车辆人机界面设计中的人体因素研究*

柳 飞

(1.南京邮电大学通信与信息工程学院，江苏南京 210003;2.贵州大学机械工程学院，贵州贵阳 510003)

0 引言

传统的车辆人机工程学中，研究的主要内容是如何将人适应机器的设计方式，转变为机器适应人，涉及的内容包括:人体对作业负荷的耐受性、人体尺寸的个体差异分析、人体的生物力学特征、人的感知特性分析和人的劳动舒适度姿态分析等。随着机器复杂程度的快速提升，操作人员与机器之间的交互行为日渐复杂，许多重大事故主要是由于操作界面的设置不当，加大误操作的可能性，同时，许多的职业病症也是源于不合理的操作界面导致错误的作业姿态，因此人机接口(Human Machine Interface，HMI)问题快速引起重视［1］。

目前，针对具体人机界面的几何尺寸标准没有推出，但是许多研究已经针对机器控制、控制台和操作员之间产生的多种影响元素进行深入的分析，包括控制面板的布置、空间布置的自动设计和操作室的组成分析等［2］。这些分析研究多从某一个具体领域或案例出发，没有将人体各元素之间的关系进行整体分析，需要进一步分析。

1 HMI设计规范

在车辆机器设计中，人机交互界面的设计需要考虑多方面的需求，包括操作位置和操作部件的大小、显示区域的位置和尺寸、振动的类型、噪声源的定位和控制、照明的亮度和覆盖范围、温度的允许范围以及观测口的视域位置和尺寸等。这些需求在不同的产品和不同的销售领域存在许多的不同，需要柔性化生产和售后反馈的支持。

需求之间容易出现相互影响，甚至出现冲突现象，所以不可能在通用范围内实现全局的最优化，只存在指定需求上达到局部的最优化。

具体而言，人机交互的设计目标可以概述为下述三个方面:安全性、效率、舒适性。安全性包括车辆系统的安全性、操作员的安全性和其它人员的安全性。车辆安全性是指人机操作的控制台布置需要满足多种要求，如功能划分明确，最小化误操作的几率;报警指示明确，减小指数指示、一般警告和危险警告的错误导引;操作部件的功能互锁，一方面规定操作员只能完成逻辑相关动作，另一方面实现机构的急停和恢复为初始安全状态的功能。车辆控制的效率要求主要包括布局、逻辑和人工智能等三个方面。布局是指车辆操作部件安排合理，便于操作人员快速识别和响应;逻辑是指界面布局将相关操作部件安置在邻近区域，方便操作者顺序操作，或最小化运动路径;人工智能是指软件平台能够将操作者的习惯、当前工作的逻辑关联和下一个可能的目标综合整理，给予操作人员智能化的选择，减少复杂操作和频繁的可能。车辆操作的舒适性主要针对操作员，主要涉及人机界面的颜色、布局逻辑、尺寸、布置原则、认知水平和操作难度等。不规范的车辆操作界面容易长期处于不舒适的环境中，增加操作难度和误操作的几率，同时也大幅提高操作员患上职业病的风险［3］。

其中，提高人机界面中软件平台的智能水平通常需要满足下述规范。

(1)统一色调，既匹配操作环境又满足色彩标识规范，如:蓝色表示应该遵守的规定，绿色表示允许通行或安全状态，黄色表示警告，红色表示禁止或停止。

(2)操作界面符合相关标准，依次符合操作系统、国际标准、行业标准和企业内部标准。

(3)交互操作明确，去除二义性可能。界面操作需要事先经过有限自动机分析，将操作的输入与输出限定，并且将选择项以菜单或模态窗口的方式呈现。

(4)提供配置功能，允许软件智能化操作。通过配置，操作员可以将操作喜好与软件中内嵌的智能算法关联，实现提升操作效率和安全操作的目的。

2 HMI中人体因素分析

人机界面根据需要实现局部范围的最优化。人体差异对在界面设计的要求可能存在巨大的不同，因而需要模糊化处理人体因素，综合评判操作平台的设计思路。

2.1 人体模型选择

1964年Buffa等人提出了CRAFT模型，其参考标准是基于功能单元的使用频率，通常用于操作平台的初步设计。1977年Bonney等人提出了CPABLE模型，将人体坐姿纳入设计考量范畴，步骤包括确定操作平台上涉及的基本数据，如面板类型、座位、操作逻辑和任务流程等信息，并设定权值。其次，分别根据舒适原则设定座位大小、位置，并根据肢体的活动范围确定功能单元的布置。最后，计算肢体完成指定任务的运动距离、时间和操作方便程度，进行评估和优化。与CRAFT相比，CPABLE实用性更强，但是它没有将人体各因素之间的相互关系进行分析，无法在大尺度范围的人群中应用。1995年由Jung等人提出CSP(Constraint Satisfaction Problem)模型［4］，将人机接口问题看作是一个多约束问题，设计目标可以被数学化表示，并得出可行解空间。CSP模型可以应用在各种约束问题上，如人体部件的结构约束，控制平台的功能约束，以及人机工程学的设计准则等。在CSP的求解过程中，约束集根据需要可以分为硬约束和软约束，前者是满足要求的最小集，后者是可供优化的最大集。依据约束集合，设计人员根据需要不断构造新的可行解空间，不断模糊搜索出局部最优解，并不断回溯得到理想的设计数据。

笔者将在Jung等人提出的CSP模型上，构建一个基于计算机辅助工程技术的车辆人机界面设计系统。

2.2 人体因素分析

人体因素不知包括操作者的身体特性，还包括动作范围、作业位姿、操作空间等。人体动作范围如图1所示。图1展示了人体在平面范围内的动作范围，前提假设是普通操作员且每次运动一个身体部分［5］。

图1 人体活动空间图(二维)

按照操作员与人机界面的位置划分，人体姿态(posture)通常包括站立、下蹲、前屈、后仰、左右倾等六种，可以用下列数学模型简单表示。

(1)站立

(2)下蹲

(3)弯腰

(4)后仰

(5)左右倾

其中，坐标系设定如下，操作者面向纸外，三坐标分别是水平方向X、垂直方向Y和垂直纸面向外方向Z。t是时间参数;在YOZ面内，θ1垂直方向上，头与躯干的夹角，θ2是躯干与大腿的夹角，θ3是大腿与小腿的夹角，θ4和θ5分别是脚背与小腿的夹角，θ6是躯干在XOY平面内与中垂线的夹角。另外，手臂的自由度较大，受到的限制主要来自操作空间。

3 HMI模糊设计

3.1 权值设定

根据标准GB－10000－88(《中国成年人人体尺寸》)获取人体尺寸的标准数据，并参照人机界面评价参数、人体生物力学基本规则和人机工程学规范等，建立约束条件和目标函数，通过对解空间的不断优化，得到满意解［6－7］。其中，约束条件和目标函数与操作空间和操控部件有关，如图2所示。操控部件包括视觉类原件，手操作类元件，脚操作类元件，工作台类，面板类，及座椅类。根据工效学要求，对操控部件设定客观因素权重，并通过专业人士对系统评价得到主观评价规律权重系数，如表1所列。

图2 车辆HMI示意图

表1 车辆HMI权重系数表

采用模糊算子对操作部件的重要度和频度进行加权计算，如公式(1):

式中:Ω是客观因素权重系数;ψ是主观因素权重系数;t是权重中客观因素所占比值;W是权重计算值;f (Ω，ψ)表示组合方式。

3.2 约束划分

根据不同业务需要将约束分为硬约束和软约束。软约束从5个方面描述:功能单元的关系Sij，允许放在两个单元之间Iij，两单元间的最大距离Dij，PV单元放置在最佳区域，CR放置在最佳操作区域。

在组合方式中考虑约束因素，如式(2):

式中:Cj(Bi)是部件Bi的约束函数，H(Bi)是当前组合方式下的最优化布局。

3.3 归一化处理

为了便于部件特征、约束性质和业务需求等因素集中处理，需要对处理数据进行归一化处理，将数据映射到0～1。映射函数为:

式中:MaxValue和MinValue分别是部件的最大值和最小值;x是转换前的数值;y是转换后的数值。

3.4 迭代优化

操作部件和人体因素经过模糊处理、形式化描述和归一化处理后，得到人机控制问题的初始数据。根据待求问题集合，迭代搜索可行解，判断解空间是否满足，进行回溯搜索或输出可行解空间。迭代求解的伪码如下所示:

(1)Formalization of Constraints

(2)Search the feasible solutions based on CSP rules

(3)If no feasible solutions exist，modify or relax the soft constraints and return step 2

(4)If the feasible solutions are unacceptable，modify the CSP model and return step 2

(5)If other feasible solutions needed，modify the CSP model and return step 2

(6)Export the feasible solutions and exit

优化的可行解空间可以按照新的需要随时更改，包括功能区的优先级、功能部件的尺寸、不同操作对象的身体特征，具体都表现在约束集的设定、软约束和硬约束的划分、迭代算法的范围设定等等。设计人员可以通过交互方式修改上述参数，自动化生成优化的人机界面配置方案。

4 结语

常规的人机设计方案对人体因素的思考不够全面，或是主观因素过多，造成方案的可操作性和继承性较差。通过对人体结构和操作部件的建模，可较好地描述和表达设计目标，实现交互式的自动化设计平台，极大地减少人为因素的干扰和提高设计效率。

［1］ 陈 华.固定式显控台的造型设计与人性化设计研究［J］.新技术新工艺，2013(1):73－76.

［2］ 孙 元，熊 伟.工程车辆操纵室人机工学设计分析［J］.艺术与设计，2013(4):108－110.

［3］ 王添旗.基于CRH6型列车研制对高速列车外形设计的研究［J］.铁道机车车辆，2013，33(1):67－71.

［4］ 毛恩荣，张 红.车辆人机工程学［M］.北京:北京理工大学出版社，2007.

［5］ 周 凤，安鲁陵.基于人机工程的产品可装配性评价技术研究［J］.机械制造，2012，41(6):14－17.

［6］ 范平清，宋邵芬.汽车仪表台系统化设计流程的研究［J］.机械设计与制造，2012(12):248－250.

［7］ 李 诚.一种6自由度装校机器人工作空间分析［J］.机械研究与应用，2013(6):31－36.