多約束下的載人潛器艙內計算機輔助工效設計系統研究

李 博，吉曉民，陳登凱，余隋懷

(1.西安理工大學藝術與設計學院，陜西 西安 710054；2.西北工業大學現代設計與集成制造教育部重點實驗室，陜西 西安 710072)

本世紀初，國際海底區域競爭形勢日益激烈，我國自主研制深海載人潛水器的條件已經成熟[1]，國家決策部門將此項目實施提上議事日程。然而，載人潛器的研發是一項復雜的系統工程，需要國內的優勢力量聯合攻關。我國潛器載人艙內人機工效設計理論方法還不夠完善。伴隨下一階段載人深潛事業的發展，需要對現有的艙內環境人機工效設計加以改進并建立系統化、理論化并適合我國國情的設計原則和方法。

實現載人潛器艙內的人-機-環境的最優組合，獲得艙內操作人員所需的、具有特性功能的“人-機-環境”[2]系統，需要從滿足工效學多目標多屬性約束的角度，應用智能化設計的思想，在人-機界面設計，作業場所布局設計和作業環境設計與控制研究這三方面做到設計方案的可行解自動獲取和方案的優化。

目前計算機輔助工業設計(computer-aided industrial design，CAID)領域中引入的工效設計軟件系統主要是用于構建數字人體的三維建模軟件，比較典型的有：Jack[3]，SAMMIE，ANYBODY，CHIEF，BOEMAN等。這類數字人體建模軟件的大量涌現，一方面由于計算機圖形技術的發展為其提供了技術基礎；另一方面則是由于這些人機建模軟件本身的專業性，某些軟件中除了提供人體的測量數據外，還提供與人體有關的力學特性，如關節活動和關節柔韌性，視力限制，甚至勞累程度等方面的數據[4]，這類軟件均屬于計算機輔助工效設計軟件(computeraided engineering design, CAED)范疇。

上述CAED軟件對CAID過程的工效設計輔助均集中在提供人體的各項測量數據和設計方案的人機性能評價方面[5]，且只能對已經確定的設計方案進行評價，對工效設計方案產生過程的輔助程度則很低，而基于人-機-環境系統多目標、多屬性約束條件驅動進行智能化工效設計的軟件系統尚未檢索到。這類CAED軟件多為獨立運行，其輸出結果是面向設計師而不是面向CAID的概念設計階段，輸出的結果需要通過設計師這一環節的人工處理與轉化才能形成后續CAID過程中所需的輔助數據。總體來說，這類軟件所能提供的輔助基本屬于信息參考的層次，尚不能完成輔助工效設計中涉及到的布局、色彩、方案優化等設計行為。

因此，在CAID領域，需要一種能夠與概念設計過程進行有效集成的工效設計計算機輔助工具[6-9]。這種集成的CAED工具不僅可以有效利用CAID過程中各階段的數據結果來獲取工效設計所需的產品模型數據，還可以為CAID過程提供統一的設計方案數據直接為后續環節使用。總之，集成的CAED工具以CAID的基本造型功能和數據結構為工作平臺，隨時提供設計輔助而不中斷產品設計過程，且可以將已經成熟的工效設計原則和方法固化于程序內部，使程序在適當的時候可以代替設計師進行決策與設計，以提高設計效率。

1 載人潛器艙內工效設計與優化實現思路

筆者在科研項目組長期開展的CAID系統開發研究工作中，以及與相關企業合作經驗中受到啟發，解決載人潛器艙內工效設計問題的關鍵是要從問題的求解策略、途徑、理論和實現方法上有所突破。

目前，工效學研究普遍采用的實驗法、觀察法、詢問法和模擬法等常規研究方法，由于載人潛器艙內工效設計是一項高度復雜的系統工程，單純的通過實物試驗和主觀問卷這樣的設計過程并不能真實地反映系統工效設計的優劣，且在建立實物模型時往往需要較多的經費支持和較長的建造時間。

因此，在傳統的工效研究方法基礎上迫切需要結合計算機技術、人工智能技術，引入智能化思想，有效地完成載人艙工效設計與方案優化。

隨著虛擬現實技術的迅速發展，傳統的實物模型正越來越多地被數字模型所取代。因此，根據實驗精確測定的數據，在虛擬環境中依照需要構建出包含人機參數尺寸的數字人體，定義其完成指定的任務，并分析相應的性能，對于完成快速工效設計有很高的實用意義。

其次，基于約束條件提取，智能算法驅動的人-機界面外形設計、尺寸設計、位置設計和作業空間布局設計方案的自動求解，將使工效設計知識體系與計算智能得到很好地銜接，科學高效地獲得滿足工效約束條件的設計方案。

基于以上分析，提出應用虛擬人體模型參數調整獲取人-機界面組件最佳布局空間，基于進化算法驅動[10-12]和相關工效設計知識數據庫支持的人-機界面組件的形態、尺寸設計和布局設計的自動求解，結合粒子群智能優化算法技術，來綜合解決載人潛器艙內人-機界面和作業空間的空間布局設計與優化[13-14]問題。

由于需要底層的基本建模造型功能的支持，人機工效設計在產品設計的全過程中獨立性很弱。這決定了人機工效設計若要真正成為設計/制造一體化系統的有機環節，不適合做獨立的系統開發，而應考慮在已有的基礎造型功能較成熟的設計軟件基礎上進行有效集成。這樣不僅滿足了兼容性，而且縮短了開發周期。考慮以上各項要求，本研究選擇Unigraphics NX 7.5三維軟件系統(以下簡稱UG)作為原型系統的二次開發平臺。

2 載人潛器艙內工效設計中的約束獲取

載人潛器艙是面向特殊使用對象的產品，其工效設計有其獨特性，在一般產品的工效設計多考慮人機關系的基礎上，還要引入環境約束條件，以完整的人-機-環境系統為研究對象，綜合考慮來自多屬性的約束條件，使載人艙的工效設計最優。

2.1 虛擬人體輔助設計模型

提出應用虛擬人體的視域、可達域范圍獲取人-機界面布局設計的合理解集空間，輔助完成載人潛器艙內工效設計中的人-機界面布局智能設計與優化。面向艙內工效設計的虛擬人體輔助設計模型如圖1所示。

圖1 虛擬人體輔助設計模型

該模型需要解決的關鍵問題如下：

(1) 設計約束條件的選取。設計約束條件的快速選取需要全面的數據庫支持。例如，載人潛器艙要考慮在高濕度環境對乘員帶來的生理和心理影響，這些約束條件都需要記錄于數據庫中，根據實際情況隨時調用。

(2) 人體模型視域、可達域的范圍調整。人體模型的視域、可達域范圍為艙內人-機界面智能設計提供了最大可行解的獲取空間。然而，在載人潛器艙內環境和人的心理因素的影響下，人的視域、可達域范圍會發生相應變化，如何依據不同的環境約束條件做出合理調整直接決定人-機界面組件智能設計的準確性和有效性。

2.2 載人潛器艙內工效設計的約束條件

載人潛器艙內計算機輔助工效設計系統集成了各類別環境約束對人作業工效的影響。將艙內人-機界面工效設計受到的各種約束集成為相應數據庫，用于查詢、使用相關數據，為完成智能化工效設計提供便利。

在載人潛器艙內工效設計過程中，為了滿足來自人-機-環境等各方面的設計需求，設計師往往會受到各類限制和影響，設計時來自多屬性下的約束如果沒有全面考慮，設計方案就會有偏向某些約束條件的傾向性，而在另一些約束條件的滿足度方面就會有所欠缺，由此會或多或少對艙內人員的工作過程帶來潛在影響。

載人潛器艙內工效設計約束來自4個方面：一是來自人的生理特性的約束，具體包括人的感知特性、思維特性、執行能力特性。二是來自人的心理特性約束，具體包括人的情緒穩定程度；人對人-機界面操作是否感興趣；工效設計是否有利于人保持堅定的意志，是否適應人的不同性格特征及是否考慮人的注意特性。三是來自機器的功能性約束，包括機器功能尺寸的滿足及機器質心分布穩定性的滿足。四是艙內環境對工效設計的約束，具體的約束條件總結為圖2所示。

2.3 虛擬人體模型參數調整

本研究提出的基于多約束下的人體模型參數(視域、可達域范圍)調整問題，是要在確定各約束條件對于人體視域、可達域的影響重要度(即權重)的前提下，基于常態下人體視域、可達域的生理范圍基礎作出合理、科學的調整。

在載人潛器艙內，由于人-機界面包含的控制、顯示設備等的布局都是在二維基面內完成，且待布局物體的最大輪廓均可抽象為矩形體，可將艙內人-機界面布局設計抽象為矩形布局問題。因此，由虛擬人體模型確定的視域整體范圍是一個由調整后的視錐空間和由人體上肢可達域范圍求取交集圍合而成的圓錐空間。其中影響艙內視域空間的環境約束條件有噪聲與高速運動；載人艙內環境因素對于艙內人體可達域的影響主要是在噪聲、振動這兩方面。

圖2 載人潛器艙內工效設計過程中的設計約束

下面以一個數學模型來闡述多約束下人體模型參數調整的原理：假設在計算調整的過程中，簡化載人艙內人員人體模型面臨的多約束只重點考慮某一方面的因素，其計算調整法則如圖3所示。

圖3 計算調整法則

計算調整法則表明的意思是A經過B的約束作用后調整為C。用數學符號表示為：

將各種約束分別納入式(1)中考慮，設載人艙內人體模型參數調整后總的參數集為C，C由人體模型的各類參數集合組成，其中，bij為對應的影響人體模型參數的各項約束影響因子。

載人艙內人員在進行作業過程中，影響人的工效的因素主要有：振動、噪聲和高速運動。

結合已有相關研究的結果[15]可知，當環境和人的頭部保持不動時，眼睛能看到的空間就是視野即視域。按照視覺的分辨能力，視域可以分為3個區域(清晰視野區、中視野區和外視野區)。在清晰視野區的物體，可見其細微之處，在中視野區的物體看起來已經模糊不清了，在外視野區只有運動的物體才能引起人的注意[16]。

人眼的視距是從最近視距來衡量的，這個近點距離隨著年齡的增加而增大。取載人艙內人員的年齡區間從20～50歲，這個區間段年齡的人，視距最近距離18～45 cm。

結合項目設計需求，并調研獲取載人艙內人員的使用需求。為了保證操作率和減少人體疲勞，載人艙人-機界面的設計要盡可能地讓操作者不必轉動頭部和眼睛，更不必移動操作位置，便可從全部顯示儀表上獲取信息。依據這一設計依據，載人艙內基于人體模型視域參數獲取人-機界面組件布局設計的解空間就是要確定虛擬人體在多約束下調整后的視野和視距。

設常態下虛擬人體視域空間為E，調整后的人體視域空間為E′，由于人體視野的相關研究成果將視野分為水平和垂直視野，設常態下虛擬人體水平視野為EH，垂直視野為VE，視距為ED，則有：

式(2)～(4)中所有角度和距離的取值范圍均來源于本研究相關分析研究結果。

根據式(1)的思路分析，可得調整后的人體視域空間參數為：

式中，δ1被稱為影響人體模型參數范圍的權重系數，其中，δ1由振動環境引發，δ2由噪聲環境引發，δ3由艙體的高速運動引發，δ1+δ2+δ3= 1，0≤δ1≤1，0≤δ2≤1，0≤δ3≤ 1。

通過已有研究結論分析可得，在振動環境、噪聲環境和艙體高速運動等環境因素的單獨影響下，人的視野范圍都會減小。綜合考量上述環境約束條件，就是要在工效設計時，需要設計依據調研情況，來模擬影響人體視域的環境因素的實際情況，確定各環境約束條件的影響權重，軟件提供設計師輸入權重系數的人機接口，根據輸入數值，程序驅動計算調整人體視域范圍，完成常態下人體視域范圍的收斂。

2.4 遺傳算法智能求解艙內人-機界面布局設計的實現方法

在艙內人-機界面布局設計時，提出運用基于虛擬人體模型的視域、可達域范圍調整后的參數約束，初步獲取人-機界面布局的有效解空間，而后通過遺傳算法驅動，從解空間內計算獲取設計方案解集，獲取滿足適應度函數最大的解方案。其過程基本可分為3個步驟：問題構建、自動求解和交互求解。

問題構建步驟根據設計人員的輸入調用相應的模板建立設計問題實例、個體方案的編碼表達式、評價函數、解空間和約束條件等，是對用戶輸入的處理過程，這些行為在方法層的支持下完成的。

自動求解子過程是程序內部對設計問題展開搜索的過程，這個過程在已配置好的遺傳算法程序指導下自動進行，不需要設計人員的參與，設計師只要在開始時給定遺傳算法程序工作參數即可。

交互求解子過程是在自動求解子過程獲得一定滿意程度的種群質量后開始的。此時種群經過自動求解，已經保證了種群中的個體全部有效并多數已處在滿意范圍內。這種情況下，進一步的自動求解已很難獲得更優的方案，且此時種群收斂速度較慢，方案之間的差異性也不再適合于程序自動評價。設計人員的交互操作對方案的評價與選取起到了最后決定性的作用。因而，將設計人員選中的設計方案解集轉入下一階段的基于改進粒子群算法的設計方案多目標優化是很有必要的。

2.5 基于知識推理的色彩工效設計過程

按照時下流行的設計調和理論和TOP TO DOWN(自頂向下)的色彩設計模式[17-18]，設計師首先結合設計調研得出的描述性語義詞匯，依照語義性的心理型色彩設計方法基于色彩設計知識確定設計方案的主色調，具體可以采取從系統提供的色彩設計描述詞典中選取的方式，根據描述詞匯，結合上述的經驗歸納性知識、實例樣本知識和通過色彩語義抽取的知識的綜合評判，共同確定主調色的初始色彩值，再根據與色彩調和有關的描述詞匯確定出輔助色的初始色彩值，根據基于語義性知識驅動的方法生成艙內色彩主色與輔色初始方案解集的獲取。這里需要指出的是，由于系統在選擇表示顏色時使用R、G、B模式，在這個模型中，每個顏色由一個(r,g,b)三元組表示，r、g、b的值域為[0，l]，相應的(0，0，0)表示黑色，(l，l，1)表示白色，這個空間中所有顏色組成一個立方體的空間。r、g、b這3個分量若相等，則得到無彩色的系列灰色；一組色彩的r、g、b這3個分量之間的比例若相等，則該組色彩的色相相同。

主-輔色的色彩方案均由系統基于色彩設計知識驅動而自動產生并且輔色隨主色的變化而實時動態改變；系統自動生成的主-輔色色彩方案需要進一步的色彩方案優化[19]，最后根據與色彩配置有關的描述確定出色彩與載人艙人-機界面組件的映射關系[20-22]，從而完成載人艙人-機界面色彩配置設計工作。

選出的色彩以色塊的方式在界面上顯示出來，在三維設計平臺上可以觀察產品的色彩效果。設計師可以回到前面的任何一步進行修改，也可以用平臺最基本的單色調整功能進行局部微調。設計過程如圖4所示。

圖4 基于知識推理的色彩工效設計流程圖

2.6 人-機界面智能設計方案解集的輸出

基于人-機-環境因素的載人潛器艙內人-機界面智能設計完成后，產生人-機界面組件的布局設計可行解集和色彩配置可行解集。布局設計可行解集輸出為平面圖方案，色彩配置可行解集輸出為色彩方案的色彩R、G、B數值。輸出的可行解集方案如圖5～6所示，每個可行解方案獨立為一個界面顯示，并按數字順序編碼以示區別。

圖5 布局設計可行解輸出示意

圖6 色彩配置可行解輸出示意

3 載人潛器艙內計算機輔助工效設計系統開發

載人潛器艙內計算機輔助工效設計系統的開發技術路線模型如圖7所示，共分3個層次。

圖7 系統技術開發路線

3.1 系統工作流程模型

載人潛器艙內計算機輔助工效設計系統的簡要工作流程如圖8所示。

基于系統工作流程模型，可將計算機輔助系統的使用運行過程描述為如下步驟：

(1) 設計師啟動UG三維軟件，進入CAD模塊，使用CAD建模功能構建載人潛器艙數字模型，或從其他軟件向UG軟件CAD模塊導入數字模型，構建完畢艙內虛擬環境。

(2) 從主菜單中點選“艙內工效設計智能輔助”菜單，彈出下拉菜單，選取載人艙所屬類別。

(3) 進入人體建模子菜單。輸入擬定的艙內人員數、性別、年齡和人體尺寸百分比等信息，建立適合該載人潛器艙數字模型的虛擬人體數字模型。完成人體姿態設定和人體模型在載人艙虛擬環境中的空間定位，獲取正常情況下該數字人體模型的視域、可達域最佳范圍數據。

(4) 進入儀器設備查詢子菜單。系統程序自動調用儀器設備標準件參數數據庫獲取該類別載人艙內人-機界面組件的分類、功能、尺寸范圍、質量范圍等機器相關參數，供設計師作為人-機界面組件布局的信息參考。

(5) 系統獲取該類別載人艙內物理環境相關約束要素，自動調用工效設計知識數據庫資源，建立環境約束與虛擬人體視域、可達域的關聯，完成人-機界面組件布局設計時虛擬人體在約束條件下的視域最佳范圍的調整。

(6) 點擊進入人-機界面組件智能設計子菜單，結合獲取的虛擬人體視域、可達域范圍，智能計算完成人-機界面組件的形態設計和布局設計；結合基于知識推理的色彩智能設計，完成載人艙內空間色彩設計和人-機界面的色彩配置智能設計。

(7) 點擊進入設計方案智能優化子菜單，基于改進型粒子群算法驅動，智能計算優化求解獲得人-機界面組件布局優化方案和人-機界面色彩配置優化方案。

(8) 點擊進入設計方案輸出子菜單，布局優化方案以二維平面圖形式輸出，色彩配置優化方案以色彩的色號RGB值輸出。完成計算機輔助工效設計全過程。

3.2 系統相關數據庫構建

(1) 人體參數數據庫的構建。用于提供虛擬人體建模數據的人體數據庫數據由Access構建的靜態庫。數據來源包括中國國家標準GB10000-1988和美國Dreyfuss事務所發布的人體數據。Dreyfuss人體數據庫又包括人體結構尺寸模塊，人體工作尺寸模塊和人體空間尺寸模塊。數據庫系統是采用VC++語言開發，所以要編譯成可執行文件，庫中的圖片大都是外部軟件處理好的圖片文件，嵌入到數據表中。數據庫中采用圖片和表格的雙表達方式。本系統中人體數據查詢工具的程序實現原理如圖9所示。

圖8 系統工作流程模型

圖9 人體數據查詢工具的程序實現

(2) 色彩設計知識庫的構建。載人潛器艙內部色彩設計知識庫由4個知識源組成，即色彩數知識源、主調色知識源、輔助色知識源和色彩配置知識源。所有的載人艙內部色彩設計知識都按照這4種類型進行分類，并存放在不同的知識源中。

一個知識源由知識庫類中的一個鏈表來實現，鏈表的每一節點是屬于該知識源的一個知識對象。一個知識對象對應于一條規則。鏈表又是通過MFC中的集合類CObList來實現。知識源采用鏈表的結構便于舊知識的刪除和新知識的輸入。舊知識的刪除就是從鏈表中刪去一個知識對象，而新知識的輸入就是將一個新構建的知識對象加入到鏈表中去，知識庫類提供成員函數來支持知識的編輯與更新。

知識庫在系統外部以知識庫文件的形式存在，因此根據不同的色彩設計專家的知識可以建立不同的知識庫文件。在系統中，設計者可以選擇不同的知識庫文件來構造知識庫對象，從而實現利用不同的專家知識來進行色彩設計推理。系統還允許設計者合并不同的知識庫文件，從而利用幾個專家的知識進行色彩設計推理。

(3) 人機功能組件參數數據庫的構建。載人潛器艙內人-機界面中有人機要求的部件或結構(簡稱“人機功能組件”)。按照數據的表達類型，人機功能組件數據可分為圖形數據、屬性數據和尺寸數據。圖形數據是指由點、線、面和注記數據形式記錄的各項功能組件的外形，主要用于描述人機功能組件的形狀信息。

屬性數據記錄了各人機功能組件的所屬類別，目前的人機功能組件中，顯示器按大類分為視覺顯示器、聽覺顯示器和報警/通報類顯示器3大類；控制器包括手動控制器、語音控制其2大類。

尺寸數據記錄了人機功能組件的三維尺寸數值最大、最小極值區間和相應的組件之間裝配尺寸數值等。

(4) 工效設計知識資源庫的構建。工效設計知識資源庫集合了人-機界面的工效設計理論、作業空間布局設計的工效學理論、色彩設計工效學理論等，每一類工效設計知識數據按照一定的編碼特征統一存放于數據庫中，數據庫提供必要的檢索方式，一般可通過工效設計理論的所屬類別名稱和關鍵詞定位所需的工效設計知識。

根據數據節點的類結構，將工效設計知識實例方案的信息放在知識資源庫中，為了便于獲取和檢索，采用統一格式進行歸類存放。

3.3 數據庫的訪問與操作

借助數據庫，設計師可以提取、修改、添加載人艙所受到的人-機-環境的各方面約束參數。利用ADO數據庫訪問技術，數據庫的訪問和操作流程如圖10所示。

圖10 數據庫訪問與操作流程圖

4 構建載人潛器艙內工效設計CAD系統

4.1 需求分析

系統直接面向載人潛器艙內工效設計領域，是一個專用而高效的軟件系統。系統完全建立在工業設計學科思想之上，面向用戶的邏輯層符合工業設計師的思維方式和習慣，操作簡單、界面方便、使用高效。系統提供的工具集在邏輯上應該盡量與工業設計師常采用的傳統設計工具相類似，系統提供的工效設計方案及優化過程應該是原理復雜但操作方法簡便，滿足ICAD思想。

系統的需求分析總結為以下幾點：

(1) 系統直接面向載人潛器艙內工效方案設計與優化；

(2) 系統充分體現工業設計的特點，邏輯層應該符合工業設計師的思維方式和習慣；

(3) 系統提供的工具用于艙內的工效方案設計，智能化設計簡單而高效；

(4) 系統支持實時的真實感圖形生成；

(5) 在較高的層次上輔助設計師的工效設計，在一定程度上能夠提高艙內工效設計方案的自動化水平。

4.2 系統框架設計

系統的功能結構如圖11所示。系統依托UG平臺，將各模塊的軟件界面有機地集成于UG屬性頁中。各模塊工具集可以通過專用菜單欄啟動和工具欄啟動。系統結構中應用層包含相應的6個工具集，集成框架如圖12所示。

圖11 系統架構圖

圖12 系統集成框架圖

5 系統應用驗證

5.1 系統的運行

系統采用手動注冊的方式[23]。其步驟如下：啟動UG三維設計平臺，選擇“工具”下拉菜單的“輔助應用程序”菜單項，單擊對話框“注冊”項，在選中工效設計輔助系統(MCCAED)的注冊文件，系統顯示應用程序名稱，選中應用程序名稱，單擊啟動后，MCCAED系統已經加載到系統中，系統注冊完成后的下拉菜單如圖13所示。

圖13 系統注冊完成后的菜單

5.2 系統的驗證

本節將結合一款艙內綜合控顯儀表的布局設計為例，對系統的各個模塊進行驗證。布局設計包含的主要步驟有：調用控制按鈕和顯示屏的大小尺寸、應用虛擬人體視域、可達域的自適應調整確定布局范圍、運用遺傳算法完成布局方案的智能計算，運用改進型粒子群自適應算法完成布局設計方案優化。系統設定記錄前6個最優方案，生成結果如圖14所示橫版、圖15豎版布局方案實例。設計人員可以根據其位置序號選擇其中較滿意的設計方案，通過改變參數對其進行繼續優化或修改。

綜合控顯儀表中涉及到的布局設計、色彩設計及布局優化、色彩優化等內容較多，本文只對控顯儀表的布局方案優化進行了驗證，其色彩配置及色彩優化內容驗證未列出。

圖14 控顯儀表橫版布局優化實例

圖15 控顯儀表豎版布局優化實例

6 結 論

在研究與載人潛器艙內人機工效設計相關的人的生理、心理和環境約束等相關多約束條件的基礎上，根據設計人員需求構建了載人潛器艙內工效設計計算機輔助系統，并將其集成到三維設計平臺UG7.5上，對各模塊的功能進行了應用驗證，證明了以合適的CAD軟件為平臺開發計算機輔助工效設計軟件，不僅是一種高效的策略，而且有利于CAED軟件的推廣應用。該輔助系統能使設計人員加深對多約束條件下艙內人員的生理、心理和環境約束條件的理解，將人機工效設計思想的應用引入至產品概念設計階段，大大降低了后期進行工效學評價所需的成本，提高了設計人員工作效率，減少設計的重復性工作。

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