馬勝全，閆福剛，郭柏蒼，金立生

（1.中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130022；2.吉林大學(xué)交通學(xué)院，吉林 長春 130022）

1 引言

高速智能動(dòng)車組已經(jīng)成為我國一張靚麗的名片，代表著我國先進(jìn)制造業(yè)的高端水平。其中列車駕駛室是車的中樞，決定著列車運(yùn)行的安全性與可靠性，將人機(jī)工程理論與方法應(yīng)用于列車設(shè)計(jì)，是列車設(shè)計(jì)過程中的開發(fā)環(huán)節(jié)的重要階段，許多交通工具均采用相關(guān)的虛擬仿真軟件進(jìn)行人機(jī)工程分析[1]，是提高列車運(yùn)營安全和效率，增強(qiáng)列車國際競爭力，大大提升品牌形象的重要手段，具有重大的理論與現(xiàn)實(shí)意義。

目前，國內(nèi)對于駕駛室人機(jī)工程的研究主要集中在乘用車與特種車輛方面，文獻(xiàn)[2]以LX854 輪式拖拉機(jī)駕駛室為研究對象，使用CATIA 建立仿真模型并對各種百分比的駕駛員進(jìn)行了操縱臺操縱性以及視野分析，并根據(jù)仿真結(jié)果對駕駛室進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化；文獻(xiàn)[3]使用JACK 軟件，并結(jié)合SAE 標(biāo)準(zhǔn)對電動(dòng)拖拉機(jī)進(jìn)行建模，重新確定了拖拉機(jī)的H 點(diǎn)，有效提高了駕駛室的舒適性以及操控穩(wěn)定性；文獻(xiàn)[4]用CATIA 建模以及RAMSIS 軟件對某型裝甲車的駕駛室進(jìn)行了優(yōu)化，有效降低了身體各部分的不舒適性，并對前方視野性進(jìn)行了優(yōu)化。

國內(nèi)關(guān)于軌道列車駕駛室人機(jī)工程的研究還處于起步階段，進(jìn)展比較緩慢，缺少具體的人體尺寸標(biāo)準(zhǔn)以及可參考的人機(jī)分析規(guī)范，并且由于列車擴(kuò)展功能的增多，駕駛室內(nèi)的各種先進(jìn)裝置不斷增加，進(jìn)一步增加了人機(jī)工程分析的難度。因此需要在借鑒美國、歐洲、日本等發(fā)達(dá)國家的人機(jī)工程經(jīng)驗(yàn)，并參考其他行業(yè)成熟人機(jī)工程分析經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，形成適合我國具體國情的軌道列車行業(yè)人機(jī)工程分析標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范[5]。文獻(xiàn)[6]通過對國內(nèi)外軌道列車人機(jī)工程進(jìn)行的大量調(diào)研，對我國軌道列車的駕駛室以及客室的人機(jī)設(shè)計(jì)上提出了一些相應(yīng)的設(shè)計(jì)建議。

在建立我國列車駕駛?cè)司唧w人體模型的基礎(chǔ)上，基于RAMSIS 軟件對復(fù)興號某車型駕駛室的空間布置進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析，對駕駛員的駕駛員伸及性、前方視野性、空間性、儀表盤視野性、坐姿舒適性等進(jìn)行人機(jī)分析，并使用G1 評價(jià)方法進(jìn)行定量校核，從而改善駕駛員的工作環(huán)境，提高列車運(yùn)行的安全性。

2 基于RAMSIS 軟件平臺的仿真理論

2.1 RAMSIS 軟件簡介

RAMSIS 是一種數(shù)字化人體模型建模軟件。該軟件可以為工程師提供一個(gè)詳細(xì)的三維人體模型，來模擬仿真駕駛員的行為。它使設(shè)計(jì)者在產(chǎn)品開發(fā)過程的初期，在只有CAD 數(shù)據(jù)的情況下就可以進(jìn)行大量的人機(jī)工程分析，從而避免在后期階段進(jìn)行昂貴的修改。

目前，RAMSIS 因其自身的獨(dú)特優(yōu)勢，已經(jīng)被全球70%以上的轎車制造商所使用。故將RAMSIS 引入到軌道列車的人機(jī)工程分析中來，用客觀的數(shù)據(jù)把駕駛?cè)嗽隈{駛室內(nèi)的狀態(tài)真實(shí)的反映出來，為高速列車的前期開發(fā)提供重要的理論依據(jù)。

同傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)人體模型相比，RAMSIS 最主要的特點(diǎn)是自動(dòng)姿勢計(jì)算功能。傳統(tǒng)的軟件要求使用者通過輸入關(guān)節(jié)角度來主觀的創(chuàng)建姿勢，這樣得到的姿勢往往是不符合實(shí)際的。RAMSIS 利用新的方法處理姿勢計(jì)算過程，使用者只需要給出人體模型的一系列的約束，RAMSIS 就可以自動(dòng)進(jìn)行模型的姿勢調(diào)節(jié)[7-8]。

2.2 駕駛室模型的建立

為了對復(fù)興號某車型的駕駛室進(jìn)行人機(jī)工程分析，首先利用三維建模軟件Rhino 進(jìn)行三維立體建模，建模的主要部分為：列車外殼、駕駛室內(nèi)裝、駕駛臺及其附屬部件、座椅，建立的駕駛模型組裝后，如圖1 所示。

圖1 駕駛室三維模型Fig.1 3D model of the Cab

2.3 人體模型的建立

駕駛室設(shè)計(jì)選用的駕駛員人體尺寸，應(yīng)該符合中國成年人人體尺寸的有關(guān)規(guī)定，根據(jù)中國鐵路的實(shí)際情況，僅考慮成年男性駕駛員，同時(shí)要盡可能滿足身材矮小及身材高大者的作業(yè)要求，所以選取第5 百分位到第95 百分位的成年男子人體尺寸進(jìn)行駕駛室人機(jī)工程分析。

我國目前已經(jīng)被各行各業(yè)采用的的人體標(biāo)準(zhǔn)為《中國成年人人體尺寸》標(biāo)準(zhǔn)（GB10000-1988）[9]，但是近三十年來，中國人的身高已經(jīng)有了明顯的增長，繼續(xù)采用該標(biāo)準(zhǔn)是不合理的。通過對列車司機(jī)身體尺寸進(jìn)行抽樣調(diào)查，對比歐標(biāo)《UIC 651 標(biāo)準(zhǔn)》可以發(fā)現(xiàn)，歐標(biāo)的各個(gè)百分比的人的身高與目前中國人的身高接近，并考慮到中國的軌道列車不斷向國際化發(fā)展，因此，這里采用范圍更大的國際鐵路聯(lián)盟建議人體尺寸數(shù)據(jù)。取P5 人體模型為1600mm，P50 人體模型為1742mm，P95 人體模型為1900mm，據(jù)此在RAMSIS 中建立的人體模型，如圖2 所示。從左到右分別是P5、P50、P95。

圖2 三種百分位人體模型Fig.2 Three Kind of Percentile Human Models

2.4 人體姿勢計(jì)算與約束

以舒適坐姿把人體約束在座位上。給定周邊環(huán)境數(shù)據(jù)以及約束條件，RAMSIS 軟件可以自動(dòng)計(jì)算出駕駛員最可能的駕駛姿態(tài)。進(jìn)行約束后的人體的姿勢與布置，如圖3 所示。

要進(jìn)行的約束主要有以下：（1）人體的H 點(diǎn)與座椅的設(shè)計(jì)H點(diǎn)；（2）左腳踵點(diǎn)與踏板平面；（3）左腳踏點(diǎn)與踏板平面；（4）右腳踏點(diǎn)與踏板平面；（5）右腳踏點(diǎn)與踏板平面；（6）右手與解調(diào)器，左手放在駕駛臺平面上。

圖3 人體模型姿態(tài)與布置Fig.3 Posture and Arrangement of Human Model

3 駕駛室人機(jī)仿真分析與優(yōu)化

3.1 空間布置尺寸鏈確定

初始設(shè)計(jì)階段，依據(jù)《UIC 651 標(biāo)準(zhǔn)》以及先前設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對列車駕駛室空間布置進(jìn)行初期設(shè)計(jì)，在操縱臺高度確定的條件下，座椅與操縱臺的相對位置關(guān)系為尺寸鏈閉環(huán)，駕駛室座椅為可調(diào)座椅，上下可調(diào)節(jié)范圍為80mm，前后可調(diào)節(jié)范圍為200mm。在初始設(shè)計(jì)時(shí)采用極限設(shè)計(jì)法，設(shè)計(jì)為P5 人體模型在座椅可移動(dòng)范圍的最前端下端，P50 人體模型在座椅可移動(dòng)范圍的中間位置，P95 人體模型在座椅可移動(dòng)范圍的最后最上端。

圖4 優(yōu)化前高、低處信號視野Fig.4 Optimized High and Low Signal Field of View

首先對初始設(shè)計(jì)模型進(jìn)行駕駛室人機(jī)分析最為重要的前方信號燈視野分析，分析結(jié)果，如圖4 所示。P5 駕駛員前方低處信號燈視野被嚴(yán)重遮擋。P5 駕駛員前方信號燈視野不良，正常駕駛時(shí)難以看到前方低處信號燈，嚴(yán)重影響行車安全性，如不進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，將有可能發(fā)生嚴(yán)重事故。造成此的原因主要是不同型號車體外廓流線不同，前窗大小不一致，且不同車型駕駛員眼點(diǎn)到前窗玻璃的水平距離不同，以及駕駛室地板高度的差異。需要針對具體的車型進(jìn)行人機(jī)優(yōu)化，調(diào)節(jié)閉環(huán)尺寸鏈，使得駕駛室的空間布置滿足駕駛員的駕駛需求。

調(diào)節(jié)座椅平面到駕駛室地板的垂直距離，以P50 人體正常坐姿時(shí)為基準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整。

式中：D—調(diào)整后距離；fa—P50 人體正常坐姿時(shí)大腿到地面的垂直距離；h—大腿厚度；m—尺寸修正量，如衣服厚度，鞋子厚度等。

依據(jù)P50 人體手臂長度調(diào)節(jié)座椅到操縱臺的水平距離，保證駕駛員的伸及性；依據(jù)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)操縱臺位置，保證駕駛員眼點(diǎn)到前窗玻璃的距離，最后得到的空間布置方案，如圖5 所示。在進(jìn)行人機(jī)工程分析的過程中，根據(jù)實(shí)際情況，對人體模型進(jìn)行約束，本節(jié)之后的分析結(jié)果是基于優(yōu)化之后的。

圖5 優(yōu)化后的駕駛室空間布置Fig.5 Optimized Cab Layout

3.2 駕駛員伸及性分析

當(dāng)各種身材的駕駛員在正常駕駛時(shí)，手部均可以觸碰到臺面上的各個(gè)按鈕，頻繁使用和緊急使用的控制部件要在人體最易觸及到的位置上，反映到仿真軟件上即為在人體模型約束好之后，其手部的包絡(luò)面可以覆蓋工作臺面。

將人體模型約束好之后，得到的駕駛員手部伸及性包絡(luò)面，如圖6 所示。紅色為P95 人體模型手部伸及性范圍，綠色為P50人體模型手部伸及范圍，黃色為P5 人體模型手部伸及范圍。駕駛員右手操縱調(diào)控器時(shí)，在身體略微前傾的情況下，左手便可以按下距離較遠(yuǎn)的關(guān)鍵按鈕。結(jié)果表明臺面與座椅的相對位置滿足駕駛員的伸及性要求，不同體型的駕駛員都可以在正常駕駛姿勢時(shí)輕易的觸碰到操縱面板上的按鈕，并且在身體不做大幅度移動(dòng)的情況下就可以操縱距離較遠(yuǎn)的關(guān)鍵按鈕。

圖6 人體模型伸及性分析Fig.6 Extension Analysis of Human Body Model

3.3 前方視野性分析

根據(jù)《UIC 651 標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，對駕駛室的前方視野性進(jìn)行分析?！禪IC 651 標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定駕駛員視野需要同時(shí)滿足高處信號和低處信號可見的要求。高處信號可見性要求規(guī)定，所有駕駛員均能夠準(zhǔn)確讀取縱向距離緩沖器前端10m，橫向距軌道中線2.5m，垂向高出軌道面6.3m 位置的信號；低處信號可見性要求規(guī)定，所有駕駛員均能讀取縱向距離緩沖器前端15m，橫向距離軌道中心1.75m，垂向與軌面齊平的信號[10]。

駕駛員進(jìn)行約束之后，對其前方視野性進(jìn)行分析，仿真結(jié)果以P50 人體模型為例進(jìn)行說明，如圖7 所示。左圖為低處信號燈視野，右圖為高處信號燈視野，前方高低處信號燈視野良好。故而可以得出結(jié)論：駕駛員在正常駕駛時(shí)可以清楚的看到高低處信號燈。

圖7 高、低處信號視野Fig.7 High and Low Signal Field of View

3.4 儀表盤視野

儀表盤主要是提供信息顯示裝置布置的載體，駕駛員通過讀取儀表盤上的信息及各項(xiàng)參數(shù)，知曉列車的運(yùn)行狀況，并根據(jù)不同的工況進(jìn)行不同的操作，因此，駕駛員能否順利的讀取信息對于列車的安全運(yùn)行具有至關(guān)重要的意義。首先，儀表盤各個(gè)顯示裝置應(yīng)該以能夠使駕駛員舒服觀察的方式排列，并便于駕駛員以合理的習(xí)慣來觀察。其次，主要的信息顯示裝置都應(yīng)盡可能布置在駕駛員自然的觀察范圍內(nèi)，次要的儀表盡量布置在駕駛員不大動(dòng)身體，僅稍稍轉(zhuǎn)動(dòng)頭部就能輕松觀察到的范圍內(nèi)[11]；第三，儀表的排列要符合讀識的邏輯順序。以中等身材（P50）的駕駛員為例進(jìn)行說明。

圖8 注視前方時(shí)儀表視野Fig.8 Visual Field of Instrument when Looking Ahead

黃色區(qū)域?yàn)轳{駛員的視野區(qū)域，如圖8 所示?？梢钥闯?，正常駕駛時(shí)，駕駛員目視前方，能直接觀察到中間的顯示屏，處于兩側(cè)邊緣位置的顯示屏駕駛員無法直接觀察得到，這時(shí)，保持駕駛姿勢不變，將駕駛員頭部分別向左，向右轉(zhuǎn)動(dòng)角度α，駕駛員的視野范圍，如圖9 所示。

圖9 左右轉(zhuǎn)動(dòng)頭部時(shí)儀表視野Fig.9 Instrument Field of View When Turning Head Around

通過分析可知，駕駛員只需要稍微轉(zhuǎn)動(dòng)頭部，便可以看到臺面上所有的儀表顯示器，說明駕駛室的儀表布置合理，駕駛?cè)四軌颢@得良好的儀表視野。

3.5 空間性

駕駛室應(yīng)該為駕駛員提供較為寬闊的工作空間，以方便進(jìn)出以及進(jìn)行各種操作?？臻g性主要分為兩個(gè)方面：一是駕駛員腿部到駕駛臺下邊緣的距離，《UIC 651 標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，駕駛臺的形式和尺寸大小應(yīng)當(dāng)允許駕駛員很容易的接近座位以及保證其有足夠的膝蓋自由活動(dòng)空間。駕駛員正常駕駛時(shí)，駕駛員腿部和駕駛臺下表面不應(yīng)該產(chǎn)生干涉，并能保持一定的距離，結(jié)果如表1 所示；另一為參觀位置的垂向距離。參觀位置的垂向距離應(yīng)該滿足中等身材的人站立要求。參觀位置的仿真分析，如圖10 所示。

表1 駕駛員腿部空間仿真分析結(jié)果Tab.1 Analysis Results of Driver's Leg Space Simulation

選取P50 的人體模型，將其約束到參觀位置處，保持身體正常直立，測量頭頂部與駕駛室內(nèi)裝的垂向距離，由分析結(jié)果可以看出，在參觀位置人體模型頭頂部到駕駛室內(nèi)裝的垂直距離為80.8mm。通過以上分析，駕駛室的布置可以提供給駕駛員較為寬闊的活動(dòng)空間，且參觀位置的垂向距離約為1823mm，完全可以滿足中等及以下身材的人員的正常站立需求，P95 身材的人不能較好的站立，但在此位置不過是做簡單停留，并不影響列車的操縱安全性。

圖10 參觀位置仿真分析Fig.10 Visitor Location Simulation Analysis

3.6 舒適性

駕駛員在正常駕駛時(shí)，身體應(yīng)該保持舒適狀態(tài)，從而避免疲勞，提高列車運(yùn)行的安全性。在RAMSIS 中，舒適性評價(jià)指標(biāo)包括三部分：總體不舒適性、身體各部位不舒適性和脊柱健康指數(shù)。總體不舒適性包括疲勞值和總不舒適感覺值兩部分，評分從0 到8，其值越低越好。身體各部位不舒適性包括頸部、肩膀、背部、臀部、腿部、手臂的不舒適感覺值，評分從0 到8。通常認(rèn)為，評分值小于2.5 時(shí)是非常理想的結(jié)果，（2.5～5.5）之間認(rèn)為是可以接受但需要改進(jìn)的，高于5.5 則是不可接受的[12]。脊柱健康指數(shù)也是從0到8，通常認(rèn)為其值在（4～5）之間是可以接受的[7]。將P5、P50、P95三種人體模型分別約束好，進(jìn)行坐姿駕駛舒適性分析，得到的身體各部位的舒適性評分，如表2 所示。

表2 駕駛員坐姿舒適性Tab.2 Driver’s Sitting Comfort

從三種不同百分位駕駛員在正常駕駛時(shí)身體各項(xiàng)舒適性指數(shù)可以看出，三種不同百分位的人的頸部、肩部、背部、臀部、腿部、手臂均處于非常理想的狀態(tài)，脊柱健康指數(shù)處于可接受范圍內(nèi)，總體不舒適性表現(xiàn)較好；因?yàn)樯聿姆矫娴脑?，P5 百分位的人的各項(xiàng)指數(shù)比P50、P95 百分位的人稍高。以上可以說明駕駛室駕駛臺與座椅位置關(guān)系布置合理，駕駛員可以獲得較好的駕駛舒適性。

4 客觀評價(jià)方法

4.1 G1 綜合評價(jià)理論

應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)評價(jià)原理，采用模糊評價(jià)方法，將影響駕駛室人機(jī)工程的各個(gè)因素統(tǒng)一起來，建立模糊評價(jià)模型，分析駕駛室的設(shè)計(jì)情況。筆者采用文獻(xiàn)[14]提出的利用權(quán)重建立評價(jià)模型的G1 法。應(yīng)用G1 法求權(quán)重的過程如下：（1）選定駕駛員舒適度評價(jià)指標(biāo)；

（2）按照選定指標(biāo)的重要程度進(jìn)行排序，過程為：在m個(gè)指標(biāo)中選取最為重要的一個(gè)；然后再余下的m-1 個(gè)選取最重要的一個(gè)，以此類推，直到選出最后一個(gè)指標(biāo)，便完成了排序。

（3）對排序之后的指標(biāo)進(jìn)行賦值，對已經(jīng)完成排序的k-1 個(gè)指標(biāo)和K個(gè)指標(biāo)的比值（k-1/k）進(jìn)行賦值，記為wk-1/wk=rk，k=2，3，…，m-1，m。其中，rk的賦值參照，如表3 所示。

rk 含義1.0 指標(biāo)rk-1 與指標(biāo)rk 具有同樣重要性1.2 指標(biāo)rk-1 與指標(biāo)rk 稍微重要1.4 指標(biāo)rk-1 與指標(biāo)rk 明顯重要1.6 指標(biāo)rk-1 與指標(biāo)rk 強(qiáng)烈重要1.8 指標(biāo)rk-1 與指標(biāo)rk 極端重要

（4）權(quán)重系數(shù)的計(jì)算

式中：wk-1=rkwk，（k=m，m-1，……，3，2）。

（5）通過求出的權(quán)重進(jìn)行人機(jī)分析的模糊評價(jià)。

4.2 基于G1 法的駕駛員舒適度評價(jià)

以舒適性的評價(jià)為例進(jìn)行模糊評價(jià)。針對優(yōu)化前后的P50人體模型舒適性進(jìn)行對比。優(yōu)化前后各項(xiàng)指標(biāo)的選取及排序（從上到下重要程度不增），如表4 所示。

駕駛員舒適度評價(jià)指標(biāo) 優(yōu)化前 優(yōu)化后不舒服感 2.3 2.0疲勞感 3.0 2.5脊柱健康指數(shù) 4.7 4.7肩部 1.3 1.4頸部 2.0 1.6臀部 0.9 0.9背部 1.1 1.2

由分析結(jié)果得到的評價(jià)矩陣為：

由G1 法求的各項(xiàng)權(quán)重，即Wp=（0.114，0.114，0.137，0.137，0.137，0.164，0.197）。

得到坐姿駕駛舒適性的評價(jià)結(jié)果為：

由坐姿舒適性的模糊評價(jià)可知，優(yōu)化后的坐姿舒適性為的評分為1.95，優(yōu)于優(yōu)化之前的坐姿舒適性（2.06）。

5 結(jié)論

列車駕駛室是整個(gè)列車編組的核心，對列車的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，列車駕駛員工作強(qiáng)度大，連續(xù)工作時(shí)間長，特別容易產(chǎn)生駕駛疲勞，因此在設(shè)計(jì)之初對列車的駕駛室進(jìn)行人機(jī)工程校核與優(yōu)化，對提高駕駛室舒適性與運(yùn)行安全性以及避免后期昂貴的修改，有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。通過運(yùn)用RAMSIS 軟件并結(jié)合《UIC 651 標(biāo)準(zhǔn)》等標(biāo)準(zhǔn)，針對具體的駕駛員群體，對復(fù)興號列車駕駛室駕駛員的伸及性、前方視野性、空間性、儀表盤視野性、坐姿舒適性進(jìn)行了仿真分析，并采用模糊評價(jià)的方法，對主觀因素的評價(jià)進(jìn)行了客觀的量化，為列車的前期設(shè)計(jì)提供了依據(jù)與指導(dǎo)性意見，提高了列車的駕駛舒適性與安全性。通過人機(jī)分析方法，也為后續(xù)其他車型的開發(fā)提供了參考。利用人機(jī)工程方法對列車進(jìn)行人機(jī)工程校核與設(shè)計(jì)，必將有力的促進(jìn)我國軌道列車行業(yè)的發(fā)展。