谷文豪，王洪亮，張琰佳，談樂斌

（1．南京理工大學機械工程學院，江蘇南京 210094；2．南京理工大學能源與動力工程學院，江蘇南京 210094）

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基于JACK的氣壓式EPB終端設(shè)計及人機工效評估

谷文豪1，王洪亮1，張琰佳2，談樂斌1

（1．南京理工大學機械工程學院，江蘇南京 210094；2．南京理工大學能源與動力工程學院，江蘇南京 210094）

摘 要：現(xiàn)有的EPB終端針對乘用車機械式EPB需求進行匹配設(shè)計，滿足不了氣壓顯示、氣管故障報警等氣壓式EPB的顯示需求。針對氣壓式EPB工作特性，應(yīng)用人機工效學原理設(shè)計了一款EPB終端。運用3DS MAX與SolidWorks相結(jié)合的方式建立終端三維模型，利用JACK軟件建立數(shù)字人和車輛模型，并進行合理布局。采用對數(shù)字人的舒適度分析方法，驗證布局設(shè)置的合理性。采用視角、障礙域與視錐相結(jié)合的方式，從多角度對終端進行可視域分析?；谌梭w在駕駛的時候不能聯(lián)合全身關(guān)節(jié)的工作特性，采用SAE Packaging Guidelines進行可達域分析。應(yīng)用JACK軟件從多角度對終端進行人機工效分析，驗證總體設(shè)計方案的合理性，縮短了設(shè)計周期，降低了設(shè)計成本。

關(guān)鍵詞：軟件工程；EPB；人機工效；JACK；仿真分析

谷文豪，王洪亮，張琰佳，等．基于JACK的氣壓式EPB終端設(shè)計及人機工效評估［J］．河北工業(yè)科技，2016，33（2）：95－101．

GU Wenhao，WANG Hongliang，ZHANG Yanjia，et al．Design and ergonomics analysis of pneumatic EPB terminal based on JACK［J］．Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2016，33（2）：95－101．

Keywords：software engineering；EPB；ergonomics；JACK；simulation analysis

人機工效分析最初發(fā)展是通過觀察真實的實驗人員對現(xiàn)實的工作或者產(chǎn)品進行操作和分析。這種分析方法真實可靠，但是需要消耗大量的經(jīng)費和時間，并且分析結(jié)果摻雜了實驗人員的個人主觀因素。JACK軟件是一款優(yōu)秀的人機工效評估軟件，并且具備專業(yè)的車輛分析工具（occupant packaging toolkit，OPT），已經(jīng)在汽車駕駛室的工效評估等方面取得很好的應(yīng)用效果。使用該軟件進行產(chǎn)品研發(fā)，將大大降低成本與研制周期［1］。

電子駐車制動系統(tǒng)（electronic parking brake，EPB）是由電子控制方式實現(xiàn)汽車駐車制動和解除的自動控制系統(tǒng)，且根據(jù)執(zhí)行媒介分為機械式和氣壓式?，F(xiàn)有的EPB終端針對乘用車機械式EPB需求進行匹配設(shè)計，滿足不了氣壓顯示、氣管故障報警等氣壓式EPB的顯示需求，有著良好的人機工效的氣壓式EPB終端設(shè)計對于氣壓式EPB技術(shù)的整車匹配需求十分迫切。本文利用3DS MAX和Solid－Works三維建模軟件，在結(jié)合人機工效學原理的基礎(chǔ)上設(shè)計了一款氣壓式EPB終端，并利用JACK軟件對其進行人機工效評估。

1 EPB終端設(shè)計

1．1 現(xiàn)有EPB開關(guān)說明

配備于高級轎車上的機械式EPB開關(guān)只有P開關(guān)與AUTOHOLD開關(guān)，大多放置于變速器操縱桿旁邊，如圖1所示。當采用自動模式時，按下AUTOHOLD開關(guān)，AUTOHOLD指示燈亮，駕駛員只需正常操作，系統(tǒng)會自動判斷是否駐車。當采用手動模式時，需要駕駛員自己判斷實際情況，執(zhí)行扣／按P開關(guān)操作。而在此過程中，駕駛員需要低頭觀看EPB開關(guān)指示燈狀態(tài)，并對扣／按P開關(guān)所對應(yīng)的施加／釋放駐車的執(zhí)行效果了然于胸。

而在實際使用過程中發(fā)現(xiàn)，駕駛員對于EPB開關(guān)的使用說明并不熟悉，當遇到突發(fā)情況時他們會因高度緊張而對扣／按P開關(guān)進行誤操作，從而導致汽車后溜。尤其是中、重型車輛，為了達到良好視野，其前擋風玻璃的面積設(shè)計得較大，當外部光照強烈時，EPB開關(guān)指示燈在強光下的顯示效果被削弱，此時需要駕駛員憑記憶判斷EPB開關(guān)是在何種模式下，極易造成誤判引起溜車事故。最為關(guān)鍵的是，駕駛員需要低頭操作EPB開關(guān)，脫離了前方視線，容易造成事故。

圖1　EPB開關(guān)Fig．1 EPB switch

1．2 氣壓式EPB終端功能介紹

大多數(shù)中、重型車輛的制動系統(tǒng)采用的是氣動伺服系統(tǒng)，從而機械式EPB將調(diào)整為氣壓式EPB。隨著研究的逐步深入，氣壓式EPB兼具了手動施加／釋放駐車、自動施加／釋放駐車、坡道起步輔助以及防遺忘駐車等功能，并且中、重型車輛行駛路面復雜，駕駛員容易疲勞駕駛。針對這些特點，本文利用3DS MAX和SolidWorks設(shè)計了一款集P開關(guān)、AUTOHOLD開關(guān)、駐車制動缸氣壓顯示、報警顯示為一體的人機操縱顯示終端，駕駛員可以進行無意識操作，實時了解制動氣壓大小，并根據(jù)氣壓數(shù)值數(shù)字跳動頻率判斷充、放氣速率，將駕駛員誤操作概率降低，從而避免事故發(fā)生。將EPB終端置于車輛中控面板某處，其實體三維模型如圖2所示。

圖2　EPB終端實體三維模型Fig．2 Three－dimensional model of the terminal

其中，終端上方為顯示屏，用來顯示實時氣壓、報警信號以及故障碼，下方“＋P”，“AUTOHOLD”，“－P”為集成指示燈顯示的按鈕開關(guān)。＋P按鈕、AUTOHOLD按鈕、－P按鈕分別表示進入施加駐車、自動模式、釋放駐車狀態(tài)；＋P指示燈、AUTOHOLD指示燈、－P指示燈分別表示車輛當前處在駐車、自動模式、駐車狀態(tài)。

假設(shè)當駐車制動缸氣壓為0bar時，駐車制動力達到最大；當駐車制動缸氣壓為7．0bar時，駐車制動力為0。當駕駛員采用自動模式時，按下AUTOHOLD開關(guān)，此時AUTOHOLD指示燈亮，若氣壓為0bar或系統(tǒng)根據(jù)當前坡道阻力判斷當前氣壓值可以提供足夠的駐車制動力時，＋P開關(guān)指示燈亮，表示此時處于駐車狀態(tài)。當駕駛員再次按下AUTOHOLD開關(guān)，AUTOHOLD指示燈熄滅，若此時為駐車狀態(tài)，＋P指示燈亮，否則－P指示燈亮、＋P指示燈滅。當駕駛員采用AUTOHOLD模式進行坡道起步時，隨著車輛逐步克服坡道阻力，氣壓逐漸上升，當系統(tǒng)判斷驅(qū)動力剛好可以克服當前坡道阻力時，＋P與－P指示燈滅。同時按下AUTOHOLD開關(guān)與＋P開關(guān)，顯示屏顯示“標定成功”字樣。

1．3 氣壓式EPB終端人機工效學設(shè)計

在人機系統(tǒng)中，顯示裝置是為了通過可視化的數(shù)字、曲線、文字、符號、圖像、圖形和其他人體能夠感知的信號向人傳遞機器的工況信息。而在人機系統(tǒng)中使用最頻繁、功能最強大的裝置是視覺顯示裝置。

目前，視覺顯視裝置已被大量地應(yīng)用在汽車上，為了能夠使人與汽車之間形成良好的人機互動，在設(shè)計視覺顯示裝置時，需要綜合考慮人的視覺特征、心理特征與生理特征。

視覺顯示裝置可以向操作人員提供汽車行駛過程中的相關(guān)信息，使操作人員能快速進行有效操控，保證機器系統(tǒng)按預期要求運行，完成預定工作。視覺顯示裝置按顯示形式不同可以分成數(shù)字式顯示與模擬式顯示。其中，模擬式是通過指針與刻度顯示有關(guān)參量或狀態(tài)；數(shù)字式是用數(shù)碼直接顯示相關(guān)信息［2］。

模擬顯示可以清楚地顯示模擬量的變化趨勢以及其在總量程內(nèi)所處的位置，但是認讀速度和準確度均比數(shù)字顯示低。數(shù)字顯示和模擬顯示相比，認讀準確性高，認讀速度快，但顯示變化趨勢的效果不如模擬顯示。本文設(shè)計的EPB終端除了考慮駕駛員操作方便以外，還考慮到日后維修人員可以直接在終端調(diào)出故障碼，快速定位故障問題，減輕維修人員工作量。因此，采用數(shù)字顯示來顯示氣壓與報警信號，可以減輕操作人員的疲勞程度，也更加符合人機工程學的設(shè)計原則和要求。同時為了應(yīng)對中、重型車輛路面激勵幅度大、駕駛室振幅較大、外部光照強烈，將“＋P”、“AUTOHOLD”、“－P”設(shè)計為按鍵式開關(guān)，并將終端邊緣凸起4mm，使顯示屏、按鍵內(nèi)嵌在終端框架內(nèi)，達到增加帽檐遮光與隔開各個按鍵的效果。采用＋P按鈕、－P按鈕取代扣、按P開關(guān)，使駕駛員憑終端界面就可以明確各個開關(guān)對應(yīng)的功能，從而可以進行無意識操作。

人機工程學在視覺顯示裝置設(shè)計中的應(yīng)用需要著重考慮以下3方面：一是顯示裝置和駕駛員間的距離；二是根據(jù)駕駛員的位置，確定顯示裝置的最佳布置區(qū)域；三是在設(shè)計顯示器時，要以易于準確、快速認讀為目的，確保所選顯示器有利于傳遞與顯示信息。本文采用JACK軟件搭建標準車輛模型，把EPB終端內(nèi)嵌于車輛模型的中控面板中，符合駕駛員與顯示裝置距離設(shè)計標準。表1為經(jīng)過大量實驗得出的不同顏色搭配時的配色效果。

表1　不同顏色搭配時的配色效果Tab．1 Effect of different colors collocation

由表1可以看出，黑底黃字是最清楚的配色，黃底藍字是最模糊的配色。而EPB終端按鈕為黑色，即為黑底，所以當駕駛員按下開關(guān)時，指示燈變?yōu)辄S色較為醒目。在日常使用時，黑底白字或白底黑字用的比較多，因為黑白兩種顏色比較容易掌握，也符合人們的日常習慣，所以氣壓顯示數(shù)字與字母設(shè)為黑底白字。同時，紅色經(jīng)常作為警示顏色，所以當系統(tǒng)發(fā)生故障或者駕駛員誤操作時，顯示屏顯示紅色警告字體，并發(fā)出警報聲。

根據(jù)人體手指大小與車輛模型的中控面板尺寸，將EPB終端模型尺寸設(shè)置為如圖3所示，在實際應(yīng)用中，根據(jù)不同車輛中控面板參數(shù)，可以稍作調(diào)整。

圖3　EPB終端正面簡略尺寸圖Fig．3 Positive simple size chart of EPB terminal

2 仿真環(huán)境的建立

2．1 數(shù)字人模型的建立

JACK的數(shù)字人模型比其他的實體都要復雜。其包含了68個部分，69個關(guān)節(jié)（多為多軸和多自由度聯(lián)合復合體）和135°的自由活動范圍。最重要的是，數(shù)字人的行為和約束是針對工作狀態(tài)而言的，能夠?qū)ΜF(xiàn)實情況中人的反應(yīng)進行自動控制。JACK數(shù)字人控制依靠的是反向動力學控制方法，通過肢體末端反向控制整體的運動是最前沿的三維數(shù)字人控制技術(shù)。

在JACK中，根據(jù)GB 10000—1988中國成年人人體尺寸，對1989年中國18歲到60歲男性和18歲到55歲女性的成年人尺寸數(shù)據(jù)建立中國人數(shù)字模型的數(shù)據(jù)庫。根據(jù)一般人使用原則，選擇50％的人體模型，以此滿足中國作業(yè)人群平均水平［3－9］。

2．2 車輛模型的建立

OPT是JACK軟件的一大特色，其中SAE Packaging Guidelines不但可以將數(shù)字人導入汽車模型中令其操作汽車，還可以建立一定的車輛模型，利用該功能完全可以建立中、重型車輛駕駛艙模型，完成本文研究內(nèi)容。

根據(jù)一般中、重型車輛參數(shù)，結(jié)合J941聲明，輸入符合限定范圍的車輛參數(shù)，如圖4所示。

圖4　車輛參數(shù)輸入Fig．4 Vehicle parameter input

其中，駕駛側(cè)（Driver Side）選擇中國人的駕駛習慣，選擇左側(cè)（Left）；車輛類型（Vehicle Class）選擇B類車型；座椅水平長度（Seat Track Travel （TL23））選擇“＞133 mm”；H30（AHP to SgRP Height）為油門到座椅豎直高度；Wheel Height （W9－vert）為方向盤頂部到底部的豎直高度；Side View Angel（H18）為方向盤朝前傾斜的角度；SWC to AHP horiz．distance（L11）為油門到方向盤中心的豎直距離；SWC to AHP vert．distance（H17）為油門到方向盤中心的水平距離；Torso Angle（L40）為座椅與水平面的夾角，且根據(jù)J941聲明Torso Angle（L40）參數(shù)范圍為11°～18°，而在中、重型車輛中，為了使駕駛員有更好的視野，往往需要犧牲掉一些舒適性，將此夾角調(diào)小，綜合考量下，將Torso Angle設(shè)為15°。

2．3 調(diào)整模型位置關(guān)系

JACK的強大功能之一在于可以導入外部CAD三維模型創(chuàng)建豐富的虛擬環(huán)境。將EPB終端模型轉(zhuǎn)化為IGS格式導入JACK中，并將其置于車輛模型的中控面板中。

導入外部人體姿勢文件OPT．post，該文件是JACK自帶的汽車駕駛坐姿文件，將50％的數(shù)字人坐姿調(diào)整為汽車駕駛坐姿。將數(shù)字人坐標調(diào)整為H點坐標，使用坐標定位（Site Position）將數(shù)字人定位到主駕駛座椅的H點上，并使用SAE Packaging Guidelines將參考位置（Reference Position）選擇座椅（SgPR）。

為了使人機工效仿真更具真實性，可以在Occupant（乘員）中設(shè)置適應(yīng)人數(shù)（Population Accommodation）和性別比例（Population Mix），如圖5所示。

圖5　乘員設(shè)置Fig．5 Occupant setting

Population Accommodation可以定義多少百分位的人在汽車中看清車內(nèi)的各個操作設(shè)備，為了使EPB開關(guān)安放位置更具可靠性，將Population Accommodation設(shè)為95％。Population Mix可以定義分析時的性別比例，在中、重型車輛中，男司機的比例高于女司機，為便于研究分析，此處將Population Mix設(shè)為“25／75”［10－12］。

對數(shù)字人姿勢以及EPB終端位置進行微調(diào)，完成仿真環(huán)境的建立，如圖6所示。

圖6　仿真環(huán)境建立Fig．6 Simulation environment establishment

3 EPB終端的人機工效評估

3．1 舒適度分析

為了判斷數(shù)字人模型與車輛模型是否契合，對數(shù)字人進行舒適度分析（Comfort Assessment）。Comfort Assessment提供了6個舒適度參考數(shù)據(jù)，本文研究內(nèi)容對于關(guān)節(jié)舒適度要求不高，選擇單關(guān)節(jié)舒適度中Porter（1998）即可滿足研究要求。分析結(jié)果如圖7所示。當移動肢體動作時，數(shù)據(jù)條的長度會改變。當關(guān)節(jié)彎曲角度在限定范圍之內(nèi)時，數(shù)據(jù)條呈綠色，一旦超出就變?yōu)辄S色。其中，Value，Mode，Low和High分別表示當前數(shù)值、典型數(shù)值、最低和最高限定值，數(shù)據(jù)條中心就是典型數(shù)值，這樣可以更為直觀地看出關(guān)節(jié)彎曲程度與標準彎曲程度的差異。由圖7中可以看出，數(shù)字人整體姿勢的舒適度良好，可以進行后續(xù)的人機工效分析。

圖7　舒適度分析結(jié)果Fig．7 Comfort Assessment results

3．2 可視域分析

視域的合格性是通過人的雙眼與產(chǎn)品上特定對象的位置關(guān)系來判定，識別或觀察對象位于視錐體內(nèi)即為合格。

JACK軟件中的視野是通過以視野角度和視距確定的視錐體來分析的，視錐體包絡(luò)的范圍表示控制臺的可見范圍，通過建立字母辨別范圍、顏色辨別范圍、最佳視野范圍、極限范圍的視錐體，映射各個視錐體在控制臺上的相對位置，則可以判斷控制臺上操作按鈕位置設(shè)置是否合理［13］。

本文采用視角（Eye View）、障礙域（Obscuration Zones）、視錐（View Cones）相結(jié)合的方式，多方位驗證EPB終端安放位置的合理性。Eye View是將錄像機定位到數(shù)字人的第一視角上，調(diào)用該功能顯現(xiàn)出人眼真實的視角，調(diào)整數(shù)字人頭部的位置，使數(shù)字人在看清前方路面情況的同時可以自然地觀察到中控面板；Obscuration Zones可以仿真出因方向盤引起的障礙域，為了確保EPB開關(guān)安放位置的可靠性，將左眼球作為視點坐標（Eye Point Site），將方向盤設(shè)為障礙物體，并將Bounding Distance設(shè)為50cm；View Cones是從人的眼睛為出發(fā)點，將眼睛能看到的區(qū)域立體的展現(xiàn)出來，此處將視錐長度設(shè)為100cm，視錐角度設(shè)為40°，該角度是人的最理想的視角范圍。在利用Eye View進行可視域分析時，發(fā)現(xiàn)數(shù)字人視線被方向盤遮住，通過人眼看不到EPB終端，如圖8所示。

圖8　視角分析Fig．8 Eye View assessment

將EPB終端位置重新調(diào)整后，可視域分析效果如圖9所示，符合50％數(shù)字人的可視域要求。

圖9　可視域分析Fig．9 Vision analysis

3．3 可達域分析

可達域的衡量標準以合格與不合格體現(xiàn)，可達域的合格性指人體與產(chǎn)品“裝配”定位后，在滿足舒適度的前提下，手、足可否觸及產(chǎn)品上特定部分，并實現(xiàn)預定操縱。

JACK軟件中的可達域是通過以肩關(guān)節(jié)和手臂確定的球體來分析的，球體包絡(luò)的范圍表示按鍵的可達范圍，通過建立手臂側(cè)伸、平伸、上舉的可達域球體，映射包含所有控制臺按鍵在內(nèi)的可達域球體，即驗證所有按鍵均符合可達域要求。

人體在駕駛的時候不能聯(lián)合全身關(guān)節(jié)，所以在可達域分析的時候不用常規(guī)的Reach Zones分析工具，而采用SAE Packaging Guidelines中的可達域分析，如圖10所示。

圖10　可達域分析設(shè)置Fig．10 Reach Zones analysis

Push Button Max Reach Zone代表的是50％的人系著安全帶的時候可以將指尖往前伸到的最遠區(qū)域，Three Finger Max Reach Zone代表的是50％的人系著安全帶的時候可以將3個手指往前伸到最遠區(qū)域，將可達域的Push Button，Three Finger選項開啟。分析結(jié)果如圖11所示，符合50％數(shù)字人的可達域要求，因此EPB終端安放位置是合理的。

圖11　可達域分析圖Fig．11 Reach Zones analysis chart

4 結(jié) 語

將人機工程學運用于EPB終端的布局設(shè)計中，使駕駛員能夠在無意識情況下對EPB終端進行操作，從而降低車輛在行駛過程中的操作失誤，提高駕駛操作的安全性和維修人員的工作效率［14－15］。提出了氣壓式EPB終端構(gòu)想，建立了三維模型，并應(yīng)用JACK軟件進行了舒適度、可視域和可達域的分析，驗證了終端設(shè)計的合理性。將本文研究方法理論化、實踐化，對今后車輛顯示終端、車聯(lián)網(wǎng)控制終端設(shè)計有一定的借鑒作用。

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Design and ergonomics analysis of pneumatic EPB terminal based on JACK

GU Wenhao1，WANG Hongliang1，ZHANG Yanjia2，TAN Lebin1
（1．School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing，Jiangsu 210094，China；2．School of Energy and Power Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing，Jiangsu 210094，China）

Abstract：The existing EPB terminal is designed for the demand of mechanical EPB of passenger car，which can not meet the display need of air pressure，fault alarm，etc．Aiming at the operating characteristics of pneumatic EPB，the paper uses the principle of ergonomics to design a EPB terminal．It uses 3DS MAX and SolidWorks to establish three－dimensional model of the terminal，and uses JACK software to establish digital human and vehicle models with reasonable layout．The rationality of the layout is verified through comfort analysis of the digital human．The visual field analysis of the terminal from multiple perspectives is carried out by combining the eye view，the obscuration zones and the view cones．Packaging Guidelines SAE is used to analyze the reaching zones based on the human body characteristics during driving．By using JACK for ergonomics analysis of the terminal from multiple perspectives，the rationality of the improved design is verified，showing that the design cycle is shortened，and the design cost is reduced．

通訊作者：王洪亮副教授。E－mail：whl343＠163．com

作者簡介：谷文豪（1991—），男，江蘇宿遷人，碩士研究生，主要從事汽車電子方面的研究。

基金項目：國家自然科學基金（51205204，51205209）；中國博士后科學基金（2013M531360）

收稿日期：2015－11－26；修回日期：2015－12－10；責任編輯：陳書欣

文章編號：1008－1534（2016）02－0095－07

中圖分類號：TP391．9

文獻標志碼：A

doi：10．7535／hbgykj．2016yx02001