張 杰，方 鈺，逄嘉振，季寶寧

(西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，陜西 西安 710072)

0 引言

飛機(jī)駕駛艙是飛行員的工作場(chǎng)所，也是飛行員與飛機(jī)進(jìn)行信息交互的平臺(tái)[1]。飛機(jī)駕駛艙操縱設(shè)備眾多[2]，其復(fù)雜的布置情況直接關(guān)系到飛行員能否及時(shí)獲取信息以及操作是否準(zhǔn)確舒適，同時(shí)也是關(guān)系到飛行員身心健康、意識(shí)行為、工作效率和飛行安全的重要因素[3]。從飛行操作流程角度進(jìn)行艙內(nèi)操縱設(shè)備的布置評(píng)估，可以滿足駕駛員在執(zhí)行完整飛行任務(wù)過程中的人機(jī)工效需求，對(duì)于優(yōu)化布置設(shè)計(jì)方案、提高飛行員工作效率和確保座艙系統(tǒng)安全有著重要工程意義[4]。常用的駕駛艙人機(jī)工效評(píng)估主要有基于物理樣機(jī)和基于桌面式虛擬樣機(jī)兩種評(píng)估方法。物理樣機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于充分調(diào)用了操作者的感官，然而存在制作周期長(zhǎng)、制造價(jià)格昂貴和模型不易修改等缺點(diǎn)[5]，且評(píng)價(jià)主體感官上存在的差異無法保證能夠得出較為客觀的評(píng)價(jià)結(jié)果[6]；基于DELMIA、JACK等軟件的桌面式虛擬樣機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于數(shù)字化人體模型的動(dòng)作可以通過計(jì)算機(jī)設(shè)定，生成具有一致性的布置評(píng)價(jià)結(jié)果，支持不同設(shè)計(jì)方案間的比較，但缺點(diǎn)是評(píng)估人員只能通過屏幕觀察設(shè)計(jì)方案，難以做出有效的主觀評(píng)價(jià)[7]。

虛擬現(xiàn)實(shí)是一種依托計(jì)算機(jī)生成沉浸式虛擬環(huán)境的技術(shù)[8]，綜合了物理樣機(jī)的高逼真度以及桌面式虛擬樣機(jī)的自動(dòng)化評(píng)價(jià)等優(yōu)勢(shì)[9]，為設(shè)計(jì)過程提供了有效、靈活的評(píng)估環(huán)境[10]。目前越來越多的研究者關(guān)注虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在駕駛艙布置評(píng)估的應(yīng)用，例如美國(guó)NASA[11]在埃姆斯研究中心的高級(jí)概念飛行仿真模擬器[12]以及蘭利研究中心的集成駕駛艙仿真器的基礎(chǔ)上，進(jìn)行駕駛員培訓(xùn)與駕駛艙人機(jī)工效分析等方面的研究；孟闖[13]以JACK軟件為基礎(chǔ)，將虛擬現(xiàn)實(shí)沉浸式展現(xiàn)技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)駕駛艙座椅的人機(jī)工效分析中，并進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證；周前祥[14]在分析虛擬現(xiàn)實(shí)關(guān)鍵特征及技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出其在飛船駕駛艙工效學(xué)設(shè)計(jì)研究等問題的應(yīng)用方向與發(fā)展趨勢(shì)；吳華興等[15]提出一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的顯示設(shè)備仿真方案，利用Vega Prime虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)環(huán)境生成視場(chǎng)內(nèi)的三維場(chǎng)景和動(dòng)態(tài)畫面；馬智[16]通過提取民機(jī)駕駛艙特征對(duì)駕駛艙的內(nèi)部特征進(jìn)行參數(shù)化的表示，并提出了虛擬環(huán)境下對(duì)人機(jī)工效指標(biāo)評(píng)估的方法。姚雄華等[17]提出在飛機(jī)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提前開展性能仿真演示、人機(jī)工效分析、總體布置、裝配與維修性評(píng)估，能夠及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，實(shí)現(xiàn)“設(shè)計(jì)—分析—改進(jìn)”的閉環(huán)迭代。

綜上所述發(fā)現(xiàn)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以其沉浸感強(qiáng)與實(shí)時(shí)交互的特點(diǎn)，能夠有效支持駕駛艙操縱設(shè)備的人機(jī)工效分析?，F(xiàn)有研究主要針對(duì)靜態(tài)環(huán)境下的駕駛艙操縱設(shè)備布置進(jìn)行評(píng)估，雖然在布置評(píng)估過程中考慮了操縱設(shè)備的可達(dá)性、舒適性等因素，但是較少考慮實(shí)際操作任務(wù)對(duì)布置評(píng)估結(jié)果的影響。因此，本文基于飛行操作流程，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)駕駛艙操縱設(shè)備的布置進(jìn)行評(píng)估。首先建立面向布置評(píng)估的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，分析操作流程、布置方案、評(píng)估結(jié)果之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)基于操作流程的虛擬駕駛艙布置評(píng)估模型表示；然后在布局緊湊性、操作可達(dá)性、姿態(tài)舒適性以及操作可視性的量化評(píng)估結(jié)果基礎(chǔ)上，給出多指標(biāo)、多流程的布置綜合評(píng)估方法，實(shí)現(xiàn)基于飛行操作流程的操縱設(shè)備布置綜合評(píng)估，用以支持設(shè)計(jì)方案的比較、修改以及優(yōu)化。

1 基于飛行操作流程的布置評(píng)估建模

飛行操作流程是一系列以實(shí)現(xiàn)飛行任務(wù)為目標(biāo)的動(dòng)作序列的集合。以飛行操作流程為研究對(duì)象可以從飛行任務(wù)的角度對(duì)駕駛艙布置方案進(jìn)行評(píng)估?；谔摂M現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，本文建立了基于飛行操作流程的駕駛艙布置評(píng)估模型，如圖1所示。

操縱設(shè)備布置評(píng)估模型以駕駛艙數(shù)字模型為評(píng)估對(duì)象，圍繞飛行操作流程進(jìn)行布置評(píng)估，具體包括輸入要素層、評(píng)估指標(biāo)層和輸出評(píng)估層3個(gè)層次。在輸入要素層中，將輸入的飛行操作流程與駕駛艙模型轉(zhuǎn)化為可進(jìn)行支持后續(xù)評(píng)價(jià)的動(dòng)作節(jié)點(diǎn)和布置方案兩個(gè)元素集合；在此基礎(chǔ)上，指標(biāo)評(píng)估層提出針對(duì)布局緊湊性、操作可達(dá)性、姿態(tài)舒適性和操作可視性指標(biāo)的評(píng)估算法；在布置評(píng)估層中，將給出面向多任務(wù)、多指標(biāo)的綜合評(píng)估分析方法，得出該布置評(píng)估模型的最終評(píng)價(jià)結(jié)果。為方便后續(xù)分析，下面給出布置評(píng)估模型的定義：

定義1基于飛行操作流程的駕駛艙布置評(píng)估模型可以表示為OM={Proc,Layo,E}，其中：Proc={pi|i=0,1,…,n}表示此項(xiàng)飛行操作流程中的動(dòng)作節(jié)點(diǎn)集合，其中Proc表示作為評(píng)估依據(jù)的飛行操作流程；Layo={dj|j=0,1,…,m}表示駕駛艙操縱設(shè)備集合，Layo表示作為評(píng)估對(duì)象的駕駛艙設(shè)備布置方案，不同的設(shè)備布置形成不同的布置方案；E={Erulai,Eacci,Eeyei,Ecomi|i=0,1,…,n}表示此項(xiàng)飛行操作對(duì)應(yīng)的評(píng)估結(jié)果集合，Erulai代表該動(dòng)作節(jié)點(diǎn)的舒適度指標(biāo)；Eacci代表該動(dòng)作節(jié)點(diǎn)的操作可達(dá)性指標(biāo)；Ecomi代表該動(dòng)作節(jié)點(diǎn)操作路徑指標(biāo)。

為建立仿真中操作與響應(yīng)變化的聯(lián)系，對(duì)飛行操作流程進(jìn)行規(guī)范化表達(dá)，本文研究飛行操作的類型和操作目標(biāo)，將飛行操作流程表示為一系列動(dòng)作節(jié)點(diǎn)p構(gòu)成的動(dòng)作序列。首先，對(duì)于pi∈Proc進(jìn)行如下定義：

定義2設(shè)動(dòng)作節(jié)點(diǎn)pi={ID,Type,Chg,Tgt}，其中：ID表示該操作的序號(hào)，代表了該操作在此次操作中的順序，保證此動(dòng)作節(jié)點(diǎn)在操作流程中具有唯一性；Type=i,w,m表示該動(dòng)作節(jié)點(diǎn)的動(dòng)作類型，具體分為駕駛員對(duì)操縱設(shè)備的交互動(dòng)作i，從外界獲取信息的觀察動(dòng)作w，在操作對(duì)象之間的移動(dòng)動(dòng)作m；Chg表示該操作所對(duì)應(yīng)的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境響應(yīng)，用以提示操作人員的操作完成進(jìn)度，比如操縱桿平動(dòng)、旋鈕轉(zhuǎn)動(dòng)等；Tgt=dj表示該動(dòng)作節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的操縱設(shè)備對(duì)象。

圍繞駕駛艙操縱設(shè)備評(píng)估需求，對(duì)操縱設(shè)備模型、位置等信息進(jìn)行定義，對(duì)于dj∈Layo定義如下：

定義3設(shè)駕駛艙設(shè)備模型可以表示為dj={ID,Pdt,Pst}，其中：ID表示該操縱設(shè)備的序號(hào)。代表該設(shè)備在此次操作中的序號(hào)，保證此設(shè)備在操作流程中具有唯一性；Pdt代表操縱設(shè)備在虛擬空間中的數(shù)字模型；Pst代表操縱設(shè)備在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的方位等參數(shù)。

上述模型通過加入飛行操作流程的維度，能夠支持基于操作流程的評(píng)估，為后續(xù)實(shí)現(xiàn)基于流程的布置方案定量評(píng)估提供了基礎(chǔ)。

2 基于操作流程的布置定量評(píng)估方法

在駕駛艙布置評(píng)估模型的基礎(chǔ)上，為了實(shí)現(xiàn)布置方案的量化評(píng)估，需要對(duì)評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行選取，并得到布置的綜合評(píng)估結(jié)果。

2.1 布置評(píng)估指標(biāo)的選取

本文從布局緊湊性、操作可達(dá)性、姿態(tài)舒適性以及操作可視性4個(gè)角度對(duì)布置展開評(píng)估，分別對(duì)布置緊湊程度、操作設(shè)備的位置、姿態(tài)舒適程度以及設(shè)備模型在視野中的可視程度做出評(píng)價(jià)。

(1)布局緊湊性Ecom

操縱設(shè)備位置影響飛行員在駕駛艙內(nèi)的操作，良好的設(shè)備布置應(yīng)避免操作人員的大幅度上肢移動(dòng)。針對(duì)移動(dòng)類動(dòng)作節(jié)點(diǎn)，本文通過操作人員所使用手部的移動(dòng)距離對(duì)布置方案的緊湊性進(jìn)行分析。

由于虛擬人動(dòng)作是通過動(dòng)作捕捉設(shè)備得到的離散坐標(biāo)點(diǎn)，因此本文根據(jù)視野捕捉的采樣間隔Δt建立計(jì)算公式。對(duì)于動(dòng)作節(jié)點(diǎn)pi的第θ次采樣數(shù)據(jù)，有

Distiθ=‖Handpi+θΔt-Handpi+(θ+1)Δt‖。

(1)

式中Handpi+θΔt表示在動(dòng)作節(jié)點(diǎn)pi的第θ次采樣數(shù)據(jù)中的手部坐標(biāo)。

將pi節(jié)點(diǎn)下得到的共?次手部移動(dòng)距離累加，得到此動(dòng)作節(jié)點(diǎn)pi的移動(dòng)距離Disti，

(2)

在動(dòng)作節(jié)點(diǎn)pi中，以手部操作的移動(dòng)距離作為接近距離Disti-in，以下一個(gè)動(dòng)作節(jié)點(diǎn)pi+1的手部移動(dòng)距離作為離開距離Disti-out。對(duì)于移動(dòng)類操作，定義式(3)計(jì)算對(duì)應(yīng)設(shè)備的布置緊湊性：

Ecomi=max(Disti-in,Disti-out)。

(3)

Ecomi的值越大，表示該動(dòng)作節(jié)點(diǎn)pi所對(duì)應(yīng)的操作設(shè)備具有越大的移動(dòng)距離，說明該設(shè)備的緊湊性可能需要提高。

(2)操作可達(dá)性Eacc

根據(jù)人體可達(dá)域的理論研究[7]，本文按照操作人員的身體尺寸數(shù)據(jù)在虛擬人相應(yīng)位置構(gòu)建如圖2所示的可達(dá)區(qū)域包絡(luò)球，根據(jù)可達(dá)性好壞劃分為7個(gè)區(qū)域，通過手部包絡(luò)球與該操作對(duì)應(yīng)的設(shè)備的相對(duì)位置關(guān)系給出評(píng)分結(jié)果，分?jǐn)?shù)越高表示可達(dá)性越差。

具體計(jì)算過程以具有交互操作屬性的動(dòng)作節(jié)點(diǎn)pi為分析對(duì)象，分析人體姿態(tài)下的對(duì)應(yīng)操作設(shè)備模型dj與可達(dá)區(qū)域包絡(luò)球的關(guān)系。由于設(shè)備模型可能跨越包絡(luò)球中多個(gè)區(qū)域，因此從設(shè)備模型在空間中的幾何分布角度給出評(píng)價(jià)方法，具體方法如下：

(4)

式中：Sk代表動(dòng)作節(jié)點(diǎn)pi姿態(tài)下可達(dá)區(qū)域包絡(luò)球中第k個(gè)區(qū)域的空間分布；Pdtdst表示對(duì)應(yīng)設(shè)備模型在空間中的幾何分布，該變量可以由模型Pdt與空間位置Pst求解得出；Gk代表該包絡(luò)球中第K個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的可達(dá)性得分；Pdtvol代表動(dòng)作節(jié)點(diǎn)pi對(duì)應(yīng)設(shè)備模型體積，是設(shè)備模型Pdt的基本屬性。

(3)姿態(tài)舒適性Erula

因?yàn)轱w行員的操作集中于上肢，所以采用快速上肢作業(yè)姿勢(shì)評(píng)分(Rapid Upper Limb Assessment, RULA)的方法對(duì)操作舒適性進(jìn)行分析。RULA法作為成熟的工效評(píng)估方法，以人體關(guān)節(jié)各自由度偏離正常位置的角度作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算人體姿態(tài)舒適度的評(píng)估結(jié)果[18]。本文根據(jù)動(dòng)作捕捉設(shè)備的采樣間隔Δt建立計(jì)算公式。姿態(tài)舒適性Erula的量化表示方法如式(5)所示：

Erulaiθ=(Side,Atdpi+θΔt,Load,Mus)。

(5)

式中：Erulaiθ是動(dòng)作節(jié)點(diǎn)pi的第θ次采樣數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的姿態(tài)舒適性評(píng)估得分，得分越高，說明舒適度越低;Rula是快速上肢作業(yè)姿勢(shì)評(píng)分函數(shù)；Side是評(píng)估的身體部分，分為身體左側(cè)及右側(cè)；Atdpi+θΔt是虛擬人在動(dòng)作節(jié)點(diǎn)pi中的第θ次采樣數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的姿態(tài)信息；Load是人所承受的負(fù)載；Mus是操作時(shí)的肌肉使用情況。

對(duì)于動(dòng)作節(jié)點(diǎn)pi的總體舒適性如式(6)所示：

(6)

式中?為pi節(jié)點(diǎn)開始到下一個(gè)動(dòng)作節(jié)點(diǎn)pi+1期間的姿態(tài)信息采樣次數(shù)。

(4)操作可視性Eeye

操縱可視性是支持飛行員進(jìn)行信息獲取的基礎(chǔ)，良好的可視性可以保證飛行員快速、有效地讀取設(shè)備信息。本文基于視覺等時(shí)反應(yīng)曲線的研究[16]，將觀察動(dòng)作類節(jié)點(diǎn)的觀察視野從外到內(nèi)劃分為7個(gè)等級(jí)，用于量化評(píng)價(jià)操作可視性。

由于虛擬人視野是通過虛擬引擎得到的離散圖像，因此本文根據(jù)視野捕捉的采樣間隔Δt建立計(jì)算公式，以采樣時(shí)刻下模型圖像在視野中的分布作為分析的對(duì)象。對(duì)于動(dòng)作節(jié)點(diǎn)pi的第θ次采樣數(shù)據(jù)，給出如下公式：

(7)

式中：Eeyeiθl與Eeyeiθr是動(dòng)作節(jié)點(diǎn)pi的第θ次采樣數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的左、右眼可視性評(píng)估得分，得分越低代表可視性越好；Vkl和Vkr分別代表左右眼的第k級(jí)評(píng)分區(qū)域；Pdtpos(θ)表示在動(dòng)作節(jié)點(diǎn)pi第θ次采樣時(shí)刻下設(shè)備模型在視野中的位置；Hk是評(píng)分區(qū)域的對(duì)應(yīng)評(píng)分；Pdtarea表示模型在視野中的面積。

最終以觀察類節(jié)點(diǎn)的所有采樣時(shí)刻的模型圖像分布結(jié)果作為該動(dòng)作節(jié)點(diǎn)的可視性評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)于pi節(jié)點(diǎn)的?次采樣圖像，可視性評(píng)估結(jié)果如式(8)所示：

(8)

2.2 基于多流程的布置綜合評(píng)估

根據(jù)上述評(píng)價(jià)指標(biāo)的量化表示，本文提出一種“指標(biāo)綜合—流程綜合”的雙層次評(píng)估方法。首先采用多指標(biāo)的綜合評(píng)估方法，完成基于單次飛行操作流程的布置參數(shù)評(píng)估；然后根據(jù)飛行操作流程的重要程度給出基于重要度的多任務(wù)綜合評(píng)估方法，實(shí)現(xiàn)基于操作流程的布置方案綜合評(píng)估。

(1)基于多指標(biāo)的流程綜合評(píng)估

首先對(duì)評(píng)估指標(biāo)的屬性值進(jìn)行統(tǒng)一化和規(guī)范化處理。將布局緊湊性、操作可達(dá)性、姿態(tài)舒適度和操作可視性4個(gè)評(píng)估結(jié)果都規(guī)范化為0～1區(qū)間內(nèi)的數(shù)值，使其表示的數(shù)值越大，對(duì)應(yīng)的性能越好。

采用基于多屬性決策的加權(quán)和法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，運(yùn)用主觀賦權(quán)法中的特征向量法來求得各個(gè)因素指標(biāo)的權(quán)重。通過咨詢領(lǐng)域內(nèi)專家，得出權(quán)重比較矩陣。然后根據(jù)權(quán)重比較矩陣，求出其最大特征值和對(duì)應(yīng)的特征向量，將其歸一化得出權(quán)向量。加權(quán)和法是多屬性決策的基本思想，運(yùn)用加權(quán)和法來計(jì)算駕駛艙操縱設(shè)備布置的影響因素綜合評(píng)價(jià)值，如式(9)所示：

E=(Ecom,Eacc,Erula,Eeye)·μT。

(9)

式中:E表示用加權(quán)和法求得的綜合評(píng)估結(jié)果，E∈[0,1]，結(jié)果越大表示布置越合理；μT表示各因素指標(biāo)屬性的權(quán)向量μT=(μ1,μ2,μ3,μ4)。

(2)基于多操作流程的布置綜合評(píng)價(jià)方法

在實(shí)際的飛行中涉及多種飛行任務(wù)，不同的操作流程在飛行過程中出現(xiàn)的頻率不同，所體現(xiàn)的重要程度也不相同。因此綜合評(píng)估中結(jié)合操作的重要度，可以更加全面地對(duì)布置進(jìn)行評(píng)估。針對(duì)不同的操作流程對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)結(jié)果E=(E1,E2..EK)，根據(jù)其在飛行中的出現(xiàn)頻率和重要程度為其分配權(quán)重ω，得到如式(10)所示的布置總體評(píng)估結(jié)果ETotal：

ETotal=E·ωT。

(10)

3 實(shí)例驗(yàn)證

3.1 虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境

為驗(yàn)證上述理論的可行性，本文采用如圖3所示的軟硬件環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)所用的虛擬駕駛艙模型由CATIA軟件構(gòu)建，通過圖形軟件3DSmax輕量化處理后導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D平臺(tái)。Unity 3D為目前虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)的常用軟件平臺(tái)，本實(shí)驗(yàn)通過Unity軟件構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的駕駛艙，虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中人體運(yùn)動(dòng)的虛實(shí)映射邏輯如圖4所示。

在人體運(yùn)動(dòng)虛實(shí)映射過程中，實(shí)驗(yàn)人員通過佩戴HTC vive頭戴顯示器進(jìn)行沉浸式駕駛體驗(yàn)。其肢體動(dòng)作捕捉分為兩部分，主要軀體的運(yùn)動(dòng)由Kinect V2.0捕捉，通過獲取人體的關(guān)節(jié)點(diǎn)信息從而驅(qū)動(dòng)虛擬人體模型的運(yùn)動(dòng)；與此同時(shí)，利用Leap Motion傳感器捕捉實(shí)驗(yàn)人員的手部運(yùn)動(dòng)，通過深度圖像獲取手指關(guān)節(jié)信息，驅(qū)動(dòng)人體模型的手指與駕駛艙設(shè)備進(jìn)行交互，從而實(shí)現(xiàn)真實(shí)人與虛擬人之間運(yùn)動(dòng)映射。

3.2 布置評(píng)估模型實(shí)例

本文采用的駕駛艙模型為對(duì)Boeing 767駕駛艙進(jìn)行簡(jiǎn)化所得，模型布置時(shí)以x與y軸構(gòu)成的水平面為駕駛艙的地面，z軸正方向?yàn)轳{駛艙面向的正方向，根據(jù)設(shè)備與原點(diǎn)的相對(duì)位置得到其全局坐標(biāo)。參與實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)人員共5名，對(duì)后續(xù)布置方案的評(píng)估重復(fù)進(jìn)行了5次實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)中參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[19]的中國(guó)成年人體測(cè)量數(shù)據(jù)，5位被試人員年齡在18～25歲之間，身高在168 cm左右，均接近國(guó)標(biāo)中該年齡段的第50百分位的身材，能夠代表大部分人的身材。綜合考慮駕駛操作和人的反應(yīng)時(shí)間，本實(shí)驗(yàn)采用Δt=0.1 s作為數(shù)據(jù)采集的間隔時(shí)間。

針對(duì)虛擬駕駛艙布置方案評(píng)估方法的有效性驗(yàn)證，對(duì)駕駛艙典型的布局元素進(jìn)行整合，設(shè)計(jì)了4組對(duì)比方案。其中原始方案為L(zhǎng)ayoA，其余3組通過布置修改得到：LayoB中旋鈕A的位置向左移動(dòng)至全局坐標(biāo)系下(-4.5,0,1.7)的位置，LayoC和LayoD中撥鈕A，撥鈕B和旋鈕A三者距離相比于原始方案中三者距離分別增加了20%和40%。4組對(duì)比方案如圖5所示。

針對(duì)布置方案，本文基于3組操作流程Proc評(píng)估布置方案，如表1所示。

表1 虛擬駕駛艙操作流程

這里以Proc1為例，對(duì)布置方案LayoA的評(píng)估模型OMA={ProcA,LayoA,EA}中各個(gè)元素信息進(jìn)行分析。操作流程Proc1中涉及的設(shè)備如表2所示。

表2 LayoA操縱設(shè)備信息表

Proc1中涉及的動(dòng)作節(jié)點(diǎn)PA如表3所示。其中：ID為此操作流程中動(dòng)作的編號(hào)，操作動(dòng)作按ID順序進(jìn)行；Chg為動(dòng)作節(jié)點(diǎn)完成的響應(yīng)，在此之中交互動(dòng)作的完成以模型變化作為響應(yīng)，移動(dòng)動(dòng)作的完成以觸碰提示作為響應(yīng)，觀察動(dòng)作的完成以觀察持續(xù)時(shí)間作為響應(yīng)；Tgt表示該動(dòng)作節(jié)點(diǎn)操作的對(duì)象。實(shí)驗(yàn)過程使用右手進(jìn)行操作，以被試人員的右側(cè)身體為目標(biāo)進(jìn)行姿態(tài)舒適性的評(píng)估，除去觀察和持續(xù)操作的停頓時(shí)間，其余操作之間不存在停頓和復(fù)原，設(shè)定觀察設(shè)備持續(xù)5 s表示完成該動(dòng)作節(jié)點(diǎn)。

表3 Proc1動(dòng)作節(jié)點(diǎn)Pi信息表

3.3 駕駛艙布置評(píng)估

基于布置評(píng)估模型實(shí)例對(duì)駕駛艙布置進(jìn)行評(píng)估。本節(jié)首先以單個(gè)動(dòng)作節(jié)點(diǎn)評(píng)估為例具體闡述實(shí)驗(yàn)分析，最終根據(jù)多個(gè)流程的多個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)整個(gè)布置進(jìn)行綜合評(píng)估分析。

(1)基于動(dòng)作節(jié)點(diǎn)的布置指標(biāo)評(píng)估

基于動(dòng)作節(jié)點(diǎn)的單點(diǎn)布置指標(biāo)評(píng)估是整體布局方案評(píng)估的基礎(chǔ)，此處選取方案LayoA與LayoB作為對(duì)比，以操作流程Proc1中與旋鈕A交互的動(dòng)作節(jié)點(diǎn)5的指標(biāo)評(píng)估為例，被試者的駕駛艙視野如圖6所示。

采用2.2節(jié)中的布置指標(biāo)評(píng)估方法進(jìn)行評(píng)估，各個(gè)評(píng)估指標(biāo)結(jié)果如表4所示。

表4 4項(xiàng)指標(biāo)評(píng)估結(jié)果

LayoA中，按鈕B的空間坐標(biāo)Pdtdst(-4.585,-0.09,1.739)，根據(jù)式(3)可得動(dòng)作節(jié)點(diǎn)4緊湊性評(píng)分1.603。同理可得LayoB緊湊性評(píng)分0.96，這是由于LayoB中將旋鈕A移至(-4.538,-0.09,1.739)，更加接近按鈕B，故緊湊性提高。

LayoA中旋鈕A的空間位置Pdtdst(-4.027, -0.143, 1.739)，根據(jù)式(4)，可得Eacc=((S3∩Pdtdst)·G3)/Pdtvol=3.14。LayoB中由于將旋鈕A移至面板中心處，處于可達(dá)性評(píng)分2的區(qū)域內(nèi)，可達(dá)性評(píng)分2.64，證明可達(dá)性提高。

LayoA中，通過Kinect捕捉到多關(guān)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)信息{髖關(guān)節(jié)點(diǎn)=(0.223，0.304，-1.184)……右腳關(guān)節(jié)點(diǎn)=(-0.176，0.741，-0.579)}。代入式(6)對(duì)照RULA法打分可得3.43。LayoB中舒適性評(píng)分4.12，這是由于操作時(shí)右手需要彎曲更大的角度，故舒適性下降。

在方案LayoA中，可視性式(8)Eeye5=(Eeyel+Eeyer)/2=(3.03+3.11)/2=3.07，同理得LayoB中Eeye5=2.72。LayoB中旋鈕A更接近視野中心，因此可視性更好。

(2)基于多流程的布置綜合評(píng)估

根據(jù)綜合評(píng)估方法進(jìn)行其他動(dòng)作節(jié)點(diǎn)的評(píng)估，最終得到LayoA布置評(píng)估結(jié)果如表5所示。

表5 Proc1：LayoA指標(biāo)評(píng)估結(jié)果

對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)結(jié)果進(jìn)行規(guī)范化處理后進(jìn)行綜合評(píng)估，得到整體布置評(píng)估結(jié)果。這里選取權(quán)向量μT=(0.1,0.4,0.3,0.2)，重點(diǎn)關(guān)注操作的可達(dá)性，根據(jù)式(9)得到對(duì)于Proc1的最終評(píng)價(jià)結(jié)果EA=P·μT=0.1×0.549+0.4×0.723+0.3×0.629+0.2×0.710=0.675。

重復(fù)上述評(píng)估方法，在3組操作流程下對(duì)LayoA進(jìn)行布置評(píng)估，并為飛行操作流程分配權(quán)重。其評(píng)估結(jié)果與權(quán)重分配如表6所示。

表6 LayoA評(píng)估結(jié)果及權(quán)重分配

通過式(10)得出多任務(wù)的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果ETotal=E·ωT=0.681，作為L(zhǎng)ayoA的最終評(píng)估結(jié)果。重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟，不同操作流程下的4組布置方案評(píng)估結(jié)果及綜合評(píng)分如表7所示。

表7 不同操作流程下的布置評(píng)估結(jié)果

通過對(duì)不同布置方案的綜合評(píng)分比較，可以確定在本實(shí)例設(shè)置的飛行操作流程中，LayoB擁有4組方案中最好的工效性能，評(píng)價(jià)結(jié)果符合駕駛艙布置的主觀感受。

4 結(jié)束語

飛機(jī)駕駛艙內(nèi)部的操縱設(shè)備布置評(píng)估能夠反映駕駛艙是否符合人機(jī)工效學(xué)設(shè)計(jì)，因此一直受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者和工程技術(shù)人員的廣泛關(guān)注。本文基于飛行操作流程，提出了一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)的駕駛艙設(shè)備布置的評(píng)估方法。該方法通過建立布置評(píng)估模型，將飛行流程劃分為動(dòng)作節(jié)點(diǎn)，給出了布局緊湊性、操作可達(dá)性、姿態(tài)舒適性以及操作可視性量化評(píng)估方法，然后根據(jù)多流程對(duì)布置方案計(jì)算綜合評(píng)分，進(jìn)行不同布置方案的工效性能比較。該研究可以提高駕駛艙布置評(píng)估的效率，輔助設(shè)計(jì)人員分析操縱設(shè)備的布置合理性，作為駕駛艙設(shè)計(jì)方案比較、選取和修改的參考依據(jù)。在未來的研究中，可以考慮進(jìn)一步引入觸覺反饋等機(jī)制，通過融合現(xiàn)實(shí)等方式構(gòu)建虛實(shí)映射的實(shí)時(shí)反饋環(huán)境，以實(shí)現(xiàn)更高真實(shí)度的虛擬現(xiàn)實(shí)駕駛艙布置評(píng)估。