基于腦電信號分析的換擋布置優化

劉殿科 李洪鈺

摘 要：腦電信號分析是人機工程中測量認知工作負荷及情緒的一種十分具有吸引力的方法。通過提取腦電功率譜信息，可以識別出不同種類的情緒，如高興、悲傷、愉悅等，其準確率可達80%以上。文章基于腦電信號分析的以上作用，以某整車廠概念設計階段，換擋手球位置的布置為研究對象。利用腦電信號采集設備分別采集24個被試人員在90個變量位置操縱換擋所產生的舒適度信號，再對信號進行小波能量分析，得到最優結果之后，與人體主觀評價結果進行綜合分析，確定換擋手球最佳布置位置。對腦電設備在汽車總布置階段的應用進行探索實踐。

關鍵詞：腦電信號分析;主觀評價;人機工程;換擋手球布置

中圖分類號：U462? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）17-90-03

Gear shift arrangement optimization based on eegsignal analysis

Liu Dianke， Li Hongyu

（ Vehicle Integration Division， Brilliance Automotive Engineering Research Institute， Liaoning Shenyang 110141 ）

Abstract： Eeg signal analysis is an attractive method to measure cognitive workload and emotion in ergonomics. You can identify different kinds of emotions， such as happiness， sadness， and joy， with an accuracy of more than 80 percent， by extracting the eeg power spectrum. ased on the above functions of eeg signal analysis， this paper takes the layout of shift handball position in the conceptual design stage of a certain automobile factory as the research object. Eeg signal acquisition equipment was used to collect the comfort signals of 24 subjects who manipulated gear shifting at 90 variable positions， and then the signals were analyzed with wavelet energy. After obtaining the optimal results， the optimal position of the handball was determined through comprehensive analysis with the subjective evaluation results.The application of electroence -phalogram （eeg） equipment in automobile layout stage is explored and practiced.

Keywords： Eeganalysis; Subjectiveassessment; Ergonomics; Shift handball layout

CLC NO.： U462? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）17-90-03

1 問題產生

XX項目為A車型的改款項目，在概念設計階段，總布置工程師與造型師對換擋手球的高度觀點不一致，如圖1。

就此問題，項目組擬采用新的方法進行模型驗證。嘗試利用腦電分析設備對比與主觀評價結合的方式，對手球位置進行優化。

2 換擋手球位置優化

2.1 實驗平臺搭建

2.1.1 實驗設備及分組

本實驗采用的實驗設備主要包括腦電采集設備、信號分析程序、原型車一輛（拆除副儀表內飾）、換擋手球位置調節樣件（含固定支架）。

2.1.1.1 換擋位置變量分組

將原型車A的換擋手球空擋質心位置定位原點，車尾方向為X正方向，副駕駛方向為Y正方向。

由于本項目是基于A車型的FACELIFT，Y方向可設置變量少，以換擋手球在Y方向上的布置位置分組，共分為-10mm、0mm、10mm三組。每組包括5個X變化位置及6個Z變化位置。每次調整步長為10mm。

需要說明的是，根據競品分析，原車型A換擋手球相對于駕駛員R點位置已經很低，概念設計階段定義換擋手球不能低于原設計位置，故Z向變量值均為正值。

2.1.1.2 被試人員分組

為了驗證結果更具說服力，尋找專業人機工程師12人和其他各部門人員12人分別組成人機組和隨機組，兩組人員身高組成覆蓋90%人體范圍。

2.2 腦電信號分析

2.2.1 α波能量分析原理

腦電節律波通常有四種，α波產生在人放松時和短期記憶的特征指標;β波是大腦產生注意活動的特征指標;θ波是人在產生情感變化時的特征指標;δ波是大腦產生動機、獎勵活動的特征指標。

本文使用α波能量分析，通常該值越大，越舒適。

2.2.2 單個樣本分析

對于單個樣本，處理結果通過熱力圖展現，如圖2，當換擋手球相對于原型車設計位置做如下變化時（?X=10，?Y=0，?Z=30），α波能量最高（熵值1.0755），即人體感覺最舒適。

2.2.3 所有樣本分析

該階段采取如下方式對所有被試的結果進行綜合分析：

（1）按照2.2.2的方法，分別找到24個被試者腦電信號中α波能量最高的換擋位置。

（2）統計出所有試驗位置中出現的人數，最終將統計結果中的“眾數”作為“最佳換擋位置”。

（3）由于統計結果相對集中在一定區域，出現頻數前五的位置做成柱形圖，如圖3。

從統計來看，24名被試中有4人的腦電信號α波能量最高值出現在換擋手球相對原型車設計位置發生如下變化時（?X=-10，?Y=0，?Z=30），有3人的腦電信號α波能量最高值出現在換擋手球相對原型車設計位置發生如下變化時（?X=0，?Y=10，?Z=40），其余位置出現最高α波能量的頻數均不超過2人。

綜上，當換擋手球在以下范圍布置時（-10≤?X≤0，0≤?Y≤10，30≤?Z≤40），多數人感覺換擋操作最為舒適。

2.3 主觀評價分析

對所有被試者的主觀評價結果進行分析，采用以下方式進行：

（1）將24名被試的主觀評價表進行匯總，將每個位置分值（1～5分，舒適程度隨分值增加）進行累加。

（2）求出每個位置的平均得分值（取整）。

（3）將平均值大于等于3分的位置，定義為換擋舒適區域，并在此區域布置換擋手球。

如圖4，對參與主觀評價人員的打分統計顯示，當換擋手球相對于原型車設計位置布置在如下范圍內時（-20≤?X≤10，-10≤?Y≤0，30≤?Z≤50），感覺換擋操作最為舒適。

3 結論與展望

綜合主觀評價方法和腦電分析評價法的結果，將換擋手球布置范圍定義在（-10≤?X≤0，?Y=0，30≤?Z≤40）可以滿足更多用戶的換擋舒適性。

參考文獻

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[2] 黎謙，崔碩.汽車選換擋操作機構及駐車制動控制機構的優化布置與校核[J].企業科技與發展：上半月， 2010， 000（010）：27-31.