多約束下的載人潛器艙內(nèi)計算機輔助工效設(shè)計系統(tǒng)研究

李 博，吉曉民，陳登凱，余隋懷

(1.西安理工大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西北工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代設(shè)計與集成制造教育部重點實驗室，陜西 西安 710072)

本世紀初，國際海底區(qū)域競爭形勢日益激烈，我國自主研制深海載人潛水器的條件已經(jīng)成熟[1]，國家決策部門將此項目實施提上議事日程。然而，載人潛器的研發(fā)是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要國內(nèi)的優(yōu)勢力量聯(lián)合攻關(guān)。我國潛器載人艙內(nèi)人機工效設(shè)計理論方法還不夠完善。伴隨下一階段載人深潛事業(yè)的發(fā)展，需要對現(xiàn)有的艙內(nèi)環(huán)境人機工效設(shè)計加以改進并建立系統(tǒng)化、理論化并適合我國國情的設(shè)計原則和方法。

實現(xiàn)載人潛器艙內(nèi)的人-機-環(huán)境的最優(yōu)組合，獲得艙內(nèi)操作人員所需的、具有特性功能的“人-機-環(huán)境”[2]系統(tǒng)，需要從滿足工效學(xué)多目標多屬性約束的角度，應(yīng)用智能化設(shè)計的思想，在人-機界面設(shè)計，作業(yè)場所布局設(shè)計和作業(yè)環(huán)境設(shè)計與控制研究這三方面做到設(shè)計方案的可行解自動獲取和方案的優(yōu)化。

目前計算機輔助工業(yè)設(shè)計(computer-aided industrial design，CAID)領(lǐng)域中引入的工效設(shè)計軟件系統(tǒng)主要是用于構(gòu)建數(shù)字人體的三維建模軟件，比較典型的有：Jack[3]，SAMMIE，ANYBODY，CHIEF，BOEMAN等。這類數(shù)字人體建模軟件的大量涌現(xiàn)，一方面由于計算機圖形技術(shù)的發(fā)展為其提供了技術(shù)基礎(chǔ)；另一方面則是由于這些人機建模軟件本身的專業(yè)性，某些軟件中除了提供人體的測量數(shù)據(jù)外，還提供與人體有關(guān)的力學(xué)特性，如關(guān)節(jié)活動和關(guān)節(jié)柔韌性，視力限制，甚至勞累程度等方面的數(shù)據(jù)[4]，這類軟件均屬于計算機輔助工效設(shè)計軟件(computeraided engineering design, CAED)范疇。

上述CAED軟件對CAID過程的工效設(shè)計輔助均集中在提供人體的各項測量數(shù)據(jù)和設(shè)計方案的人機性能評價方面[5]，且只能對已經(jīng)確定的設(shè)計方案進行評價，對工效設(shè)計方案產(chǎn)生過程的輔助程度則很低，而基于人-機-環(huán)境系統(tǒng)多目標、多屬性約束條件驅(qū)動進行智能化工效設(shè)計的軟件系統(tǒng)尚未檢索到。這類CAED軟件多為獨立運行，其輸出結(jié)果是面向設(shè)計師而不是面向CAID的概念設(shè)計階段，輸出的結(jié)果需要通過設(shè)計師這一環(huán)節(jié)的人工處理與轉(zhuǎn)化才能形成后續(xù)CAID過程中所需的輔助數(shù)據(jù)?？傮w來說，這類軟件所能提供的輔助基本屬于信息參考的層次，尚不能完成輔助工效設(shè)計中涉及到的布局、色彩、方案優(yōu)化等設(shè)計行為。

因此，在CAID領(lǐng)域，需要一種能夠與概念設(shè)計過程進行有效集成的工效設(shè)計計算機輔助工具[6-9]。這種集成的CAED工具不僅可以有效利用CAID過程中各階段的數(shù)據(jù)結(jié)果來獲取工效設(shè)計所需的產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)，還可以為CAID過程提供統(tǒng)一的設(shè)計方案數(shù)據(jù)直接為后續(xù)環(huán)節(jié)使用?？傊?，集成的CAED工具以CAID的基本造型功能和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為工作平臺，隨時提供設(shè)計輔助而不中斷產(chǎn)品設(shè)計過程，且可以將已經(jīng)成熟的工效設(shè)計原則和方法固化于程序內(nèi)部，使程序在適當?shù)臅r候可以代替設(shè)計師進行決策與設(shè)計，以提高設(shè)計效率。

1 載人潛器艙內(nèi)工效設(shè)計與優(yōu)化實現(xiàn)思路

筆者在科研項目組長期開展的CAID系統(tǒng)開發(fā)研究工作中，以及與相關(guān)企業(yè)合作經(jīng)驗中受到啟發(fā)，解決載人潛器艙內(nèi)工效設(shè)計問題的關(guān)鍵是要從問題的求解策略、途徑、理論和實現(xiàn)方法上有所突破。

目前，工效學(xué)研究普遍采用的實驗法、觀察法、詢問法和模擬法等常規(guī)研究方法，由于載人潛器艙內(nèi)工效設(shè)計是一項高度復(fù)雜的系統(tǒng)工程，單純的通過實物試驗和主觀問卷這樣的設(shè)計過程并不能真實地反映系統(tǒng)工效設(shè)計的優(yōu)劣，且在建立實物模型時往往需要較多的經(jīng)費支持和較長的建造時間。

因此，在傳統(tǒng)的工效研究方法基礎(chǔ)上迫切需要結(jié)合計算機技術(shù)、人工智能技術(shù)，引入智能化思想，有效地完成載人艙工效設(shè)計與方案優(yōu)化。

隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的實物模型正越來越多地被數(shù)字模型所取代。因此，根據(jù)實驗精確測定的數(shù)據(jù)，在虛擬環(huán)境中依照需要構(gòu)建出包含人機參數(shù)尺寸的數(shù)字人體，定義其完成指定的任務(wù)，并分析相應(yīng)的性能，對于完成快速工效設(shè)計有很高的實用意義。

其次，基于約束條件提取，智能算法驅(qū)動的人-機界面外形設(shè)計、尺寸設(shè)計、位置設(shè)計和作業(yè)空間布局設(shè)計方案的自動求解，將使工效設(shè)計知識體系與計算智能得到很好地銜接，科學(xué)高效地獲得滿足工效約束條件的設(shè)計方案。

基于以上分析，提出應(yīng)用虛擬人體模型參數(shù)調(diào)整獲取人-機界面組件最佳布局空間，基于進化算法驅(qū)動[10-12]和相關(guān)工效設(shè)計知識數(shù)據(jù)庫支持的人-機界面組件的形態(tài)、尺寸設(shè)計和布局設(shè)計的自動求解，結(jié)合粒子群智能優(yōu)化算法技術(shù)，來綜合解決載人潛器艙內(nèi)人-機界面和作業(yè)空間的空間布局設(shè)計與優(yōu)化[13-14]問題。

由于需要底層的基本建模造型功能的支持，人機工效設(shè)計在產(chǎn)品設(shè)計的全過程中獨立性很弱。這決定了人機工效設(shè)計若要真正成為設(shè)計/制造一體化系統(tǒng)的有機環(huán)節(jié)，不適合做獨立的系統(tǒng)開發(fā)，而應(yīng)考慮在已有的基礎(chǔ)造型功能較成熟的設(shè)計軟件基礎(chǔ)上進行有效集成。這樣不僅滿足了兼容性，而且縮短了開發(fā)周期。考慮以上各項要求，本研究選擇Unigraphics NX 7.5三維軟件系統(tǒng)(以下簡稱UG)作為原型系統(tǒng)的二次開發(fā)平臺。

2 載人潛器艙內(nèi)工效設(shè)計中的約束獲取

載人潛器艙是面向特殊使用對象的產(chǎn)品，其工效設(shè)計有其獨特性，在一般產(chǎn)品的工效設(shè)計多考慮人機關(guān)系的基礎(chǔ)上，還要引入環(huán)境約束條件，以完整的人-機-環(huán)境系統(tǒng)為研究對象，綜合考慮來自多屬性的約束條件，使載人艙的工效設(shè)計最優(yōu)。

2.1 虛擬人體輔助設(shè)計模型

提出應(yīng)用虛擬人體的視域、可達域范圍獲取人-機界面布局設(shè)計的合理解集空間，輔助完成載人潛器艙內(nèi)工效設(shè)計中的人-機界面布局智能設(shè)計與優(yōu)化。面向艙內(nèi)工效設(shè)計的虛擬人體輔助設(shè)計模型如圖1所示。

圖1 虛擬人體輔助設(shè)計模型

該模型需要解決的關(guān)鍵問題如下：

(1) 設(shè)計約束條件的選取。設(shè)計約束條件的快速選取需要全面的數(shù)據(jù)庫支持。例如，載人潛器艙要考慮在高濕度環(huán)境對乘員帶來的生理和心理影響，這些約束條件都需要記錄于數(shù)據(jù)庫中，根據(jù)實際情況隨時調(diào)用。

(2) 人體模型視域、可達域的范圍調(diào)整。人體模型的視域、可達域范圍為艙內(nèi)人-機界面智能設(shè)計提供了最大可行解的獲取空間。然而，在載人潛器艙內(nèi)環(huán)境和人的心理因素的影響下，人的視域、可達域范圍會發(fā)生相應(yīng)變化，如何依據(jù)不同的環(huán)境約束條件做出合理調(diào)整直接決定人-機界面組件智能設(shè)計的準確性和有效性。

2.2 載人潛器艙內(nèi)工效設(shè)計的約束條件

載人潛器艙內(nèi)計算機輔助工效設(shè)計系統(tǒng)集成了各類別環(huán)境約束對人作業(yè)工效的影響。將艙內(nèi)人-機界面工效設(shè)計受到的各種約束集成為相應(yīng)數(shù)據(jù)庫，用于查詢、使用相關(guān)數(shù)據(jù)，為完成智能化工效設(shè)計提供便利。

在載人潛器艙內(nèi)工效設(shè)計過程中，為了滿足來自人-機-環(huán)境等各方面的設(shè)計需求，設(shè)計師往往會受到各類限制和影響，設(shè)計時來自多屬性下的約束如果沒有全面考慮，設(shè)計方案就會有偏向某些約束條件的傾向性，而在另一些約束條件的滿足度方面就會有所欠缺，由此會或多或少對艙內(nèi)人員的工作過程帶來潛在影響。

載人潛器艙內(nèi)工效設(shè)計約束來自4個方面：一是來自人的生理特性的約束，具體包括人的感知特性、思維特性、執(zhí)行能力特性。二是來自人的心理特性約束，具體包括人的情緒穩(wěn)定程度；人對人-機界面操作是否感興趣；工效設(shè)計是否有利于人保持堅定的意志，是否適應(yīng)人的不同性格特征及是否考慮人的注意特性。三是來自機器的功能性約束，包括機器功能尺寸的滿足及機器質(zhì)心分布穩(wěn)定性的滿足。四是艙內(nèi)環(huán)境對工效設(shè)計的約束，具體的約束條件總結(jié)為圖2所示。

2.3 虛擬人體模型參數(shù)調(diào)整

本研究提出的基于多約束下的人體模型參數(shù)(視域、可達域范圍)調(diào)整問題，是要在確定各約束條件對于人體視域、可達域的影響重要度(即權(quán)重)的前提下，基于常態(tài)下人體視域、可達域的生理范圍基礎(chǔ)作出合理、科學(xué)的調(diào)整。

在載人潛器艙內(nèi)，由于人-機界面包含的控制、顯示設(shè)備等的布局都是在二維基面內(nèi)完成，且待布局物體的最大輪廓均可抽象為矩形體，可將艙內(nèi)人-機界面布局設(shè)計抽象為矩形布局問題。因此，由虛擬人體模型確定的視域整體范圍是一個由調(diào)整后的視錐空間和由人體上肢可達域范圍求取交集圍合而成的圓錐空間。其中影響艙內(nèi)視域空間的環(huán)境約束條件有噪聲與高速運動；載人艙內(nèi)環(huán)境因素對于艙內(nèi)人體可達域的影響主要是在噪聲、振動這兩方面。

圖2 載人潛器艙內(nèi)工效設(shè)計過程中的設(shè)計約束

下面以一個數(shù)學(xué)模型來闡述多約束下人體模型參數(shù)調(diào)整的原理：假設(shè)在計算調(diào)整的過程中，簡化載人艙內(nèi)人員人體模型面臨的多約束只重點考慮某一方面的因素，其計算調(diào)整法則如圖3所示。

圖3 計算調(diào)整法則

計算調(diào)整法則表明的意思是A經(jīng)過B的約束作用后調(diào)整為C。用數(shù)學(xué)符號表示為：

將各種約束分別納入式(1)中考慮，設(shè)載人艙內(nèi)人體模型參數(shù)調(diào)整后總的參數(shù)集為C，C由人體模型的各類參數(shù)集合組成，其中，bij為對應(yīng)的影響人體模型參數(shù)的各項約束影響因子。

載人艙內(nèi)人員在進行作業(yè)過程中，影響人的工效的因素主要有：振動、噪聲和高速運動。

結(jié)合已有相關(guān)研究的結(jié)果[15]可知，當環(huán)境和人的頭部保持不動時，眼睛能看到的空間就是視野即視域。按照視覺的分辨能力，視域可以分為3個區(qū)域(清晰視野區(qū)、中視野區(qū)和外視野區(qū))。在清晰視野區(qū)的物體，可見其細微之處，在中視野區(qū)的物體看起來已經(jīng)模糊不清了，在外視野區(qū)只有運動的物體才能引起人的注意[16]。

人眼的視距是從最近視距來衡量的，這個近點距離隨著年齡的增加而增大。取載人艙內(nèi)人員的年齡區(qū)間從20～50歲，這個區(qū)間段年齡的人，視距最近距離18～45 cm。

結(jié)合項目設(shè)計需求，并調(diào)研獲取載人艙內(nèi)人員的使用需求。為了保證操作率和減少人體疲勞，載人艙人-機界面的設(shè)計要盡可能地讓操作者不必轉(zhuǎn)動頭部和眼睛，更不必移動操作位置，便可從全部顯示儀表上獲取信息。依據(jù)這一設(shè)計依據(jù)，載人艙內(nèi)基于人體模型視域參數(shù)獲取人-機界面組件布局設(shè)計的解空間就是要確定虛擬人體在多約束下調(diào)整后的視野和視距。

設(shè)常態(tài)下虛擬人體視域空間為E，調(diào)整后的人體視域空間為E′，由于人體視野的相關(guān)研究成果將視野分為水平和垂直視野，設(shè)常態(tài)下虛擬人體水平視野為EH，垂直視野為VE，視距為ED，則有：

式(2)～(4)中所有角度和距離的取值范圍均來源于本研究相關(guān)分析研究結(jié)果。

根據(jù)式(1)的思路分析，可得調(diào)整后的人體視域空間參數(shù)為：

式中，δ1被稱為影響人體模型參數(shù)范圍的權(quán)重系數(shù)，其中，δ1由振動環(huán)境引發(fā)，δ2由噪聲環(huán)境引發(fā)，δ3由艙體的高速運動引發(fā)，δ1+δ2+δ3= 1，0≤δ1≤1，0≤δ2≤1，0≤δ3≤ 1。

通過已有研究結(jié)論分析可得，在振動環(huán)境、噪聲環(huán)境和艙體高速運動等環(huán)境因素的單獨影響下，人的視野范圍都會減小。綜合考量上述環(huán)境約束條件，就是要在工效設(shè)計時，需要設(shè)計依據(jù)調(diào)研情況，來模擬影響人體視域的環(huán)境因素的實際情況，確定各環(huán)境約束條件的影響權(quán)重，軟件提供設(shè)計師輸入權(quán)重系數(shù)的人機接口，根據(jù)輸入數(shù)值，程序驅(qū)動計算調(diào)整人體視域范圍，完成常態(tài)下人體視域范圍的收斂。

2.4 遺傳算法智能求解艙內(nèi)人-機界面布局設(shè)計的實現(xiàn)方法

在艙內(nèi)人-機界面布局設(shè)計時，提出運用基于虛擬人體模型的視域、可達域范圍調(diào)整后的參數(shù)約束，初步獲取人-機界面布局的有效解空間，而后通過遺傳算法驅(qū)動，從解空間內(nèi)計算獲取設(shè)計方案解集，獲取滿足適應(yīng)度函數(shù)最大的解方案。其過程基本可分為3個步驟：問題構(gòu)建、自動求解和交互求解。

問題構(gòu)建步驟根據(jù)設(shè)計人員的輸入調(diào)用相應(yīng)的模板建立設(shè)計問題實例、個體方案的編碼表達式、評價函數(shù)、解空間和約束條件等，是對用戶輸入的處理過程，這些行為在方法層的支持下完成的。

自動求解子過程是程序內(nèi)部對設(shè)計問題展開搜索的過程，這個過程在已配置好的遺傳算法程序指導(dǎo)下自動進行，不需要設(shè)計人員的參與，設(shè)計師只要在開始時給定遺傳算法程序工作參數(shù)即可。

交互求解子過程是在自動求解子過程獲得一定滿意程度的種群質(zhì)量后開始的。此時種群經(jīng)過自動求解，已經(jīng)保證了種群中的個體全部有效并多數(shù)已處在滿意范圍內(nèi)。這種情況下，進一步的自動求解已很難獲得更優(yōu)的方案，且此時種群收斂速度較慢，方案之間的差異性也不再適合于程序自動評價。設(shè)計人員的交互操作對方案的評價與選取起到了最后決定性的作用。因而，將設(shè)計人員選中的設(shè)計方案解集轉(zhuǎn)入下一階段的基于改進粒子群算法的設(shè)計方案多目標優(yōu)化是很有必要的。

2.5 基于知識推理的色彩工效設(shè)計過程

按照時下流行的設(shè)計調(diào)和理論和TOP TO DOWN(自頂向下)的色彩設(shè)計模式[17-18]，設(shè)計師首先結(jié)合設(shè)計調(diào)研得出的描述性語義詞匯，依照語義性的心理型色彩設(shè)計方法基于色彩設(shè)計知識確定設(shè)計方案的主色調(diào)，具體可以采取從系統(tǒng)提供的色彩設(shè)計描述詞典中選取的方式，根據(jù)描述詞匯，結(jié)合上述的經(jīng)驗歸納性知識、實例樣本知識和通過色彩語義抽取的知識的綜合評判，共同確定主調(diào)色的初始色彩值，再根據(jù)與色彩調(diào)和有關(guān)的描述詞匯確定出輔助色的初始色彩值，根據(jù)基于語義性知識驅(qū)動的方法生成艙內(nèi)色彩主色與輔色初始方案解集的獲取。這里需要指出的是，由于系統(tǒng)在選擇表示顏色時使用R、G、B模式，在這個模型中，每個顏色由一個(r,g,b)三元組表示，r、g、b的值域為[0，l]，相應(yīng)的(0，0，0)表示黑色，(l，l，1)表示白色，這個空間中所有顏色組成一個立方體的空間。r、g、b這3個分量若相等，則得到無彩色的系列灰色；一組色彩的r、g、b這3個分量之間的比例若相等，則該組色彩的色相相同。

主-輔色的色彩方案均由系統(tǒng)基于色彩設(shè)計知識驅(qū)動而自動產(chǎn)生并且輔色隨主色的變化而實時動態(tài)改變；系統(tǒng)自動生成的主-輔色色彩方案需要進一步的色彩方案優(yōu)化[19]，最后根據(jù)與色彩配置有關(guān)的描述確定出色彩與載人艙人-機界面組件的映射關(guān)系[20-22]，從而完成載人艙人-機界面色彩配置設(shè)計工作。

選出的色彩以色塊的方式在界面上顯示出來，在三維設(shè)計平臺上可以觀察產(chǎn)品的色彩效果。設(shè)計師可以回到前面的任何一步進行修改，也可以用平臺最基本的單色調(diào)整功能進行局部微調(diào)。設(shè)計過程如圖4所示。

圖4 基于知識推理的色彩工效設(shè)計流程圖

2.6 人-機界面智能設(shè)計方案解集的輸出

基于人-機-環(huán)境因素的載人潛器艙內(nèi)人-機界面智能設(shè)計完成后，產(chǎn)生人-機界面組件的布局設(shè)計可行解集和色彩配置可行解集。布局設(shè)計可行解集輸出為平面圖方案，色彩配置可行解集輸出為色彩方案的色彩R、G、B數(shù)值。輸出的可行解集方案如圖5～6所示，每個可行解方案獨立為一個界面顯示，并按數(shù)字順序編碼以示區(qū)別。

圖5 布局設(shè)計可行解輸出示意

圖6 色彩配置可行解輸出示意

3 載人潛器艙內(nèi)計算機輔助工效設(shè)計系統(tǒng)開發(fā)

載人潛器艙內(nèi)計算機輔助工效設(shè)計系統(tǒng)的開發(fā)技術(shù)路線模型如圖7所示，共分3個層次。

圖7 系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)路線

3.1 系統(tǒng)工作流程模型

載人潛器艙內(nèi)計算機輔助工效設(shè)計系統(tǒng)的簡要工作流程如圖8所示。

基于系統(tǒng)工作流程模型，可將計算機輔助系統(tǒng)的使用運行過程描述為如下步驟：

(1) 設(shè)計師啟動UG三維軟件，進入CAD模塊，使用CAD建模功能構(gòu)建載人潛器艙數(shù)字模型，或從其他軟件向UG軟件CAD模塊導(dǎo)入數(shù)字模型，構(gòu)建完畢艙內(nèi)虛擬環(huán)境。

(2) 從主菜單中點選“艙內(nèi)工效設(shè)計智能輔助”菜單，彈出下拉菜單，選取載人艙所屬類別。

(3) 進入人體建模子菜單。輸入擬定的艙內(nèi)人員數(shù)、性別、年齡和人體尺寸百分比等信息，建立適合該載人潛器艙數(shù)字模型的虛擬人體數(shù)字模型。完成人體姿態(tài)設(shè)定和人體模型在載人艙虛擬環(huán)境中的空間定位，獲取正常情況下該數(shù)字人體模型的視域、可達域最佳范圍數(shù)據(jù)。

(4) 進入儀器設(shè)備查詢子菜單。系統(tǒng)程序自動調(diào)用儀器設(shè)備標準件參數(shù)數(shù)據(jù)庫獲取該類別載人艙內(nèi)人-機界面組件的分類、功能、尺寸范圍、質(zhì)量范圍等機器相關(guān)參數(shù)，供設(shè)計師作為人-機界面組件布局的信息參考。

(5) 系統(tǒng)獲取該類別載人艙內(nèi)物理環(huán)境相關(guān)約束要素，自動調(diào)用工效設(shè)計知識數(shù)據(jù)庫資源，建立環(huán)境約束與虛擬人體視域、可達域的關(guān)聯(lián)，完成人-機界面組件布局設(shè)計時虛擬人體在約束條件下的視域最佳范圍的調(diào)整。

(6) 點擊進入人-機界面組件智能設(shè)計子菜單，結(jié)合獲取的虛擬人體視域、可達域范圍，智能計算完成人-機界面組件的形態(tài)設(shè)計和布局設(shè)計；結(jié)合基于知識推理的色彩智能設(shè)計，完成載人艙內(nèi)空間色彩設(shè)計和人-機界面的色彩配置智能設(shè)計。

(7) 點擊進入設(shè)計方案智能優(yōu)化子菜單，基于改進型粒子群算法驅(qū)動，智能計算優(yōu)化求解獲得人-機界面組件布局優(yōu)化方案和人-機界面色彩配置優(yōu)化方案。

(8) 點擊進入設(shè)計方案輸出子菜單，布局優(yōu)化方案以二維平面圖形式輸出，色彩配置優(yōu)化方案以色彩的色號RGB值輸出。完成計算機輔助工效設(shè)計全過程。

3.2 系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

(1) 人體參數(shù)數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建。用于提供虛擬人體建模數(shù)據(jù)的人體數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)由Access構(gòu)建的靜態(tài)庫。數(shù)據(jù)來源包括中國國家標準GB10000-1988和美國Dreyfuss事務(wù)所發(fā)布的人體數(shù)據(jù)。Dreyfuss人體數(shù)據(jù)庫又包括人體結(jié)構(gòu)尺寸模塊，人體工作尺寸模塊和人體空間尺寸模塊。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是采用VC++語言開發(fā)，所以要編譯成可執(zhí)行文件，庫中的圖片大都是外部軟件處理好的圖片文件，嵌入到數(shù)據(jù)表中。數(shù)據(jù)庫中采用圖片和表格的雙表達方式。本系統(tǒng)中人體數(shù)據(jù)查詢工具的程序?qū)崿F(xiàn)原理如圖9所示。

圖8 系統(tǒng)工作流程模型

圖9 人體數(shù)據(jù)查詢工具的程序?qū)崿F(xiàn)

(2) 色彩設(shè)計知識庫的構(gòu)建。載人潛器艙內(nèi)部色彩設(shè)計知識庫由4個知識源組成，即色彩數(shù)知識源、主調(diào)色知識源、輔助色知識源和色彩配置知識源。所有的載人艙內(nèi)部色彩設(shè)計知識都按照這4種類型進行分類，并存放在不同的知識源中。

一個知識源由知識庫類中的一個鏈表來實現(xiàn)，鏈表的每一節(jié)點是屬于該知識源的一個知識對象。一個知識對象對應(yīng)于一條規(guī)則。鏈表又是通過MFC中的集合類CObList來實現(xiàn)。知識源采用鏈表的結(jié)構(gòu)便于舊知識的刪除和新知識的輸入。舊知識的刪除就是從鏈表中刪去一個知識對象，而新知識的輸入就是將一個新構(gòu)建的知識對象加入到鏈表中去，知識庫類提供成員函數(shù)來支持知識的編輯與更新。

知識庫在系統(tǒng)外部以知識庫文件的形式存在，因此根據(jù)不同的色彩設(shè)計專家的知識可以建立不同的知識庫文件。在系統(tǒng)中，設(shè)計者可以選擇不同的知識庫文件來構(gòu)造知識庫對象，從而實現(xiàn)利用不同的專家知識來進行色彩設(shè)計推理。系統(tǒng)還允許設(shè)計者合并不同的知識庫文件，從而利用幾個專家的知識進行色彩設(shè)計推理。

(3) 人機功能組件參數(shù)數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建。載人潛器艙內(nèi)人-機界面中有人機要求的部件或結(jié)構(gòu)(簡稱“人機功能組件”)。按照數(shù)據(jù)的表達類型，人機功能組件數(shù)據(jù)可分為圖形數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)和尺寸數(shù)據(jù)。圖形數(shù)據(jù)是指由點、線、面和注記數(shù)據(jù)形式記錄的各項功能組件的外形，主要用于描述人機功能組件的形狀信息。

屬性數(shù)據(jù)記錄了各人機功能組件的所屬類別，目前的人機功能組件中，顯示器按大類分為視覺顯示器、聽覺顯示器和報警/通報類顯示器3大類；控制器包括手動控制器、語音控制其2大類。

尺寸數(shù)據(jù)記錄了人機功能組件的三維尺寸數(shù)值最大、最小極值區(qū)間和相應(yīng)的組件之間裝配尺寸數(shù)值等。

(4) 工效設(shè)計知識資源庫的構(gòu)建。工效設(shè)計知識資源庫集合了人-機界面的工效設(shè)計理論、作業(yè)空間布局設(shè)計的工效學(xué)理論、色彩設(shè)計工效學(xué)理論等，每一類工效設(shè)計知識數(shù)據(jù)按照一定的編碼特征統(tǒng)一存放于數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)庫提供必要的檢索方式，一般可通過工效設(shè)計理論的所屬類別名稱和關(guān)鍵詞定位所需的工效設(shè)計知識。

根據(jù)數(shù)據(jù)節(jié)點的類結(jié)構(gòu)，將工效設(shè)計知識實例方案的信息放在知識資源庫中，為了便于獲取和檢索，采用統(tǒng)一格式進行歸類存放。

3.3 數(shù)據(jù)庫的訪問與操作

借助數(shù)據(jù)庫，設(shè)計師可以提取、修改、添加載人艙所受到的人-機-環(huán)境的各方面約束參數(shù)。利用ADO數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)，數(shù)據(jù)庫的訪問和操作流程如圖10所示。

圖10 數(shù)據(jù)庫訪問與操作流程圖

4 構(gòu)建載人潛器艙內(nèi)工效設(shè)計CAD系統(tǒng)

4.1 需求分析

系統(tǒng)直接面向載人潛器艙內(nèi)工效設(shè)計領(lǐng)域，是一個專用而高效的軟件系統(tǒng)。系統(tǒng)完全建立在工業(yè)設(shè)計學(xué)科思想之上，面向用戶的邏輯層符合工業(yè)設(shè)計師的思維方式和習慣，操作簡單、界面方便、使用高效。系統(tǒng)提供的工具集在邏輯上應(yīng)該盡量與工業(yè)設(shè)計師常采用的傳統(tǒng)設(shè)計工具相類似，系統(tǒng)提供的工效設(shè)計方案及優(yōu)化過程應(yīng)該是原理復(fù)雜但操作方法簡便，滿足ICAD思想。

系統(tǒng)的需求分析總結(jié)為以下幾點：

(1) 系統(tǒng)直接面向載人潛器艙內(nèi)工效方案設(shè)計與優(yōu)化；

(2) 系統(tǒng)充分體現(xiàn)工業(yè)設(shè)計的特點，邏輯層應(yīng)該符合工業(yè)設(shè)計師的思維方式和習慣；

(3) 系統(tǒng)提供的工具用于艙內(nèi)的工效方案設(shè)計，智能化設(shè)計簡單而高效；

(4) 系統(tǒng)支持實時的真實感圖形生成；

(5) 在較高的層次上輔助設(shè)計師的工效設(shè)計，在一定程度上能夠提高艙內(nèi)工效設(shè)計方案的自動化水平。

4.2 系統(tǒng)框架設(shè)計

系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖11所示。系統(tǒng)依托UG平臺，將各模塊的軟件界面有機地集成于UG屬性頁中。各模塊工具集可以通過專用菜單欄啟動和工具欄啟動。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中應(yīng)用層包含相應(yīng)的6個工具集，集成框架如圖12所示。

圖11 系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖12 系統(tǒng)集成框架圖

5 系統(tǒng)應(yīng)用驗證

5.1 系統(tǒng)的運行

系統(tǒng)采用手動注冊的方式[23]。其步驟如下：啟動UG三維設(shè)計平臺，選擇“工具”下拉菜單的“輔助應(yīng)用程序”菜單項，單擊對話框“注冊”項，在選中工效設(shè)計輔助系統(tǒng)(MCCAED)的注冊文件，系統(tǒng)顯示應(yīng)用程序名稱，選中應(yīng)用程序名稱，單擊啟動后，MCCAED系統(tǒng)已經(jīng)加載到系統(tǒng)中，系統(tǒng)注冊完成后的下拉菜單如圖13所示。

圖13 系統(tǒng)注冊完成后的菜單

5.2 系統(tǒng)的驗證

本節(jié)將結(jié)合一款艙內(nèi)綜合控顯儀表的布局設(shè)計為例，對系統(tǒng)的各個模塊進行驗證。布局設(shè)計包含的主要步驟有：調(diào)用控制按鈕和顯示屏的大小尺寸、應(yīng)用虛擬人體視域、可達域的自適應(yīng)調(diào)整確定布局范圍、運用遺傳算法完成布局方案的智能計算，運用改進型粒子群自適應(yīng)算法完成布局設(shè)計方案優(yōu)化。系統(tǒng)設(shè)定記錄前6個最優(yōu)方案，生成結(jié)果如圖14所示橫版、圖15豎版布局方案實例。設(shè)計人員可以根據(jù)其位置序號選擇其中較滿意的設(shè)計方案，通過改變參數(shù)對其進行繼續(xù)優(yōu)化或修改。

綜合控顯儀表中涉及到的布局設(shè)計、色彩設(shè)計及布局優(yōu)化、色彩優(yōu)化等內(nèi)容較多，本文只對控顯儀表的布局方案優(yōu)化進行了驗證，其色彩配置及色彩優(yōu)化內(nèi)容驗證未列出。

圖14 控顯儀表橫版布局優(yōu)化實例

圖15 控顯儀表豎版布局優(yōu)化實例

6 結(jié) 論

在研究與載人潛器艙內(nèi)人機工效設(shè)計相關(guān)的人的生理、心理和環(huán)境約束等相關(guān)多約束條件的基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)計人員需求構(gòu)建了載人潛器艙內(nèi)工效設(shè)計計算機輔助系統(tǒng)，并將其集成到三維設(shè)計平臺UG7.5上，對各模塊的功能進行了應(yīng)用驗證，證明了以合適的CAD軟件為平臺開發(fā)計算機輔助工效設(shè)計軟件，不僅是一種高效的策略，而且有利于CAED軟件的推廣應(yīng)用。該輔助系統(tǒng)能使設(shè)計人員加深對多約束條件下艙內(nèi)人員的生理、心理和環(huán)境約束條件的理解，將人機工效設(shè)計思想的應(yīng)用引入至產(chǎn)品概念設(shè)計階段，大大降低了后期進行工效學(xué)評價所需的成本，提高了設(shè)計人員工作效率，減少設(shè)計的重復(fù)性工作。

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