鐘凌生, 張陳林, 劉 彪, 方 璟, 唐 鵬, 李揚(yáng)戈

(1.湖南中車智行科技有限公司, 長沙 410006;2.湖南省多鉸接膠輪運(yùn)輸系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心, 長沙 410006)

人機(jī)工程的目的是通過揭示人、機(jī)、環(huán)境三要素之間相互關(guān)系的規(guī)律,從而確保人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)總體性能的最優(yōu)化[1]。座椅的舒適性、操縱裝置、儀表布置等人機(jī)界面的友好程度直接影響著駕駛的疲勞程度,并關(guān)系著行車的安全[2]。本文分析人機(jī)工程在駕駛室設(shè)計中的相關(guān)應(yīng)用,通過對駕駛室環(huán)境(視野、噪聲、熱環(huán)境、人性化等)的合理設(shè)計,為司乘人員提供安全、舒適、便捷的工作環(huán)境。本車結(jié)合了公共汽車和有軌電車的行駛和操作特點,配置有方向盤及踏板,方便在普通市區(qū)道路行駛且靈活操作;在開啟循跡模式(即跟隨地面軌跡線)時,車輛運(yùn)行可做到自動駕駛,駕駛員僅需要做加速、制動及主動安防等操作。

1 車型及其運(yùn)行方式簡介

多編組鉸接電車具有虛擬軌跡跟隨能力,即通過地面標(biāo)線,利用機(jī)器視覺跟蹤地面軌跡線的方式實現(xiàn)控制,是以全電驅(qū)動膠輪(普通輪胎)車輛作為運(yùn)載工具的新型交通產(chǎn)品,采用“虛擬軌跡跟隨控制”技術(shù)實現(xiàn)在虛擬軌跡上的運(yùn)行[3]。采用多軸轉(zhuǎn)向系統(tǒng),智能對虛擬軌跡進(jìn)行跟蹤控制,通過各類傳感器來檢測控制車輛的姿態(tài)、坐標(biāo)等信息,增加前后輪的軌跡重合率,使整列車轉(zhuǎn)彎半徑與普通城市客車相當(dāng),能夠精準(zhǔn)控制車輛行駛在既定的“虛擬軌跡”上,虛擬軌跡即運(yùn)行道路上使用反光型道路標(biāo)志涂料的地面標(biāo)識線,如圖1所示(圖中1、2即為“虛擬軌跡”)。多編組鉸接電車目前已在我國株洲、宜賓、哈爾濱以及阿聯(lián)酋阿布扎比等城市開通運(yùn)營。

圖1 多編組鉸接電車運(yùn)行在“虛擬軌跡”道路上

車輛全長超過30 m,最高車速可達(dá)70 km/h,采用標(biāo)準(zhǔn)的3節(jié)編組時,列車可載客超過300人,能有效解決普通城市客車載客量小的問題,大大提高了運(yùn)力。車輛采用模塊化組裝,包含3個基本模塊(Mc動車+Tp拖車+Mc動車),Mc是帶駕駛室的動車(有牽引力的車廂),Tp是帶受電弓的拖車(無牽引力的車廂,受電弓在中部車廂頂部,充電網(wǎng)只設(shè)置在線路的首末站,運(yùn)行期間受電弓折疊收放在車頂),互相之間用鉸接裝置相連。車內(nèi)為100%低地板結(jié)構(gòu),方便乘客上下車。車輛可雙向行駛,兩端均設(shè)有駕駛室。其外觀如圖1所示。

2 視野設(shè)計

2.1 車前視野

影響車前視野的主要因素是駕駛員眼點的上視角和下視角[4]。GB/T 13053—2008《客車車內(nèi)尺寸》[5]規(guī)定了上視角及下視角的公式及數(shù)值要求:

上視角:a4≥arctan (5-M)/(12+N)≥12.7°

下視角:a5≥arctanM/(3+N)≥25°

式中:M為眼點距離地面高度;N為眼點距離車輛前杠最前沿的水平距離。

駕駛員車前視野的校核示意圖如圖2所示,通過測量和計算,得出M約為2 m,N約為1.3 m;計算得出該車的上視角a4為57°,下視角a5為26°,皆滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。由于車輛的駕駛區(qū)域離地較高,駕駛員的下視角雖然滿足要求,但偏小,會導(dǎo)致車輛前部存在較大的盲區(qū)。可在駕駛室設(shè)計中通過在頭罩(即前包圍)上部及兩側(cè)加裝360°全景環(huán)視監(jiān)測系統(tǒng),從而有效地避免車身前部及兩側(cè)視角盲區(qū)的影響。

圖2 駕駛員車前視野的校核示意圖

2.2 儀表視野

儀表設(shè)備的布置首先要考慮圖3(a)所示的水平面視野。與眼睛水平視線的角度越小,眼睛的識別能力越強(qiáng)。因此儀表應(yīng)根據(jù)顯示信息的重要性和使用頻率從眼點中央向兩側(cè)布置,重要的顯示信息布置在駕駛員正面左右各30°以內(nèi),超過30°可布置次要設(shè)備,其余設(shè)備建議均布置在駕駛員眼點前方左右各60°以內(nèi)。此外,還應(yīng)考慮圖3(b)所示的垂直視野[2]。人的視線在與顯示面垂直時能夠最清楚地識別顯示信息。考慮駕駛員是在坐姿下觀察顯示設(shè)備,存在自然向下15°的自然視線,故顯示區(qū)域整體應(yīng)有一個與垂直面的傾斜角度,顯示功能的傾斜角度最好在15°～30°之內(nèi)[6]。

(a) 眼點水平面視野

(b) 眼點垂直面視野圖3 人的水平視野和垂直視野

如圖4(a)所示,將儀表臺上最重要的網(wǎng)絡(luò)顯示屏、信號顯示屏和監(jiān)控顯示屏均集中布置于正前方左右各30°的范圍內(nèi),并將使用頻率最高的信號顯示屏布置在正中間。集中布置,可有效提高駕駛員對信息的識別效率。其余按鈕以及指示燈布置在前方左右各60°以內(nèi)。如圖4(b)所示,在垂直視野中,儀表臺上的顯示器顯示區(qū)域的角度在29°～43°之間。儀表布置均在較合理的區(qū)域。

(a) 儀表水平視野校核示意圖

(b) 儀表垂直視野校核示意圖圖4 儀表水平和垂直視野的校核示意圖

3 操作界面

駕駛員的作業(yè)區(qū)域大體可分為3個部分:①正常(舒適)作業(yè)區(qū)域,駕駛員能在小臂正常放置而上臂處于自然懸垂?fàn)顟B(tài)下舒適地操作;②指尖最大接近的作業(yè)區(qū)域,在臂部伸展并伸出手指狀態(tài)下能夠操作,但這種作業(yè)狀態(tài)不宜持續(xù)很久;③最大(極限)作業(yè)區(qū)域,在身體前傾并伸展臂部狀態(tài)下能夠操作,此區(qū)域為不推薦布置區(qū)域,且禁止布置行車中需操作的設(shè)備。

因此,布置操作設(shè)備必須遵循重要性和使用頻率原則,將重要的、使用頻率高的設(shè)備和按鈕布置在駕駛員易見、易及的位置,防止混淆和誤操作。

圖5為正常坐姿狀態(tài)下的人機(jī)操作校核示意圖。如應(yīng)急制動開關(guān)、駐車和駐車釋放等重要的開關(guān)布置在最舒適的區(qū)域;開關(guān)門等經(jīng)常操作的按鈕及車載語音廣播等設(shè)備布置在指尖能觸及的區(qū)域;其余顯示屏、監(jiān)控屏等設(shè)備以及不常使用或停車狀態(tài)下使用的按鈕(如受電弓、換端操作等)布置在極限區(qū)域內(nèi)。

圖5 正常坐姿狀態(tài)下儀表臺人機(jī)校核圖

圖6為該車極限坐姿狀態(tài)下(身體接觸方向盤)儀表臺人機(jī)操作校核圖。受到方向盤的限制,該車駕駛室存在個別按鈕的布置偏遠(yuǎn)以及兩側(cè)觸摸屏(左側(cè)網(wǎng)絡(luò)顯示屏及右側(cè)監(jiān)控顯示屏)不便操作的情況。為方便操作網(wǎng)絡(luò)顯示屏上常用的報站操作,在儀表司控臺上設(shè)置了物理報站按鈕,以便駕駛員操作。

(a) 極限狀態(tài)下垂直校核示意圖

(b) 極限狀態(tài)下水平校核示意圖圖6 極限坐姿狀態(tài)下(身體接觸方向盤)儀表臺人機(jī)校核圖

4 環(huán)境因素

人機(jī)工程中,對駕駛員產(chǎn)生影響的環(huán)境因素主要有熱環(huán)境、照明、噪聲、振動、粉塵以及有毒物質(zhì)等。

4.1 熱環(huán)境

駕駛室內(nèi)熱環(huán)境的因素包括:空氣溫度、濕度以及熱輻射。多種因素會影響人體對熱環(huán)境的主觀感受。駕駛室內(nèi)的熱管理參考GB/T 23431—2009中的相關(guān)要求[7]:駕駛室內(nèi)的制冷能力,應(yīng)滿足外部環(huán)境溫度為33 ℃時,車內(nèi)溫度不高于28 ℃,相對濕度不超過65%,且人均新風(fēng)量不少于30 m3/h;且在冬季寒冷地區(qū)應(yīng)具備制熱能力,駕駛室溫度不低于14 ℃。

因此,該車駕駛室配置有獨(dú)立的空調(diào)和采暖設(shè)備,還對風(fēng)道出風(fēng)口和流場進(jìn)行優(yōu)化,并在多處設(shè)置有溫度傳感器;由于大面積采用風(fēng)擋玻璃和側(cè)窗玻璃,使得太陽輻射的照射時間較長且強(qiáng)度較大,易導(dǎo)致駕駛員體感不適,故在駕駛室兩側(cè)設(shè)計擋遮陽簾,并粘貼低透光、高隔熱的太陽膜。

4.2 照明環(huán)境

駕駛室內(nèi)的照明環(huán)境包括自然采光和人工照明。在自然采光條件下,要盡量減少太陽光的影響,包括直射和炫光;光線的方向和擴(kuò)散要合理,即不讓光線直接照射眼睛,避免產(chǎn)生炫光。駕駛室內(nèi)飾表面及儀表臺表面避免產(chǎn)生鏡面效果(發(fā)光表面),故駕駛室內(nèi)飾及儀表臺表面均采用啞光油漆。圖7分析了太陽光線對顯示儀表的炫光效果,光照入射到顯示儀表上,經(jīng)顯示屏反射的光線的角度均不高于水平線,雖不會產(chǎn)生顯著炫光,但儀表表面的漫反射會降低顯示屏的可視性;故儀表臺設(shè)計有較深的帽檐結(jié)構(gòu),以避免陽光的直射。但由于前擋玻璃面積較大,導(dǎo)致射入的自然光的亮度有時會過大,會降低顯示屏的可視性,可通過增加屏幕亮度或降低前擋玻璃上部的透光率來降低其影響。

圖7 太陽光對顯示儀表的影響

駕駛室頂棚上應(yīng)設(shè)置內(nèi)部照明設(shè)備,須滿足EN 13272中關(guān)于儀表臺及駕駛室照度要求[8]。表1中列出了相關(guān)照明指標(biāo),且駕駛員處于坐姿時,應(yīng)盡可能減少其正常視角處的、在擋風(fēng)玻璃上反射的炫光。

表1 駕駛室及儀表臺區(qū)域的最小照度和均勻度的要求

4.3 噪聲環(huán)境

GB 14892—2006[9]中規(guī)定了噪聲等效聲級的最大允許限值,參考其要求執(zhí)行,規(guī)定最大噪聲限值不大于75 dB(A)。具體項目執(zhí)行中根據(jù)不同運(yùn)行條件在此基礎(chǔ)上制定了更高的噪聲指標(biāo)要求,以提升駕駛工作環(huán)境的舒適性。

設(shè)計中針對頭罩(前包圍)、地板、隔熱材料、內(nèi)飾材料等部件的布置和性能,大量采用阻尼漿、吸音棉以及減震墊等降噪措施,盡量減小駕駛室內(nèi)噪聲,提高其安全性和舒適性。

4.4 毒物環(huán)境

駕駛室及車內(nèi)選材設(shè)計中應(yīng)關(guān)注材料的有害物質(zhì)情況。內(nèi)裝材料及組裝后有害物質(zhì)的控制可參考文獻(xiàn)[10]中執(zhí)行,即室內(nèi)空氣中甲醛含量≤0.10 mg/m2·h,總有機(jī)揮發(fā)物≤0.6 mg/m2·h。

為管控有害揮發(fā)物,我司制定相關(guān)管控規(guī)范,包括管控非金屬材料和零部件的源頭、整車制造工序的過程、車輛交驗檢測規(guī)范和車輛運(yùn)用階段,以確保駕乘人員在車內(nèi)完全安全。

5 結(jié)束語

駕駛室設(shè)計中的人機(jī)工程涉及面非常廣,包括工業(yè)設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料、電氣、NVH以及暖通等多專業(yè)。本文僅介紹了駕駛室設(shè)計上部分人機(jī)工程的應(yīng)用,通過不斷改進(jìn)和優(yōu)化使得駕駛室設(shè)計更合理、高效和安全;還有未介紹到的一些系統(tǒng)(后視鏡視野、座椅、扶手設(shè)計,除霜、除霧、雨刮等),同樣是駕駛室人機(jī)工程設(shè)計時需要關(guān)注的。

多編組鉸接電車作為融合了公共汽車和有軌電車各自優(yōu)勢的新型交通工具,其駕駛室的設(shè)計也融合了軌道交通和道路車輛的設(shè)計元素,是一種獨(dú)特和全新的設(shè)計。后續(xù)設(shè)計中需根據(jù)實際運(yùn)行條件、相關(guān)方的反饋不斷優(yōu)化和改進(jìn)其人機(jī)工程設(shè)計,進(jìn)一步完善人機(jī)工程的設(shè)計程序,建立針對多編組鉸接電車的人機(jī)系統(tǒng)的評價體系,有利于打造其良好的口碑,助力其拓展應(yīng)用市場。