（安全技术及工程专业论文）机车驾驶界面优化布局及应用.pdf

北京交通大学硕士学位论文 abs t r act s in c e h e a v ie r lo a d a n d m o r e s p e e d y m o t io n o f t r a in s a r e t h e d ir e c t io n s o f c h in e s e m o d e r n lo c o m o t iv e d e v e lo p m e n t , a n e r g o n o m ic a lly s o u n d d e s ig n f o r t h e m o d e r n lo c o m o t iv e c a b h a s b e c o m e in c r e a s in g ly im p o rt a n t . i n c r e a s e d c o m p le x it y o f t r a n s p o r t a t io n r e q u ir e s d r iv e r s k e e p t h e b e s t d r iv in g m o o d w h e n t h e t r a in is r u n n in g in h ig h s p e e d t h e r e b y a n e r g o n o m ic a lly s o u n d p a n e l la y o u t h a s b e c o m e t h e k e y lin k in t h e lo c o m o t iv e m a n - m a c h in e s y s t e m , t h e d e s ig n q u a lit y w ill d ir e c t ly a ff e c t t h e e ff ic ie n c y a n d s a f e t y o f m a n - m a c h in e s y s t e m s o f lo c o m o t iv e . t h is p a p e r is f o c u s e d o n t h e r e s e a r c h a n d a p p lic a t io n o n o p t im iz in g p a n e l la y o u t o f lo c o mo t iv e . t h e m a in p r o d u c t io n s o f t h e p a p e r i n c l u d e t h e f o l lo ws : 1 ) t h is p a p e r a p p r o a c h e s a n a lg o r it h m f o r t h e o p t i m iz in g p a n e l la y o u t o f lo c o m o t iv e , w h ic h is t o o p t im iz e t h e a r r a n g e m e n t o f t h e p a n e l la y o u t b y e s t a b l is h i n g c o n s t r a in t f u n c t io n a n d o b j e c t iv e f u n c t io n ( a c c o r d in g t o t h e o p e r a t io n t a s k a n d f u n c t io n a l , e r g o n o m ic r e q u ir e m e n t s ) . t h is a lg o r it h m c a n n o t o n ly p r o d u c e a n o p t im iz e d d e s ig n in v o lv e d r e le v a n t e r g o n o m ic p r in c ip le s b u t a ls o d is p la y t h e r e s u lt o f t h e d e s ig n in r e a l t im e . 2 ) t h e c o m p u t e s i m u la t io n o f t h e o p t im iz in g p a n e l la y o u t is d o n e in t h is p a p e r . b y e s t a b lis h in g a n a r m m o v e m e n t m o d e l in s itt in g c o n d it io n , a n a n a ly s is o f t h e w o r k in g fi e ld in s itt in g c o n d it io n is d o n e o n t h e p a n e l la y o u t g a in e d b y t h e a lg o r it h m m e n t io n e d a b o v e . a t t h e s a m e t im e , t h e s itt in g lo c o m o t iv e d r iv e r s f ie ld o f v is io n o f t h e p a n e l i即o u t is a n a ly z e d b y c o m p u t e r s im u la t io n m a k in g u s e o f t h e e y e - e l l i p s e . 北京交通大学硕士学位论文 abs tract 3 ) a s y s t e m o f s u b j e c t iv e j u d g m e n t g u id e l in e f o r t h e o p t im iz in g p a n e l la y o u t is g a in e d b y t h e s t u d y o n t h e s u b j e c t iv e j u d g m e n t a n d s t a t is t ic a l a n a ly s is c o m b i n i n g t h e e r g o n o m ic a n d s t a t is t ic a l t h e o r ie s . u s in g t h a t g u id e li n e , t h e p a n e l la y o u t g a in e d b y t h e a lg o r it h m is j u d g e d b y t h e f a c t o r a n d r e la t iv it y a n a ly s is e s , t h r o u g h w h ic h t h e a ff e c t io n o f i n d iv id u a l u n it la y o u t t o t h e o p e r a t io n o n lo c o m o t iv e is o b t a in e d w h ic h c o n t r ib u t e s t o t h e f u r t h e r s t u d y o n o p t im iz in g p a n e l la y o u t o f lo c o m o t iv e . k e y w o r d s : l o c o m o t iv e o p e r a t in g p a n e l, o p t im iz in g la y o u t , c o m p u t e r s im u la t io n , s u b j e c t iv e j u d g m e n t . i i i 北京交通大学硕士学位论文绪论 第一章绪论 1 . 1 研究背景 目 前中国铁路系统正在进行由 传统模式向高新技术的发展， 特 别是重载列车和高速列车的发展，对机车的安全运行提出了更高的 要求。机车操纵界面是列车运行操纵的人机界面，司机控制设备是 机车乃至列车设备的集中反映。司机操纵界面设置以及布局是否科 学合理，对司机全面、 准确地完成驾驶职能具有重大影响，也直接 关系到列车的运行安全和效率。司机的误操作将会直接威胁到运行 的安全，而很多误操作往往是与驾驶界面的设计与布局不符合人机 工程原理有关。 1 9 4 7 年美国 实 验心理学 者费 斯 e 研究 表明 大多 数飞行事故与 操 纵设备的设计和布局设置没有考虑到飞行员的生理与心理因素直接 有关。 1 9 8 1 年日 本国铁井上认为， 操作机械的是人， 虽然应该对人 操作所需的力、方向、时限、准确性等有一定的要求，但必须限定 在人的能力范围内，在设计时，应该考虑到人的习惯，防止疲劳， 避免人机的对立。 国内机车由于技术发展的原因，一直没有对机车驾驶界面优化 布局给予足够的重视。对比国外技术先进的机车司机室设置，我国 机车操纵台显示的过程状态信息量过多，司机所承受的生理和心理 负荷过重，增加了司机的劳动强度，降低操纵的准确性，必然给行 车安全带来潜在威胁。随 着我国 铁路运输高速化、自 动化的 发展， 解决机车驾驶界面优化布局问 题成为需要解决的迫切问 题。同时， 本文的研究对其它大型机械系统界面优化布局也具有参考和借鉴意 义。 北京交通大学硕士学位论文 绪论 1 2 国内外机车司机室驾驶界面的研究现状 国外对机车司机室驾驶人机界面的优化布局非常重视，并对此 进行大量了的研究。二十世纪九 十年代末德国的高速铁路i c e 司 机室操纵台( 如图1 1 ) 布置简 洁，为司机留有足够的空间放置 行车文件，避免司机作行车记录 时，发生误操作造成事故，并且 i c e 操纵台上布置的都是与运行 图1 1 。c e 机车操纵台 参数直接相关的仪表，很多复杂的控制开关都放置到司机室后壁上， 从而使司机驾驶时免受无关信息干扰，减轻司机工作负荷，相应提 高司机操作的可靠性。 法国高速铁路t g v 的操纵台 速度显示器置于司机视野最佳区 域正前方，方便司机随时查 看；司控器置于司机前部，采用 特殊结构能够不影响司机的置腿 空间，在司控器中央为司机留有 放置行车文件的平台。 从日本新干线5 0 0 系司机室 ( 图1 - 3 ) 可以看到新干线的操 纵台布置简洁，操作设备分模块 布置，绘司机留有足够大的平台 放置行车文件。操作器件按照功 能分区放置，可有效防止误操作， 使司机作业时能够集中注意力， ( 见图1 - 2 ) 将司机最关心的列车 2 图1 - 2t g v 机车操纵台 图1 - 3 新干线机车操纵台 北京交通大学硕士学位论文 不易受到干扰。 目前欧洲铁路联盟正在研制下 代的机车操纵台( 见图1 - 4 ) ，纵 观国外司机室操纵台基于人机工程 学的优化布局，可见当前国内外司 机室操纵台布局设计的趋势： 1 、显示参数集中化。显示智能 化：液晶显示屏以其显示信息量大、 形式灵活、信息编码资源丰富、可 调节等成为今后机车操纵台操作、 显示的首选； 2 、集约化：操纵台设计注重集 中、简约布局，即功能相近设备集 中放置，尽量减少布局器件，减轻 图1 - 4 欧盟下一代机车坶纵界面 司机操作心理以及生理负担，达到减少误操作的目的；单个操作器 件集合多个功能( 见图1 - 5 的控制手柄) ，或在记点平台下面设置键 盘，都是操纵台集约化设计的具体 表现。 3 、注重开关，手柄的形状编码： 从人机工程学角度出发。设计开关 手柄的形状编码，让司机单凭手感 即可辨识重要操作器件，降低司机 误操作率； 4 、控制器件的布置形式：将按 图1 - 5 集约化手柄 钮与面板设置在一个平面上，防止司机操作发生干涉产生误操作， 在操纵台侧面板上设置凹陷放置按钮，可避免司机手脚活动错误触 发按钮。 北京交通大学硕士学位论文 绪论 5 、设置人性化辅助器件：为了防止司机误操作，利用可调挡光 板为显示器遮挡环境光，座椅、脚踏板高度均可调。 对机车驾驶界面的研究离不开对人机界面优化布局算法的研 究。国外研究人机界面优化布局的设计人员将人机工程学中关于人 机界面的设计思想、理论和原则融入算法中，利用计算机辅助完成 人机界面的优化布局设计。 国外1 9 6 4 年b u f f a 等人提出的c r a f f 模型，1 9 7 3 年由m i c h a e l 等人将c r a f t 模型应用于飞机主面板设计，通过优化前后的对比， 验证了算法的可行性【2 】口c a p a b l e 模型是1 9 7 7 年b o u n c y 等人提 出的，主要是针对坐姿操作控制人机界面设计，其特点是根据一定 功效学原则将功能单元分配给四肢和眼睛，分配后的器件按照重要 性进行布置【”。1 9 8 5 年p u l a tb m 等人研制了一个用于站立操作的 控制室布置的计算机辅助设计程序l a y g e n 模型，该模型主要应 用功能组原则放置器件，同时考虑眼手距离最短的原则【4 】o1 9 9 5 年 e s j u n g 等人提出的c s p ( c o n s t r a i n ts a t i s f a c t i o np r o b l e m ) 模型是 通过应用约束满足问题的技术，将控制人机界面设计看作为一个多 约束问题，工效学准则和其它设计要求被转化为约束条件，建立了 一个交互的界面设计系统1 5 。 我国司机室操纵界面传统设计缺乏系统研究，存在许多不合理 之处。随着运输事业的发展，机车上不断增加各种新技术设备，司 图1 - 6 东风4 内燃机车图l 一78 k 电力机车 北京交通大学硕士学位论文 机室的对应操作设备也随之增多，新设备一般均在原设备上进行简 单附加，导致了司机室操纵台的设鼍日趋拥挤和杂乱( 见图1 - 6 ， 图l 一7 ) 。 当前，国内对机车司机室驾驶界面优化布局的研究主要是应用 人机工程学理论，通过对机车司机室人机界面的安全性分析【6 l ，研 究司机操作域 7 1 1 8 1 1 9 】和视野范围【1 0 l 【1 1 1 ( 1 2 1 ，为司机室操纵台仪表和显 示装置的布局提供指导性意见。但是都没有具体提出机车驾驶界面 优化布局设计的具体方法或算法。 国内对人机界面优化布局的研究主要有：1 9 8 1 年，北京航天医 学工程研究所龙升照等专家根据载人航天预研的实践，提出了人一 机一环境系统工程的概念【1 3 l ，自1 9 9 7 年以来，他们又应用人眼视 觉跟踪的理论进行人机界面的布置研究【。1 9 9 6 年，华中理工大学 袁苗龙等1 1 研将约束满足问题用于驾驶室内部布置方案设计闯题求 解，建立了约束网格及求解策略，使用图论方法来解决。2 0 0 0 年国 内的孙守迁等人的面向人机工程的布局设计方法的研究( 城，提出了 基于可见度和可及度的人机工程评价，设计出一个计算机支持的摩 托车协同布局设计系统。1 9 9 7 年中国农业大学的林建【”】，2 0 0 0 年 宋正河【”1 研究基于实验得到的匹配优度，并以此为评价指标，提出 机械系统的人机界面的优化设计方法。 机车驾驶界面优化布局是人机界面布局研究的一部分，但有其 特殊的需求和使用条件。要满足这些条件和要求就必须针对机车驾 驶界面的需求研究具体的优化布局算法。 1 。3 论文的研究内容 论文采用计算机辅助设计技术，针对机车驾驶界面的优化布局 算法以及基于人机原则优化后的驾驶界面的计算机仿真进行研究， 5 北京交通大学硕士学位论文绪论 机室的 对应操作设备也随之增多， 新设备一般均在原设备上进行简 单附加，导致了司机室操纵台的设置日 趋拥挤和杂乱 ( 见图 1 - 6 , 图1 - 7 ? 0 , 0 ) e 3 . 2 .3 人体尺寸在坐姿作业空间的定量分析中的应用 为确定机车司机坐姿作业空间，需要确定操作者的人体大小尺 寸。 国标g b 1 0 0 0 0 - 8 8 中国 成年人人体尺寸 虽然给出了我国基本 的人体尺寸数据， 但该尺寸并不完全适合于某一特殊人群，因此， 课题组曾 对机车司机这一特殊群体按照g b 5 7 0 3 - 8 5 人体尺寸测量 方法对其基本尺寸数据和相关功能尺寸数据进行了测量。本文作 业分析采用的人体数据引自 于课题组针对我国机车司机的人体测量 数据和相关功能尺寸数据，具体见表3 - 1 . 表3 - 1 机车司机部分人体尺寸测量百分位数统计表 ( m m) 测量项目编码5 %1 0 %5 0 %9 0 %9 5 % 身高 s g1 6 1 11 6 3 8 1 7 0 81 7 8 01 7 9 2 前臂长qb2 2 12 2 42 4 12 5 92 6 4 上臂长s b2 8 32 8 93 1 13 313 3 5 手长 s c1 711 7 4 1 8 51 9 61 9 9 肩宽 1 k3 5 83 6 5 3 8 64 0 74 1 5 松弛坐高 z g8 5 78 6 99 0 49 4 7 9 6 5 松弛坐姿肩高 zt5 5 65 6 55 9 4 6 3 1石 礴 8 由于操作器件的不同，机车司机手部作业方式也不同，不同 操 作方式导致的手部尺寸也不相同， 因此， 针对不同类型器件的操作， 机 车司 机手 部 尺寸 应进 行 修正2 2 。 具体 见 表3 - 2 0 北京交通大学硕士学位论文第三章 基于人机原则的优化驾驶界面计算机仿真 表 3 - 2 项 目 按压操作 扳旋操作 握持操作 机车司机部分人体尺寸修正值 ( m m) 编 码1 尺 寸 修 正 量 修 正 原 因 - 1 3 - - - 2 5 - 7 6 - 1 2 7 器件的按压行程 食指和拇指同时操作 手掌抓握 51-52-53 根据表3 - 1 和表3 - 2 可得: l t = z j l z = j k / 2 l 3 = s b l 4 = q b l ， 二s c + s ; ，i = 1 2 3 机车司机坐姿作业空间取5 %人体尺寸数据为依据进行计算。 根据国 家标准g i b / t 1 2 9 8 5 - 9 1 在产品设计中应用人体尺寸百 分位数的通则 ， 以及各类产品尺寸设计的要求， 在进行设计时， 选 择p 5 . po . p 5 0 - p 9 0 、p 9 5 的 人 体尺 寸， 作为 设计 尺寸 依据。 人 体 尺寸百分位数是人体尺寸的一种位置指标， 百分位数为k的人体尺 寸以p k 表示， 它将产品的 使用者群体或样本的全部观测值分为两部 分: 有k % 的 观测值等 于或小 于它， 有( 1 0 0 - - 殉% 的 观 测值大于 它。 在设 计 使 用中， 常 用的 有p 50 . p . p 9 5 三种。 通常，必须根据设计对象的结构特征和设计参数来选用适当百 分位的人体尺寸， 以表3 - 3 为例来说明人体尺寸百分位的选用方法。 表 3 一 3 设计参数与 人休尺寸百分行的羊萦 结构特征设计参数举例 选用人体尺寸百分位 外部尺寸手臂活动及范围 选用 “ 小”身材，如第5 百分位 内部尺寸 脚、腿活动占有空间， 人体、头、手、脚等部 位通过空间 选用 “ 大” 身材，如第9 5 百分位 力的大小 操作力选用 “ 小”身材，如第5 百分位 断裂强度 选用 “ 大” 身材，如第9 5 百分位 由 于机车司机坐姿作业空间设计属于上表中内部尺寸，所以 取 中国 机车司机5 % 人体尺寸数据为依据进行计算。 北京交通大学硕士学位论文 第三章基于人机原则的优化驾驶界面计算机仿真 3 2 4 坐姿作业空间的计算机仿真分析 根据式( 3 1 ) ( 3 4 ) 建立的坐姿状态下的上肢运动方程，利用计算 机对8 个自由度( 坐姿作业空间是定义在自然坐姿状态下，身体在 中轴面内活动，所以自由度为8 个) 的所有可能进行取值，可以得 到机车司机坐姿时的上肢作业空间。 为了直观地展现人体作业域的空间分布情况，论文采用立体投 影方法来仿真作业空间，这样参考点的每一空间位置可以用一个小 立方体来表示，所有立方体组成的区域就是机车司机的坐姿可操作 区域。由于人体的作业可达点的集合在空间呈体状分布，而且这些 点为连续分布，所以对这些连续点进行可进行离散化处理。 立体投影方法的目标是用一个小立方体表示空间的一个可达 点，然后在三维空间中渲染这些可达点的立方体。本文的手臂运动 模型具有8 个空间自由度，鉴于计算机内存储器容量和主频的限制， 无法直接采样大量点来获得足够精确的仿真结果，因此，具体实现 中只提取作业域空间的外轮廓，这样可以大幅减少存储器的要求。 尽管如此，在提取作业域空间的外轮廓之前，仍然需要按照足够的 精度来计算所有需要的空间可达点，为此可先对一个或者几个自由 度进行等分区间，单独提取该区间下可达点确定的体轮廓，然后把 所有的轮廓进行合并。 机车司机坐姿作业空间计算机图形仿真算法实现如表3 - 4 所示： 表3 - 4 机车司机坐姿作业空间计算机图形仿真算法 算法：机车司机坐姿作业空间计算机图形仿真 输入：坐姿参数。约束参数 输出：坐姿作业可视化图形 u e g i n b e g i n1 ( 输入参数) 1 1 输入人体尺寸和约束数据； 1 2 选择要细分的自由度和细分程度 北京交通大学硕士学位论文 第三章基于人机原则的优化驾驶界面计算机仿真 1 3 选择仿真图形表现方式： e n d l b e g i n2 ( 计算作业域轮廓) 2 1 如果所有要求细分的自由度都已经完成计算转3 0 否则转2 2 2 2 计算作业域的空间体： 2 2 1 如果所有自由度递增到达区间终点2 3 否则转2 2 2 ； 2 2 2 计算当前各自由度确定的可达点，返回2 2 1 ； 2 3 提取本次计算的作业域轮廓并且与前次计算的结果合并： 2 3 1 根据约束和图形表现方式提取本次计算的轮廓； 2 3 2 结果合并，返回2 1 ； e n d2 3 0 作业域轮廓的三维消影与显示： e n d 在作业域仿真过程中，作业范围还要受到人机干涉的影响，干 涉包括手臂与机车司机自身躯体以及手臂与司机室内仪器、仪表和 各类操纵器之间的干涉。解决这一问题可以通过判断手臂是否与躯 体或仪器、仪表相交来解决。另外，在进行作业域仿真时，作业域 还受操作台的台面高度，座椅h 点位置以及h 点距操作台的距离有 关。 图3 - 6 为最大作业空间仿真情况。 每鱼炱 ( a ) 俯视图( b ) 正视图( c ) 轴侧图 图3 - 6 最大作业域仿真图形 为了使仿真结果更为直观，本文对电力及内燃机车司机室操纵 台进行了c a d 三维建模，并运j a c k 3 0 工效学软件系统对电力及 内燃机车司机操纵界面进行了进一步的仿真。仿真结果如下： 北京交通大学硕士学位论文第三章基于人机原则的优化驾驶界面计算机仿真 通过仿真可见电力机车司机室操纵台上( 见图3 7 ) 大、小闸， 扳钮开关组1 、2 ，机车钥匙，司机控制器，落入正常操作域：压力 仪表语音箱模块，超速防护显示屏，多功能仪表模块，机车状态平 面显示屏，扳钮开关组3 落入最大操作区域。 图3 7 电力机车正常及最大操作域模拟仿真俯视图 图3 - 8 内燃机车正常及最大操作域模拟仿真俯视图 内燃机车司机室操纵台上( 见图3 8 ) 大、小闸，扳钮开关组1 、 2 ，司机控制器，它车调速开关，柴油机启动落入正常操作域；压力 仪表语音箱模块，超速防护显示屏，多功能仪表模块，磁场削弱开 关落入最大操作区域。 由计算机仿真的结果可知，优化布局后电力和内燃机车操纵台 上重要的操纵器件基本落入正常操作区域，其它器件大多落入最大 北京交通大学硕士学位论文第三章 基于人机原则的优化驾驶界面计算机仿真 操作区域。从而证明了 基于人机约束的优化布局能够满足司机坐姿 作业的人机需求。 3 . 3 司机坐姿视野的判定 3 . 3 . 1 司机坐姿视野的要求 列车高速行驶时，机车司机必须时刻处于最优的驾驶状态，随 时随地观察线路信号、各类仪器、仪表的指示结果，并及时地做出 反应，以 合理地完成各种操作。因此，在司机室内仪器、仪表的布 局及了 望视野设计中，必须充分考虑机车司机视域的分布，司机室 内各类仪器、仪表的布局及了望视野的合理性，这对机车司机正确 完成各种操作极为重要。在以 往的司机室视野设计方法中是以平均 身材的司机眼睛在机车车身中的位置，作为测定机车视野的原点， 而且该点是固定的。 根据上述分布规律布置的机车司机室内 仪器、 仪表， 只适合中等身材的机车司机，不能使布局设计满足大多数人 的要求。 因此， 人机工程学研究人员从6 0 年代中期开始从事测定和 分析汽车驾驶员在正常驾驶姿态时的眼睛位置分布规律，其中美国 福特汽车公司的 j .f .me l d r u m最早测定并证实了驾驶员眼睛位置呈 椭圆形分布。眼椭圆是人机工程学中利用数理统计得出分析司机视 野分布较为适用的方法，本章将以眼椭圆理论为出发点，对如何通 过计算机仿真来确定机车司机视野进行探讨，并对基于人机约束设 计的司机室操纵台布局进行视野分析。 3 . 3 . 2 眼椭圆的定义及其定位 1 、眼椭圆的基本概念2 6 1 北京交通大学硕士学位论文第三章 基于人机原则的优化驾驶界面计算机仿真 眼椭圆是指不同身材的驾驶员按自己的意愿将座椅调整到适合 的位置，并以正常的驾驶姿势入座后，他们的眼睛位置在车身坐标 系中统计分布图形，即等概率密度线 ( 见图3 - 9 ) ，均为正态分布。 这种双变量分布的等百分比 线的轮廓是一椭圆，即眼椭圆。眼椭圆 分为第9 0 、 第9 5 、第9 9 等几种投影图，分别代表一定百分比的驾 驶员眼睛位置。如图3 - 1 0所示，在投影图中绘出一条相切于第 9 5 眼椭圆， 卜l 一x 图3 - 9驾驶员眼椭圆 图3 - 1 0眼椭圆 切线 ( 视线) 的意义 百分位眼椭圆的切线，说明有9 5 %的驾驶员眼睛位于切线下侧，而 仅有 5 % 位于切线上侧，即眼椭圆代表了驾驶员眼睛的位置范围。 因此， 它是司机室布置设计中驾驶员视线的出处，对于确定驾驶员 的 视域有着重要的作用。 2 , h点三维人体模型 h点是与坐姿舒适性相关的司机室内部尺寸的基准点，h点人 体模型用来确定一个和坐垫及靠背在自由状态下的轮廓形状无关的 统一基准。h点模型的安放方法在i s 0 6 5 4 9 中有明确的说明。 3 、眼椭圆及其在车身中位置的确定 根据驾驶员座椅参数，可确定机车的眼椭圆在司机室中位置坐 标 ， 其 步 骤 如 下 2 刀 : ( 1 ) 找出驾驶员座椅的如下参数:座椅前后移动量; 座椅高; 北京交通大学硕士学位论文第三章 基于人机原则的优化驾驶界面计算机仿真 座垫倾角;靠背倾角; ( 2 ) 确定s r p 点坐标: 利用三维h点人体模型， 根据g b / t 1 1 5 6 3 -8 9 汽车h点确定程序确定h点坐标，由h点与s r p点的相对位 置28 1 定义s r p 点坐标; ( 3 ) 确定眼椭圆工作的坐标系:在侧视图上，通过 s r p点做 z - z 轴线， 沿z - z 轴线在s r p 点上方6 3 5 毫米处作水平工作线x - x . 根据h点 水平行程由 表3 - 5 查出眼椭圆的中心坐标与x - x , y - y , z - z 的距离; ( 4 ) 9 5 %眼椭圆长、 短轴及倾角的确定: 根据座椅的前后调节 量， 查表3 - 6 , 3 - 7 可得9 5 %眼椭圆的 长、 短轴及倾角。 按概率理论， 9 5 %的眼椭圆若能满足视野要求。 则其它百分位的眼椭圆均能满足; ( 5 )眼椭圆实际中心坐标的确定:按照靠背角，查表3 - 8 可确 定眼 椭圆中 心坐标 最终工作 位置。 表中 给出 眼椭圆 基线x - x , y - y , z - z 相对于s r p 点上方6 3 5 毫米的点的水平位移( x) 及垂直位移( z ) o h点行程 x 平 均 z 平 均y平均( 左眼 ) y平均( 右眼 ) 1 0 2 十1 . 8- 5 . 6 - 6 . 4+ 5 8 . 0 1 1 4- 4 . 6 - 6 . 4一 5 . 6 x - 5 8 刀 1 2 7- 1 0 . 7 一 7 . 1- 5 . 1 十5 9 . 0 1 4 0 - 1 7 刀一 7 . 6 一， 3 +5 9 . 7 1 5 2 - 2 0 . 3一 8 . 4 - 4 . 1 + 6 0 . 2 1 6 5- 2 2 . 9 一 8 . 4- 4 . 1 +6 0 . 5 h点行程 眼椭圆的百分比 / % 9 09 5 9 9 1 0 2 1 0 91 4 7 2 1 6 1 1 41 2 2 1 6 0 2 2 9 1 2 7 1 3 51 7 3 2 4 1 1 4 01 4 7 1 8 5 2 5 4 1 5 2 1 5 51 9 3 2 6 2 1 6 51 6 0 1 9 8 2 6 7 北京交通大学硕士学位论文第三章 基于人机原则的优化驾驶界面计算机仿真 表3 - 7 眼椭圆短轴长度 视图 不同百分位时的短轴长度，切线界限 9 09 5%9 9 % 侧视图 7 78 61 2 2 俯视图 8 21 0 5 1 4 9 表3 - 8 眼椭圆定位线 ( 可调节式座椅用) 靠背角度 ( 度) 水平位移 x / mm 垂直位移 7 , / ii l m 靠背角度 ( 度) 水平位移 x / mm 垂直位移 z / mm 5 . 0- 1 8 6 . 4 2 7 .6 一 2 3 .0 - 1 7 . 54 . 9 6 .0- 1 7 6 . 52 7 . 3 2 4 . 0一 8 . 7 2 . 5 7 . 0- 1 6 6 . 62 7 . 0 2 5 . 00 . 0 0 . 0 8 . 0- 1 5 6 . 8 2 6 . 52 6 . 08 . 6 - 2 . 6 9 . 0- 1 4 7 . 12 5 . 9 2 7 . 01 7 . 2 一 5 . 4 1 0 乃- 1 3 7 . 4 2 5 . 1 2 8 .0 2 5 .8 一 8 . 2 1 1 . 0- 1 2 7 . 8 2 4 32 9 . 0 3 4 . 2- 1 1 . 2 1 2 . 0- 1 1 8 . 3 2 3 . 33 0 . 04 2 . 6 - 1 4 . 3 1 3 . 0- 1 0 8 . 8 2 2 . 23 1 刀 5 0 . 9- 1 7 . 5 1 4 . 0 - 9 9 . 42 1 .03 2 . 0 5 9 . 2- 2 0 . 8 1 5 .0 - 9 0 .0 1 9 . 7 3 3 . 06 7 4 - 2 4 . 3 1 6 . 0 - 8 0 . 71 8 . 3 3 4 . 07 5 . 6 - 2 7 . 9 1 7 . 0一1 .5 1 6 73 5 . 0 8 3 . 6 - 3 1 . 5 1 8 . 0- 6 2 . 3 1 5 . 03 6 . 0 9 1 . 6- 3 5 . 4 1 9 . 0 - 5 3 . 21 3 . 23 7 . 0 9 9 .6 一 加. 0- 4 4 . 21 1 . 33 8 . 0 1 0 7 5- 4 3 . 3 2 1 . 0- 3 5 . 2 9 . 33 9 . 0 1 1 5 3- 4 7 . 5 2 2 . 0 -2 6 .3 7 .2 4 0 . 0 1 2 3 . 0- 5 1 . 8 3 .3 . 3 基于眼椭圆 ( 球)的坐姿视野的判定 1 、 三维眼椭圆( 球) 的定义及其在计算机仿真坐标系中的位置 在三维设计中常常需要用到三维眼椭球 ( 如图 3 - 1 1所示) 。三 3 4 北京交通大学硕士学位论文 第三章基于人机原则的优化驾驶界面计算机仿真 表3 7 眼椭圆短轴长度 不同百分位时的短轴长度，切线界限 视图 9 0 9 5 9 9 侧视图7 7 8 61 2 2 俯视图 8 21 0 51 4 9 表3 _ 8 眼椭圆定位线( 可调节式座椅用) 靠背角度水平位移垂直位移靠背角度水平位移垂宜位移 ( 度)x n u nz m m( 度)r d m mz m m 5 01 8 6 42 7 62 3 01 7 54 9 6 o1 7 6 52 7 32 4 08 72 5 7 o1 6 6 62 7 ，02 5 o0 。o0 0 8 01 5 6 82 6 52 6 08 62 6 9 0，1 4 7 12 5 92 7 01 7 25 4 1 0 o1 3 7 4 2 5 ，1 2 8 02 5 88 2 1 l ，o1 2 7 82 4 ，32 9 ，03 4 21 1 ，2 1 2 ，01 1 8 32 3 3 3 0 o4 2 6- 1 4 3 1 3 01 0 8 82 2 23 1 05 0 91 7 5 1 4 09 9 4 2 1 o3 2 05 9 22 0 8 1 5 0 9 0 o 1 9 73 3 06 7 42 4 3 16 08 0 7 1 8 33 4 ，o7 5 62 7 9 1 2 0- 7 1 5 1 6 73 5 08 3 63 1 5 1 8 06 2 31 5 03 6 0 9 1 63 5 4 1 9 05 3 21 3 23 7 o 9 9 63 9 3 2 0 m- 4 4 2】1 f 33 8 o1 0 7 54 3 3 2 1 03 5 29 33 9 01 1 5 34 7 5 2 2 ，02 6 3 7 2 4 0 0 1 2 3 o5 1 _ 8 3 3 3 基于眼椭圆( 球) 的坐姿视野的判定 1 、三维眼椭圆( 球) 的定义及其在计算机仿真坐标系中的位置 在三维设计中常常需要用到三维眼椭球( 如图3 1 1 所示) 。三 北京交通大学硕士学位论文 第三章基于人机原则的优化驾驶界面计算机仿真 维眼椭球能够真实反映驾驶员的眼睛位置 在车身坐标系中的分布情况。将每一个三 y 维眼椭球向侧视图活俯视图投影，即可得 到相应的二维眼椭圆的侧视图和俯视图。 由于三维眼椭圆在侧视图上绕自身y 轴逆 z 图3 1 1 眼椭球示意图 x y 时针旋转6 4 。，在俯视图上再绕自身z 轴顺时针旋转5 6 。，故其尺 寸与二维眼椭圆样板略有差异。具体尺寸如表3 - 9 所示。表中l 2 3 是指正常驾驶或乘坐时座椅水平调节行程，即h 点的行程。 表3 - 9 三维跟椭球的长、宽、高( 单位n u n ) 第9 5 百分位第9 9 百分位 项目 1 0 0 ( l 2 3 1 3 31 0 0 l 2 3 1 3 3 长( x 轴) 1 7 3 81 9 8 92 4 2 12 6 8 2 宽( y 轴) 1 0 4 91 0 4 91 4 8 91 4 8 9 商( z 轴) 8 6 ，08 6 01 2 2 o1 2 2 ，o 在应用中根据第二章优化布局结果设计的内燃机车和电力机车 操纵台及座椅的参数如下： ( 1 ) 根据实际机车车辆司机座椅的参数范围，结合【2 8 1 p o l 中对座 椅参数调节量的推荐值，确定驾驶员座椅的如下参数： 座椅靠背回转中心距地面6 4 5 m m ：h 点坐标：相对于靠背回转 中心水平向前1 6 3 r a m ，垂直向上6 2 r a m ；h 点行程：1 6 5 m m ；座椅 高：5 1 5 m m ；靠背倾角：1 5 。根据座椅参数，取第9 5 百分位的眼 椭圆( 球) 参考表3 9 确定眼椭球的尺寸为；长( x 轴) 1 9 8 9 r a m ， 宽( y 轴) 1 0 4 9 r a m ，高( z 轴) 8 6 0 r a m 。 ( 2 ) 确定跟椭圆尺寸及其在计算机三维坐标系中的位置 在三维空间坐标系中定义座椅的h 点坐标( x h ，y a ，z h ) ，s l i p 点坐标( x s ，y s ，z s ) ，设定参考坐标系的x 轴为过h 点水平由操 纵台指向人的方向，z 轴为过h 点垂直向上方向，y 轴为过h 点与 x 轴和z 轴正交，坐标原点定义在操纵台岁卜侧与地面的交线和经过 北京交通大学硕士学位论文 第三章基于人机原则的优化驾驶界面计算机仿真 人体中心纵切面的交点上。根据座椅参数查表3 5 和3 - 8 即可以确 定眼椭球中心坐标为( x s + 1 1 2 9 ，y s ，z s - i - 6 6 4 3 ) 。s r p 点与h 点 的相对位置 2 8 见式( 3 5 ) ： l xs x h + s k = 式( 3 5 ) l z s z 一r 由座椅尺寸可以确定z h = ( 6 4 5 + 6 2 ) m m ，按照【硎中的规定，取 ) 【s = 3 5 9 m ，s = 1 2 0 衄，r = l g g m m ，y u = 0 ，代入上式求解s r p 点坐标。把s r p 点坐标代入眼椭球中心坐标中，可求得机车驾驶操 纵台的眼椭球中心坐标为( 4 6 3 ，0 ，1 2 7 0 ) 。 2 、基于眼椭圆( 球) 的坐姿视野的判定 在三维模拟司机操纵台上，通过建立给定视角的眼椭球的视切 平面，就可以判断司机的坐姿视野【”。 先判定切平面的位置( 即切平面位于眼椭球的前后左右方向) ， 而后由给定的视角在此方向上距眼椭球较远处作一平面p t 。然后在 三维空间平移p t ，使平面p t 与眼 椭球相切，这样就得到需要的眼 椭球的视切平面。 在进行司机的视野作业域检 验时，司机的有效视野范围采用 图3 1 2 所示的标准。由图3 1 2 ， 在计算机三维空间中定义相应的 与垂直视线左右夹角为1 5 。，以 及与水平视线向下夹角为o 。和 3 0 。的视切平面，即可得到机车司 机坐姿最佳视野范围；定义与垂 直视线左右夹角为3 5 。，以及与 暴。喃奇一i 拇 图3 1 2 垂直和水平视野 北京交通大学硕士学位论文 第三章基于人机原则的优化驾驶界面计算机仿真 水平视线向下夹角为o 。和3 0 。的视切平面，可得到机车司机坐姿最 大视野范围( 无需转动头部即可观察的范围) 。 本文运用j a c k 3 0 工效学软件系统对电力及内燃机车司机操纵 界面进行视野仿真。将眼椭球的三维坐标代入计算机，仿真结果如 下： 图3 1 3电力机车视野范围侧视图及透视图 图3 1 4 内燃机车视野范围侧视图及透视图 通过三维计算机模拟仿真，可直观的判断司机坐姿最佳视野的 范围。分别对内燃和电力机车操纵台进行模拟仿真( 见图3 1 3 ， 3 1 4 ，) 。可见对于电力机车操纵台和内燃机车操纵台，重要显示器 件：超速防护显示屏和多功能仪表模块都处于最佳视野范围内；其 它的显示器件则都落在正常视野范围内。由此结果可知。基于人机 约束的优化布局能够满足司机坐姿视野的人机需求。 3 7 北京交通大学硕士学位论文第 三章 基于人机原则的 优化驾驶界面计算机仿真 3 . 4 本章小结 本章完成了基于人机原则的优化驾驶界面的计算机仿真。通过 建立坐姿作业的手臂运动模型及运动方程， 对优化驾驶界面的坐姿 作业空间进行计算机仿真分析;同时以眼椭圆理论为出发点，通过 计算机仿真对操纵台视野空间进行了分析。仿真结果证明了优化布 局后的操纵台能够满足司机坐姿操作的作业空间以及视觉的需求。 北京交通大学硕士学位论文第四章 优化驾驶界面的主观评价与统计分析 第四章优化驾驶界面的主观评价与统计分析 4 . 1 引言 从2 0 0 2 年7 月开始，新的操纵台优化布局己在新造车上实施。 国内七个机车厂:大连机车厂、大同机车厂、株洲电力机车厂、二 七机车厂、四方机车车辆厂、戚墅堰机车车辆厂、四方机车车辆厂 和资阳机车厂新生产的以下车型的司机室操纵台使用了新的布局设 计:s s 9 , s s 7 d , d f 7 g , d f 4 d , d f 8 b , d f 1 1 , d f 7 c 。第三章基 于人机原则对优化布局的机车驾驶操纵界面进行计算机模拟仿真， 验证了机车驾驶界面布局的操作空间及视野空间合理性。为进一步 验证优化布局的 使用效果， 并且得到驾驶界面各器件布局之间的内 在联系，本章将对现已投入使用的优化驾驶界面进行主观评价与统 计分析。 4 .2 优化驾驶界面主观评价指标的设计 在人机工程学的 研究中， 评价指标的方法大致有以下两种: 1 、 主观评价法: 这是一种采用打分和回答调查提问的形式， 让 被调查者回答自己感受的评价方式。 2 、生理评价法: 该法是利用仪器测定乘客心率、呼吸节拍、 脑 电波、肌肉电波等生理指标进行评价的一种方式。 4 .2 . 1优化驾驶界面主 观评价指标的确定 本文对优化驾驶界面的 评价， 采用对司机进行问 卷调查的方式 进行主观评价，并对问 卷调查的结果进行统计分析。主观评价指标 北京交通大学硕士学位论文第四章 优化驾驶界面的主观评价与统计分析 是调查者依据调查目的和要求，按照一定的理论假设设计出来，由 一系列问题、调查项目、备选答案及说明所组成的，向被调查者收 集资料的一种工具。根据实际情况设计一份好的问卷是关系到调查 能否成功的重要条件之一，它在很大程度上决定着调查问卷的回收 率、 有效率和回答的质量。 因此，问卷调查要精心安排、 严格组织， 以保证准确、及时地完成调查任务。 1 、 在设计评 价问 卷时， 应考 虑到以 下因 素 3 1 . ( 1 )问卷的引言和注释:引言在问卷的开头，目的是让被调查 人了解调查的意思、主要内容、调查者的身份等情况。它的主要作 用时引起填写者对填写问卷的重视，明确填写任务和要求，以求得 被调查人的支持与合作。引言虽不是问卷的主要部分，但它的