摘要：為了在虛擬環(huán)境下實(shí)現(xiàn)車輛駕駛室人機(jī)界面的設(shè)計與優(yōu)化，提出了一種車輛人機(jī)界面布局推理方法，該方法包括人機(jī)界面知識表示、布局推理架構(gòu)等研究，并以裝甲車輛駕駛室人機(jī)界面布局為例進(jìn)行了評價驗證。研究結(jié)果表明，該方法可以有效地應(yīng)用于虛擬環(huán)境中車輛駕駛室人機(jī)界面布局的設(shè)計與評價中。 關(guān)鍵詞：車輛；人機(jī)界面；知識表示；空間布局；CATIA 引言 目前，在車輛駕駛室人機(jī)工程學(xué)設(shè)計、分析和評價中常用的人工智能技術(shù)主要有專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及遺傳算法。專家系統(tǒng)是人工智能最重要的應(yīng)用之一，目的是讓計算機(jī)根據(jù)某領(lǐng)域一個或多個專家提供的知識和經(jīng)驗，進(jìn)行推理和判斷，模擬人類專家的決策過程，以便解決那些需要人類專家處理的復(fù)雜問題。國內(nèi)外研究中，Gilad等人[sup][1][/sup]于20世紀(jì)90-年代提出的基于人機(jī)對話框的人機(jī)咨詢專家系統(tǒng)，屬于這方面較早的嘗試。文獻(xiàn)[sup][2～3][/sup]研究了基于知識的工作空間設(shè)計系統(tǒng)的構(gòu)建方法。FeyenR等人[sup][4][/sup]將計算機(jī)輔助設(shè)計軟件與人機(jī)工程學(xué)分析軟件相結(jié)合，開發(fā)出用于評價工作空間設(shè)計對工人生物力學(xué)特性影響的軟件系統(tǒng)。任金東等人[sup][5][/sup]針對車身內(nèi)部布置，在CATIA平臺上研制出基于知識的汽車駕駛員座椅布置系統(tǒng)。這些研究成果都具有較高的學(xué)術(shù)價值，并且各具特點(diǎn)。到目前為止，盡管人工智能技術(shù)在計算機(jī)輔助設(shè)計與人機(jī)工程學(xué)分析中的應(yīng)用已取得了一定進(jìn)展，但還未真正解決設(shè)計人員與人機(jī)工程學(xué)家之間的溝通問題。 本文提出的車輛人機(jī)界面布局優(yōu)化推理方法，是在分析車輛人機(jī)界面布局優(yōu)化的任務(wù)和特點(diǎn)的前提下，從車輛駕駛室人機(jī)工程布局知識表達(dá)和推理出發(fā)，實(shí)現(xiàn)從設(shè)計、仿真、評價到反饋修改、優(yōu)化的過程；并實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面布局推理系統(tǒng)與三維CAD平臺的緊密集成。 1 人機(jī)界面布局知識表示 知識表示是把事實(shí)知識和專家所有的經(jīng)驗知識形式化，用計算機(jī)能夠接受并進(jìn)行處理的符號和方法來表示[sup][6][/sup] 。目前常用的知識表示方法主要有產(chǎn)生式表示法、框架表示法、語義網(wǎng)絡(luò)表示法和面向?qū)ο蟊硎痉ǖ?。人機(jī)界面布置設(shè)計過程是相當(dāng)復(fù)雜的，其涉及到的因素、條件很多，是多因素的協(xié)調(diào)設(shè)計、不斷迭代反饋的過程。設(shè)計知識也是多樣化的，除了涉及到相關(guān)部件的空間布置尺寸參數(shù)外，要更考慮乘坐舒適性、操縱舒適性、視野可見性等諸多影響因素。設(shè)計過程中不但需要大量的專業(yè)領(lǐng)域知識及專家經(jīng)驗和技巧，還需要進(jìn)行大量的科學(xué)計算和分析。設(shè)計人員既要考慮設(shè)計對象的結(jié)構(gòu)特征、功能特征，又要綜合設(shè)計對象的行為特征、操作。因此集中各種單一知識表示方法的優(yōu)點(diǎn)，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)將框架、規(guī)則和過程體結(jié)合在一起，構(gòu)成混合知識表達(dá)方法。 在面向?qū)ο蠓椒ㄖ校?、子類、具體對象構(gòu)成了一個層次結(jié)構(gòu)，而且子類可以繼承父類的數(shù)據(jù)及操作。類結(jié)構(gòu)是知識庫的最基本單元，不僅可以表達(dá)設(shè)計對象的屬性數(shù)據(jù)，還可以表達(dá)設(shè)計對象之間的相互關(guān)系。每個對象的知識表達(dá)都應(yīng)包括屬性、約束、方法和規(guī)則4個部分，其描述形式如下： Class<對象名>：<基類> ｛ Attribute<屬性描述> ｛屬性項，屬性名，繼承關(guān)系，屬性類型。屬性集｝ Methods<方法描述> ｛方法項，方法名，繼承關(guān)系，法類型，方法集｝ Restraint <約束條件> ｛約束項，約束名，繼承關(guān)系，約束類型，約束集｝ Rules<規(guī)則描述> ｛規(guī)則項，規(guī)則名，繼承關(guān)系，規(guī)則類型，規(guī)則集｝ 例如座椅知識表示的結(jié)構(gòu)如圖１所示。 人機(jī)界面布局知識庫系統(tǒng)由實(shí)例庫、規(guī)則庫、約束庫和知識庫構(gòu)成。實(shí)例庫用于存放成功實(shí)例及推理機(jī)所產(chǎn)生的新實(shí)例；規(guī)則庫存儲的是進(jìn)行知識推理的規(guī)則，如實(shí)例的搜索、相似算法等；約束庫用于存放設(shè)計的各類約束，如幾何約束、性能參數(shù)以及其他與人機(jī)界面設(shè)計相關(guān)的法規(guī)及各種標(biāo)準(zhǔn)，包括人體尺寸、視覺特性、肢體伸及范圍等；知識庫用于存儲大量專家的經(jīng)驗知識、實(shí)驗數(shù)據(jù)、設(shè)計準(zhǔn)則及公式，由知識庫管理系統(tǒng)對知識庫進(jìn)行管理。知識庫中的知識數(shù)據(jù)能夠被推理機(jī)所采納并通過系統(tǒng)的知識獲取進(jìn)行維護(hù)。 2 人機(jī)界面布局推理架構(gòu) 2.1總體結(jié)構(gòu) 車輛人機(jī)界面布局推理系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖２所示。為了對設(shè)計狀態(tài)空間進(jìn)行簡化，系統(tǒng)采用分層構(gòu)造的方式，位于最頂層的是方案設(shè)計層，其次是主參數(shù)設(shè)計層，位于底層的是詳細(xì)設(shè)計層。方案設(shè)計的任務(wù)就是要推出各方案要素的取值，所有方案要素確定后，進(jìn)行主參數(shù)設(shè)計；根據(jù)方案設(shè)計和主參數(shù)設(shè)計的結(jié)果，進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計，產(chǎn)生圖形以及技術(shù)文件。本系統(tǒng)可以根據(jù)用戶的需要，從上兩層的設(shè)計數(shù)據(jù)出發(fā)，推理、匹配、產(chǎn)生詳細(xì)設(shè)計參數(shù)，最終輸出結(jié)果。 2.2推理與評價體系 車輛人機(jī)界面布局優(yōu)化系統(tǒng)是分層建造的，而不同的層各有其特點(diǎn)，因此也相應(yīng)地存在著不同類型的推理機(jī)制，不僅有主推理機(jī)，還有嵌入到各對象內(nèi)的子推理機(jī)。 （1）方案設(shè)計的推理與評價體系 在方案設(shè)計階段，因主要利用的是經(jīng)驗設(shè)計，故推理方式采用模糊邏輯推理與評價相結(jié)合的方式。 ①推理的模糊矩陣法。對于模糊規(guī)則：IF x is A THEN y is B,A、B分別是論域U、V上的模糊子集，表示A、B之間存在模糊的因果關(guān)系；設(shè)為R。若已知模糊事實(shí)A，通過A與R的合成可得到B，即B＝R＊A。②方案設(shè)計中的評價策略。評價的過程與推理過程相似，評價一方面輔助推理，另一方面對產(chǎn)生的多方案進(jìn)行篩選。在方案設(shè)計階段對方案要素進(jìn)行評價，可以彌補(bǔ)推理過程中的知識不足或不確定。是否進(jìn)行評價有2種策略：無論如何都對推理結(jié)果進(jìn)行評價；推理產(chǎn)生的結(jié)果隸屬度比較接近時，再使用評價。 （2）主參數(shù)設(shè)計階段的推理體系 參數(shù)設(shè)計階段包括主參數(shù)設(shè)計階段和圖形參數(shù)設(shè)計階段（即詳細(xì)設(shè)計階段），主參數(shù)設(shè)計階段指主要參數(shù)設(shè)計階段，不僅要以方案設(shè)計的結(jié)果為前提進(jìn)行推理，還要用到已經(jīng)產(chǎn)生的中間參數(shù)進(jìn)行推理，而且不斷地用于各種各樣的數(shù)值計算方法，是一個包含了邏輯推理、數(shù)值計算、優(yōu)化設(shè)計及綜合評價過程的廣義推理體系。 3 人機(jī)接口 目前一些三維CAD系統(tǒng)，具有二次開發(fā)接口，有利于CAD系統(tǒng)與人機(jī)工程的緊密結(jié)合，其中具有代表性的是CATIA/CAA.。CATIA是IBM/DS基于Windows核心開發(fā)的高端CAD/CAM軟件系統(tǒng)。它具有統(tǒng)一的用戶界面、數(shù)據(jù)管理以及兼容的數(shù)據(jù)庫和應(yīng)用程序接口，以其強(qiáng)大的設(shè)計功能而廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、造船和電子設(shè)備等行CAA建構(gòu)在Microsoft VisualC++6.0下，DS系統(tǒng)產(chǎn)品擴(kuò)展和客戶進(jìn)行二次開發(fā)的強(qiáng)有力的工具。它通過API函數(shù)調(diào)用CATIA的核心程序，可以讓用戶把自己的知識集成到特定的CATIA應(yīng)用模塊中，從而可以實(shí)現(xiàn)客戶程序和原系統(tǒng)的緊密集成。在國內(nèi)，應(yīng)用CAA對CATIA進(jìn)行組件應(yīng)用架構(gòu)的二次開發(fā)剛剛起步，相對研究較少。由于CATIA軟件功能的強(qiáng)大以及CAA二次開發(fā)功能的強(qiáng)大，探索和實(shí)現(xiàn)基于CATIA的二次開發(fā)技術(shù)本身也具有很好的應(yīng)用價值。 4 實(shí)例研究 根據(jù)上述分析，在Windows操作平臺上，進(jìn)行CATIA/CAA二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了車輛人機(jī)界面布局優(yōu)化推理系統(tǒng)。在系統(tǒng)內(nèi)，針對中國人的特點(diǎn)，某對裝甲車輛駕駛室人機(jī)界面布局進(jìn)行了推理和評價研究。 4.1建立數(shù)字人體模型 根據(jù)相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和有關(guān)人體數(shù)據(jù)的測量資料，確定駕駛員人體肢體活動范圍、坐姿下的功能尺寸數(shù)據(jù)和活動空間尺度尺寸，以及關(guān)節(jié)角度舒適度范圍，設(shè)計駕駛員坐姿人體尺寸數(shù)據(jù)庫，建立評價用數(shù)字人體模型。 CATIA自帶的人體模型模塊，包括103組人體測量項目，100多個獨(dú)立無約束的節(jié)段連接，148個自由度，各種姿勢輪廓，可實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)活動的約束并可進(jìn)行調(diào)節(jié)。軟件中分別有美國、加拿大、韓國、法國和日本的人體數(shù)據(jù)，但是沒有中國人的人體數(shù)據(jù)。 經(jīng)比較，現(xiàn)有的中國裝甲車輛駕駛員人體測量項目與CATIA中的人體測量項目不一致（僅有31項相同），軟件中建立人體模型需要的人體數(shù)據(jù)項有些并不包括在我國人體測量的項目之內(nèi)，國內(nèi)的一些測量項目也不能在軟件的人體模型中反應(yīng)出來。究其原因，一是我國沒有進(jìn)行某些通用項目的測量，二是某些測量項目的測量基準(zhǔn)與國際上流行的測量有所不同。因此現(xiàn)有裝甲車輛駕駛員人體測量尺寸并不能滿足人體模型建模的要求。 所缺人體尺寸參數(shù)的確定是建立中國裝甲車輛駕駛員人體模型需要解決的首要問題。目前必須解決的人體尺寸暫定為其他國家人體測量項目中都包括而中國人體尺寸不包括的部分。解決辦法只能參照韓國和日本人體測量數(shù)據(jù)，按照經(jīng)驗進(jìn)行選取。今后還應(yīng)繼續(xù)開展所需項目的測量工作。本文中根據(jù)現(xiàn)有的裝甲車輛駕駛員人體測量數(shù)據(jù)，遵循“.sws”文件格式編制了中國裝甲車輛駕駛員人體數(shù)據(jù)文件，嵌入到CATIA當(dāng)中，擴(kuò)展CATIA人體模型參數(shù)庫，并提供有人體各部位參數(shù)的修改接口。 4.2構(gòu)建任務(wù)模型與作業(yè)布局 按照相應(yīng)車型加載人機(jī)界面布局模型，定義座椅各種可能狀態(tài)、人的操作姿勢、操縱手柄和腳踏板的布局等。 4.3定義人機(jī)分析因素 包括舒適性分析的各項評價指標(biāo)等。舒適性評價的內(nèi)容一般包括乘坐舒適性、操縱舒適性和動態(tài)舒適性等，這里主要考慮的是靜態(tài)乘坐舒適性和操縱舒適性，即主要考慮駕駛姿態(tài)的舒適性問題，根據(jù)座椅和駕駛裝置幾何參數(shù)、人體測量參數(shù)、人體坐姿關(guān)節(jié)角度等與用戶乘坐舒適性的關(guān)系，判斷人體在座椅上的操作姿態(tài)舒適度。 對裝甲車輛駕駛艙人機(jī)界面來講，各操縱元件的安裝位置決定了駕駛員操縱時的肢體關(guān)節(jié)角度直接影響了駕駛員的駕駛行為。對人體關(guān)節(jié)的最大和舒適活動范圍，已經(jīng)有過大量的研究，總結(jié)了很多的研究數(shù)據(jù)[sup][7][/sup] 。而且，人體關(guān)節(jié)的適宜活動范圍不會隨評價環(huán)境的改變發(fā)生變化，通過對關(guān)節(jié)角的評價可以準(zhǔn)確地反映操作者的乘坐舒適性和操縱舒適性。但考慮到增加坦克作戰(zhàn)時的防護(hù)性，需要有效減小車體高度，閉窗駕駛時的座椅高等數(shù)據(jù)要在允許的范圍內(nèi)盡量減小。 4.4仿真執(zhí)行與設(shè)計評價 對實(shí)時任務(wù)進(jìn)行可視化、動態(tài)分析與綜合研究，并提出設(shè)計改進(jìn)。某裝甲車輛駕駛室人機(jī)界面初始布局模型和虛擬人的駕駛姿勢以及添加的人機(jī)界面布局推理與評價模塊如圖3所示。 在改進(jìn)前的人機(jī)界面布局中，通過對靜態(tài)乘坐舒適性的分析，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)前的布局在很多方面都不符合人機(jī)工程學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。圖4為改進(jìn)前人體駕駛姿勢舒適度評價分析結(jié)果?？梢钥闯觯b甲車輛駕駛員腿部的舒適度較低，這主要是由于裝甲車輛駕駛室座椅高度不符合人機(jī)工程學(xué)標(biāo)準(zhǔn)造成的。 [align=center] [/align] 借助系統(tǒng)反饋的信息，對裝甲車輛人機(jī)界面布局進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計，主要包括座椅和腳踏板的布置優(yōu)化，重新進(jìn)行仿真評價。在改進(jìn)后的人機(jī)界面布局中，通過對人體坐姿的舒適度等分析，得出改進(jìn)后的布局在很多方面都比改進(jìn)前的布局符合人機(jī)工程標(biāo)準(zhǔn)。改進(jìn)后的布局模型、設(shè)計參數(shù)和評價結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯?，虛擬人腿部舒適度有所提高。然而，受駕駛空間所限，裝甲車輛人機(jī)界面的布局仍然存在一些問題。 5 結(jié)束語 提出了車輛人機(jī)界面布局優(yōu)化推理方法，分析了其中的關(guān)鍵技術(shù)，建立了推理與評價系統(tǒng)，進(jìn)行了人機(jī)界面建模和仿真，在仿真過程中進(jìn)行了乘坐舒適性等人機(jī)工程的分析與評價。虛擬驗證結(jié)果表明，該方法可以有效地應(yīng)用于虛擬環(huán)境中車輛駕駛室人機(jī)界面布局優(yōu)化推理與評價。另外系統(tǒng)本身還存在一些缺陷，如人體模型數(shù)據(jù)不夠全面，分析與評價算法還不夠完善，應(yīng)用系統(tǒng)停留在一些特殊行業(yè)等，今后的研究工作中尚需進(jìn)一步改進(jìn)。 參考文獻(xiàn)： 1、Issachar Gilad,Reuven 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