李 博，吉曉民，陳登凱，余隋懷

(1.西安理工大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西北工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710072)

本世紀(jì)初，國(guó)際海底區(qū)域競(jìng)爭(zhēng)形勢(shì)日益激烈，我國(guó)自主研制深海載人潛水器的條件已經(jīng)成熟[1]，國(guó)家決策部門(mén)將此項(xiàng)目實(shí)施提上議事日程。然而，載人潛器的研發(fā)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要國(guó)內(nèi)的優(yōu)勢(shì)力量聯(lián)合攻關(guān)。我國(guó)潛器載人艙內(nèi)人機(jī)工效設(shè)計(jì)理論方法還不夠完善。伴隨下一階段載人深潛事業(yè)的發(fā)展，需要對(duì)現(xiàn)有的艙內(nèi)環(huán)境人機(jī)工效設(shè)計(jì)加以改進(jìn)并建立系統(tǒng)化、理論化并適合我國(guó)國(guó)情的設(shè)計(jì)原則和方法。

實(shí)現(xiàn)載人潛器艙內(nèi)的人-機(jī)-環(huán)境的最優(yōu)組合，獲得艙內(nèi)操作人員所需的、具有特性功能的“人-機(jī)-環(huán)境”[2]系統(tǒng)，需要從滿足工效學(xué)多目標(biāo)多屬性約束的角度，應(yīng)用智能化設(shè)計(jì)的思想，在人-機(jī)界面設(shè)計(jì)，作業(yè)場(chǎng)所布局設(shè)計(jì)和作業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)與控制研究這三方面做到設(shè)計(jì)方案的可行解自動(dòng)獲取和方案的優(yōu)化。

目前計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)(computer-aided industrial design，CAID)領(lǐng)域中引入的工效設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)主要是用于構(gòu)建數(shù)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(lèi)數(shù)字人體建模軟件的大量涌現(xiàn)，一方面由于計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的發(fā)展為其提供了技術(shù)基礎(chǔ)；另一方面則是由于這些人機(jī)建模軟件本身的專(zhuān)業(yè)性，某些軟件中除了提供人體的測(cè)量數(shù)據(jù)外，還提供與人體有關(guān)的力學(xué)特性，如關(guān)節(jié)活動(dòng)和關(guān)節(jié)柔韌性，視力限制，甚至勞累程度等方面的數(shù)據(jù)[4]，這類(lèi)軟件均屬于計(jì)算機(jī)輔助工效設(shè)計(jì)軟件(computeraided engineering design, CAED)范疇。

上述CAED軟件對(duì)CAID過(guò)程的工效設(shè)計(jì)輔助均集中在提供人體的各項(xiàng)測(cè)量數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)方案的人機(jī)性能評(píng)價(jià)方面[5]，且只能對(duì)已經(jīng)確定的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)工效設(shè)計(jì)方案產(chǎn)生過(guò)程的輔助程度則很低，而基于人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)多目標(biāo)、多屬性約束條件驅(qū)動(dòng)進(jìn)行智能化工效設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)尚未檢索到。這類(lèi)CAED軟件多為獨(dú)立運(yùn)行，其輸出結(jié)果是面向設(shè)計(jì)師而不是面向CAID的概念設(shè)計(jì)階段，輸出的結(jié)果需要通過(guò)設(shè)計(jì)師這一環(huán)節(jié)的人工處理與轉(zhuǎn)化才能形成后續(xù)CAID過(guò)程中所需的輔助數(shù)據(jù)。總體來(lái)說(shuō)，這類(lèi)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(shè)計(jì)中涉及到的布局、色彩、方案優(yōu)化等設(shè)計(jì)行為。

因此，在CAID領(lǐng)域，需要一種能夠與概念設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行有效集成的工效設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助工具[6-9]。這種集成的CAED工具不僅可以有效利用CAID過(guò)程中各階段的數(shù)據(jù)結(jié)果來(lái)獲取工效設(shè)計(jì)所需的產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)，還可以為CAID過(guò)程提供統(tǒng)一的設(shè)計(jì)方案數(shù)據(jù)直接為后續(xù)環(huán)節(jié)使用?？傊傻腃AED工具以CAID的基本造型功能和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為工作平臺(tái)，隨時(shí)提供設(shè)計(jì)輔助而不中斷產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程，且可以將已經(jīng)成熟的工效設(shè)計(jì)原則和方法固化于程序內(nèi)部，使程序在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候可以代替設(shè)計(jì)師進(jìn)行決策與設(shè)計(jì)，以提高設(shè)計(jì)效率。

1 載人潛器艙內(nèi)工效設(shè)計(jì)與優(yōu)化實(shí)現(xiàn)思路

筆者在科研項(xiàng)目組長(zhǎng)期開(kāi)展的CAID系統(tǒng)開(kāi)發(fā)研究工作中，以及與相關(guān)企業(yè)合作經(jīng)驗(yàn)中受到啟發(fā)，解決載人潛器艙內(nèi)工效設(shè)計(jì)問(wèn)題的關(guān)鍵是要從問(wèn)題的求解策略、途徑、理論和實(shí)現(xiàn)方法上有所突破。

目前，工效學(xué)研究普遍采用的實(shí)驗(yàn)法、觀察法、詢問(wèn)法和模擬法等常規(guī)研究方法，由于載人潛器艙內(nèi)工效設(shè)計(jì)是一項(xiàng)高度復(fù)雜的系統(tǒng)工程，單純的通過(guò)實(shí)物試驗(yàn)和主觀問(wèn)卷這樣的設(shè)計(jì)過(guò)程并不能真實(shí)地反映系統(tǒng)工效設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，且在建立實(shí)物模型時(shí)往往需要較多的經(jīng)費(fèi)支持和較長(zhǎng)的建造時(shí)間。

因此，在傳統(tǒng)的工效研究方法基礎(chǔ)上迫切需要結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)，引入智能化思想，有效地完成載人艙工效設(shè)計(jì)與方案優(yōu)化。

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的實(shí)物模型正越來(lái)越多地被數(shù)字模型所取代。因此，根據(jù)實(shí)驗(yàn)精確測(cè)定的數(shù)據(jù)，在虛擬環(huán)境中依照需要構(gòu)建出包含人機(jī)參數(shù)尺寸的數(shù)字人體，定義其完成指定的任務(wù)，并分析相應(yīng)的性能，對(duì)于完成快速工效設(shè)計(jì)有很高的實(shí)用意義。

其次，基于約束條件提取，智能算法驅(qū)動(dòng)的人-機(jī)界面外形設(shè)計(jì)、尺寸設(shè)計(jì)、位置設(shè)計(jì)和作業(yè)空間布局設(shè)計(jì)方案的自動(dòng)求解，將使工效設(shè)計(jì)知識(shí)體系與計(jì)算智能得到很好地銜接，科學(xué)高效地獲得滿足工效約束條件的設(shè)計(jì)方案。

基于以上分析，提出應(yīng)用虛擬人體模型參數(shù)調(diào)整獲取人-機(jī)界面組件最佳布局空間，基于進(jìn)化算法驅(qū)動(dòng)[10-12]和相關(guān)工效設(shè)計(jì)知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)支持的人-機(jī)界面組件的形態(tài)、尺寸設(shè)計(jì)和布局設(shè)計(jì)的自動(dòng)求解，結(jié)合粒子群智能優(yōu)化算法技術(shù)，來(lái)綜合解決載人潛器艙內(nèi)人-機(jī)界面和作業(yè)空間的空間布局設(shè)計(jì)與優(yōu)化[13-14]問(wèn)題。

由于需要底層的基本建模造型功能的支持，人機(jī)工效設(shè)計(jì)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的全過(guò)程中獨(dú)立性很弱。這決定了人機(jī)工效設(shè)計(jì)若要真正成為設(shè)計(jì)/制造一體化系統(tǒng)的有機(jī)環(huán)節(jié)，不適合做獨(dú)立的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，而應(yīng)考慮在已有的基礎(chǔ)造型功能較成熟的設(shè)計(jì)軟件基礎(chǔ)上進(jìn)行有效集成。這樣不僅滿足了兼容性，而且縮短了開(kāi)發(fā)周期?？紤]以上各項(xiàng)要求，本研究選擇Unigraphics NX 7.5三維軟件系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)UG)作為原型系統(tǒng)的二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

2 載人潛器艙內(nèi)工效設(shè)計(jì)中的約束獲取

載人潛器艙是面向特殊使用對(duì)象的產(chǎn)品，其工效設(shè)計(jì)有其獨(dú)特性，在一般產(chǎn)品的工效設(shè)計(jì)多考慮人機(jī)關(guān)系的基礎(chǔ)上，還要引入環(huán)境約束條件，以完整的人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)為研究對(duì)象，綜合考慮來(lái)自多屬性的約束條件，使載人艙的工效設(shè)計(jì)最優(yōu)。

2.1 虛擬人體輔助設(shè)計(jì)模型

提出應(yīng)用虛擬人體的視域、可達(dá)域范圍獲取人-機(jī)界面布局設(shè)計(jì)的合理解集空間，輔助完成載人潛器艙內(nèi)工效設(shè)計(jì)中的人-機(jī)界面布局智能設(shè)計(jì)與優(yōu)化。面向艙內(nèi)工效設(shè)計(jì)的虛擬人體輔助設(shè)計(jì)模型如圖1所示。

圖1 虛擬人體輔助設(shè)計(jì)模型

該模型需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題如下：

(1) 設(shè)計(jì)約束條件的選取。設(shè)計(jì)約束條件的快速選取需要全面的數(shù)據(jù)庫(kù)支持。例如，載人潛器艙要考慮在高濕度環(huán)境對(duì)乘員帶來(lái)的生理和心理影響，這些約束條件都需要記錄于數(shù)據(jù)庫(kù)中，根據(jù)實(shí)際情況隨時(shí)調(diào)用。

(2) 人體模型視域、可達(dá)域的范圍調(diào)整。人體模型的視域、可達(dá)域范圍為艙內(nèi)人-機(jī)界面智能設(shè)計(jì)提供了最大可行解的獲取空間。然而，在載人潛器艙內(nèi)環(huán)境和人的心理因素的影響下，人的視域、可達(dá)域范圍會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，如何依據(jù)不同的環(huán)境約束條件做出合理調(diào)整直接決定人-機(jī)界面組件智能設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和有效性。

2.2 載人潛器艙內(nèi)工效設(shè)計(jì)的約束條件

載人潛器艙內(nèi)計(jì)算機(jī)輔助工效設(shè)計(jì)系統(tǒng)集成了各類(lèi)別環(huán)境約束對(duì)人作業(yè)工效的影響。將艙內(nèi)人-機(jī)界面工效設(shè)計(jì)受到的各種約束集成為相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)，用于查詢、使用相關(guān)數(shù)據(jù)，為完成智能化工效設(shè)計(jì)提供便利。

在載人潛器艙內(nèi)工效設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了滿足來(lái)自人-機(jī)-環(huán)境等各方面的設(shè)計(jì)需求，設(shè)計(jì)師往往會(huì)受到各類(lèi)限制和影響，設(shè)計(jì)時(shí)來(lái)自多屬性下的約束如果沒(méi)有全面考慮，設(shè)計(jì)方案就會(huì)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(huì)有所欠缺，由此會(huì)或多或少對(duì)艙內(nèi)人員的工作過(guò)程帶來(lái)潛在影響。

載人潛器艙內(nèi)工效設(shè)計(jì)約束來(lái)自4個(gè)方面：一是來(lái)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(zhí)行能力特性。二是來(lái)自人的心理特性約束，具體包括人的情緒穩(wěn)定程度；人對(duì)人-機(jī)界面操作是否感興趣；工效設(shè)計(jì)是否有利于人保持堅(jiān)定的意志，是否適應(yīng)人的不同性格特征及是否考慮人的注意特性。三是來(lái)自機(jī)器的功能性約束，包括機(jī)器功能尺寸的滿足及機(jī)器質(zhì)心分布穩(wěn)定性的滿足。四是艙內(nèi)環(huán)境對(duì)工效設(shè)計(jì)的約束，具體的約束條件總結(jié)為圖2所示。

2.3 虛擬人體模型參數(shù)調(diào)整

本研究提出的基于多約束下的人體模型參數(shù)(視域、可達(dá)域范圍)調(diào)整問(wèn)題，是要在確定各約束條件對(duì)于人體視域、可達(dá)域的影響重要度(即權(quán)重)的前提下，基于常態(tài)下人體視域、可達(dá)域的生理范圍基礎(chǔ)作出合理、科學(xué)的調(diào)整。

在載人潛器艙內(nèi)，由于人-機(jī)界面包含的控制、顯示設(shè)備等的布局都是在二維基面內(nèi)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(nèi)人-機(jī)界面布局設(shè)計(jì)抽象為矩形布局問(wèn)題。因此，由虛擬人體模型確定的視域整體范圍是一個(gè)由調(diào)整后的視錐空間和由人體上肢可達(dá)域范圍求取交集圍合而成的圓錐空間。其中影響艙內(nèi)視域空間的環(huán)境約束條件有噪聲與高速運(yùn)動(dòng)；載人艙內(nèi)環(huán)境因素對(duì)于艙內(nèi)人體可達(dá)域的影響主要是在噪聲、振動(dòng)這兩方面。

圖2 載人潛器艙內(nèi)工效設(shè)計(jì)過(guò)程中的設(shè)計(jì)約束

下面以一個(gè)數(shù)學(xué)模型來(lái)闡述多約束下人體模型參數(shù)調(diào)整的原理：假設(shè)在計(jì)算調(diào)整的過(guò)程中，簡(jiǎn)化載人艙內(nèi)人員人體模型面臨的多約束只重點(diǎn)考慮某一方面的因素，其計(jì)算調(diào)整法則如圖3所示。

圖3 計(jì)算調(diào)整法則

計(jì)算調(diào)整法則表明的意思是A經(jīng)過(guò)B的約束作用后調(diào)整為C。用數(shù)學(xué)符號(hào)表示為：

將各種約束分別納入式(1)中考慮，設(shè)載人艙內(nèi)人體模型參數(shù)調(diào)整后總的參數(shù)集為C，C由人體模型的各類(lèi)參數(shù)集合組成，其中，bij為對(duì)應(yīng)的影響人體模型參數(shù)的各項(xiàng)約束影響因子。

載人艙內(nèi)人員在進(jìn)行作業(yè)過(guò)程中，影響人的工效的因素主要有：振動(dòng)、噪聲和高速運(yùn)動(dòng)。

結(jié)合已有相關(guān)研究的結(jié)果[15]可知，當(dāng)環(huán)境和人的頭部保持不動(dòng)時(shí)，眼睛能看到的空間就是視野即視域。按照視覺(jué)的分辨能力，視域可以分為3個(gè)區(qū)域(清晰視野區(qū)、中視野區(qū)和外視野區(qū))。在清晰視野區(qū)的物體，可見(jiàn)其細(xì)微之處，在中視野區(qū)的物體看起來(lái)已經(jīng)模糊不清了，在外視野區(qū)只有運(yùn)動(dòng)的物體才能引起人的注意[16]。

人眼的視距是從最近視距來(lái)衡量的，這個(gè)近點(diǎn)距離隨著年齡的增加而增大。取載人艙內(nèi)人員的年齡區(qū)間從20～50歲，這個(gè)區(qū)間段年齡的人，視距最近距離18～45 cm。

結(jié)合項(xiàng)目設(shè)計(jì)需求，并調(diào)研獲取載人艙內(nèi)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(jī)界面的設(shè)計(jì)要盡可能地讓操作者不必轉(zhuǎn)動(dòng)頭部和眼睛，更不必移動(dòng)操作位置，便可從全部顯示儀表上獲取信息。依據(jù)這一設(shè)計(jì)依據(jù)，載人艙內(nèi)基于人體模型視域參數(shù)獲取人-機(jī)界面組件布局設(shè)計(jì)的解空間就是要確定虛擬人體在多約束下調(diào)整后的視野和視距。

設(shè)常態(tài)下虛擬人體視域空間為E，調(diào)整后的人體視域空間為E′，由于人體視野的相關(guān)研究成果將視野分為水平和垂直視野，設(shè)常態(tài)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(lái)源于本研究相關(guān)分析研究結(jié)果。

根據(jù)式(1)的思路分析，可得調(diào)整后的人體視域空間參數(shù)為：

式中，δ1被稱(chēng)為影響人體模型參數(shù)范圍的權(quán)重系數(shù)，其中，δ1由振動(dòng)環(huán)境引發(fā)，δ2由噪聲環(huán)境引發(fā)，δ3由艙體的高速運(yùn)動(dòng)引發(fā)，δ1+δ2+δ3= 1，0≤δ1≤1，0≤δ2≤1，0≤δ3≤ 1。

通過(guò)已有研究結(jié)論分析可得，在振動(dòng)環(huán)境、噪聲環(huán)境和艙體高速運(yùn)動(dòng)等環(huán)境因素的單獨(dú)影響下，人的視野范圍都會(huì)減小。綜合考量上述環(huán)境約束條件，就是要在工效設(shè)計(jì)時(shí)，需要設(shè)計(jì)依據(jù)調(diào)研情況，來(lái)模擬影響人體視域的環(huán)境因素的實(shí)際情況，確定各環(huán)境約束條件的影響權(quán)重，軟件提供設(shè)計(jì)師輸入權(quán)重系數(shù)的人機(jī)接口，根據(jù)輸入數(shù)值，程序驅(qū)動(dòng)計(jì)算調(diào)整人體視域范圍，完成常態(tài)下人體視域范圍的收斂。

2.4 遺傳算法智能求解艙內(nèi)人-機(jī)界面布局設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法

在艙內(nèi)人-機(jī)界面布局設(shè)計(jì)時(shí)，提出運(yùn)用基于虛擬人體模型的視域、可達(dá)域范圍調(diào)整后的參數(shù)約束，初步獲取人-機(jī)界面布局的有效解空間，而后通過(guò)遺傳算法驅(qū)動(dòng)，從解空間內(nèi)計(jì)算獲取設(shè)計(jì)方案解集，獲取滿足適應(yīng)度函數(shù)最大的解方案。其過(guò)程基本可分為3個(gè)步驟：?jiǎn)栴}構(gòu)建、自動(dòng)求解和交互求解。

問(wèn)題構(gòu)建步驟根據(jù)設(shè)計(jì)人員的輸入調(diào)用相應(yīng)的模板建立設(shè)計(jì)問(wèn)題實(shí)例、個(gè)體方案的編碼表達(dá)式、評(píng)價(jià)函數(shù)、解空間和約束條件等，是對(duì)用戶輸入的處理過(guò)程，這些行為在方法層的支持下完成的。

自動(dòng)求解子過(guò)程是程序內(nèi)部對(duì)設(shè)計(jì)問(wèn)題展開(kāi)搜索的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程在已配置好的遺傳算法程序指導(dǎo)下自動(dòng)進(jìn)行，不需要設(shè)計(jì)人員的參與，設(shè)計(jì)師只要在開(kāi)始時(shí)給定遺傳算法程序工作參數(shù)即可。

交互求解子過(guò)程是在自動(dòng)求解子過(guò)程獲得一定滿意程度的種群質(zhì)量后開(kāi)始的。此時(shí)種群經(jīng)過(guò)自動(dòng)求解，已經(jīng)保證了種群中的個(gè)體全部有效并多數(shù)已處在滿意范圍內(nèi)。這種情況下，進(jìn)一步的自動(dòng)求解已很難獲得更優(yōu)的方案，且此時(shí)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(dòng)評(píng)價(jià)。設(shè)計(jì)人員的交互操作對(duì)方案的評(píng)價(jià)與選取起到了最后決定性的作用。因而，將設(shè)計(jì)人員選中的設(shè)計(jì)方案解集轉(zhuǎn)入下一階段的基于改進(jìn)粒子群算法的設(shè)計(jì)方案多目標(biāo)優(yōu)化是很有必要的。

2.5 基于知識(shí)推理的色彩工效設(shè)計(jì)過(guò)程

按照時(shí)下流行的設(shè)計(jì)調(diào)和理論和TOP TO DOWN(自頂向下)的色彩設(shè)計(jì)模式[17-18]，設(shè)計(jì)師首先結(jié)合設(shè)計(jì)調(diào)研得出的描述性語(yǔ)義詞匯，依照語(yǔ)義性的心理型色彩設(shè)計(jì)方法基于色彩設(shè)計(jì)知識(shí)確定設(shè)計(jì)方案的主色調(diào)，具體可以采取從系統(tǒng)提供的色彩設(shè)計(jì)描述詞典中選取的方式，根據(jù)描述詞匯，結(jié)合上述的經(jīng)驗(yàn)歸納性知識(shí)、實(shí)例樣本知識(shí)和通過(guò)色彩語(yǔ)義抽取的知識(shí)的綜合評(píng)判，共同確定主調(diào)色的初始色彩值，再根據(jù)與色彩調(diào)和有關(guān)的描述詞匯確定出輔助色的初始色彩值，根據(jù)基于語(yǔ)義性知識(shí)驅(qū)動(dòng)的方法生成艙內(nèi)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(tǒng)在選擇表示顏色時(shí)使用R、G、B模式，在這個(gè)模型中，每個(gè)顏色由一個(gè)(r,g,b)三元組表示，r、g、b的值域?yàn)閇0，l]，相應(yīng)的(0，0，0)表示黑色，(l，l，1)表示白色，這個(gè)空間中所有顏色組成一個(gè)立方體的空間。r、g、b這3個(gè)分量若相等，則得到無(wú)彩色的系列灰色；一組色彩的r、g、b這3個(gè)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(tǒng)基于色彩設(shè)計(jì)知識(shí)驅(qū)動(dòng)而自動(dòng)產(chǎn)生并且輔色隨主色的變化而實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)改變；系統(tǒng)自動(dòng)生成的主-輔色色彩方案需要進(jìn)一步的色彩方案優(yōu)化[19]，最后根據(jù)與色彩配置有關(guān)的描述確定出色彩與載人艙人-機(jī)界面組件的映射關(guān)系[20-22]，從而完成載人艙人-機(jī)界面色彩配置設(shè)計(jì)工作。

選出的色彩以色塊的方式在界面上顯示出來(lái)，在三維設(shè)計(jì)平臺(tái)上可以觀察產(chǎn)品的色彩效果。設(shè)計(jì)師可以回到前面的任何一步進(jìn)行修改，也可以用平臺(tái)最基本的單色調(diào)整功能進(jìn)行局部微調(diào)。設(shè)計(jì)過(guò)程如圖4所示。

圖4 基于知識(shí)推理的色彩工效設(shè)計(jì)流程圖

2.6 人-機(jī)界面智能設(shè)計(jì)方案解集的輸出

基于人-機(jī)-環(huán)境因素的載人潛器艙內(nèi)人-機(jī)界面智能設(shè)計(jì)完成后，產(chǎn)生人-機(jī)界面組件的布局設(shè)計(jì)可行解集和色彩配置可行解集。布局設(shè)計(jì)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(shù)值。輸出的可行解集方案如圖5～6所示，每個(gè)可行解方案獨(dú)立為一個(gè)界面顯示，并按數(shù)字順序編碼以示區(qū)別。

圖5 布局設(shè)計(jì)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(nèi)計(jì)算機(jī)輔助工效設(shè)計(jì)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

載人潛器艙內(nèi)計(jì)算機(jī)輔助工效設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)技術(shù)路線模型如圖7所示，共分3個(gè)層次。

圖7 系統(tǒng)技術(shù)開(kāi)發(fā)路線

3.1 系統(tǒng)工作流程模型

載人潛器艙內(nèi)計(jì)算機(jī)輔助工效設(shè)計(jì)系統(tǒng)的簡(jiǎn)要工作流程如圖8所示。

基于系統(tǒng)工作流程模型，可將計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)的使用運(yùn)行過(guò)程描述為如下步驟：

(1) 設(shè)計(jì)師啟動(dòng)UG三維軟件，進(jìn)入CAD模塊，使用CAD建模功能構(gòu)建載人潛器艙數(shù)字模型，或從其他軟件向UG軟件CAD模塊導(dǎo)入數(shù)字模型，構(gòu)建完畢艙內(nèi)虛擬環(huán)境。

(2) 從主菜單中點(diǎn)選“艙內(nèi)工效設(shè)計(jì)智能輔助”菜單，彈出下拉菜單，選取載人艙所屬類(lèi)別。

(3) 進(jìn)入人體建模子菜單。輸入擬定的艙內(nèi)人員數(shù)、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(shù)字模型的虛擬人體數(shù)字模型。完成人體姿態(tài)設(shè)定和人體模型在載人艙虛擬環(huán)境中的空間定位，獲取正常情況下該數(shù)字人體模型的視域、可達(dá)域最佳范圍數(shù)據(jù)。

(4) 進(jìn)入儀器設(shè)備查詢子菜單。系統(tǒng)程序自動(dòng)調(diào)用儀器設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)件參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)獲取該類(lèi)別載人艙內(nèi)人-機(jī)界面組件的分類(lèi)、功能、尺寸范圍、質(zhì)量范圍等機(jī)器相關(guān)參數(shù)，供設(shè)計(jì)師作為人-機(jī)界面組件布局的信息參考。

(5) 系統(tǒng)獲取該類(lèi)別載人艙內(nèi)物理環(huán)境相關(guān)約束要素，自動(dòng)調(diào)用工效設(shè)計(jì)知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)資源，建立環(huán)境約束與虛擬人體視域、可達(dá)域的關(guān)聯(lián)，完成人-機(jī)界面組件布局設(shè)計(jì)時(shí)虛擬人體在約束條件下的視域最佳范圍的調(diào)整。

(6) 點(diǎn)擊進(jìn)入人-機(jī)界面組件智能設(shè)計(jì)子菜單，結(jié)合獲取的虛擬人體視域、可達(dá)域范圍，智能計(jì)算完成人-機(jī)界面組件的形態(tài)設(shè)計(jì)和布局設(shè)計(jì)；結(jié)合基于知識(shí)推理的色彩智能設(shè)計(jì)，完成載人艙內(nèi)空間色彩設(shè)計(jì)和人-機(jī)界面的色彩配置智能設(shè)計(jì)。

(7) 點(diǎn)擊進(jìn)入設(shè)計(jì)方案智能優(yōu)化子菜單，基于改進(jìn)型粒子群算法驅(qū)動(dòng)，智能計(jì)算優(yōu)化求解獲得人-機(jī)界面組件布局優(yōu)化方案和人-機(jī)界面色彩配置優(yōu)化方案。

(8) 點(diǎn)擊進(jìn)入設(shè)計(jì)方案輸出子菜單，布局優(yōu)化方案以二維平面圖形式輸出，色彩配置優(yōu)化方案以色彩的色號(hào)RGB值輸出。完成計(jì)算機(jī)輔助工效設(shè)計(jì)全過(guò)程。

3.2 系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建

(1) 人體參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建。用于提供虛擬人體建模數(shù)據(jù)的人體數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)由Access構(gòu)建的靜態(tài)庫(kù)。數(shù)據(jù)來(lái)源包括中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB10000-1988和美國(guó)Dreyfuss事務(wù)所發(fā)布的人體數(shù)據(jù)。Dreyfuss人體數(shù)據(jù)庫(kù)又包括人體結(jié)構(gòu)尺寸模塊，人體工作尺寸模塊和人體空間尺寸模塊。數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)是采用VC++語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，所以要編譯成可執(zhí)行文件，庫(kù)中的圖片大都是外部軟件處理好的圖片文件，嵌入到數(shù)據(jù)表中。數(shù)據(jù)庫(kù)中采用圖片和表格的雙表達(dá)方式。本系統(tǒng)中人體數(shù)據(jù)查詢工具的程序?qū)崿F(xiàn)原理如圖9所示。

圖8 系統(tǒng)工作流程模型

圖9 人體數(shù)據(jù)查詢工具的程序?qū)崿F(xiàn)

(2) 色彩設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建。載人潛器艙內(nèi)部色彩設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)由4個(gè)知識(shí)源組成，即色彩數(shù)知識(shí)源、主調(diào)色知識(shí)源、輔助色知識(shí)源和色彩配置知識(shí)源。所有的載人艙內(nèi)部色彩設(shè)計(jì)知識(shí)都按照這4種類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)，并存放在不同的知識(shí)源中。

一個(gè)知識(shí)源由知識(shí)庫(kù)類(lèi)中的一個(gè)鏈表來(lái)實(shí)現(xiàn)，鏈表的每一節(jié)點(diǎn)是屬于該知識(shí)源的一個(gè)知識(shí)對(duì)象。一個(gè)知識(shí)對(duì)象對(duì)應(yīng)于一條規(guī)則。鏈表又是通過(guò)MFC中的集合類(lèi)CObList來(lái)實(shí)現(xiàn)。知識(shí)源采用鏈表的結(jié)構(gòu)便于舊知識(shí)的刪除和新知識(shí)的輸入。舊知識(shí)的刪除就是從鏈表中刪去一個(gè)知識(shí)對(duì)象，而新知識(shí)的輸入就是將一個(gè)新構(gòu)建的知識(shí)對(duì)象加入到鏈表中去，知識(shí)庫(kù)類(lèi)提供成員函數(shù)來(lái)支持知識(shí)的編輯與更新。

知識(shí)庫(kù)在系統(tǒng)外部以知識(shí)庫(kù)文件的形式存在，因此根據(jù)不同的色彩設(shè)計(jì)專(zhuān)家的知識(shí)可以建立不同的知識(shí)庫(kù)文件。在系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)者可以選擇不同的知識(shí)庫(kù)文件來(lái)構(gòu)造知識(shí)庫(kù)對(duì)象，從而實(shí)現(xiàn)利用不同的專(zhuān)家知識(shí)來(lái)進(jìn)行色彩設(shè)計(jì)推理。系統(tǒng)還允許設(shè)計(jì)者合并不同的知識(shí)庫(kù)文件，從而利用幾個(gè)專(zhuān)家的知識(shí)進(jìn)行色彩設(shè)計(jì)推理。

(3) 人機(jī)功能組件參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建。載人潛器艙內(nèi)人-機(jī)界面中有人機(jī)要求的部件或結(jié)構(gòu)(簡(jiǎn)稱(chēng)“人機(jī)功能組件”)。按照數(shù)據(jù)的表達(dá)類(lèi)型，人機(jī)功能組件數(shù)據(jù)可分為圖形數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)和尺寸數(shù)據(jù)。圖形數(shù)據(jù)是指由點(diǎn)、線、面和注記數(shù)據(jù)形式記錄的各項(xiàng)功能組件的外形，主要用于描述人機(jī)功能組件的形狀信息。

屬性數(shù)據(jù)記錄了各人機(jī)功能組件的所屬類(lèi)別，目前的人機(jī)功能組件中，顯示器按大類(lèi)分為視覺(jué)顯示器、聽(tīng)覺(jué)顯示器和報(bào)警/通報(bào)類(lèi)顯示器3大類(lèi)；控制器包括手動(dòng)控制器、語(yǔ)音控制其2大類(lèi)。

尺寸數(shù)據(jù)記錄了人機(jī)功能組件的三維尺寸數(shù)值最大、最小極值區(qū)間和相應(yīng)的組件之間裝配尺寸數(shù)值等。

(4) 工效設(shè)計(jì)知識(shí)資源庫(kù)的構(gòu)建。工效設(shè)計(jì)知識(shí)資源庫(kù)集合了人-機(jī)界面的工效設(shè)計(jì)理論、作業(yè)空間布局設(shè)計(jì)的工效學(xué)理論、色彩設(shè)計(jì)工效學(xué)理論等，每一類(lèi)工效設(shè)計(jì)知識(shí)數(shù)據(jù)按照一定的編碼特征統(tǒng)一存放于數(shù)據(jù)庫(kù)中，數(shù)據(jù)庫(kù)提供必要的檢索方式，一般可通過(guò)工效設(shè)計(jì)理論的所屬類(lèi)別名稱(chēng)和關(guān)鍵詞定位所需的工效設(shè)計(jì)知識(shí)。

根據(jù)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的類(lèi)結(jié)構(gòu)，將工效設(shè)計(jì)知識(shí)實(shí)例方案的信息放在知識(shí)資源庫(kù)中，為了便于獲取和檢索，采用統(tǒng)一格式進(jìn)行歸類(lèi)存放。

3.3 數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)與操作

借助數(shù)據(jù)庫(kù)，設(shè)計(jì)師可以提取、修改、添加載人艙所受到的人-機(jī)-環(huán)境的各方面約束參數(shù)。利用ADO數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)技術(shù)，數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)和操作流程如圖10所示。

圖10 數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)與操作流程圖

4 構(gòu)建載人潛器艙內(nèi)工效設(shè)計(jì)CAD系統(tǒng)

4.1 需求分析

系統(tǒng)直接面向載人潛器艙內(nèi)工效設(shè)計(jì)領(lǐng)域，是一個(gè)專(zhuān)用而高效的軟件系統(tǒng)。系統(tǒng)完全建立在工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)科思想之上，面向用戶的邏輯層符合工業(yè)設(shè)計(jì)師的思維方式和習(xí)慣，操作簡(jiǎn)單、界面方便、使用高效。系統(tǒng)提供的工具集在邏輯上應(yīng)該盡量與工業(yè)設(shè)計(jì)師常采用的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)工具相類(lèi)似，系統(tǒng)提供的工效設(shè)計(jì)方案及優(yōu)化過(guò)程應(yīng)該是原理復(fù)雜但操作方法簡(jiǎn)便，滿足ICAD思想。

系統(tǒng)的需求分析總結(jié)為以下幾點(diǎn)：

(1) 系統(tǒng)直接面向載人潛器艙內(nèi)工效方案設(shè)計(jì)與優(yōu)化；

(2) 系統(tǒng)充分體現(xiàn)工業(yè)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，邏輯層應(yīng)該符合工業(yè)設(shè)計(jì)師的思維方式和習(xí)慣；

(3) 系統(tǒng)提供的工具用于艙內(nèi)的工效方案設(shè)計(jì)，智能化設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單而高效；

(4) 系統(tǒng)支持實(shí)時(shí)的真實(shí)感圖形生成；

(5) 在較高的層次上輔助設(shè)計(jì)師的工效設(shè)計(jì)，在一定程度上能夠提高艙內(nèi)工效設(shè)計(jì)方案的自動(dòng)化水平。

4.2 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖11所示。系統(tǒng)依托UG平臺(tái)，將各模塊的軟件界面有機(jī)地集成于UG屬性頁(yè)中。各模塊工具集可以通過(guò)專(zhuān)用菜單欄啟動(dòng)和工具欄啟動(dòng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中應(yīng)用層包含相應(yīng)的6個(gè)工具集，集成框架如圖12所示。

圖11 系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖12 系統(tǒng)集成框架圖

5 系統(tǒng)應(yīng)用驗(yàn)證

5.1 系統(tǒng)的運(yùn)行

系統(tǒng)采用手動(dòng)注冊(cè)的方式[23]。其步驟如下：?jiǎn)?dòng)UG三維設(shè)計(jì)平臺(tái)，選擇“工具”下拉菜單的“輔助應(yīng)用程序”菜單項(xiàng)，單擊對(duì)話框“注冊(cè)”項(xiàng)，在選中工效設(shè)計(jì)輔助系統(tǒng)(MCCAED)的注冊(cè)文件，系統(tǒng)顯示應(yīng)用程序名稱(chēng)，選中應(yīng)用程序名稱(chēng)，單擊啟動(dòng)后，MCCAED系統(tǒng)已經(jīng)加載到系統(tǒng)中，系統(tǒng)注冊(cè)完成后的下拉菜單如圖13所示。

圖13 系統(tǒng)注冊(cè)完成后的菜單

5.2 系統(tǒng)的驗(yàn)證

本節(jié)將結(jié)合一款艙內(nèi)綜合控顯儀表的布局設(shè)計(jì)為例，對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)模塊進(jìn)行驗(yàn)證。布局設(shè)計(jì)包含的主要步驟有：調(diào)用控制按鈕和顯示屏的大小尺寸、應(yīng)用虛擬人體視域、可達(dá)域的自適應(yīng)調(diào)整確定布局范圍、運(yùn)用遺傳算法完成布局方案的智能計(jì)算，運(yùn)用改進(jìn)型粒子群自適應(yīng)算法完成布局設(shè)計(jì)方案優(yōu)化。系統(tǒng)設(shè)定記錄前6個(gè)最優(yōu)方案，生成結(jié)果如圖14所示橫版、圖15豎版布局方案實(shí)例。設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)其位置序號(hào)選擇其中較滿意的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)改變參數(shù)對(duì)其進(jìn)行繼續(xù)優(yōu)化或修改。

綜合控顯儀表中涉及到的布局設(shè)計(jì)、色彩設(shè)計(jì)及布局優(yōu)化、色彩優(yōu)化等內(nèi)容較多，本文只對(duì)控顯儀表的布局方案優(yōu)化進(jìn)行了驗(yàn)證，其色彩配置及色彩優(yōu)化內(nèi)容驗(yàn)證未列出。

圖14 控顯儀表橫版布局優(yōu)化實(shí)例

圖15 控顯儀表豎版布局優(yōu)化實(shí)例

6 結(jié) 論

在研究與載人潛器艙內(nèi)人機(jī)工效設(shè)計(jì)相關(guān)的人的生理、心理和環(huán)境約束等相關(guān)多約束條件的基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)計(jì)人員需求構(gòu)建了載人潛器艙內(nèi)工效設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)，并將其集成到三維設(shè)計(jì)平臺(tái)UG7.5上，對(duì)各模塊的功能進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證，證明了以合適的CAD軟件為平臺(tái)開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)輔助工效設(shè)計(jì)軟件，不僅是一種高效的策略，而且有利于CAED軟件的推廣應(yīng)用。該輔助系統(tǒng)能使設(shè)計(jì)人員加深對(duì)多約束條件下艙內(nèi)人員的生理、心理和環(huán)境約束條件的理解，將人機(jī)工效設(shè)計(jì)思想的應(yīng)用引入至產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)階段，大大降低了后期進(jìn)行工效學(xué)評(píng)價(jià)所需的成本，提高了設(shè)計(jì)人員工作效率，減少設(shè)計(jì)的重復(fù)性工作。

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