基于人机工程理论的复兴号动车组驾驶室分析方法

马胜全，闫福刚，郭柏苍，金立生

（1.中车长春轨道客车股份有限公司，吉林 长春 130022；2.吉林大学交通学院，吉林 长春 130022）

1 引言

高速智能动车组已经成为我国一张靓丽的名片，代表着我国先进制造业的高端水平。其中列车驾驶室是车的中枢，决定着列车运行的安全性与可靠性，将人机工程理论与方法应用于列车设计，是列车设计过程中的开发环节的重要阶段，许多交通工具均采用相关的虚拟仿真软件进行人机工程分析[1]，是提高列车运营安全和效率，增强列车国际竞争力，大大提升品牌形象的重要手段，具有重大的理论与现实意义。

目前，国内对于驾驶室人机工程的研究主要集中在乘用车与特种车辆方面，文献[2]以LX854 轮式拖拉机驾驶室为研究对象，使用CATIA 建立仿真模型并对各种百分比的驾驶员进行了操纵台操纵性以及视野分析，并根据仿真结果对驾驶室进行了改进和优化；文献[3]使用JACK 软件，并结合SAE 标准对电动拖拉机进行建模，重新确定了拖拉机的H 点，有效提高了驾驶室的舒适性以及操控稳定性；文献[4]用CATIA 建模以及RAMSIS 软件对某型装甲车的驾驶室进行了优化，有效降低了身体各部分的不舒适性，并对前方视野性进行了优化。

国内关于轨道列车驾驶室人机工程的研究还处于起步阶段，进展比较缓慢，缺少具体的人体尺寸标准以及可参考的人机分析规范，并且由于列车扩展功能的增多，驾驶室内的各种先进装置不断增加，进一步增加了人机工程分析的难度。因此需要在借鉴美国、欧洲、日本等发达国家的人机工程经验，并参考其他行业成熟人机工程分析经验的基础上，形成适合我国具体国情的轨道列车行业人机工程分析标准与规范[5]。文献[6]通过对国内外轨道列车人机工程进行的大量调研，对我国轨道列车的驾驶室以及客室的人机设计上提出了一些相应的设计建议。

在建立我国列车驾驶人具体人体模型的基础上，基于RAMSIS 软件对复兴号某车型驾驶室的空间布置进行设计与分析，对驾驶员的驾驶员伸及性、前方视野性、空间性、仪表盘视野性、坐姿舒适性等进行人机分析，并使用G1 评价方法进行定量校核，从而改善驾驶员的工作环境，提高列车运行的安全性。

2 基于RAMSIS 软件平台的仿真理论

2.1 RAMSIS 软件简介

RAMSIS 是一种数字化人体模型建模软件。该软件可以为工程师提供一个详细的三维人体模型，来模拟仿真驾驶员的行为。它使设计者在产品开发过程的初期，在只有CAD 数据的情况下就可以进行大量的人机工程分析，从而避免在后期阶段进行昂贵的修改。

目前，RAMSIS 因其自身的独特优势，已经被全球70%以上的轿车制造商所使用。故将RAMSIS 引入到轨道列车的人机工程分析中来，用客观的数据把驾驶人在驾驶室内的状态真实的反映出来，为高速列车的前期开发提供重要的理论依据。

同传统计算机人体模型相比，RAMSIS 最主要的特点是自动姿势计算功能。传统的软件要求使用者通过输入关节角度来主观的创建姿势，这样得到的姿势往往是不符合实际的。RAMSIS 利用新的方法处理姿势计算过程，使用者只需要给出人体模型的一系列的约束，RAMSIS 就可以自动进行模型的姿势调节[7-8]。

2.2 驾驶室模型的建立

为了对复兴号某车型的驾驶室进行人机工程分析，首先利用三维建模软件Rhino 进行三维立体建模，建模的主要部分为：列车外壳、驾驶室内装、驾驶台及其附属部件、座椅，建立的驾驶模型组装后，如图1 所示。

图1 驾驶室三维模型Fig.1 3D model of the Cab

2.3 人体模型的建立

驾驶室设计选用的驾驶员人体尺寸，应该符合中国成年人人体尺寸的有关规定，根据中国铁路的实际情况，仅考虑成年男性驾驶员，同时要尽可能满足身材矮小及身材高大者的作业要求，所以选取第5 百分位到第95 百分位的成年男子人体尺寸进行驾驶室人机工程分析。

我国目前已经被各行各业采用的的人体标准为《中国成年人人体尺寸》标准（GB10000-1988）[9]，但是近三十年来，中国人的身高已经有了明显的增长，继续采用该标准是不合理的。通过对列车司机身体尺寸进行抽样调查，对比欧标《UIC 651 标准》可以发现，欧标的各个百分比的人的身高与目前中国人的身高接近，并考虑到中国的轨道列车不断向国际化发展，因此，这里采用范围更大的国际铁路联盟建议人体尺寸数据。取P5 人体模型为1600mm，P50 人体模型为1742mm，P95 人体模型为1900mm，据此在RAMSIS 中建立的人体模型，如图2 所示。从左到右分别是P5、P50、P95。

图2 三种百分位人体模型Fig.2 Three Kind of Percentile Human Models

2.4 人体姿势计算与约束

以舒适坐姿把人体约束在座位上。给定周边环境数据以及约束条件，RAMSIS 软件可以自动计算出驾驶员最可能的驾驶姿态。进行约束后的人体的姿势与布置，如图3 所示。

要进行的约束主要有以下：（1）人体的H 点与座椅的设计H点；（2）左脚踵点与踏板平面；（3）左脚踏点与踏板平面；（4）右脚踏点与踏板平面；（5）右脚踏点与踏板平面；（6）右手与解调器，左手放在驾驶台平面上。

图3 人体模型姿态与布置Fig.3 Posture and Arrangement of Human Model

3 驾驶室人机仿真分析与优化

3.1 空间布置尺寸链确定

初始设计阶段，依据《UIC 651 标准》以及先前设计经验对列车驾驶室空间布置进行初期设计，在操纵台高度确定的条件下，座椅与操纵台的相对位置关系为尺寸链闭环，驾驶室座椅为可调座椅，上下可调节范围为80mm，前后可调节范围为200mm。在初始设计时采用极限设计法，设计为P5 人体模型在座椅可移动范围的最前端下端，P50 人体模型在座椅可移动范围的中间位置，P95 人体模型在座椅可移动范围的最后最上端。

图4 优化前高、低处信号视野Fig.4 Optimized High and Low Signal Field of View

首先对初始设计模型进行驾驶室人机分析最为重要的前方信号灯视野分析，分析结果，如图4 所示。P5 驾驶员前方低处信号灯视野被严重遮挡。P5 驾驶员前方信号灯视野不良，正常驾驶时难以看到前方低处信号灯，严重影响行车安全性，如不进行改进优化，将有可能发生严重事故。造成此的原因主要是不同型号车体外廓流线不同，前窗大小不一致，且不同车型驾驶员眼点到前窗玻璃的水平距离不同，以及驾驶室地板高度的差异。需要针对具体的车型进行人机优化，调节闭环尺寸链，使得驾驶室的空间布置满足驾驶员的驾驶需求。

调节座椅平面到驾驶室地板的垂直距离，以P50 人体正常坐姿时为基准进行调整。

式中：D—调整后距离；fa—P50 人体正常坐姿时大腿到地面的垂直距离；h—大腿厚度；m—尺寸修正量，如衣服厚度，鞋子厚度等。

依据P50 人体手臂长度调节座椅到操纵台的水平距离，保证驾驶员的伸及性；依据项目经验调节操纵台位置，保证驾驶员眼点到前窗玻璃的距离，最后得到的空间布置方案，如图5 所示。在进行人机工程分析的过程中，根据实际情况，对人体模型进行约束，本节之后的分析结果是基于优化之后的。

图5 优化后的驾驶室空间布置Fig.5 Optimized Cab Layout

3.2 驾驶员伸及性分析

当各种身材的驾驶员在正常驾驶时，手部均可以触碰到台面上的各个按钮，频繁使用和紧急使用的控制部件要在人体最易触及到的位置上，反映到仿真软件上即为在人体模型约束好之后，其手部的包络面可以覆盖工作台面。

将人体模型约束好之后，得到的驾驶员手部伸及性包络面，如图6 所示。红色为P95 人体模型手部伸及性范围，绿色为P50人体模型手部伸及范围，黄色为P5 人体模型手部伸及范围。驾驶员右手操纵调控器时，在身体略微前倾的情况下，左手便可以按下距离较远的关键按钮。结果表明台面与座椅的相对位置满足驾驶员的伸及性要求，不同体型的驾驶员都可以在正常驾驶姿势时轻易的触碰到操纵面板上的按钮，并且在身体不做大幅度移动的情况下就可以操纵距离较远的关键按钮。

图6 人体模型伸及性分析Fig.6 Extension Analysis of Human Body Model

3.3 前方视野性分析

根据《UIC 651 标准》的规定，对驾驶室的前方视野性进行分析。《UIC 651 标准》中规定驾驶员视野需要同时满足高处信号和低处信号可见的要求。高处信号可见性要求规定，所有驾驶员均能够准确读取纵向距离缓冲器前端10m，横向距轨道中线2.5m，垂向高出轨道面6.3m 位置的信号；低处信号可见性要求规定，所有驾驶员均能读取纵向距离缓冲器前端15m，横向距离轨道中心1.75m，垂向与轨面齐平的信号[10]。

驾驶员进行约束之后，对其前方视野性进行分析，仿真结果以P50 人体模型为例进行说明，如图7 所示。左图为低处信号灯视野，右图为高处信号灯视野，前方高低处信号灯视野良好。故而可以得出结论：驾驶员在正常驾驶时可以清楚的看到高低处信号灯。

图7 高、低处信号视野Fig.7 High and Low Signal Field of View

3.4 仪表盘视野

仪表盘主要是提供信息显示装置布置的载体，驾驶员通过读取仪表盘上的信息及各项参数，知晓列车的运行状况，并根据不同的工况进行不同的操作，因此，驾驶员能否顺利的读取信息对于列车的安全运行具有至关重要的意义。首先，仪表盘各个显示装置应该以能够使驾驶员舒服观察的方式排列，并便于驾驶员以合理的习惯来观察。其次，主要的信息显示装置都应尽可能布置在驾驶员自然的观察范围内，次要的仪表尽量布置在驾驶员不大动身体，仅稍稍转动头部就能轻松观察到的范围内[11]；第三，仪表的排列要符合读识的逻辑顺序。以中等身材（P50）的驾驶员为例进行说明。

图8 注视前方时仪表视野Fig.8 Visual Field of Instrument when Looking Ahead

黄色区域为驾驶员的视野区域，如图8 所示。可以看出，正常驾驶时，驾驶员目视前方，能直接观察到中间的显示屏，处于两侧边缘位置的显示屏驾驶员无法直接观察得到，这时，保持驾驶姿势不变，将驾驶员头部分别向左，向右转动角度α，驾驶员的视野范围，如图9 所示。

图9 左右转动头部时仪表视野Fig.9 Instrument Field of View When Turning Head Around

通过分析可知，驾驶员只需要稍微转动头部，便可以看到台面上所有的仪表显示器，说明驾驶室的仪表布置合理，驾驶人能够获得良好的仪表视野。

3.5 空间性

驾驶室应该为驾驶员提供较为宽阔的工作空间，以方便进出以及进行各种操作。空间性主要分为两个方面：一是驾驶员腿部到驾驶台下边缘的距离，《UIC 651 标准》规定，驾驶台的形式和尺寸大小应当允许驾驶员很容易的接近座位以及保证其有足够的膝盖自由活动空间。驾驶员正常驾驶时，驾驶员腿部和驾驶台下表面不应该产生干涉，并能保持一定的距离，结果如表1 所示；另一为参观位置的垂向距离。参观位置的垂向距离应该满足中等身材的人站立要求。参观位置的仿真分析，如图10 所示。

表1 驾驶员腿部空间仿真分析结果Tab.1 Analysis Results of Driver's Leg Space Simulation

选取P50 的人体模型，将其约束到参观位置处，保持身体正常直立，测量头顶部与驾驶室内装的垂向距离，由分析结果可以看出，在参观位置人体模型头顶部到驾驶室内装的垂直距离为80.8mm。通过以上分析，驾驶室的布置可以提供给驾驶员较为宽阔的活动空间，且参观位置的垂向距离约为1823mm，完全可以满足中等及以下身材的人员的正常站立需求，P95 身材的人不能较好的站立，但在此位置不过是做简单停留，并不影响列车的操纵安全性。

图10 参观位置仿真分析Fig.10 Visitor Location Simulation Analysis

3.6 舒适性

驾驶员在正常驾驶时，身体应该保持舒适状态，从而避免疲劳，提高列车运行的安全性。在RAMSIS 中，舒适性评价指标包括三部分：总体不舒适性、身体各部位不舒适性和脊柱健康指数。总体不舒适性包括疲劳值和总不舒适感觉值两部分，评分从0 到8，其值越低越好。身体各部位不舒适性包括颈部、肩膀、背部、臀部、腿部、手臂的不舒适感觉值，评分从0 到8。通常认为，评分值小于2.5 时是非常理想的结果，（2.5～5.5）之间认为是可以接受但需要改进的，高于5.5 则是不可接受的[12]。脊柱健康指数也是从0到8，通常认为其值在（4～5）之间是可以接受的[7]。将P5、P50、P95三种人体模型分别约束好，进行坐姿驾驶舒适性分析，得到的身体各部位的舒适性评分，如表2 所示。

表2 驾驶员坐姿舒适性Tab.2 Driver’s Sitting Comfort

从三种不同百分位驾驶员在正常驾驶时身体各项舒适性指数可以看出，三种不同百分位的人的颈部、肩部、背部、臀部、腿部、手臂均处于非常理想的状态，脊柱健康指数处于可接受范围内，总体不舒适性表现较好；因为身材方面的原因，P5 百分位的人的各项指数比P50、P95 百分位的人稍高。以上可以说明驾驶室驾驶台与座椅位置关系布置合理，驾驶员可以获得较好的驾驶舒适性。

4 客观评价方法

4.1 G1 综合评价理论

应用模糊数学评价原理，采用模糊评价方法，将影响驾驶室人机工程的各个因素统一起来，建立模糊评价模型，分析驾驶室的设计情况。笔者采用文献[14]提出的利用权重建立评价模型的G1 法。应用G1 法求权重的过程如下：（1）选定驾驶员舒适度评价指标；

（2）按照选定指标的重要程度进行排序，过程为：在m个指标中选取最为重要的一个；然后再余下的m-1 个选取最重要的一个，以此类推，直到选出最后一个指标，便完成了排序。

（3）对排序之后的指标进行赋值，对已经完成排序的k-1 个指标和K个指标的比值（k-1/k）进行赋值，记为wk-1/wk=rk，k=2，3，…，m-1，m。其中，rk的赋值参照，如表3 所示。

rk 含义1.0 指标rk-1 与指标rk 具有同样重要性1.2 指标rk-1 与指标rk 稍微重要1.4 指标rk-1 与指标rk 明显重要1.6 指标rk-1 与指标rk 强烈重要1.8 指标rk-1 与指标rk 极端重要

（4）权重系数的计算

式中：wk-1=rkwk，（k=m，m-1，……，3，2）。

（5）通过求出的权重进行人机分析的模糊评价。

4.2 基于G1 法的驾驶员舒适度评价

以舒适性的评价为例进行模糊评价。针对优化前后的P50人体模型舒适性进行对比。优化前后各项指标的选取及排序（从上到下重要程度不增），如表4 所示。

驾驶员舒适度评价指标 优化前 优化后不舒服感 2.3 2.0疲劳感 3.0 2.5脊柱健康指数 4.7 4.7肩部 1.3 1.4颈部 2.0 1.6臀部 0.9 0.9背部 1.1 1.2

由分析结果得到的评价矩阵为：

由G1 法求的各项权重，即Wp=（0.114，0.114，0.137，0.137，0.137，0.164，0.197）。

得到坐姿驾驶舒适性的评价结果为：

由坐姿舒适性的模糊评价可知，优化后的坐姿舒适性为的评分为1.95，优于优化之前的坐姿舒适性（2.06）。

5 结论

列车驾驶室是整个列车编组的核心，对列车的安全运行起着至关重要的作用，列车驾驶员工作强度大，连续工作时间长，特别容易产生驾驶疲劳，因此在设计之初对列车的驾驶室进行人机工程校核与优化，对提高驾驶室舒适性与运行安全性以及避免后期昂贵的修改，有着重要的现实意义。通过运用RAMSIS 软件并结合《UIC 651 标准》等标准，针对具体的驾驶员群体，对复兴号列车驾驶室驾驶员的伸及性、前方视野性、空间性、仪表盘视野性、坐姿舒适性进行了仿真分析，并采用模糊评价的方法，对主观因素的评价进行了客观的量化，为列车的前期设计提供了依据与指导性意见，提高了列车的驾驶舒适性与安全性。通过人机分析方法，也为后续其他车型的开发提供了参考。利用人机工程方法对列车进行人机工程校核与设计，必将有力的促进我国轨道列车行业的发展。