基于虚拟人机环境的某指控舱CATIA人机分析*

肖康，高虹霓，丁日显，杨景

（空军工程大学防空反导学院，西安710051）

基于虚拟人机环境的某指控舱CATIA人机分析*

肖康，高虹霓，丁日显，杨景

（空军工程大学防空反导学院，西安710051）

针对因人机工程模块中缺乏中国大陆成年人数字模型而导致CATIA软件在座舱性化设计适用性差的现象，以GJB4856-2003和指控舱结构设计参数需求为依据，建立了中国大陆成年男子P5、P95人体数字模型和指控舱三维模型，通过人体模型对指控舱的虚拟操作，分别评价了驾驶舱的视野域、操作域和舒适度等方面布局工效，得到了各工效布局评价的结果，并提出了改进建议。

CATIA，人体模型，人机分析，指控舱

0　引言

合理的指控舱布局是操作员正确、高效完成工作任务的必要条件。虚拟操作分析是在指控舱设计阶段进行的一种重要工效分析手段。它通过建立虚拟指挥控制环境，利用指控舱三维模型和操作员人体数字模型，对涉及到相关操作行为的合理性进行分析和评价，进而检验指控舱布局设计是否符合操作员的生理特性及要求。

在以人为中心的产品设计过程中，需要重点考虑人的因素。人体数字模型作为对产品进行人机工效设计和分析的基础工具，其与实际人体尺寸的接近程度直接影响设计与分析的结果。因此，要进行准确、客观的人机工效学设计与分析，必须建立精确的人体模型。在CATIA中，没有针对中国人人群特征的人体模型，文献［4-6］通过编辑后的日本和韩国人体模型来近似代替中国人体模型，会导致人体模型各部位不协调。另外，可通过建立中国人群模型文件在CATIA中生成人体模型，然而依据GB/T 10000-1988《中国成年人人体尺寸》建立的人群文件显得过于陈旧，文献［7］基于主成分分析法来确定驾驶人群人体数据，建立了适合乘用车设计分析的人群样本，但该方法易受到其他因素的影响且设计分析工作量较大。基于上述分析，文中基于CATIA软件平台，以某型指控舱为研究对象，根据GJB4856-2003《中国男性飞行员人体尺寸》合理修正人体数据，分别建立符合中国人体特征的P5和P95人体模型作为分析上下限，对所构建的指控舱人机环境从工作空间、操作可达性、可视性以及舒适度等方面进行工效学分析。

1　虚拟人机环境的建立

1.1人体模型的建立

训练指控舱面向的操作对象为中国成年男性，因此，只需建立男性人群文件，我国飞行员人体尺寸数据GJB4856-2003距今已有12年，期间人体尺寸已发生较大的变化，为此需比较国际标准ISO3411∶1985与ISO3411∶2007，得出人体尺寸增长率对原始数据进行修正。另外，必须对人体尺寸增加适当的着装修正量和姿势修正量，这些修正量的总和为功能修正量［6］。以坐高为例，原始尺寸为958mm，尺寸增长率为0.024 4，考虑裤厚修正量为4mm，姿势修正量为-40mm，则最终的P95中国男性人体坐高为945.38mm。

所需的标准差，其计算公式为

其中：Xp为第p百分位人体尺寸，u为50百分位时人体尺寸，σp为标准差，Kp为第p百分位的变换系数［7］。由此建立P95中国男性人体模型文件Chinese_ man.sws，如图1所示。

图1　第95百分位人体模型文件

1.2人体模型在指控舱中的定位

人体模型在指控舱中的定位是进行人机工效分析的基础，在进行工效学分析时，必须首先确定人体模型在指控舱中的位置，即坐姿时操作员相对于座椅的位置。实际上由于坐椅表面的弹性变化，确定这种相对位置是比较困难的，美国汽车工程师协会SAE已经将座椅设计的参考点标准化（SAE J 1163）［7］，这个参考点被定义为SIP，如图2（a）。SIP距座椅椅面和靠背面的距离分别为97mm和135 mm，且与人体模型的H-Point重合。

在CATIA中，首先对训练指控舱进行实体建模，然后将人体模型以枝节显示方式使H-Point与SIP重合，如图2（b）所示，这样便确定了三维人体模型的位置，为在虚拟人机环境中进行统一的评价确立了基准。

图2　人体模型在工作空间中的定位

2　指控舱工效学分析

2.1空间尺寸分析

合理的指控舱室内空间是高效发挥室内装备和操作员作用的前提。应用CATIA中的测量工具，可以获得人机环境中任意的空间尺寸和夹角。分别对P5和P95人体模型下的人机环境进行舱内空间测量，结果如表1所示。

表1　指控舱空间测量值

2.2可及性分析

操作装置是操作员肢体的扩展，其操作应该和手腕、脚踝、上下肢的自然运动相协调，达到省力、高效的效果。在进行操作员可及性分析时，人体模型背部紧靠椅背，通过上下肢的运动来确定可达域，以此来判断操作装置是否在可及范围内。

在CATIA中，可以通过手伸及界面计算功能来生成代表手伸及界面的封闭几何体，通过这种模拟分析，可以观察到实际操作时操作员能否可及某个位置，以此来检验舱内操作装置布置的合理性。图3分别为P5和P95人体模型下的指控舱手伸界面（图中阴影部分为人体模型包络区域）。

图3　操作员双手可及域

2.3可视性分析

训练指控舱内的显示装置是将外界信息传递给人的主要装置，显示装置与人的视觉特性的匹配程度很大程度上决定了人的训练效率和作业安全。研究表明，人的最佳视域范围为水平线以下30°和水平方向左右两侧各15°，有效视域范围为垂直方向水平线以上25°，以下35°，左右各35°［6］，如图4所示。

图4　数字人视锥显示

指控舱内显示装置必须安装在操作员的有效视域范围内，特别重要的显示器或显示内容则应处于操作员的最佳视域范围内。在进行可视性分析时，操作员人体模型处于正常操作姿势，模型背部紧靠椅背，通过调整头部朝向，利用CATIA软件中视野分析工具对舱内主显示屏和控制器显示屏进行可视性分析，图5分别为P5和P95人体模型在正常操作状态下视野内的图像。

图5　操作员双眼可视域

2.4舒适度分析

人是构成人机环境的重要因素之一，在“以人为本”的产品设计与评价中，操作员操作状态的舒适性是指控舱人机工效分析的重要内容，操作舒适与否关系到操作员的疲劳度、操作负荷和效率、甚至影响操作员的健康，舒适度的分析也可反映舱内操作装置布置的合理程度，因此，对于舒适度的分析至关重要。

姿势舒适度可分为静态姿势舒适度和动态姿势舒适度，而动态姿势舒适度是由一系列静态姿势舒适度综合得来的［8］。文中综合参考文献［9-10］对人体部分关节角度的舒适值进行划分，如下页表2所示。利用CATIA人体姿态分析模块，对操作员人体模型在正常操作时的主姿势进行静态舒适度求解，下页图6分别是P5和P95人体模型舒适度评分值。

2.5结果分析及优化

基于上述对指控舱内工作空间、操作可及性、可视性和舒适度的分析，综合考虑分析结果，原指控舱存在以下问题：

（1）在对指控舱工作空间的分析中发现，P95人体模型在进行操作时小腿与控制器间的距离过小（为39.5mm），影响操作的安全性和方便性。

表2　人体部分关节角度舒适值划分

图6　人体模型舒适度评价

（2）指控舱内人体模型在正常操作状态下视线与主显示屏的夹角为115°，超出视域的有效范围，不利于显示内容的识读。

（3）在对舒适度的分析过程中，P95人体模型在操作过程中髋关节和踝关节处于极不舒适状态（舒适范围分别为61°～85°和-20°～10°，此时分别为94 °和12°）。另外，把人体模型的腰关节和胸关节分别设置为临界舒适值（10°和4°），要将控制器置于有效视域内，人体模型颈部仍处于不舒适状态（舒适范围为-10°～10°，此时为13°）

针对上述问题，在对模型进行反复修正及仿真分析过程中，将原指控舱中座椅改为向后可调式，调节范围为0mm～80mm，主显示器安装为与水平面垂直，控制器的安装位置向前调整100mm，向上调整40mm，如图7（a）所示。从图7（b）可看出，优化后的指控舱提高了P95人体模型舒适度。

图7　第95百分位人机环境及舒适度评价

3　结论

指控舱合理的布局是减少操作失误，保证操作员身体健康、高效工作的前提，所以对指控舱进行人机工效评价至关重要。本文提出的方法克服了传统人机工效分析人体模型不适用、定量分析不足的缺点，为指控舱的工效布局虚拟评价提供参考，更好地满足以人为中心的设计理念。下一步将对舱内的操纵台、仪表界面等展开工效学评价，这些对于提高操作效率和满足以人为中心的设计理念有重大意义。

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CATIA Analysison OneCommand-control Tank Based on VirtualM an-machine Environment

XIAOKang，GAOHong-ni，DINGRi-xian，YANG Jing
（School of Air and Missile Defense，Air Force Engineering University，Xi’an 710051，China）

To solve the problem that the lack of Chinese adults’digitalmodels in the module of ergonomics will result in the bad performance of CATIA in the individualized design of cockpit，Chinese adults’P5&P95human digital model and the command-and-control tank’s 3D model are established according to GJB4856-2003 and parameter requirements for the design of the commandcontrol tank’s structure.Based on pseudo operations which human digital model performs in the command-control tank，ergonomic layout designs of the cockpit are evaluated from perspectives of view field，operating field and comfort level.Results of evaluations are obtained and suggestions for improvement are provided.

CATIA，human digitalmodel，man-machineanalysis，command-control tank

TP391.9

A

1002-0640（2016）09-0024-04

2015-07-18

2015-09-10

国家“863”计划基金资助项目（2013AA040604）

肖康（1991-），男，山东潍坊人，硕士研究生。研究方向：机械优化设计。