 HMI模糊設(shè)計(jì)

3.1 權(quán)值設(shè)定

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB－10000－88(《中國(guó)成年人人體尺寸》)獲取人體尺寸的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，并參照人機(jī)界面評(píng)價(jià)參數(shù)、人體生物力學(xué)基本規(guī)則和人機(jī)工程學(xué)規(guī)范等，建立約束條件和目標(biāo)函數(shù)，通過對(duì)解空間的不斷優(yōu)化，得到滿意解［6－7］。其中，約束條件和目標(biāo)函數(shù)與操作空間和操控部件有關(guān)，如圖2所示。操控部件包括視覺類原件，手操作類元件，腳操作類元件，工作臺(tái)類，面板類，及座椅類。根據(jù)工效學(xué)要求，對(duì)操控部件設(shè)定客觀因素權(quán)重，并通過專業(yè)人士對(duì)系統(tǒng)評(píng)價(jià)得到主觀評(píng)價(jià)規(guī)律權(quán)重系數(shù)，如表1所列。

圖2 車輛HMI示意圖

表1 車輛HMI權(quán)重系數(shù)表

采用模糊算子對(duì)操作部件的重要度和頻度進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，如公式(1):

式中:Ω是客觀因素權(quán)重系數(shù);ψ是主觀因素權(quán)重系數(shù);t是權(quán)重中客觀因素所占比值;W是權(quán)重計(jì)算值;f (Ω，ψ)表示組合方式。

3.2 約束劃分

根據(jù)不同業(yè)務(wù)需要將約束分為硬約束和軟約束。軟約束從5個(gè)方面描述:功能單元的關(guān)系Sij，允許放在兩個(gè)單元之間Iij，兩單元間的最大距離Dij，PV單元放置在最佳區(qū)域，CR放置在最佳操作區(qū)域。

在組合方式中考慮約束因素，如式(2):

式中:Cj(Bi)是部件Bi的約束函數(shù)，H(Bi)是當(dāng)前組合方式下的最優(yōu)化布局。

3.3 歸一化處理

為了便于部件特征、約束性質(zhì)和業(yè)務(wù)需求等因素集中處理，需要對(duì)處理數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，將數(shù)據(jù)映射到0～1。映射函數(shù)為:

式中:MaxValue和MinValue分別是部件的最大值和最小值;x是轉(zhuǎn)換前的數(shù)值;y是轉(zhuǎn)換后的數(shù)值。

3.4 迭代優(yōu)化

操作部件和人體因素經(jīng)過模糊處理、形式化描述和歸一化處理后，得到人機(jī)控制問題的初始數(shù)據(jù)。根據(jù)待求問題集合，迭代搜索可行解，判斷解空間是否滿足，進(jìn)行回溯搜索或輸出可行解空間。迭代求解的偽碼如下所示:

(1)Formalization of Constraints

(2)Search the feasible solutions based on CSP rules

(3)If no feasible solutions exist，modify or relax the soft constraints and return step 2

(4)If the feasible solutions are unacceptable，modify the CSP model and return step 2

(5)If other feasible solutions needed，modify the CSP model and return step 2

(6)Export the feasible solutions and exit

優(yōu)化的可行解空間可以按照新的需要隨時(shí)更改，包括功能區(qū)的優(yōu)先級(jí)、功能部件的尺寸、不同操作對(duì)象的身體特征，具體都表現(xiàn)在約束集的設(shè)定、軟約束和硬約束的劃分、迭代算法的范圍設(shè)定等等。設(shè)計(jì)人員可以通過交互方式修改上述參數(shù)，自動(dòng)化生成優(yōu)化的人機(jī)界面配置方案。

4 結(jié)語(yǔ)

常規(guī)的人機(jī)設(shè)計(jì)方案對(duì)人體因素的思考不夠全面，或是主觀因素過多，造成方案的可操作性和繼承性較差。通過對(duì)人體結(jié)構(gòu)和操作部件的建模，可較好地描述和表達(dá)設(shè)計(jì)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)交互式的自動(dòng)化設(shè)計(jì)平臺(tái)，極大地減少人為因素的干擾和提高設(shè)計(jì)效率。

［1］ 陳 華.固定式顯控臺(tái)的造型設(shè)計(jì)與人性化設(shè)計(jì)研究［J］.新技術(shù)新工藝，2013(1):73－76.

［2］ 孫 元，熊 偉.工程車輛操縱室人機(jī)工學(xué)設(shè)計(jì)分析［J］.藝術(shù)與設(shè)計(jì)，2013(4):108－110.

［3］ 王添旗.基于CRH6型列車研制對(duì)高速列車外形設(shè)計(jì)的研究［J］.鐵道機(jī)車車輛，2013，33(1):67－71.

［4］ 毛恩榮，張 紅.車輛人機(jī)工程學(xué)［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2007.

［5］ 周 鳳，安魯陵.基于人機(jī)工程的產(chǎn)品可裝配性評(píng)價(jià)技術(shù)研究［J］.機(jī)械制造，2012，41(6):14－17.

［6］ 范平清，宋邵芬.汽車儀表臺(tái)系統(tǒng)化設(shè)計(jì)流程的研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012(12):248－250.

［7］ 李 誠(chéng).一種6自由度裝校機(jī)器人工作空間分析［J］.機(jī)械研究與應(yīng)用，2013(6):31－36.