張東劍,馬其華,2,任洪娟,陶 超

(1.上海工程技術(shù)大學(xué) 汽車工程學(xué)院， 上海 201600；2.東華大學(xué) 高性能纖維及制品教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 201620)

賽車駕駛員人機(jī)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(shù)大學(xué) 汽車工程學(xué)院， 上海 201600；2.東華大學(xué) 高性能纖維及制品教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 201620)

大學(xué)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(gè)體差異導(dǎo)致操作舒適性很難統(tǒng)一評價(jià)。針對這一問題，依據(jù)人機(jī)工程學(xué)理論，以FSC賽車駕駛員為人體模型樣本，并考慮到人體關(guān)節(jié)復(fù)雜因素影響，應(yīng)用模糊理論建立賽車駕駛員舒適性評價(jià)系統(tǒng)理論模型。在此基礎(chǔ)上，以腳趾關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、臀關(guān)節(jié)、軀干關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、頸關(guān)節(jié)的舒適度加權(quán)和最大為目標(biāo)，運(yùn)用遺傳算法對各關(guān)節(jié)的最舒適角度進(jìn)行全局優(yōu)化匹配。結(jié)果表明：評價(jià)結(jié)果與人體實(shí)際舒適性結(jié)果基本一致。這將為乘用車的駕駛舒適性開發(fā)提供理論借鑒。

舒適性；模糊推理；評價(jià)體系；遺傳算法；優(yōu)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(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，是駕駛員與駕駛室良好匹配的重要內(nèi)容。合理、舒適的人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)相互關(guān)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(shè)計(jì)目標(biāo)較為單一，所以駕駛員的舒適性評價(jià)主要集中在軀干關(guān)節(jié)上，如腳趾關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、臀關(guān)節(jié)、軀干關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、頸關(guān)節(jié)等。但目前駕駛員舒適性評價(jià)方法主要集中在模糊綜合評判和關(guān)節(jié)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(huán)境，乘員身體振動(dòng)，乘員生理、心理等因素，并以這些影響因素為對象進(jìn)行模糊綜合評判， 進(jìn)而提出評價(jià)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(chǔ)上，計(jì)算出了人體最佳駕駛舒適度的各關(guān)節(jié)角度。滕俊章等[4]在關(guān)節(jié)角度舒適性評估方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種基于關(guān)節(jié)力矩的舒適度評估算法?？傮w上來說，這兩類評價(jià)方法需要實(shí)物樣機(jī)的支持，成本高，開發(fā)周期長，評估的關(guān)節(jié)角度一般也只涉及部分軀干，未從駕駛員整體協(xié)調(diào)性的角度進(jìn)行軀體關(guān)節(jié)全局優(yōu)化。

針對上述問題，本文基于人機(jī)工程學(xué)理論和相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用模糊理論的方法構(gòu)建了駕駛員人機(jī)工程舒適性評價(jià)系統(tǒng)模型，并引入遺傳算法對腳趾關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、臀關(guān)節(jié)、軀干關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、頸關(guān)節(jié)的最舒適角度進(jìn)行全局優(yōu)化匹配。評價(jià)結(jié)果能為FSC賽車駕駛室的開發(fā)設(shè)計(jì)提供輔助決策支持，同時(shí)其研究方法對乘用車的駕駛舒適性開發(fā)具有一定的借鑒作用。

1 基于人機(jī)工程學(xué)的賽車駕駛員舒適性評價(jià)

人機(jī)工程學(xué)是研究人、機(jī)、環(huán)境三者之間相互關(guān)系的新學(xué)科，其研究目的是綜合考慮人體生理、能源消耗及環(huán)境適應(yīng)等因素以實(shí)現(xiàn)人機(jī)最佳狀態(tài)。FSC賽車駕駛員的人機(jī)工程舒適性要求設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)車輛時(shí)，將人的舒適性、安全性與方便性作為車輛設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，使駕駛員無需依據(jù)車輛調(diào)整自己的狀態(tài)。因此，在評價(jià)車輛舒適性時(shí)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(diǎn)。因此，在評價(jià)駕駛員人機(jī)工程舒適性時(shí)往往集中在身體軀干關(guān)節(jié)的舒適度上。如圖1(a)所示，本文將影響駕駛員人機(jī)工程舒適性的因素分為8類：W1、W2、W3、W4、W5、W6、W7、W8分別對應(yīng)腳趾關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、臀關(guān)節(jié)、軀干關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、頸關(guān)節(jié)。然而，由于人體的每個(gè)關(guān)節(jié)都可以進(jìn)行前后轉(zhuǎn)動(dòng)和左右轉(zhuǎn)動(dòng)，因此在評價(jià)駕駛員人機(jī)工程舒適性時(shí)還需要考慮每個(gè)關(guān)節(jié)的空間轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖1(b)所示(本文以頸關(guān)節(jié)空間轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)工程舒適性評價(jià)指標(biāo)體系[5]。首先將駕駛員人機(jī)工程舒適性評價(jià)定義為總體，再將總體細(xì)分為若干子項(xiàng)，如腳趾關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、臀關(guān)節(jié)、軀干關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、頸關(guān)節(jié)舒適角度等8個(gè)1級指標(biāo)，最后將1級指標(biāo)分為多個(gè)2級指標(biāo)，如關(guān)節(jié)的左右、上下活動(dòng)舒適角度等，這樣所有的參評項(xiàng)目就構(gòu)成了一個(gè)具有層次的指標(biāo)樹。圖2為 FSC賽車駕駛員人機(jī)工程舒適性主要評價(jià)指標(biāo)體系。

圖2 FSC賽車駕駛員人機(jī)工程舒適性主要評價(jià)體系

2 基于遺傳算法的駕駛員人機(jī)工程舒適性模糊評價(jià)

FSC賽車駕駛員舒適性評價(jià)缺乏客觀的標(biāo)準(zhǔn)尺度，在評價(jià)過程中容易受到主觀因素的影響。在舒適性評價(jià)時(shí)，不同設(shè)計(jì)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(jià)也不盡相同，有可能對同一個(gè)設(shè)計(jì)方案的舒適性評價(jià)造成顯著差異，亟待研究一種行之有效的評價(jià)方法[6]。因此，為提高駕駛員舒適性評價(jià)的準(zhǔn)確性，本文應(yīng)用模糊推理的方法建立駕駛員人機(jī)工程舒適性評價(jià)模型，并運(yùn)用遺傳算法對各關(guān)節(jié)的最舒適角度進(jìn)行全局優(yōu)化。

2.1 模糊評價(jià)的引入

在本文所建立的評價(jià)指標(biāo)體系中，假設(shè)舒適性評價(jià)1級指標(biāo)集合為W={W1,W2,…,Wn}，其中Wi(i=1,2,…,n)是評價(jià)因素，n是同一層級單個(gè)因素的個(gè)數(shù)。舒適性評價(jià)2級指標(biāo)集合Wi={wi1,wi2,wi3,…,win}，其中win(i=1,2,…,n)是1級指標(biāo)評價(jià)子因素，n是同一層級單個(gè)因素的個(gè)數(shù)。

對于每一個(gè)子因素win，其權(quán)重分配為Ai={ai1,ai2,ai3,…,ain}，其中

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

將每一個(gè)Wi作為一個(gè)因素，用Zi作為它的單因素評價(jià)，構(gòu)成評價(jià)矩陣，即：

(1)

其中：m表示參考個(gè)數(shù)；i表示因素個(gè)數(shù)。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(gè)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(quán)重分配為C={c1，c2，c3，…，ci}，i=8 以及它們各因素的評價(jià)結(jié)果構(gòu)成的矩陣Z，這樣就可以得出模糊推理綜合評價(jià)的結(jié)果T，T=C×Z。

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

2.2駕駛員人機(jī)工程舒適性評價(jià)的等級劃定

在只涉及特定駕駛員和路面激勵(lì)的FSC賽車駕駛員舒適性綜合評價(jià)中，將駕駛員的腳趾關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、臀關(guān)節(jié)、軀干關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、頸關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角度作為舒適性綜合評價(jià)中的量化指標(biāo)，參照Kristian[7]的同一級別目標(biāo)車乘坐舒適性主觀評價(jià)方法以及UG人機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫建立FSC賽車駕駛員乘坐舒適性的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。通過在人機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中改變各關(guān)節(jié)角度，給出舒適性的主觀分值，與客觀評價(jià)進(jìn)行對比，結(jié)果表明二者具有一致性。本文將舒適性評判集P統(tǒng)一為7級。7級評價(jià)指標(biāo)的量化見表1。

表1 7級評價(jià)指標(biāo)量化

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

由表1可以看出：在對駕駛員人機(jī)工程舒適性評價(jià)的過程中，需要對各項(xiàng)指標(biāo)精確評分。這是一項(xiàng)嚴(yán)格的要求，只有經(jīng)驗(yàn)豐富的測評專家才能做到，而普通測評人員只能對某項(xiàng)指標(biāo)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(gè)關(guān)節(jié)角度進(jìn)行優(yōu)化，訓(xùn)練出各個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度與評價(jià)結(jié)果的函數(shù)關(guān)系，可獲得更好的效果。以下將遺傳算法理論應(yīng)用于駕駛員人機(jī)工程舒適性評價(jià)，通過對已知樣本的學(xué)習(xí)獲得測評專家的經(jīng)驗(yàn)、知識、主觀判斷及對目標(biāo)重要性的權(quán)重協(xié)調(diào)能力，從而降低評價(jià)過程中人為因素的影響，較好地保證評價(jià)結(jié)果的客觀性。

2.3 基于遺傳算法的關(guān)節(jié)舒適角度優(yōu)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(gè)關(guān)節(jié)存在相互關(guān)聯(lián)的變化情況。因此，每個(gè)關(guān)節(jié)角度都不能單獨(dú)處在最舒適的狀態(tài)，必須參照人體協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)趨勢將人體的各個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行加權(quán)求和，同時(shí)運(yùn)用遺傳算法對駕駛員各個(gè)關(guān)節(jié)角度進(jìn)行整體優(yōu)化。

在優(yōu)化過程中，采用標(biāo)準(zhǔn)遺傳算法的2個(gè)原則：Pareto最優(yōu)保存原則和差異保存原則。如果根據(jù)所有的評判標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)優(yōu)化方案x不比另一個(gè)方案y差，那么方案x稱作對方案y的Pareto支配，至少根據(jù)一個(gè)評判標(biāo)準(zhǔn)稱x絕對比y好。如果研究范圍內(nèi)所有實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的設(shè)置為非Pareto支配，則稱作多目標(biāo)問題的Pareto最優(yōu)解：表示矛盾目標(biāo)之間的最佳折中，而且是一個(gè)集合[8]。解決多關(guān)節(jié)角度的優(yōu)化問題，就是在Pareto最優(yōu)解集合中選擇一個(gè)最佳方案，其流程如圖3所示。

圖3 基于遺傳算法的多關(guān)節(jié)角度優(yōu)化流程

2.3.1 函數(shù)訓(xùn)練

FSC賽車駕駛員的各個(gè)關(guān)節(jié)角度直接影響駕駛員的乘坐舒適性。本文依據(jù)測評專家總結(jié)數(shù)據(jù)訓(xùn)練出各個(gè)關(guān)節(jié)角度與駕駛員舒適性評價(jià)結(jié)果的函數(shù)，并繪制函數(shù)曲面，如圖4所示。

1) 腳趾關(guān)節(jié)：

(2)

2) 踝關(guān)節(jié)：

(3)

3) 膝關(guān)節(jié)：

(4)

4) 臀關(guān)節(jié)：

(5)

5) 軀干關(guān)節(jié)：

(6)

6) 肩關(guān)節(jié)：

(7)

7) 肘關(guān)節(jié)：

(8)

8) 頸關(guān)節(jié)：

(9)

2.3.2 優(yōu)化目標(biāo)

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(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、臀關(guān)節(jié)、軀干關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、頸關(guān)節(jié)角度進(jìn)行全局優(yōu)化，優(yōu)化目標(biāo)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(dāng)每一個(gè)子集因素都算出最佳舒適角度時(shí)，依據(jù)CORLETT[9]建立的BPD指標(biāo)確定各子集因素的權(quán)重系數(shù)，即腳趾關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、臀關(guān)節(jié)、軀干關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、頸關(guān)節(jié)的權(quán)重系數(shù)為{0.088,0.102,0.125,0.208,0.247,0.134,0.031,0.065},通過各個(gè)關(guān)節(jié)所占的權(quán)重計(jì)算駕駛員的舒適程度，其最終的優(yōu)化函數(shù)——FSC賽車駕駛員舒適性評價(jià)結(jié)果T表示為

(11)

3 優(yōu)化結(jié)果與分析

在遺傳進(jìn)化過程中，每個(gè)關(guān)節(jié)的因素角度win在其取值范圍內(nèi)不斷取值計(jì)算。在滿足約束條件下選擇評價(jià)結(jié)果T最大值的關(guān)節(jié)角度組合。通過對腳趾關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、臀關(guān)節(jié)、軀干關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、頸關(guān)節(jié)角度的尋優(yōu)，得到FSC賽車駕駛員最舒適狀態(tài)下的關(guān)節(jié)角度組合，如表2所示。

表2 遺傳算法優(yōu)化結(jié)果

駕駛員的各個(gè)關(guān)節(jié)角度組合為表2所示時(shí)舒適性評價(jià)結(jié)果T值最大。然而，駕駛員的操作是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，因此各個(gè)關(guān)節(jié)有一個(gè)舒適的角度范圍：腳趾關(guān)節(jié)為13°～17°，踝關(guān)節(jié)為前后85°～100°、左右0°～10°，膝關(guān)節(jié)為116°～126°，臀關(guān)節(jié)為38°～48°，軀干關(guān)節(jié)為55°～65°，肩關(guān)節(jié)為前后80°～90°、上下72°～82°，肘關(guān)節(jié)為前后135°～150°、上下5°～15°，頸關(guān)節(jié)為0°～15°，此時(shí)FSC賽車駕駛員處在最舒適狀態(tài)，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(guī)定和要求。

4 結(jié)束語

本文以FSC賽車為研究實(shí)例對駕駛員的人機(jī)工程舒適性進(jìn)行探索。根據(jù)模糊推理建立賽車駕駛員舒適性評價(jià)體系，運(yùn)用遺傳算法對腳趾關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、臀關(guān)節(jié)、軀干關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、頸關(guān)節(jié)的舒適度進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，同時(shí)對各關(guān)節(jié)的最舒適角度進(jìn)行全局優(yōu)化匹配。本研究結(jié)果符合實(shí)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(fā)具有積極的借鑒作用。

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(責(zé)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題資助項(xiàng)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(yōu)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(jī)工程舒適性仿真研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，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