基于虚拟人的驾驶舱布局分析*

□ 智睿瑞 □ 刘社明

西北工业大学 机电学院 西安 710072

驾驶舱布局不合理会直接影响到驾驶员的操作安全、操作舒适性，还会引起误操作及疲劳驾驶。现有的驾驶舱布局评价方法主要是传统样机评价法，这种方法需要实物样机作基础，研发周期长、成本高，评估时是由数名操作者或者工效学家亲身体会得出评价结论。由于评价个体之间存在的差异，使分析结果太过片面，这样的评价没有一个完整的体系，在理论研究上缺乏科学依据，而且耗费大量的人力、物力、财力。随着计算机技术的迅猛发展，虚拟现实技术逐渐成熟［1］，尤其是近年虚拟人技术的发展，解决以前虚拟制造技术中缺乏有效的人机交互评价机制的问题。虚拟人技术被广泛应用到各领域，其中以人体各项参数为基础创建的虚拟人模型，通过与虚拟环境或者虚拟样机的结合，模拟各种工作状态或流程，使用户具有更强的沉浸感、交互感、想象力［1-2］，在设计初期就可展开分析，避免在实物样机上修改所浪费的巨额成本，这样做还可以缩短研发周期。

本文选择JACK软件创建驾驶舱布局分析所需符合我国驾驶员的1%、50%、99%的虚拟人。应用虚拟人对驾驶舱的布局进行仿真分析，包括舒适度分析、可视域分析、可达域分析等，为驾驶舱的布局设计提出改进意见，这样既可以缩短设计周期，减少设计成本，又可以使驾驶舱内布局合理，最终提高驾驶员的驾驶安全性、舒适性、高效性。

1 虚拟人技术概述

早期虚拟人的研究主要集中在如何构建外观真实的静态人体模型，后来逐渐发展为创建、编辑虚拟人的动作以及处理虚拟人在运动过程中的变形。

虚拟人技术在国外的研究起步较早，经过多年的技术积累，形成了多个著名的虚拟人研究团队，也取得了 巨 大的研究成果［2］。 由 Magnenat-Thalmann和Thalmann所带领的研究团队是比较著名的一支；另一个比较著名的研究团体是美国宾夕法尼亚大学由Norman Badler领导的人体建模与仿真中心(Human Modeling simulation Center，该中心成功开发了著名的虚拟人体仿真软件JACK。另外，斯坦福大学的虚拟人交互实验室(virtual Human Interaction Lab）和加利福尼亚大学的虚拟环境和行为研究中心 (Research Center for virtual Environments and Behavior)，也在虚拟人研究方面做了大量的研究工作。

国内开展虚拟人研究较晚，与国外相比在研究广度、深度上还有差距［3］。国内目前的研究方向主要集中在虚拟人逼真建模表示及行为建模、运动控制等方面［4］。

目前虚拟人技术的应用主要集中在以下几个领域［5］：军事仿真、人体工效学、碰撞分析、产品设计与工作空间评估、虚拟病人。除此之外，虚拟人技术还在辅助教育、电子商务、运动分析、运动表示、数字媒体和娱乐、虚拟会议、虚拟角色等方面得到广泛应用。

2 虚拟人建模

目前，市场上的虚拟人软件比较多，在这里简单介绍几种典型的虚拟人软件，国外的 DI-Guy［6］、VL Net、JACK 和国内的 Joint Motion［4］，见表 1。

其中，JACK是美国宾夕法尼亚大学人体仿真与建模中心(Center for Human Modeling and Simulation)研制的［8］，是目前全球范围内最为成熟的一款虚拟人建模建模软件，基本功能包括虚拟环境构建、虚拟人构建、虚拟人尺寸定义、虚拟环境中的人体定位、虚拟人任务指派和虚拟人感觉评价。

表1 虚拟人软件的功能及分类

Joint Motion是中国科学院计算技术研究所数字化技术研究室开发的一个虚拟人运动合成系统。在Joint Motion中使用定位跟踪器和数据手套，可以同时测量并计算出人体双手肩关节、肘关节以及各手指指关节的角度、人体颈部关节的角度，并以此确定人体上肢(包括头部)的运动。

人体建模就是建立合适的可视化人体模型，现在的人体建模方法不止一种，而随着研究的不断深入还会出现一些新的人体建模方法。如图1所示，人体建模方法可以简单划分为线框建模、实体建模、曲面建模、基于物理的建模等［9］，各种方法有它们各自的优缺点，实际进行人体建模时应根据具体情况采用合适的方法。

▲图1 虚拟人建模方法

▲图2 1%、5%、99%虚拟人模型

▲图3 【Body Part Scaling】命令

▲图5 KRIST舒适度分析结果

行为建模就是研究虚拟人的姿态与表情随时间变化的问题，也就是说虚拟人除了几何属性外，还需要有逼真的行为特性［7］。虚拟人的行为特性需要满足物理力学规律，是一种物质的运动，同时也是人的一种智能活动，反映了人的智能思维，因此，虚拟人的行为可以分为简单行为(动作)和智能行为(例如，寻找目标，路径规划等)。相应的虚拟人行为建模方法可以分为低层方法与高层方法，低层方法在控制虚拟人运动时，直接指定虚拟人运动参数，如关节角度值或每个关节的位置，高层运动控制方法则是在低层运动控制方法的基础上，控制虚拟人的运动，如虚拟人行走，可以指定行走的速度、方向等。虚拟人行为建模方法也可以分为简单行为建模方法和复杂行为建模方法，其中复杂行为建模方法包括：关键帧方法、反向运动学方法、动力学方法、运动扑捉方法等。

3 驾驶舱布局分析流程

布局分析需要两个基本条件：一是用于充当驾驶员角色的虚拟人，另一基本条件是分析对象，这里指的是驾驶舱工程模型，当具备这两个基本条件之后，就可以构成驾驶员在驾驶舱中工作的虚拟场景。

▲图4 布局分析流程图

虚拟人，即分析主体的建立一般是在虚拟人软件中构建，在这里选择JACK软件创建用于驾驶舱工效分析的驾驶员虚拟人模型，分别选择1%、5%、99%数字人，如图2所示，本例中创建的是驾驶员的人体模型，需要重点关注的是【Stature】、【Abdominal Depth】、【Sitting Eye Height】、【Sitting Knee Height】等值，在创建完成虚拟人模型时，需要注意检查创建的数字人模型的各部位几何形态是否有异常现象，比如颈部太短、手臂太长、臀部太大、大腿太长等问题，可以通过【Body Part Scaling】如图3命令对存在问题的部位进行调整。

分析对象的建立一般都是在其它3D软件中建好之后导入JACK，这里选择CATIA作为驾驶舱建模平台。

当具备这两个基本条件之后，将CATIA工程模型通过VRML等格式导入JACK［8］，创建的虚拟人模型和导入的CATIA工程模型共同构成驾驶舱虚拟场景。当构建好仿真环境之后，就可以利用JACK中的人机工效分析工具进行舒适性、可达域、可视域、下背部受力分析，整个布局分析流程如图4所示。

4 驾驶舱布局分析

4.1 驾驶舒适度评价

▲图6 反光镜是否在向上视野范围

▲图7 仪表盘视野

▲图8 95%坐姿可达域

座椅设计好坏与否直接关系到驾驶者操作是否方便、高效、舒适、安全，以及是否容易产生疲劳。

为了满足不同身材驾驶员的视野要求和操作时的舒适性，座椅的前后方向和上下方向均设计成可调。座椅的标准位置满足中等身材驾驶员的乘坐要求，向上向前调节座椅应该满足小身材驾驶员，最上最前应满足5%驾驶员要求，同样向下向后调节座椅应该满足大身材驾驶员，最下最后应该满足95%驾驶员要求。

舒适度分析主要有单关节舒适度分析和多关节度舒适度分析［9］，在这里选择 JACK 中的【KRIST】［10］工具对驾驶姿势的数字人模型在座椅上的全身舒适度进行分析，所谓的多关节舒适度分析是对整体姿势的舒适度分析而不是某个关节。舒适度的判断是通过对某个百分位虚拟人模型的被测试姿势分析得到的，KRIST对舒适的分析结果是通过0～80之间的一个数字来评价，数字越少表示舒适度越大，此数据中涉及的身体部位包括颈部、背部、臀部、左右手臂、左右腿部等。图5为KRIST对驾驶姿势时95%的虚拟人模型的舒适度分析，结果表明，驾驶姿势时驾驶员虚拟人模型坐在座椅上的舒适度是符合生理要求。如果显示出现黄色，甚至是红色直方图，说明在该状态下舒适性差，【KRIST】的分析结果中会给出改进意见。

4.2 可视域评价

视野在驾驶员操作工程中起到极其重要的作用，它包括反光镜是否在向上视野内、左右仪表面板视野。显示面板是人机交互中的重要部分，通过显示面板可以了解运动状态、设备的各项运行参数，进而快速、准确的完成操作。显示面板的设计应当符合人眼睛的观察习惯，以便减少差错概率。

通过JACK的【Vision Analysis】工具对这些视野进行分析，过程如图6、7所示。

从图6分析可以看出，该反光镜上部不在视野范围内，需将反光镜向下调节25 mm。图7左右仪表位置合理，能满足视野要求。仪表盘设计符合视野要求。

4.3 可达域评价

JACK中的【Reach Zones】工具可以分析驾驶员手部可触及范围，这里主要分析仪表板及内后视镜是否可以在驾驶员坐姿状态下进行调整。

控制台属于驾驶舱中的核心部件，它直接关系到驾驶的速度、安全、高效等问题；内后视镜在行车过程中也发挥着重要的作用。选择95%的虚拟人进行分析，如图8所示，可以看出控制台和后视镜均在坐姿状态下可达范围之内。

5 结论

本文将虚拟人技术应用于驾驶舱布局评价中，提出了一种基于虚拟人的驾驶舱布局分析方法，通过JACK软件中的工效分析工具对驾驶舱的驾驶舒适性、可视性、可达域等方面做了深入的评价分析，提出修改意见，使驾驶舱在打样前就到达较高的品质，这样即缩短了开发周期，又降低了开发费用和返工率。提出的基于虚拟人的驾驶舱布局分析方法对提高驾驶舱安全、舒适、高效具有一定的理论参考价值，而且具有一定的经济效益。但是本例仅对仿真驾驶舱内的部分部件进行了工效分析，以后还应该对舱内的其它部件：脚踏板的舒适性、舱内灯光布局等进行深入研究，这样才能使人机工效真的融入驾驶舱设计。

［1］ 陈怀友.虚拟现实技术［M］.北京：清华大学出版社，2012.

［2］ 苏金剑.虚拟人技术研究［D］.郑州：郑州大学，2007.

［3］ 周前祥.虚拟现实技术在航天工效学中的应用进展［J］.计算机仿真，2001（2）：8-14.

［4］ 赵岩.虚拟人技术在环控生保舱内布局中的应用［J］.系统工程理论与实践，2007（2）：186-191.

［5］ 付鹏.计算机辅助人际工程设计的虚拟人研究［D］.西安：西北工业大学，2003.3.

［6］ 柴春雷.基于驾驶姿势预测模型的人机工程设计技术研究［D］.杭州：浙江大学，2005.7.

［7］ 任利锋.虚拟环境中虚拟人技术研究［D］.杭州：浙江大学，2008.

［8］ 苏润娥.民驾驶舱工效布局虚拟评价［J］.系统工程理论与实践，2009（1）：186-191.

［9］ 钮建伟.JACK人因工程基础及应用实例［M］.北京：电子工业出版社，2012.

［10］滕俊章.基于虚拟人的汽车人机工程评价关键技术研究［D］.长沙：国防科学技术大学，2011.