賽車駕駛員人機工程舒適性仿真研究

張東劍,馬其華,2,任洪娟,陶 超

(1.上海工程技術大學 汽車工程學院， 上海 201600；2.東華大學 高性能纖維及制品教育部重點實驗室， 上海 201620)

賽車駕駛員人機工程舒適性仿真研究

張東劍1,馬其華1,2,任洪娟1,陶 超1

(1.上海工程技術大學 汽車工程學院， 上海 201600；2.東華大學 高性能纖維及制品教育部重點實驗室， 上海 201620)

大學生方程式賽車(FSC)駕駛員的操作舒適性對保證賽車可靠性、提高比賽成績起著重要作用，但由于不同駕駛員的個體差異導致操作舒適性很難統一評價。針對這一問題，依據人機工程學理論，以FSC賽車駕駛員為人體模型樣本，并考慮到人體關節復雜因素影響，應用模糊理論建立賽車駕駛員舒適性評價系統理論模型。在此基礎上，以腳趾關節、踝關節、膝關節、臀關節、軀干關節、肩關節、肘關節、頸關節的舒適度加權和最大為目標，運用遺傳算法對各關節的最舒適角度進行全局優化匹配。結果表明：評價結果與人體實際舒適性結果基本一致。這將為乘用車的駕駛舒適性開發提供理論借鑒。

舒適性；模糊推理；評價體系；遺傳算法；優化匹配

Abstract: The operation comfort of Formula Student China(FSC)driver plays an important role in ensuring the reliability of the car and improving the performance of the race, however, due to the individual differences of different drivers, it is difficult to unify the evaluation of operating comfort. According to the theory of ergonomics and taking into account the impact of complex human joint factors of FSC driver, using fuzzy inference to establish racing driver comfort evaluation system. The maximum weighted sum of the comfort degree of the joints of the toe joint, ankle joint, knee joint, hip joint, shoulder joint, shoulder joint, elbow joint and neck joint was seen as the goal, and the genetic algorithm is used to optimize and match the most comfortable angle of each joint. The results show that the evaluation results are consistent with the actual comfort of the driver, and the research methods have positive effects on the development of the driving comfort of passenger cars in the future.

Keywords: comfort; fuzzy inference; evaluation system; genetic algorithm; optimize and match

駕駛員的操作舒適性是FSC賽車設計的重要指標，是駕駛員與駕駛室良好匹配的重要內容。合理、舒適的人-機-環境系統相互關系能有效提高駕駛員的操作效率、操作舒適性以及操作安全[1]，對于提高比賽成績起到重要的作用。

FSC賽車的功能和設計目標較為單一，所以駕駛員的舒適性評價主要集中在軀干關節上，如腳趾關節、踝關節、膝關節、臀關節、軀干關節、肩關節、肘關節、頸關節等。但目前駕駛員舒適性評價方法主要集中在模糊綜合評判和關節角度舒適度評估兩方面。李鴻煒等[2]利用模糊理論分析乘坐環境，乘員身體振動，乘員生理、心理等因素，并以這些影響因素為對象進行模糊綜合評判， 進而提出評價乘車舒適性的綜合評判方法。Grandjean[3]在保持頭、手、腳的位置相類似的基礎上，計算出了人體最佳駕駛舒適度的各關節角度。滕俊章等[4]在關節角度舒適性評估方法的基礎上進行改進，提出了一種基于關節力矩的舒適度評估算法。總體上來說，這兩類評價方法需要實物樣機的支持，成本高，開發周期長，評估的關節角度一般也只涉及部分軀干，未從駕駛員整體協調性的角度進行軀體關節全局優化。

針對上述問題，本文基于人機工程學理論和相關國家標準，應用模糊理論的方法構建了駕駛員人機工程舒適性評價系統模型，并引入遺傳算法對腳趾關節、踝關節、膝關節、臀關節、軀干關節、肩關節、肘關節、頸關節的最舒適角度進行全局優化匹配。評價結果能為FSC賽車駕駛室的開發設計提供輔助決策支持，同時其研究方法對乘用車的駕駛舒適性開發具有一定的借鑒作用。

1 基于人機工程學的賽車駕駛員舒適性評價

人機工程學是研究人、機、環境三者之間相互關系的新學科，其研究目的是綜合考慮人體生理、能源消耗及環境適應等因素以實現人機最佳狀態。FSC賽車駕駛員的人機工程舒適性要求設計人員在設計車輛時，將人的舒適性、安全性與方便性作為車輛設計的核心內容，使駕駛員無需依據車輛調整自己的狀態。因此，在評價車輛舒適性時始終以人為核心。

FSC賽車為比賽專用車，車體小、視野廣是其一大特點。因此，在評價駕駛員人機工程舒適性時往往集中在身體軀干關節的舒適度上。如圖1(a)所示，本文將影響駕駛員人機工程舒適性的因素分為8類：W1、W2、W3、W4、W5、W6、W7、W8分別對應腳趾關節、踝關節、膝關節、臀關節、軀干關節、肩關節、肘關節、頸關節。然而，由于人體的每個關節都可以進行前后轉動和左右轉動，因此在評價駕駛員人機工程舒適性時還需要考慮每個關節的空間轉動，如圖1(b)所示(本文以頸關節空間轉動為例)。

圖1 駕駛員舒適性影響因素

按照層次化的方法建立駕駛員的人機工程舒適性評價指標體系[5]。首先將駕駛員人機工程舒適性評價定義為總體，再將總體細分為若干子項，如腳趾關節、踝關節、膝關節、臀關節、軀干關節、肩關節、肘關節、頸關節舒適角度等8個1級指標，最后將1級指標分為多個2級指標，如關節的左右、上下活動舒適角度等，這樣所有的參評項目就構成了一個具有層次的指標樹。圖2為 FSC賽車駕駛員人機工程舒適性主要評價指標體系。

圖2 FSC賽車駕駛員人機工程舒適性主要評價體系

2 基于遺傳算法的駕駛員人機工程舒適性模糊評價

FSC賽車駕駛員舒適性評價缺乏客觀的標準尺度，在評價過程中容易受到主觀因素的影響。在舒適性評價時，不同設計人員、試車員、駕駛員等這些不確定因素之間所感受的舒適性難以一致，不同車型之間的舒適性評價也不盡相同，有可能對同一個設計方案的舒適性評價造成顯著差異，亟待研究一種行之有效的評價方法[6]。因此，為提高駕駛員舒適性評價的準確性，本文應用模糊推理的方法建立駕駛員人機工程舒適性評價模型，并運用遺傳算法對各關節的最舒適角度進行全局優化。

2.1 模糊評價的引入

在本文所建立的評價指標體系中，假設舒適性評價1級指標集合為W={W1,W2,…,Wn}，其中Wi(i=1,2,…,n)是評價因素，n是同一層級單個因素的個數。舒適性評價2級指標集合Wi={wi1,wi2,wi3,…,win}，其中win(i=1,2,…,n)是1級指標評價子因素，n是同一層級單個因素的個數。

對于每一個子因素win，其權重分配為Ai={ai1,ai2,ai3,…,ain}，其中

由不同1級指標下的2級評價子因素win構成的評價矩陣為Ri，于是單因素模糊推理綜合評價為：Zi=Ai×Ri=(bi1,bi2,…,bin)，其中i=1，2，…,8。

將每一個Wi作為一個因素，用Zi作為它的單因素評價，構成評價矩陣，即：

(1)

其中：m表示參考個數；i表示因素個數。Zi表示因素集W={W1,W2,W3,W4,W5,W6,W7,W8}的單因素評判矩陣，每個Wi作為W的一部分，反映了W的某類屬性。按各因素重要程度給出權重分配為C={c1，c2，c3，…，ci}，i=8 以及它們各因素的評價結果構成的矩陣Z，這樣就可以得出模糊推理綜合評價的結果T，T=C×Z。

計算得到T后，按照最大隸屬度原則確定評判對象的具體結果，取其最大的評價指標 MaxTk(k=1，2，3,…,m)相對應的評判集P為綜合評價的結果，即P=MaxTk。

2.2駕駛員人機工程舒適性評價的等級劃定

在只涉及特定駕駛員和路面激勵的FSC賽車駕駛員舒適性綜合評價中，將駕駛員的腳趾關節、踝關節、膝關節、臀關節、軀干關節、肩關節、肘關節、頸關節的關節角度作為舒適性綜合評價中的量化指標，參照Kristian[7]的同一級別目標車乘坐舒適性主觀評價方法以及UG人機系統數據庫建立FSC賽車駕駛員乘坐舒適性的評價標準。通過在人機系統數據庫中改變各關節角度，給出舒適性的主觀分值，與客觀評價進行對比，結果表明二者具有一致性。本文將舒適性評判集P統一為7級。7級評價指標的量化見表1。

表1 7級評價指標量化

舒適性很好好較好一般分數90～10080～9070～8060～70舒適性較壞壞很壞分數50～6040～500～40

由表1可以看出：在對駕駛員人機工程舒適性評價的過程中，需要對各項指標精確評分。這是一項嚴格的要求，只有經驗豐富的測評專家才能做到，而普通測評人員只能對某項指標做出“很好”“好”“較好”“一般”“較壞”“壞”及“很壞”等模糊評判。如果引入遺傳算法對各個關節角度進行優化，訓練出各個關節轉動角度與評價結果的函數關系，可獲得更好的效果。以下將遺傳算法理論應用于駕駛員人機工程舒適性評價，通過對已知樣本的學習獲得測評專家的經驗、知識、主觀判斷及對目標重要性的權重協調能力，從而降低評價過程中人為因素的影響，較好地保證評價結果的客觀性。

2.3 基于遺傳算法的關節舒適角度優化

在研究FSC賽車駕駛員舒適性的過程中，駕駛員身體的各個關節存在相互關聯的變化情況。因此，每個關節角度都不能單獨處在最舒適的狀態，必須參照人體協調運動趨勢將人體的各個關節進行加權求和，同時運用遺傳算法對駕駛員各個關節角度進行整體優化。

在優化過程中，采用標準遺傳算法的2個原則：Pareto最優保存原則和差異保存原則。如果根據所有的評判標準，一個優化方案x不比另一個方案y差，那么方案x稱作對方案y的Pareto支配，至少根據一個評判標準稱x絕對比y好。如果研究范圍內所有實驗點的設置為非Pareto支配，則稱作多目標問題的Pareto最優解：表示矛盾目標之間的最佳折中，而且是一個集合[8]。解決多關節角度的優化問題，就是在Pareto最優解集合中選擇一個最佳方案，其流程如圖3所示。

圖3 基于遺傳算法的多關節角度優化流程

2.3.1 函數訓練

FSC賽車駕駛員的各個關節角度直接影響駕駛員的乘坐舒適性。本文依據測評專家總結數據訓練出各個關節角度與駕駛員舒適性評價結果的函數，并繪制函數曲面，如圖4所示。

1) 腳趾關節：

(2)

2) 踝關節：

(3)

3) 膝關節：

(4)

4) 臀關節：

(5)

5) 軀干關節：

(6)

6) 肩關節：

(7)

7) 肘關節：

(8)

8) 頸關節：

(9)

2.3.2 優化目標

為使FSC賽車駕駛員的舒適性最佳，本文對駕駛員身體的腳趾關節、踝關節、膝關節、臀關節、軀干關節、肩關節、肘關節、頸關節角度進行全局優化，優化目標為：

(10)

式中：Minαin、Maxαin分別為子集因素win取值角度的最小值與最大值。

當每一個子集因素都算出最佳舒適角度時，依據CORLETT[9]建立的BPD指標確定各子集因素的權重系數，即腳趾關節、踝關節、膝關節、臀關節、軀干關節、肩關節、肘關節、頸關節的權重系數為{0.088,0.102,0.125,0.208,0.247,0.134,0.031,0.065},通過各個關節所占的權重計算駕駛員的舒適程度，其最終的優化函數——FSC賽車駕駛員舒適性評價結果T表示為

(11)

3 優化結果與分析

在遺傳進化過程中，每個關節的因素角度win在其取值范圍內不斷取值計算。在滿足約束條件下選擇評價結果T最大值的關節角度組合。通過對腳趾關節、踝關節、膝關節、臀關節、軀干關節、肩關節、肘關節、頸關節角度的尋優，得到FSC賽車駕駛員最舒適狀態下的關節角度組合，如表2所示。

表2 遺傳算法優化結果

駕駛員的各個關節角度組合為表2所示時舒適性評價結果T值最大。然而，駕駛員的操作是一個動態過程，因此各個關節有一個舒適的角度范圍：腳趾關節為13°～17°，踝關節為前后85°～100°、左右0°～10°，膝關節為116°～126°，臀關節為38°～48°，軀干關節為55°～65°，肩關節為前后80°～90°、上下72°～82°，肘關節為前后135°～150°、上下5°～15°，頸關節為0°～15°，此時FSC賽車駕駛員處在最舒適狀態，且駕駛員視野滿足GB11562《汽車駕駛員前方視野要求及測量方法》的規定和要求。

4 結束語

本文以FSC賽車為研究實例對駕駛員的人機工程舒適性進行探索。根據模糊推理建立賽車駕駛員舒適性評價體系，運用遺傳算法對腳趾關節、踝關節、膝關節、臀關節、軀干關節、肩關節、肘關節、頸關節的舒適度進行加權計算，同時對各關節的最舒適角度進行全局優化匹配。本研究結果符合實際FSC賽車駕駛員的乘坐需要，其研究方法對乘用車的駕駛舒適性開發具有積極的借鑒作用。

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(責任編輯劉 舸)

SimulationStudyonErgonomicComfortofRacingDrivers

ZHANG Dongjian1，MA Qihua1,2，REN Hongjuan1，TAO Chao1

(1.College of Automotive Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201600, China； 2.Key Laboratory of High Performance Fibers & Products, Ministry of Education, Donghua University, Shanghai 201620, China)

2017-04-01

高性能纖維及制品教育部重點實驗室開放課題資助項目(E2-6203-16-09-(2016)NO.2)

張東劍(1991—)，男，碩士研究生，主要從事汽車性能研究，E-mail:d.j.zhang@qq.com； 通迅作者 馬其華(1980—)，男， 副教授，主要從事汽車性能仿真與優化研究，E-mail:mqh0386@163.com。

張東劍,馬其華,任洪娟，等.賽車駕駛員人機工程舒適性仿真研究[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2017(9):22-28.

formatZHANG Dongjian，MA Qihua，REN Hongjuan,et al.Simulation Study on Ergonomic Comfort of Racing Drivers[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(9):22-28.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.09.004

TB24；U462

A

1674-8425(2017)09-0022-07