人体工效测试系统的设计与实现

段世梅

中国飞行试验研究院

由于特种车辆综合模拟实验环境的实验舱是一个密闭的复杂的人机环境，因此需要研制一套人体工效测试系统，用于实时测试人体各项生理参数、监控和记录实验人员的驾驶动作，配合其他监控参数，通过事后分析，掌握乘载人员的工作负荷，对人体工效给出评价，对驾驶动作给予纠正。经过实验验证，证明了本系统对特种车辆综合模拟实验的安全性、驾驶人员动作有针对性的校正，起到了一定的作用。

引言

特种车辆综合模拟实验环境需要模拟特种工程车辆在各种环境条件下的外部视景、运动状态以及舱内温湿度、气压、噪声、发动机尾气渗漏及特殊作业产生的内部环境等，进行不同任务负荷、不同操作环境下的乘载人员模拟实验，是一个密闭的、复杂的人机环境。需要对乘员的身体状况及驾驶状况进行监控，传统手段主要是通过摄像装置对乘员进行监控。但是，由于特种车辆综合模拟实验环境实验舱内存在乘员操作空间狭小、操纵装置布局不舍理、人体部位有所遮挡等因素，传统手段对乘员的生理特征的监控不够细致，对矫正乘员动作缺乏针对性。因此，本文结合特种车辆综合实验仿真环境开发过程，详细设计了一套人体工效测试系统。

系统的设计

人体工效测试系统完成对人体运动实时捕捉、人体生理参数分析、肌电参数采集分析、脑电参数采集分析四部分，每一部分为一个独立的采集分析单元，最终数据汇总到人体运动工控机中，对数据进行显示、记录以及回放等功能。该系统的总体结构框图如图1 所示。

硬件设计

图1 人体工效测试系统结构框图

人体工效测试系统由人体运动实时捕捉、人体生理参数分析、肌电参数采集分析、脑电参数采集分析四部分组成。人体运动实时捕捉部分由人体运动捕捉设备及若干个惯性传感器组成。人体生理参数采集主要包括血压、脉搏、体温、心率、呼吸机血氧饱和度传感器。神经脑电和表面肌电分析设备也分别带有相应的传感器。在实验开始之前，在实验舱内布置前端传感器，分别测量驾驶员的体温、呼吸、脉搏、心率、血压、血氧饱和度等信息，另外还给实验舱内乘员身体各个关节关节点布置惯性传感器，以测量乘员身体每个部位的姿态变化。实验开始后，前端传感器发送数据给对应的采集器，采集器通过以太网发送给人体工效工控机。系统的硬件框图如图2 所示。

软件设计

人体工效测试系统由人体工效工控机和前段采集设备组成，人体工效测试软件运行在人体工效工控机上，通过以太网与前端采集软件与控制中心软件进行通讯接口框图如图3 所示。

进行一次人体工效测试系统软件的基本流程如下，如图4 所示。

图2 人体工效测试系统硬件框图

确定各网络设备电源已打开，人体生理参数采集设备、表面肌电分析设备、神经脑电分析设备已初始化并稳定工作，传感器与通讯设备准备就绪，启动人体运动工控机，运行人体工效测试系统软件；

系统进行初始化，包括网络、设备自检等；

在任务管理界面运行设置下选择单机运行或网络运行，运行后可对监测点、默认报警阀值等参数进行预先设置；

启动参数监控显示任务，进行数据记录存储，报警设置指示，数据输出等工作；

在运行过程中，若选择单机运行，仅与前端人体运动捕捉设备、人体生理参数采集设备、神经脑电、表面肌电进行数据通讯；若选择网络运行，不仅要接收前端采集设备的数据包，还要与控制中心计算机之间进行数据通讯。网络运行系统与控制中心计算机之间的控制流程如图4 所示。

系统的实现

人体工效测试系统是在VC6.0 环境中开发实现的。系统接收前端采集设备的信息，在界面上通过曲线、数值列表等形式供监控人员查看。并且做了三维人体模型，实时再现人体三维动作。并可以制定想要查看的参数，重点查看。并且也与控制中心进行了联合调试。实验证明，能够在特种车辆综合模拟实验环境下对乘员的各种生理信息以及姿态信息得以监控和测试，并且可以报警和回放分析。图5 是人体运动捕捉曲线图，图6 是三维人体模型再现图，图7 是肌电测试界面，图8 是脑电测试界面。供监控用，并且进行处理、存储、发送，并实时对乘员驾驶动作进行三维重现。系统的硬件框图如图2 所示。人体工效工控机接收控制中心计算机发送的实验配置数据，进行初始化；并向控制中心计算机发送本系统状态标志、设备状态标志。

结语

针对特种车辆综合模拟实验环境，设计和实现了配套的人体工效测试系统。用于实时监控和记录实验人员的驾驶动作。配合其他监控参数，通过事后分析，掌握乘员的工作负荷，对人体工效给出评价。该系统已经成功运用在特种车辆综合模拟实验中，在监控及校正乘员驾驶动作方面起到了很好的效果，为相关系统的研制提供了很好的参考价值。

图5 人体运动捕捉曲线图

图6 三维人体模型再现图

图7 肌电测试界面

图8 脑电测试界面