鄧 麗，余隋懷，初建杰，張婉玉

(1.西北工業(yè)大學工業(yè)設計研究所，陜西 西安 710072;2.西南石油大學機電工程學院，四川 成都 610500)

司鉆控制房視覺工效評價研究*

鄧 麗1,2，余隋懷1，初建杰1，張婉玉1

(1.西北工業(yè)大學工業(yè)設計研究所，陜西 西安 710072;2.西南石油大學機電工程學院，四川 成都 610500)

針對傳統視覺工效評價中人工計算和作圖誤差的問題，在分析人體視野特性的基礎上，引入了汽車視野設計原理中的眼橢圓和H點，結合計算機輔助人機工程設計技術，建立了石油鉆機司鉆控制房視覺工效評價模型。以CATIA作為二次開發(fā)平臺，采用VB編制了司鉆控制房視覺工效評價系統，實現了準確和快速定位不同百分位數人體模型眼位。最后，通過實例說明了系統的實用性，滿足了司鉆控制房人機界面布局可視化評估的要求。

眼橢圓；H點；CATIA；視覺工效；司鉆控制房

1 引言

司鉆控制房是石油鉆機的控制中樞，被業(yè)界譽為石油鉆機的“駕駛室”。鉆機開鉆后將晝夜不停地運轉，工人們輪班作業(yè)。司鉆員在司鉆控制房內采用坐姿的工作姿態(tài)，主要觀察前方控制臺的顯示儀表，其次觀察平臺上井口的工作情況。司鉆員視域在水平和垂直面存在最佳、較好和極限工效區(qū)域，鉆井信息顯示位置必須與司鉆員的視域相匹配。視覺是信息處理中最重要的感覺通道，約有80%以上的信息是由人的視覺獲得。司鉆員通過司鉆控制房的人機界面獲取信息，人機界面是否布置在合理的視區(qū)范圍內，將直接影響到司鉆員的視覺生理感受和鉆井過程的安全。

在視覺工效評價方面，研究集中在飛機座艙、轎車駕駛室以及挖掘機和卡車等工程機械駕駛室的評價[1,2]。尤其是隨著汽車技術的發(fā)展，汽車人體工程學的研究成果日益成熟。為了確保汽車駕駛員具有良好的視野，美國機車工程師協會SAE(Society of Automotive Engineers)在1977年發(fā)布了SAE J941眼橢圓標準，并在2010年公布了最新版本[3]。Cho Y H等人[4]提出在汽車駕駛過程中開闊的視野能降低駕駛的潛在危險，并通過對A柱障礙角的研究提出了解決措施。葛安林、黃金陵、任金東等人[5～7]研究了汽車視野設計原理和方法，提出了適合不同駕駛員群體眼橢圓統計方法，車身布置中H點的優(yōu)化方法。

傳統的汽車人機關系研究中，使用二維眼橢圓進行設計評價。隨著計算機技術的日新月異，計算機輔助人機工程設計也得到了進一步的發(fā)展。數字人體模型的研究已經趨于成熟，將人機工效研究成果計算機化是人機工程學未來發(fā)展的趨勢[8,9]。視覺工效評價作為司鉆控制房布局設計中的一個重要環(huán)節(jié)，關系到人機系統的安全性，但是目前業(yè)界尚未有司鉆控制房視覺工效評價標準。由于司鉆員的工作姿態(tài)與B類汽車(重型卡車)駕駛員的駕駛姿態(tài)相似，因此，提出在司鉆控制房的視覺工效評價中，引入較成熟的汽車人體工程學原理[10,11]與SAE標準中的眼橢圓和H點的概念，并探討了如何根據司鉆具體情況進行修正，以及如何開發(fā)出適合司鉆員視覺工效評價的系統和應用方法。

2 評價原理

眼橢圓是汽車視野設計的重要基準[12]。SAE J941定義眼橢圓是指汽車駕駛員按照自己的意愿調整座椅，并以正常的駕駛姿勢入座，眼睛位置在車身坐標系中的統計分布圖形。駕駛員眼橢圓代表了一定群體的駕駛員在正常駕駛位置時眼睛在車身坐標系中的分布。因此，本文參考SAE眼橢圓提出司鉆員眼橢圓，用司鉆員眼橢圓來定位人體模型，評價人機界面布局是否符合人體視野特性。

H點是眼橢圓定位的參考點。SAE定義H點是指人體模板中的人體軀干和大腿中心線的鉸接點，即胯點(Hip point)，在人體模板中為髖關節(jié)(見圖3)。SAE J1517[13]中給出的B類汽車的舒適H點位置線與H點的高度之間呈線性關系，本文對此進行了修正，提出司鉆員的舒適H點范圍是一個四邊形區(qū)域。

本文首先分析了人體視野特性，提出顯示儀表需按照一定原則布置在不同的視區(qū)才能滿足人體視覺生理需求。其次，建立了二維人體桿狀模型，以中國成年人人體尺寸和舒適的人體關節(jié)活動范圍作為約束，通過Matlab計算和仿真出舒適的H點區(qū)域，據此確定出的座椅調節(jié)行程量可以滿足一定百分位數人群坐姿的舒適性。由H點坐標確定司鉆員眼橢圓坐標，座椅行程量確定眼橢圓尺寸。最后，以CATIA作為平臺，通過VB開發(fā)了視覺工效評價系統，避免了傳統手工繪制眼橢圓的繁瑣和誤差，實現準確快速的視覺工效評價。

3 評價模型的建立

3.1 人體視野特性

與汽車駕駛相似，在鉆井過程當中，司鉆員的大部分信息是靠視覺獲取的。根據人機工程學資料[14]，眼睛在觀察物體時，兩個眼球協調運動，總是朝同一個方向轉動。如圖1所示的垂直面，人體在坐姿下的自然視線是向下15°，最佳眼動界限是上下30°。如圖2所示的水平面，人眼最佳直接視野是左右25°。當眼動達到一定的界限時，就需要轉動頭部來擴大視野范圍。頭部轉動中心在左右兩眼的連線中垂線的后方98.6 mm，左右兩眼的有效瞳孔距是65 mm。頭部輕松偏轉角度是向前12°，向后25°,左右各25°。人體視野的特性決定了顯示儀表板的尺寸、安裝位置和傾角。顯示儀表按照重要性、使用頻率等原則分別布置在不同的視區(qū)內。

Figure 1 Human vertical vision features圖1 人體視覺垂直視野特性

3.2 計算座椅行程量

司鉆員長時間在坐姿下進行操作，座椅的幾何尺寸必須要保證司鉆員具有正確的坐姿。在實際的鉆井工作中，司鉆員的個頭高矮不同，座椅必須上下、前后可調才能滿足不同身材的司鉆員操作的舒適性和良好視野的需求。此外，SAE J941中眼橢圓的尺寸與座椅可調節(jié)行程量有關。本文根據下肢關節(jié)在舒適角度范圍內變化確定出舒適的H點區(qū)域，進而以該區(qū)域確定出的座椅行程量即可滿足既定百分比人群。

對人體模型進行簡化建立如圖3所示的二維人體桿狀模型。以踵點O為原點，建立H點坐標：

(1)

(2)

(3)

其中，α1為大腿和水平線之間的夾角，α2為大腿和小腿之間的夾角，α3為小腿和腳踏板之間的夾角，α4為腳踏板和地面之間的夾角。這四個角度之間存在如公式(3)所示的約束關系。J5表示髖關節(jié)；J3表示膝關節(jié)；O表示踵點；M點表示膝關節(jié)和裸關節(jié)連線的延長線與腳底的交點。

Figure 3 Two-dimensional human body rod model圖3 二維人體桿狀模型

將國標中人體尺寸數據修正后(見表1)和關節(jié)舒適活動范圍(見表2)代入公式(1)～公式(3)，通過Matlab計算和繪制出舒適的H點區(qū)域圖(見圖4)。圖4中前后兩個四邊形區(qū)域分別是1百分位數和99百分位數男性的舒適H點區(qū)域。小個頭的舒適H點區(qū)域靠前靠下，而大個頭的舒適H點區(qū)域更靠后靠上，這和實際情況一致。圖中兩個四邊形區(qū)域在水平方向上的重合距離大約是145 mm，在垂直方向上的重合距離大約是90 mm。由此得出，座椅前后行程145 mm，上下行程90 mm即可滿足98%的司鉆員坐姿的舒適性。同理可求出其它百分位數座椅行程量(見表3)。

Table 1 Different percentile human body size表1 不同百分位數人體尺寸數據

Table 2 Each joint comfort range of lower limb表2 下肢各關節(jié)舒適活動范圍

Figure 4 P1 and P99 male comfortable H point area 圖4 P1和P99男性的舒適H點區(qū)域

性別百分位數前、后行程量/mm上、下行程量/mm男性P1和P9914590P5和P95180115女性P1和P9911575P5和P95155105男女P1女和P99男9535通用P5女和P95男13565

3.3 建立眼橢圓

在上述研究基礎上，將眼橢圓建立步驟總結如下：

(1)確定布置工具參考點ATRP點和座椅參考點SgRP點。

座椅參考點SgRP是制造廠規(guī)定的汽車座椅上的一個設計基準點，它確定了駕駛員在乘坐時座椅的最后位置。將P95的人體模型布置在汽車座椅上時，SgRP點與H點重合。在司鉆員眼橢圓確定中，采用上文計算出的P95司鉆員的舒適H點的最后位置坐標(710,380)作為座椅參考點。

根據SAE J1516可知，ATRP點與SgRP點有如下關系。

XATRP=855.31-0.509ZSgRP

(4)

(5)

(2)確定座椅靠背傾角A40。

參考人機工程學資料選擇座椅靠背傾角，這里設定司鉆員座椅靠背傾角為10°。

(3)根據座椅行程量選擇眼橢圓尺寸。

SAE給出了95和99百分位數眼橢圓尺寸(見表4)，對于這兩種百分位數又分別根據座椅行程分為兩種尺寸。

Table 4 95 and 99 percentile eye ellipse dimensions of SAE表4 SAE 95和99百分位數眼橢圓尺寸

(4)計算司鉆員眼橢圓的形心坐標。

根據SAE J941，眼橢圓形心點坐標與ATRP點有如下關系。

X=XATRP-184.44+12.23*(A40)

(6)

Z=ZATRP+707.52-4.17*(A40)

(7)

YL=W20-32.5

(8)

YR=W20+32.5

(9)

其中，W20是雙眼中心到y=0平面的距離。

(5)作出眼橢圓。

司鉆員坐在司鉆控制房正中間，身體中心線與Y基準平面是重合的，因此不需要汽車駕駛員眼橢圓在俯視圖中5.4°的偏轉角(見圖5)。與汽車駕駛員眼橢圓相同的是需要一個向下的11.6°的傾角。已知司鉆員眼橢圓的形心坐標和眼橢圓尺寸后，即可作出眼橢圓。

Figure 5 Sketch map of car cab eye ellipse圖5 汽車駕駛室眼橢圓形心位置示意圖

4 評價系統

4.1 評價系統實現

根據上述方法，本文采用CATIA Automation方式針對司鉆員眼橢球對其進行二次開發(fā)[15]，采用VB編制了石油鉆機司鉆控制房視覺工效評價系統，進一步完善和擴展了CATIA人機工程模組的功能，滿足了實際應用的需求。其系統結構圖如圖6所示。

Figure 6 Structure drawing of driller control room visual ergonomics evaluation system圖6 司鉆控制房視覺工效評價系統結構圖

模型庫管理各類型鉆機司鉆控制房模型，后期可以隨著系統的不斷完善而加入新的模型，擴大評價范圍。人體模型數據庫中包含人體尺寸數據和各關節(jié)舒適活動角度。鑒于CATIA人體模型中沒有中國成年人人體尺寸數據庫，本文根據文獻[16]的方法建立了中國人體數字模型。視覺工效數據庫包含眼橢圓尺寸、人體視野范圍、座椅行程量等評估參數。

如圖7所示，用戶通過窗體界面進行操作，選擇調入司鉆控制房模型，輸入司鉆員信息，設置人體百分位數和座椅參數，程序自動連接到CATIA，系統根據數據處理程序在CATIA中自動生成司鉆員眼橢球模型，從而實現人體模型的定位。

Figure 7 Interface of driller control room visual ergonomics evaluation system圖7 司鉆控制房視覺工效評價系統界面

4.2 系統應用

眼橢球空間位置的確定是司鉆控制房視覺工效評價的關鍵。圖8是某型號的直流電動鉆機司鉆控制房人機界面設計方案。

Figure 8 Determine the position of eye圖8 確定眼位

評價人員通過視覺工效評價系統窗體界面輸入信息，系統程序自動計算并在CATIA平臺上生成了95百分位數眼橢球。調入的數字人體模型以眼橢球為基準進行定位。圖9是人機界面布局的可視性檢驗。通過CATIA軟件的視覺分析功能虛擬人的視覺效果，據此判斷人機界面的布局是否符合視覺特性。將重要的、使用頻繁的布置在最佳視區(qū)，較重要的布置在有效視區(qū)，當最佳和有效視區(qū)都排滿時，將重要性最差的儀表布置在最大視區(qū)內。在分析之前，根據上文提到的人體視野特性，在圖9右下角所示的屬性欄設置視野范圍：單眼水平視野范圍、雙眼水平視野范圍和垂直上、下視野范圍。圖9的左上角顯示的是當前姿態(tài)下人體模型的視覺效果。從圖9中可以看出，在司鉆員頭部保持不動的情況下，所有的顯示儀表處于眼動視野范圍內，而指重表等重要儀表處于最佳直接視野。對人體姿態(tài)進行編輯，可以進一步測試司鉆員在不同姿態(tài)下的視野情況。

Figure 9 Visibility test圖9 可視性檢驗

5 結束語

科學的人機界面布局有助于司鉆員具有良好的視覺生理感受，使其處于最佳的工作狀態(tài)，利于其做出準確有效的操作。由于司鉆員身高、坐姿等不同，司鉆員眼睛的位置不可能固定在某個點。為了在設計前期進行視覺工效評估校核，本文引入汽車視野設計的方法，為司鉆控制房視覺工效評價提供了依據。通過編程實現了司鉆員眼位的快速定位，替代了以二維人體模板為依據的傳統人機工程分析方法，滿足了司鉆控制房人機界面可視性檢驗的需求。該方法可以推廣到其它類型工程機械中使用。

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DENGLi,born in 1986,PhD candidate,assistant teacher,her research interests include computer aided industrial design, and ergonomics.

余隋懷(1962-),男，吉林通化人，博士，教授，研究方向為工業(yè)設計和計算機輔助工業(yè)設計。E-mail:yusuihuai@vip.sina.com

YUSui-huai,born in 1962,PhD,professor,his research interests include industrial design, and computer aided industrial design.

初建杰(1981-),男，山東萊陽人，博士生，講師，研究方向為計算機輔助工業(yè)設計。E-mail:cjj@nwpu.edu.cn

CHUJian-jie,born in 1981,PhD candidate,lecturer,his research interest includes computer aided industrial design.

張婉玉(1982-),女，四川南充人，博士生，講師，研究方向為工業(yè)設計。E-mail:zhangwanyu_nwpu@126.com

ZHANGWan-yu,born in 1982,PhD candidate,lecturer,her research interest includes industrial design.

Researchonvisualergonomicsevaluationofdrillercontrolroom

DENG Li1,2，YU Sui-huai1，CHU Jian-jie1，ZHANG Wan-yu1

(1.Institute of Industrial Design,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072;2.School of Mechatronic Engineering,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China)

To solve the problem of artificial calculation and mapping error in traditional visual ergonomics evaluation, based on the analysis of the human vision characteristics, the eyellipse andHpoint used in the car vision design principle are introduced, and the visual ergonomics evaluation model of the oil rig driller control room is established by combining the computer aided ergonomics design technology. Taking CATIA as the secondary development platform, the visual ergonomics evaluation system of the driller control room is programmed by VB, which realizes the accurate and rapid positioning of eyes with different percentile human body model. Finally, a case illustrates that the system is practical and able to satisfy the visual assessment requirements of the human-machine interface layout of the driller control room.

eyellipse;Hpoint;CATIA;visual ergonomics;driller control room

1007-130X(2014)08-1538-06

2013-02-25;

：2013-04-12

國家863計劃重點資助項目(2007AA040406)

TP182

：A

10.3969/j.issn.1007-130X.2014.08.020

鄧麗(1986-),女，四川簡陽人，博士生，助教，研究方向為計算機輔助工業(yè)設計和人機工效學。E-mail:dengli@swpu.edu.cn

通信地址：610500 四川省成都市新都區(qū)新都大道8號西南石油大學機電工程學院工業(yè)設計教研室

Address:Section of Industrial Design,School of Mechatronic Engineering,Southwest Petroleum University,8 Xindu Avenue,Xindu District,Chengdu 610500,Sichuan,P.R.China