多约束下的载人潜器舱内计算机辅助工效设计系统研究

李 博，吉晓民，陈登凯，余隋怀

(1.西安理工大学艺术与设计学院，陕西 西安 710054；2.西北工业大学现代设计与集成制造教育部重点实验室，陕西 西安 710072)

本世纪初，国际海底区域竞争形势日益激烈，我国自主研制深海载人潜水器的条件已经成熟[1]，国家决策部门将此项目实施提上议事日程。然而，载人潜器的研发是一项复杂的系统工程，需要国内的优势力量联合攻关。我国潜器载人舱内人机工效设计理论方法还不够完善。伴随下一阶段载人深潜事业的发展，需要对现有的舱内环境人机工效设计加以改进并建立系统化、理论化并适合我国国情的设计原则和方法。

实现载人潜器舱内的人-机-环境的最优组合，获得舱内操作人员所需的、具有特性功能的“人-机-环境”[2]系统，需要从满足工效学多目标多属性约束的角度，应用智能化设计的思想，在人-机界面设计，作业场所布局设计和作业环境设计与控制研究这三方面做到设计方案的可行解自动获取和方案的优化。

目前计算机辅助工业设计(computer-aided industrial design，CAID)领域中引入的工效设计软件系统主要是用于构建数字人体的三维建模软件，比较典型的有：Jack[3]，SAMMIE，ANYBODY，CHIEF，BOEMAN等。这类数字人体建模软件的大量涌现，一方面由于计算机图形技术的发展为其提供了技术基础；另一方面则是由于这些人机建模软件本身的专业性，某些软件中除了提供人体的测量数据外，还提供与人体有关的力学特性，如关节活动和关节柔韧性，视力限制，甚至劳累程度等方面的数据[4]，这类软件均属于计算机辅助工效设计软件(computeraided engineering design, CAED)范畴。

上述CAED软件对CAID过程的工效设计辅助均集中在提供人体的各项测量数据和设计方案的人机性能评价方面[5]，且只能对已经确定的设计方案进行评价，对工效设计方案产生过程的辅助程度则很低，而基于人-机-环境系统多目标、多属性约束条件驱动进行智能化工效设计的软件系统尚未检索到。这类CAED软件多为独立运行，其输出结果是面向设计师而不是面向CAID的概念设计阶段，输出的结果需要通过设计师这一环节的人工处理与转化才能形成后续CAID过程中所需的辅助数据。总体来说，这类软件所能提供的辅助基本属于信息参考的层次，尚不能完成辅助工效设计中涉及到的布局、色彩、方案优化等设计行为。

因此，在CAID领域，需要一种能够与概念设计过程进行有效集成的工效设计计算机辅助工具[6-9]。这种集成的CAED工具不仅可以有效利用CAID过程中各阶段的数据结果来获取工效设计所需的产品模型数据，还可以为CAID过程提供统一的设计方案数据直接为后续环节使用。总之，集成的CAED工具以CAID的基本造型功能和数据结构为工作平台，随时提供设计辅助而不中断产品设计过程，且可以将已经成熟的工效设计原则和方法固化于程序内部，使程序在适当的时候可以代替设计师进行决策与设计，以提高设计效率。

1 载人潜器舱内工效设计与优化实现思路

笔者在科研项目组长期开展的CAID系统开发研究工作中，以及与相关企业合作经验中受到启发，解决载人潜器舱内工效设计问题的关键是要从问题的求解策略、途径、理论和实现方法上有所突破。

目前，工效学研究普遍采用的实验法、观察法、询问法和模拟法等常规研究方法，由于载人潜器舱内工效设计是一项高度复杂的系统工程，单纯的通过实物试验和主观问卷这样的设计过程并不能真实地反映系统工效设计的优劣，且在建立实物模型时往往需要较多的经费支持和较长的建造时间。

因此，在传统的工效研究方法基础上迫切需要结合计算机技术、人工智能技术，引入智能化思想，有效地完成载人舱工效设计与方案优化。

随着虚拟现实技术的迅速发展，传统的实物模型正越来越多地被数字模型所取代。因此，根据实验精确测定的数据，在虚拟环境中依照需要构建出包含人机参数尺寸的数字人体，定义其完成指定的任务，并分析相应的性能，对于完成快速工效设计有很高的实用意义。

其次，基于约束条件提取，智能算法驱动的人-机界面外形设计、尺寸设计、位置设计和作业空间布局设计方案的自动求解，将使工效设计知识体系与计算智能得到很好地衔接，科学高效地获得满足工效约束条件的设计方案。

基于以上分析，提出应用虚拟人体模型参数调整获取人-机界面组件最佳布局空间，基于进化算法驱动[10-12]和相关工效设计知识数据库支持的人-机界面组件的形态、尺寸设计和布局设计的自动求解，结合粒子群智能优化算法技术，来综合解决载人潜器舱内人-机界面和作业空间的空间布局设计与优化[13-14]问题。

由于需要底层的基本建模造型功能的支持，人机工效设计在产品设计的全过程中独立性很弱。这决定了人机工效设计若要真正成为设计/制造一体化系统的有机环节，不适合做独立的系统开发，而应考虑在已有的基础造型功能较成熟的设计软件基础上进行有效集成。这样不仅满足了兼容性，而且缩短了开发周期。考虑以上各项要求，本研究选择Unigraphics NX 7.5三维软件系统(以下简称UG)作为原型系统的二次开发平台。

2 载人潜器舱内工效设计中的约束获取

载人潜器舱是面向特殊使用对象的产品，其工效设计有其独特性，在一般产品的工效设计多考虑人机关系的基础上，还要引入环境约束条件，以完整的人-机-环境系统为研究对象，综合考虑来自多属性的约束条件，使载人舱的工效设计最优。

2.1 虚拟人体辅助设计模型

提出应用虚拟人体的视域、可达域范围获取人-机界面布局设计的合理解集空间，辅助完成载人潜器舱内工效设计中的人-机界面布局智能设计与优化。面向舱内工效设计的虚拟人体辅助设计模型如图1所示。

图1 虚拟人体辅助设计模型

该模型需要解决的关键问题如下：

(1) 设计约束条件的选取。设计约束条件的快速选取需要全面的数据库支持。例如，载人潜器舱要考虑在高湿度环境对乘员带来的生理和心理影响，这些约束条件都需要记录于数据库中，根据实际情况随时调用。

(2) 人体模型视域、可达域的范围调整。人体模型的视域、可达域范围为舱内人-机界面智能设计提供了最大可行解的获取空间。然而，在载人潜器舱内环境和人的心理因素的影响下，人的视域、可达域范围会发生相应变化，如何依据不同的环境约束条件做出合理调整直接决定人-机界面组件智能设计的准确性和有效性。

2.2 载人潜器舱内工效设计的约束条件

载人潜器舱内计算机辅助工效设计系统集成了各类别环境约束对人作业工效的影响。将舱内人-机界面工效设计受到的各种约束集成为相应数据库，用于查询、使用相关数据，为完成智能化工效设计提供便利。

在载人潜器舱内工效设计过程中，为了满足来自人-机-环境等各方面的设计需求，设计师往往会受到各类限制和影响，设计时来自多属性下的约束如果没有全面考虑，设计方案就会有偏向某些约束条件的倾向性，而在另一些约束条件的满足度方面就会有所欠缺，由此会或多或少对舱内人员的工作过程带来潜在影响。

载人潜器舱内工效设计约束来自4个方面：一是来自人的生理特性的约束，具体包括人的感知特性、思维特性、执行能力特性。二是来自人的心理特性约束，具体包括人的情绪稳定程度；人对人-机界面操作是否感兴趣；工效设计是否有利于人保持坚定的意志，是否适应人的不同性格特征及是否考虑人的注意特性。三是来自机器的功能性约束，包括机器功能尺寸的满足及机器质心分布稳定性的满足。四是舱内环境对工效设计的约束，具体的约束条件总结为图2所示。

2.3 虚拟人体模型参数调整

本研究提出的基于多约束下的人体模型参数(视域、可达域范围)调整问题，是要在确定各约束条件对于人体视域、可达域的影响重要度(即权重)的前提下，基于常态下人体视域、可达域的生理范围基础作出合理、科学的调整。

在载人潜器舱内，由于人-机界面包含的控制、显示设备等的布局都是在二维基面内完成，且待布局物体的最大轮廓均可抽象为矩形体，可将舱内人-机界面布局设计抽象为矩形布局问题。因此，由虚拟人体模型确定的视域整体范围是一个由调整后的视锥空间和由人体上肢可达域范围求取交集围合而成的圆锥空间。其中影响舱内视域空间的环境约束条件有噪声与高速运动；载人舱内环境因素对于舱内人体可达域的影响主要是在噪声、振动这两方面。

图2 载人潜器舱内工效设计过程中的设计约束

下面以一个数学模型来阐述多约束下人体模型参数调整的原理：假设在计算调整的过程中，简化载人舱内人员人体模型面临的多约束只重点考虑某一方面的因素，其计算调整法则如图3所示。

图3 计算调整法则

计算调整法则表明的意思是A经过B的约束作用后调整为C。用数学符号表示为：

将各种约束分别纳入式(1)中考虑，设载人舱内人体模型参数调整后总的参数集为C，C由人体模型的各类参数集合组成，其中，bij为对应的影响人体模型参数的各项约束影响因子。

载人舱内人员在进行作业过程中，影响人的工效的因素主要有：振动、噪声和高速运动。

结合已有相关研究的结果[15]可知，当环境和人的头部保持不动时，眼睛能看到的空间就是视野即视域。按照视觉的分辨能力，视域可以分为3个区域(清晰视野区、中视野区和外视野区)。在清晰视野区的物体，可见其细微之处，在中视野区的物体看起来已经模糊不清了，在外视野区只有运动的物体才能引起人的注意[16]。

人眼的视距是从最近视距来衡量的，这个近点距离随着年龄的增加而增大。取载人舱内人员的年龄区间从20～50岁，这个区间段年龄的人，视距最近距离18～45 cm。

结合项目设计需求，并调研获取载人舱内人员的使用需求。为了保证操作率和减少人体疲劳，载人舱人-机界面的设计要尽可能地让操作者不必转动头部和眼睛，更不必移动操作位置，便可从全部显示仪表上获取信息。依据这一设计依据，载人舱内基于人体模型视域参数获取人-机界面组件布局设计的解空间就是要确定虚拟人体在多约束下调整后的视野和视距。

设常态下虚拟人体视域空间为E，调整后的人体视域空间为E′，由于人体视野的相关研究成果将视野分为水平和垂直视野，设常态下虚拟人体水平视野为EH，垂直视野为VE，视距为ED，则有：

式(2)～(4)中所有角度和距离的取值范围均来源于本研究相关分析研究结果。

根据式(1)的思路分析，可得调整后的人体视域空间参数为：

式中，δ1被称为影响人体模型参数范围的权重系数，其中，δ1由振动环境引发，δ2由噪声环境引发，δ3由舱体的高速运动引发，δ1+δ2+δ3= 1，0≤δ1≤1，0≤δ2≤1，0≤δ3≤ 1。

通过已有研究结论分析可得，在振动环境、噪声环境和舱体高速运动等环境因素的单独影响下，人的视野范围都会减小。综合考量上述环境约束条件，就是要在工效设计时，需要设计依据调研情况，来模拟影响人体视域的环境因素的实际情况，确定各环境约束条件的影响权重，软件提供设计师输入权重系数的人机接口，根据输入数值，程序驱动计算调整人体视域范围，完成常态下人体视域范围的收敛。

2.4 遗传算法智能求解舱内人-机界面布局设计的实现方法

在舱内人-机界面布局设计时，提出运用基于虚拟人体模型的视域、可达域范围调整后的参数约束，初步获取人-机界面布局的有效解空间，而后通过遗传算法驱动，从解空间内计算获取设计方案解集，获取满足适应度函数最大的解方案。其过程基本可分为3个步骤：问题构建、自动求解和交互求解。

问题构建步骤根据设计人员的输入调用相应的模板建立设计问题实例、个体方案的编码表达式、评价函数、解空间和约束条件等，是对用户输入的处理过程，这些行为在方法层的支持下完成的。

自动求解子过程是程序内部对设计问题展开搜索的过程，这个过程在已配置好的遗传算法程序指导下自动进行，不需要设计人员的参与，设计师只要在开始时给定遗传算法程序工作参数即可。

交互求解子过程是在自动求解子过程获得一定满意程度的种群质量后开始的。此时种群经过自动求解，已经保证了种群中的个体全部有效并多数已处在满意范围内。这种情况下，进一步的自动求解已很难获得更优的方案，且此时种群收敛速度较慢，方案之间的差异性也不再适合于程序自动评价。设计人员的交互操作对方案的评价与选取起到了最后决定性的作用。因而，将设计人员选中的设计方案解集转入下一阶段的基于改进粒子群算法的设计方案多目标优化是很有必要的。

2.5 基于知识推理的色彩工效设计过程

按照时下流行的设计调和理论和TOP TO DOWN(自顶向下)的色彩设计模式[17-18]，设计师首先结合设计调研得出的描述性语义词汇，依照语义性的心理型色彩设计方法基于色彩设计知识确定设计方案的主色调，具体可以采取从系统提供的色彩设计描述词典中选取的方式，根据描述词汇，结合上述的经验归纳性知识、实例样本知识和通过色彩语义抽取的知识的综合评判，共同确定主调色的初始色彩值，再根据与色彩调和有关的描述词汇确定出辅助色的初始色彩值，根据基于语义性知识驱动的方法生成舱内色彩主色与辅色初始方案解集的获取。这里需要指出的是，由于系统在选择表示颜色时使用R、G、B模式，在这个模型中，每个颜色由一个(r,g,b)三元组表示，r、g、b的值域为[0，l]，相应的(0，0，0)表示黑色，(l，l，1)表示白色，这个空间中所有颜色组成一个立方体的空间。r、g、b这3个分量若相等，则得到无彩色的系列灰色；一组色彩的r、g、b这3个分量之间的比例若相等，则该组色彩的色相相同。

主-辅色的色彩方案均由系统基于色彩设计知识驱动而自动产生并且辅色随主色的变化而实时动态改变；系统自动生成的主-辅色色彩方案需要进一步的色彩方案优化[19]，最后根据与色彩配置有关的描述确定出色彩与载人舱人-机界面组件的映射关系[20-22]，从而完成载人舱人-机界面色彩配置设计工作。

选出的色彩以色块的方式在界面上显示出来，在三维设计平台上可以观察产品的色彩效果。设计师可以回到前面的任何一步进行修改，也可以用平台最基本的单色调整功能进行局部微调。设计过程如图4所示。

图4 基于知识推理的色彩工效设计流程图

2.6 人-机界面智能设计方案解集的输出

基于人-机-环境因素的载人潜器舱内人-机界面智能设计完成后，产生人-机界面组件的布局设计可行解集和色彩配置可行解集。布局设计可行解集输出为平面图方案，色彩配置可行解集输出为色彩方案的色彩R、G、B数值。输出的可行解集方案如图5～6所示，每个可行解方案独立为一个界面显示，并按数字顺序编码以示区别。

图5 布局设计可行解输出示意

图6 色彩配置可行解输出示意

3 载人潜器舱内计算机辅助工效设计系统开发

载人潜器舱内计算机辅助工效设计系统的开发技术路线模型如图7所示，共分3个层次。

图7 系统技术开发路线

3.1 系统工作流程模型

载人潜器舱内计算机辅助工效设计系统的简要工作流程如图8所示。

基于系统工作流程模型，可将计算机辅助系统的使用运行过程描述为如下步骤：

(1) 设计师启动UG三维软件，进入CAD模块，使用CAD建模功能构建载人潜器舱数字模型，或从其他软件向UG软件CAD模块导入数字模型，构建完毕舱内虚拟环境。

(2) 从主菜单中点选“舱内工效设计智能辅助”菜单，弹出下拉菜单，选取载人舱所属类别。

(3) 进入人体建模子菜单。输入拟定的舱内人员数、性别、年龄和人体尺寸百分比等信息，建立适合该载人潜器舱数字模型的虚拟人体数字模型。完成人体姿态设定和人体模型在载人舱虚拟环境中的空间定位，获取正常情况下该数字人体模型的视域、可达域最佳范围数据。

(4) 进入仪器设备查询子菜单。系统程序自动调用仪器设备标准件参数数据库获取该类别载人舱内人-机界面组件的分类、功能、尺寸范围、质量范围等机器相关参数，供设计师作为人-机界面组件布局的信息参考。

(5) 系统获取该类别载人舱内物理环境相关约束要素，自动调用工效设计知识数据库资源，建立环境约束与虚拟人体视域、可达域的关联，完成人-机界面组件布局设计时虚拟人体在约束条件下的视域最佳范围的调整。

(6) 点击进入人-机界面组件智能设计子菜单，结合获取的虚拟人体视域、可达域范围，智能计算完成人-机界面组件的形态设计和布局设计；结合基于知识推理的色彩智能设计，完成载人舱内空间色彩设计和人-机界面的色彩配置智能设计。

(7) 点击进入设计方案智能优化子菜单，基于改进型粒子群算法驱动，智能计算优化求解获得人-机界面组件布局优化方案和人-机界面色彩配置优化方案。

(8) 点击进入设计方案输出子菜单，布局优化方案以二维平面图形式输出，色彩配置优化方案以色彩的色号RGB值输出。完成计算机辅助工效设计全过程。

3.2 系统相关数据库构建

(1) 人体参数数据库的构建。用于提供虚拟人体建模数据的人体数据库数据由Access构建的静态库。数据来源包括中国国家标准GB10000-1988和美国Dreyfuss事务所发布的人体数据。Dreyfuss人体数据库又包括人体结构尺寸模块，人体工作尺寸模块和人体空间尺寸模块。数据库系统是采用VC++语言开发，所以要编译成可执行文件，库中的图片大都是外部软件处理好的图片文件，嵌入到数据表中。数据库中采用图片和表格的双表达方式。本系统中人体数据查询工具的程序实现原理如图9所示。

图8 系统工作流程模型

图9 人体数据查询工具的程序实现

(2) 色彩设计知识库的构建。载人潜器舱内部色彩设计知识库由4个知识源组成，即色彩数知识源、主调色知识源、辅助色知识源和色彩配置知识源。所有的载人舱内部色彩设计知识都按照这4种类型进行分类，并存放在不同的知识源中。

一个知识源由知识库类中的一个链表来实现，链表的每一节点是属于该知识源的一个知识对象。一个知识对象对应于一条规则。链表又是通过MFC中的集合类CObList来实现。知识源采用链表的结构便于旧知识的删除和新知识的输入。旧知识的删除就是从链表中删去一个知识对象，而新知识的输入就是将一个新构建的知识对象加入到链表中去，知识库类提供成员函数来支持知识的编辑与更新。

知识库在系统外部以知识库文件的形式存在，因此根据不同的色彩设计专家的知识可以建立不同的知识库文件。在系统中，设计者可以选择不同的知识库文件来构造知识库对象，从而实现利用不同的专家知识来进行色彩设计推理。系统还允许设计者合并不同的知识库文件，从而利用几个专家的知识进行色彩设计推理。

(3) 人机功能组件参数数据库的构建。载人潜器舱内人-机界面中有人机要求的部件或结构(简称“人机功能组件”)。按照数据的表达类型，人机功能组件数据可分为图形数据、属性数据和尺寸数据。图形数据是指由点、线、面和注记数据形式记录的各项功能组件的外形，主要用于描述人机功能组件的形状信息。

属性数据记录了各人机功能组件的所属类别，目前的人机功能组件中，显示器按大类分为视觉显示器、听觉显示器和报警/通报类显示器3大类；控制器包括手动控制器、语音控制其2大类。

尺寸数据记录了人机功能组件的三维尺寸数值最大、最小极值区间和相应的组件之间装配尺寸数值等。

(4) 工效设计知识资源库的构建。工效设计知识资源库集合了人-机界面的工效设计理论、作业空间布局设计的工效学理论、色彩设计工效学理论等，每一类工效设计知识数据按照一定的编码特征统一存放于数据库中，数据库提供必要的检索方式，一般可通过工效设计理论的所属类别名称和关键词定位所需的工效设计知识。

根据数据节点的类结构，将工效设计知识实例方案的信息放在知识资源库中，为了便于获取和检索，采用统一格式进行归类存放。

3.3 数据库的访问与操作

借助数据库，设计师可以提取、修改、添加载人舱所受到的人-机-环境的各方面约束参数。利用ADO数据库访问技术，数据库的访问和操作流程如图10所示。

图10 数据库访问与操作流程图

4 构建载人潜器舱内工效设计CAD系统

4.1 需求分析

系统直接面向载人潜器舱内工效设计领域，是一个专用而高效的软件系统。系统完全建立在工业设计学科思想之上，面向用户的逻辑层符合工业设计师的思维方式和习惯，操作简单、界面方便、使用高效。系统提供的工具集在逻辑上应该尽量与工业设计师常采用的传统设计工具相类似，系统提供的工效设计方案及优化过程应该是原理复杂但操作方法简便，满足ICAD思想。

系统的需求分析总结为以下几点：

(1) 系统直接面向载人潜器舱内工效方案设计与优化；

(2) 系统充分体现工业设计的特点，逻辑层应该符合工业设计师的思维方式和习惯；

(3) 系统提供的工具用于舱内的工效方案设计，智能化设计简单而高效；

(4) 系统支持实时的真实感图形生成；

(5) 在较高的层次上辅助设计师的工效设计，在一定程度上能够提高舱内工效设计方案的自动化水平。

4.2 系统框架设计

系统的功能结构如图11所示。系统依托UG平台，将各模块的软件界面有机地集成于UG属性页中。各模块工具集可以通过专用菜单栏启动和工具栏启动。系统结构中应用层包含相应的6个工具集，集成框架如图12所示。

图11 系统架构图

图12 系统集成框架图

5 系统应用验证

5.1 系统的运行

系统采用手动注册的方式[23]。其步骤如下：启动UG三维设计平台，选择“工具”下拉菜单的“辅助应用程序”菜单项，单击对话框“注册”项，在选中工效设计辅助系统(MCCAED)的注册文件，系统显示应用程序名称，选中应用程序名称，单击启动后，MCCAED系统已经加载到系统中，系统注册完成后的下拉菜单如图13所示。

图13 系统注册完成后的菜单

5.2 系统的验证

本节将结合一款舱内综合控显仪表的布局设计为例，对系统的各个模块进行验证。布局设计包含的主要步骤有：调用控制按钮和显示屏的大小尺寸、应用虚拟人体视域、可达域的自适应调整确定布局范围、运用遗传算法完成布局方案的智能计算，运用改进型粒子群自适应算法完成布局设计方案优化。系统设定记录前6个最优方案，生成结果如图14所示横版、图15竖版布局方案实例。设计人员可以根据其位置序号选择其中较满意的设计方案，通过改变参数对其进行继续优化或修改。

综合控显仪表中涉及到的布局设计、色彩设计及布局优化、色彩优化等内容较多，本文只对控显仪表的布局方案优化进行了验证，其色彩配置及色彩优化内容验证未列出。

图14 控显仪表横版布局优化实例

图15 控显仪表竖版布局优化实例

6 结 论

在研究与载人潜器舱内人机工效设计相关的人的生理、心理和环境约束等相关多约束条件的基础上，根据设计人员需求构建了载人潜器舱内工效设计计算机辅助系统，并将其集成到三维设计平台UG7.5上，对各模块的功能进行了应用验证，证明了以合适的CAD软件为平台开发计算机辅助工效设计软件，不仅是一种高效的策略，而且有利于CAED软件的推广应用。该辅助系统能使设计人员加深对多约束条件下舱内人员的生理、心理和环境约束条件的理解，将人机工效设计思想的应用引入至产品概念设计阶段，大大降低了后期进行工效学评价所需的成本，提高了设计人员工作效率，减少设计的重复性工作。

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