基于人機(jī)仿真技術(shù)的炮手操作姿勢多指標(biāo)量化評估模型

趙祎乾，吳天宇，顧 森，李亞軍+，朱天陸

(1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094；2.河南機(jī)電職業(yè)學(xué)院 智能工程學(xué)院，河南 鄭州 451100)

0 引言

火炮由火力、火控、運(yùn)載3個子系統(tǒng)模塊構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜且精密，作戰(zhàn)中通常要求在短時間內(nèi)精準(zhǔn)地完成各項操作任務(wù)，由此給炮手施加了較重的體力和腦力負(fù)荷[1]。鑒于人—機(jī)操作的協(xié)調(diào)性對火炮整體作戰(zhàn)效能影響較大，立足于工程實際，為實現(xiàn)火炮操作過程安全、可靠、高效、舒適，圍繞炮手操作姿勢與火炮操控設(shè)備進(jìn)行評估具有重要意義。

國內(nèi)外有關(guān)火炮操作人機(jī)工效評估領(lǐng)域的典型文獻(xiàn)有：談樂斌等[2]依托計算機(jī)仿真技術(shù)，提出一種火炮人機(jī)操控設(shè)備快速評價方法；易慎光等[3-4]針對某型車載速射迫擊炮與某型加榴炮瞄準(zhǔn)機(jī)手輪的多項設(shè)計要素展開研究；王華亭等[5]面向自行高炮乘員艙內(nèi)車長鏡、座椅、操控臺、行軍固定器等元件進(jìn)行仿真評估，并提出改進(jìn)措施；張世全等[6]探索了火炮瞄準(zhǔn)過程中操控器位置、空間尺寸、操作力等方面的最優(yōu)設(shè)計參數(shù)；汪匯川等[7-8]從文獻(xiàn)綜述視角梳理了艦炮人機(jī)設(shè)備關(guān)系的演變與優(yōu)化過程，并圍繞艦炮射擊準(zhǔn)備流程構(gòu)建了基于直接操控的人機(jī)交互理論模型；邵婷等[9]從人—機(jī)設(shè)備匹配度視角，建立了艦炮瞄準(zhǔn)操控臺優(yōu)化設(shè)計模型；王立紅等[10]采用主成分分析法對艦炮武器的操作工效進(jìn)行綜合評估；趙祎乾等[11-12]采用人機(jī)仿真評估的方式探討了車載炮瞄準(zhǔn)機(jī)手輪安裝軸線夾角對炮手操作姿勢的影響，并運(yùn)用仿真評估與綜合評價相結(jié)合的思路，研究得出牽引加榴炮瞄準(zhǔn)機(jī)手輪輪徑、安裝軸高差、握柄截面尺寸的最優(yōu)設(shè)計；蘇勝等[13]對車載自行火箭炮駕駛員、炮手操作中依次涉及的方向盤高度、操控面板傾斜角度進(jìn)行評估和改良；顧輝等[14]為降低裝填手操作疲勞度，優(yōu)化了車載炮裝填作業(yè)面的高度，并設(shè)計了輔助操作裝置；BALASUBRAMANIAN[15]根據(jù)人體生物力學(xué)維度，面向火炮裝填過程中的炮彈質(zhì)量、裝填角度及高度展開分析，由此明確彈藥架位置的最優(yōu)設(shè)計方案。

上述研究可歸納為4個層面：

(1)根據(jù)理論層的標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)，從宏觀視角提出面向火炮人機(jī)操控設(shè)備的評價模型或設(shè)計知識，并指明改進(jìn)方向，然而由于缺乏數(shù)據(jù)支撐，較難析出詳細(xì)的設(shè)計策略。

(2)構(gòu)建并參照指標(biāo)體系對火炮操控設(shè)備進(jìn)行綜合評估，然而其準(zhǔn)確性易受評估人員認(rèn)知程度、評估標(biāo)準(zhǔn)、個人偏好之間的差異，以及評估信息表征的模糊性等主觀因素的干擾。

(3)根據(jù)人體力學(xué)分析或生理測量實驗評估炮手操作火炮設(shè)備過程中的行為，雖然相對客觀可靠，但是評估中設(shè)備的實物樣本制作難度大、成本高、周期過長。

(4)以人機(jī)仿真技術(shù)為牽引，仿真炮手操作行為與過程，并提取對應(yīng)操作姿勢進(jìn)行評估，由姿勢的合理性反映火炮操控設(shè)備設(shè)計的優(yōu)劣。目前對炮手姿勢的評估大多從單一指標(biāo)維度展開，各指標(biāo)之間相對獨(dú)立、系統(tǒng)性較弱，評估結(jié)果具有一定局限性。

由于火炮操控設(shè)備打樣成本高，針對炮手操作展開的生理測量實驗需要大量人力、物力、經(jīng)濟(jì)支撐，可行性較低且評估周期長。本研究充分顯示仿真技術(shù)在火炮等復(fù)雜裝備評估中的優(yōu)勢，立足于肢體偏轉(zhuǎn)、關(guān)節(jié)扭矩、肌肉負(fù)載等多指標(biāo)維度，面向炮手操作姿勢探索性地提出一種量化評估模型，旨在通過評估炮手操作姿勢的合理性辨別火炮操控設(shè)備設(shè)計的優(yōu)劣，為提取多組設(shè)備設(shè)計方案中的最優(yōu)或優(yōu)選方案提供依據(jù)，從而支撐后續(xù)設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計，以提升火炮的操作工效與作戰(zhàn)效能。

1 炮手操作姿勢評估模型的構(gòu)建

1.1 仿真技術(shù)與軟件

隨著虛擬現(xiàn)實、圖形圖像學(xué)、計算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計技術(shù)的革新，將仿真技術(shù)與人機(jī)工程評估相融合的方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，該方法具有靈活、便捷、高效的特征。人機(jī)仿真軟件包括Siemens Tecnomatix Jack, Delmia[16]，Ramsis[17]，ICIDO，Human CAD[18]，Anybody[19]，MakeReal 3D SoErgo, MADYMO[20]等。本文研究以成熟且兼容性較強(qiáng)的Siemens Tecnomatix Jack 8.01軟件作為評估工具，該軟件可創(chuàng)建數(shù)字化三維仿真環(huán)境，并植入如可視域與可達(dá)域分析、任務(wù)分析工具(Task Analysis Toolkit，TAT)、車輛分析工具OPT(occupant packaging toolkit)等多項人因分析技術(shù)[11]，通過分析可輸出精確的評估數(shù)據(jù)。

1.2 評估內(nèi)容與方法

1.2.1 評估內(nèi)容

評估邏輯包括構(gòu)建數(shù)字化人體模型、創(chuàng)建評估對象與環(huán)境、設(shè)置操作行為仿真和評估節(jié)點(diǎn)3部分。構(gòu)建數(shù)字化人體模型分為基礎(chǔ)與高級2個模塊，基礎(chǔ)模塊可構(gòu)建代表性較強(qiáng)的P1，P5，P50，P95，P99人體模型，模型數(shù)據(jù)庫包括美國、加拿大、中國、印度、德國、日本等權(quán)威的人群尺寸；高級模塊則按照人體隨機(jī)樣本的數(shù)據(jù)建模[21]。評估對象的三維模型有導(dǎo)入或直接構(gòu)建2種方式，導(dǎo)入端可與Unigraphics,SolidWorks,Pro/Engineer等三維建模軟件對接，兼容格式包括.wrl，.stl，.igs等；導(dǎo)入模型后需轉(zhuǎn)換坐標(biāo)并約束位置，從而創(chuàng)建三維仿真環(huán)境。

評估中需在炮手人體與評估對象模型之間添加并設(shè)置約束條件，仿真炮手動態(tài)操作過程，該過程可拆解為若干連續(xù)動作序列的集合。另外，為降低工作量并保證結(jié)果的可靠性，需從連續(xù)的動作序列集合中精準(zhǔn)捕獲極限、典型的操作姿勢。極限姿勢涵蓋肢體活動可達(dá)軌跡的臨界狀態(tài)或關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)角度的極限區(qū)間等；典型姿勢一般對應(yīng)連貫動作序列中的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)下可輸出肢體、關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)角度或肌肉負(fù)荷的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。評估節(jié)點(diǎn)應(yīng)根據(jù)極限與典型操作姿勢合理設(shè)置，力求通過對各節(jié)點(diǎn)下姿勢的評估，準(zhǔn)確、客觀地反映整個操作行為與操作過程。

1.2.2 評估指標(biāo)

人機(jī)仿真軟件Siemens Tecnomatix Jack 8.01中面向操作姿勢的評估指標(biāo)包括可達(dá)域分析[12]、下背部分析(Lower Back Analysis, LBA)[22]、靜態(tài)強(qiáng)度預(yù)測(Static Strength Prediction, SSP)[23]、搬運(yùn)受力分析[24]、Ovako工作姿勢分析系統(tǒng)(Ovako Working posture Analysis System, OWAS)[25]、快速上肢評價(Rapid Upper Limb Assessment, RULA)[26]、人體受力分析[21]等，各項指標(biāo)的評估原理、方法、側(cè)重點(diǎn)和數(shù)據(jù)表征形式均存在差異。應(yīng)用指標(biāo)時，應(yīng)提取操作任務(wù)，整合任務(wù)中操作行為與操作姿勢的特征，由此科學(xué)地選擇和運(yùn)用相關(guān)的評估指標(biāo)。

1.2.3 評估數(shù)據(jù)分析算法

(1)

(2)

(3)

(4)

式中n為序列中數(shù)據(jù)的項數(shù)?；疑P(guān)聯(lián)貼近度

(5)

式中Q值越接近1，比較序列與正理想解的接近程度越高，即對應(yīng)評估對象在該項指標(biāo)下的評估結(jié)果越優(yōu)，反之越差。

由于評估指標(biāo)的多樣性和差異性，評估對象在各項指標(biāo)下的評估結(jié)果可能不一致，為探索對象在多指標(biāo)下綜合評估的優(yōu)劣排序，采用灰色接近關(guān)聯(lián)度算法[29]，根據(jù)評估對象在多項指標(biāo)下的灰色關(guān)聯(lián)貼近度數(shù)據(jù)建立比較序列，以評估指標(biāo)為單位提取灰色關(guān)聯(lián)貼近度的最優(yōu)數(shù)據(jù)，并建立參考序列，二者的接近程度

(6)

式中：S0為參考序列；Si為比較序列；|S0-Si|為序列S0與Si之間的接近程度；S0(k)，Si(k)依次為序列S0與Si中的第k(k=1,2,…,n)項數(shù)據(jù)。

序列Si與S0的接近關(guān)聯(lián)度

(7)

該值可以表征評估對象的綜合評估結(jié)果。如果進(jìn)一步將評估對象按優(yōu)劣進(jìn)行組類劃分，則采用灰色關(guān)聯(lián)聚類算法[30]，組建對象評估結(jié)果的數(shù)據(jù)集并計算差異矩陣Es：

(8)

(9)

式中eij為ρij(x)相對于ρij(y)的差異系數(shù)。

由矩陣Es計算并轉(zhuǎn)換為差異距離矩陣Ds：

(10)

dij=eji+eij。

(11)

將矩陣Ds計算并轉(zhuǎn)換為相似矩陣Rg：

(12)

(13)

式中max(Ds)為矩陣Ds中的最大值。相似矩陣Rg反映了各組對象評估數(shù)據(jù)之間的親疏關(guān)系，根據(jù)聚類數(shù)量的要求和計算規(guī)則，取實數(shù)λ∈[0,1]，經(jīng)篩選構(gòu)成在λ水平上的聚類，從而實現(xiàn)按照優(yōu)劣順序?qū)Χ嘟M評估對象的組類劃分。

1.3 評估模型

本文立足于仿真技術(shù)與評估邏輯，自上而下面向應(yīng)用層、表現(xiàn)層、邏輯層、數(shù)據(jù)層、知識層構(gòu)建了一種炮手操作姿勢多指標(biāo)量化評估模型，梳理了評估結(jié)果與人機(jī)操控設(shè)備設(shè)計之間的關(guān)系，如圖1所示。模型的應(yīng)用層是對評估結(jié)果相關(guān)知識的應(yīng)用與表達(dá)，描述了由優(yōu)化目標(biāo)原型到優(yōu)化對象輸出的完整鏈路；表現(xiàn)層輸入評估對象的信息，輸出相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計策略；邏輯層集成了評估內(nèi)容及方法、仿真評估過程、數(shù)據(jù)處理分析3個模塊；數(shù)據(jù)層引入方法數(shù)據(jù)庫、模型數(shù)據(jù)庫、指標(biāo)數(shù)據(jù)庫等，為邏輯層提供數(shù)據(jù)和信息支持；知識層包括標(biāo)準(zhǔn)、原則、機(jī)制、算法等知識信息與表達(dá)方式。

本文面向模型邏輯層中的數(shù)據(jù)處理分析模塊，依托對應(yīng)算法開發(fā)了炮手操作姿勢評估數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)1.0(Data Analysis System for Gunner Operation Posture Evaluation，DASGOPE 1.0)，系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境為Windows 10，X64，開發(fā)語言為JAVA 1.8，采用JAVA Swing技術(shù)，該系統(tǒng)為仿真評估結(jié)果數(shù)據(jù)的主要分析工具。

評估模型的優(yōu)勢和先進(jìn)性表現(xiàn)為：

(1)技術(shù)方面 將人機(jī)仿真技術(shù)與火炮操作中的人體姿勢評估結(jié)合，以便設(shè)置評估中的多組比較對象并靈活調(diào)整對象參數(shù)，在保證研究可靠性的同時，力求解決武器裝備人機(jī)工效評估中打樣難、成本高、周期長、可行性較低等問題。

(2)評估指標(biāo)方面 引入多項指標(biāo)，全面、客觀地針對炮手操作中軀干、肢體、關(guān)節(jié)、肌肉負(fù)載等多個維度展開評估，提出面向操作行為姿勢的多指標(biāo)量化評估方法路徑，有效提升了評估的科學(xué)性與可信度。

(3)評估方法方面 炮手操作火炮設(shè)備時，基于對其姿勢合理性的評估，辨別和區(qū)分火炮人機(jī)操控設(shè)備設(shè)計的優(yōu)劣。

(4)評估數(shù)據(jù)處理方面 采用改進(jìn)后的灰色關(guān)聯(lián)貼近度算法、灰色接近關(guān)聯(lián)度算法依次計算處理單項和多項指標(biāo)下的評估數(shù)據(jù)，以解決多組對象因在各指標(biāo)的評估結(jié)果排序不同，導(dǎo)致其在多指標(biāo)下綜合評估結(jié)果的優(yōu)劣難以判斷的問題，然后進(jìn)一步結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)聚類算法，將評估對象劃分到不同的優(yōu)劣組類。本文綜合3種算法開發(fā)了炮手操作姿勢評估數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)DASGOPE 1.0，實現(xiàn)了對評估數(shù)據(jù)的精確、高效處理和分析。

2 炮手操作姿勢評估模型的應(yīng)用與討論

2.1 評估過程

以某型牽引榴彈炮瞄準(zhǔn)機(jī)手輪操作姿勢評估為例對模型的可用性進(jìn)行探討。在牽引式火炮瞄準(zhǔn)中，炮手通過轉(zhuǎn)動高低機(jī)和方向機(jī)手輪，對炮口高低角和方位角進(jìn)行控制；作戰(zhàn)中若要求短時間內(nèi)對多個目標(biāo)進(jìn)行火力壓制，則需要炮手根據(jù)射擊諸元高頻率、高強(qiáng)度地操作手輪，依次完成對各目標(biāo)的瞄準(zhǔn)任務(wù)，瞄準(zhǔn)機(jī)手輪設(shè)備設(shè)計的合理性將直接影響炮手的操作姿勢和工效。評估中需提取并建立多組瞄準(zhǔn)機(jī)手輪設(shè)計方案，面向炮手操作各組方案所對應(yīng)的行為姿勢展開評估，通過評估結(jié)果判斷設(shè)計方案的優(yōu)劣，并指明最優(yōu)或優(yōu)選方案；評估前期需構(gòu)建炮手與瞄準(zhǔn)機(jī)手輪數(shù)字化模型。

炮手人體建模采用Siemens Tecnomatix Jack 8.01軟件中的基礎(chǔ)模塊。前期研究表明，炮手操作時的站立點(diǎn)位距手輪較近，無論大尺寸P95炮手、平均尺寸P50炮手、還是小尺寸P5炮手，整個操作過程均處于炮手的上肢可達(dá)域內(nèi)，由于炮手身體尺寸差異對評估結(jié)果的影響不顯著，本文參照GJB2873-2002[31]，選擇普適性較強(qiáng)的平均尺寸P50男性士兵人體參數(shù)構(gòu)建炮手?jǐn)?shù)字化模型。

參照牽引榴彈炮瞄準(zhǔn)機(jī)手輪的操作規(guī)范，炮手的右手和左手依次操作方向機(jī)與高低機(jī)手輪，操作力分別為49 N和69 N[1]；兩個手輪輪徑一致，3種標(biāo)準(zhǔn)化的尺寸規(guī)格分別為200 mm，240 mm，280 mm；方向機(jī)手輪的安裝位置相對固定且與高低機(jī)手輪軸線夾角為90°；回轉(zhuǎn)軸高約950 mm；高低機(jī)手輪的回轉(zhuǎn)軸高有950 mm，1 010 mm，1 050 mm，1 150 mm共4種規(guī)格。綜合不同的輪徑與高低機(jī)手輪回轉(zhuǎn)軸高，共提出12組設(shè)計方案，如表1所示。

表1 12組瞄準(zhǔn)機(jī)手輪設(shè)計方案對應(yīng)的尺寸參數(shù)

由三維建模軟件Unigraphics建立12組方案的數(shù)字化模型，導(dǎo)入仿真軟件Siemens Tecnomatix Jack 8.01中并轉(zhuǎn)換坐標(biāo)，采用該軟件的Animation模塊對炮手操作各組方案的動態(tài)操作行為與操作過程進(jìn)行仿真。為捕捉炮手極限與典型姿勢，令操作中的高低機(jī)和方向機(jī)手輪同步，轉(zhuǎn)動方向相反，并保證角速度和線速度均相同；參照手輪力依次設(shè)置炮手手部的操作力和力的方向；設(shè)定手輪轉(zhuǎn)動頻率為20圈/min，持續(xù)操作2 min；將各手輪握柄位于回轉(zhuǎn)中心點(diǎn)的豎直正上方設(shè)置為初始位置(角度0°)，順時針轉(zhuǎn)動角度為正、逆時針為負(fù)；以360°為周期等距劃分并設(shè)置8個評估節(jié)點(diǎn)。例如，評估節(jié)點(diǎn)1對應(yīng)的兩個手輪均位于初始位置，其旋轉(zhuǎn)角度均為0°，則評估節(jié)點(diǎn)2對應(yīng)的高低機(jī)、方向機(jī)手輪旋轉(zhuǎn)角度依次為-45°，45°，以此類推。

如圖2所示，評估流程包括信息采集與輸入、仿真評估與推理、信息表征與輸出3個環(huán)節(jié)。其中輸入環(huán)節(jié)包含人體信息表征(人體尺寸參數(shù)、人體模型信息)、機(jī)器信息表征(設(shè)備空間布局、設(shè)備尺寸參數(shù))、人機(jī)操作信息表征(人機(jī)約束關(guān)系、操作行為與流程)。本部分圍繞手輪操作過程，根據(jù)手腕部、肘部、軀干、臂部、膝蓋、腳踝等多個部位的受力分析對各評估節(jié)點(diǎn)下炮手的操作姿勢展開研究，并預(yù)測和判斷該操作姿勢下能完成任務(wù)的炮手人數(shù)在總?cè)藬?shù)中的占比，由該值對操作姿勢的合理性進(jìn)行表征。

仿真中引入右手腕和左手腕、右肘部和左肘部、軀干、臂部、膝蓋、腳踝部位的承載力共8項細(xì)化評估指標(biāo)。

2.2 各指標(biāo)下的評估結(jié)果

抽取8項指標(biāo)下12組方案在各評估節(jié)點(diǎn)(手輪旋轉(zhuǎn)角度位置)對應(yīng)炮手操作姿勢的評估數(shù)據(jù)，如圖3所示。結(jié)果表明，手腕、肘部、軀干、腳踝承載力指標(biāo)下，各組方案對應(yīng)評估數(shù)據(jù)的差異相對較大，臂部、膝蓋承載力指標(biāo)下的數(shù)據(jù)差異較小且評估結(jié)果整體較好。

由圖3a可知，方案7操作周期中方向機(jī)手輪旋轉(zhuǎn)到90°位置，方案11操作周期中方向機(jī)手輪依次旋轉(zhuǎn)到45°，270°，315°位置，方案12操作周期中方向機(jī)手輪旋轉(zhuǎn)到270°位置，以上情況炮手右手腕承載力的評估結(jié)果過低，表明對應(yīng)姿勢下容易造成炮手右手腕部位的疲勞與損傷。

進(jìn)一步探討手輪操作中炮手右手腕承載力的變化規(guī)律及原因，統(tǒng)計各評估節(jié)點(diǎn)位置多組方案所對應(yīng)數(shù)據(jù)的均值，依次為75.83%，68.83%，72.42%，84.83%，55.83%，62.92%，65.25%，81.25%。從評估節(jié)點(diǎn)2到節(jié)點(diǎn)4，即在方向機(jī)手輪由45°～135°的過程中，由于手輪力的大小和方向發(fā)生改變，右手腕部尺橈側(cè)、掌背側(cè)屈角度均逐步降低并在±15°范圍之內(nèi)，使右手腕的承載力提升約23.25%；從評估節(jié)點(diǎn)4到節(jié)點(diǎn)5，在方向機(jī)手輪由135°～180°的過程中，右手腕的承載力降低約34.19%；在方向機(jī)手輪手輪由180°～315°的過程中，右手腕的承載力提升約45.53%；在方向機(jī)手輪由315°順時針再次轉(zhuǎn)回到45°的過程中，右手腕的承載力降低約15.29%。

以此類推，根據(jù)圖3b～圖3h，在手輪操作過程中，依次針對炮手右肘部、左肘部、軀干、臂部、膝蓋、腳踝部位承載力指標(biāo)評估數(shù)據(jù)的特征、數(shù)據(jù)變化的規(guī)律和原因進(jìn)行探討。為對比單項指標(biāo)下12組設(shè)計方案所對應(yīng)的炮手操作姿勢評估結(jié)果的優(yōu)劣，用式(1)～式(5)計算各方案的評估值與最優(yōu)參考值之間的灰色關(guān)聯(lián)貼近度。在DASGOPE 1.0系統(tǒng)中的操作步驟如下：①選定評估指標(biāo)，本次勾選“受力分析”；②參照12組方案建立對應(yīng)的樣本，并輸入“樣本數(shù)量”和“評估節(jié)點(diǎn)數(shù)量”，如圖4a所示；③依次點(diǎn)選對應(yīng)的評估部位，如圖4b所示；④按照評估部位逐次錄入各組方案的評估源數(shù)據(jù)，這里以右手腕承載力為例，如圖4c所示。

對圖4c中的源數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化，組建12組比較序列，以評估節(jié)點(diǎn)為單位提取最優(yōu)和最劣參考序列，如表2所示。

表2 12組方案對應(yīng)炮手右手腕承載力評估數(shù)據(jù)的無量綱化結(jié)果

點(diǎn)擊圖4c界面中的“右手腕部位的評估結(jié)果”，輸出12組方案評估數(shù)據(jù)，其與正理想解的關(guān)聯(lián)度依次為0.822，0.803，0.819，0.779，0.754，0.74，0.723，0.78，0.797，0.764，0.532，0.71；與負(fù)理想解的關(guān)聯(lián)度依次為0.529，0.555，0.555，0.563，0.628，0.649，0.653，0.575，0.557，0.59，0.86，0.658；灰色關(guān)聯(lián)貼近度依次為0.609，0.591，0.596，0.581，0.546，0.533，0.525，0.576，0.589，0.564，0.382，0.519。由灰色關(guān)聯(lián)貼近度結(jié)果可知，方案1對應(yīng)的數(shù)據(jù)相對最高，方案11最低，說明在手輪輪徑為200 mm、高低機(jī)手輪回轉(zhuǎn)軸高為950 mm的方式下，炮手操作時右手腕的承載力最好，腕部姿勢相對合理，發(fā)生疲勞的概率相對最低。在手輪輪徑為280 mm、高低機(jī)手輪回轉(zhuǎn)軸高為1 050 mm的方式下，炮手操作時右手腕的承載力相對最差，在高頻率、高強(qiáng)度操作任務(wù)中易疲勞且損傷風(fēng)險較高。同理，通過DASGOPE 1.0系統(tǒng)計算，可得方案在左手腕、右肘部、左肘部、軀干、臂部、膝蓋、腳踝承載力指標(biāo)下，對應(yīng)的評估數(shù)據(jù)與最優(yōu)參考之間的灰色關(guān)聯(lián)貼近度，如表3所示。

表3 12組方案在8項指標(biāo)下對應(yīng)的評估數(shù)據(jù)與最優(yōu)參考之間的灰色關(guān)聯(lián)貼近度

由表3可知，方案在各項指標(biāo)下，評估結(jié)果的優(yōu)劣排序存在差異，原因為:①炮手操作手輪的姿勢涉及身體的多個部位，各部位之間相互關(guān)聯(lián)，操作過程中的姿勢變化對各部位的影響程度不同；②各項指標(biāo)的評估側(cè)重部位、方法、原則、標(biāo)準(zhǔn)、機(jī)制之間呈現(xiàn)差異化。

2.3 多指標(biāo)綜合評估結(jié)果

為計算方案在8項指標(biāo)下的綜合評估結(jié)果，由12組方案在各指標(biāo)下的灰色關(guān)聯(lián)貼近度數(shù)據(jù)構(gòu)建比較序列S1～S12，提取最優(yōu)數(shù)據(jù)建立參考序列S0為0.609，0.526，0.525，0.522，0.591，0.577，0.588，0.569，然后采用式(6)和式(7)計算比較序列S1～S12與參考序列S0之間的接近程度。在DASGOPE 1.0系統(tǒng)界面點(diǎn)擊“8項指標(biāo)下的綜合評估結(jié)果”，輸出結(jié)果如圖5所示。

圖5表明，序列S3，S4，S2與參考序列S0相對較接近，而序列S11，S10，S12與S0的接近程度較低，且接近程度均值較前3者的均值降低約19.42%。

由各組方案的接近關(guān)聯(lián)度數(shù)據(jù)組建關(guān)聯(lián)度集，根據(jù)式(8)～式(13)進(jìn)行轉(zhuǎn)換與計算。在DASGOPE 1.0系統(tǒng)中首先點(diǎn)擊“差異矩陣變換”，輸出結(jié)果如表4所示；然后點(diǎn)擊“差異距離矩陣變換”，輸出結(jié)果如表5所示；最后點(diǎn)擊“相似矩陣變換”，輸出結(jié)果如表6所示。

表4 DASGOPE 1.0系統(tǒng)中的差異矩陣變換結(jié)果

表5 DASGOPE 1.0系統(tǒng)中的差異距離矩陣變換結(jié)果

表6 DASGOPE 1.0系統(tǒng)中的相似矩陣變換結(jié)果

在DASGOPE 1.0系統(tǒng)中選擇“聚類分析”，輸入組類數(shù)要求，系統(tǒng)結(jié)合相似矩陣變換結(jié)果與方案的優(yōu)劣排序，將12組方案劃分為多個可定義的組類。若組類數(shù)為7，則定義為非常好、好、較好、一般、較差、差、非常差，對應(yīng)方案的序列依次為{S3}，{S4}，{S2,S7}，{S1}，{S8}，{S6,S5,S9,S12}，{S10,S11}；若組類數(shù)為5，則結(jié)果為好{S3}、較好{S4,S2,S7,S1}、一般{S8}、較差{S6,S5,S9,S12}、差{S10,S11}；若組類數(shù)為4，則結(jié)果為好{S3}、較好{S4,S2,S7,S1}、較差{S8}、差{S6,S5,S9,S12,S10,S11}；若組類數(shù)為3，則結(jié)果為好{S3}、中等{S4,S2,S7,S1,S8}、差{S6,S5,S9,S12,S10,S11}。由此，可基于篩選要求和方案的數(shù)量合理選擇需劃分的組類數(shù)。

由方案的綜合評估可得，在牽引榴彈炮瞄準(zhǔn)機(jī)手輪設(shè)備尺寸優(yōu)化中，應(yīng)重點(diǎn)參考設(shè)計方案3，即輪徑為200 mm、高低機(jī)手輪回轉(zhuǎn)軸高為1 050 mm；結(jié)合實際情況也可靈活參考優(yōu)選的方案4和方案2，即輪徑為200 mm、高低機(jī)手輪回轉(zhuǎn)軸高為1 150 mm或1 010 mm。上述3組方案設(shè)計可有效提升炮手操作中手腕、肘部、軀干、臂部、膝蓋、腳踝部位的承載力，從而在高強(qiáng)度實戰(zhàn)操作中，炮手的肢體及各部位不易發(fā)生疲勞和損傷，使其可連續(xù)操作的時間較長，有利于提升人機(jī)工效。另外，應(yīng)該避免參考方案10和方案11，由于這兩種方案所對應(yīng)的炮手操作姿勢的合理度相對較低，在進(jìn)行長時或高頻率操作過程中，手腕、肘部、軀干、腳踝等部位會有不同程度的疲勞與損傷。如果瞄準(zhǔn)機(jī)在設(shè)計與安裝時對輪徑、高低機(jī)手輪回轉(zhuǎn)軸高尺寸有附加的限制和約束，優(yōu)化時則應(yīng)結(jié)合約束條件，從相對較優(yōu)的組類中選擇對應(yīng)的設(shè)計方案作為參考。

3 結(jié)束語

本文研究基于人機(jī)仿真技術(shù)，以應(yīng)用層為目標(biāo)、表現(xiàn)層為介質(zhì)、邏輯層為核心、數(shù)據(jù)和知識層為支撐，探索并提出一種系統(tǒng)化的炮手操作姿勢多指標(biāo)評估模型，同時面向模型中的評估數(shù)據(jù)處理模塊開發(fā)了DASGOPE 1.0系統(tǒng)，并以某型牽引榴彈炮瞄準(zhǔn)操作評估為例對模型進(jìn)行應(yīng)用，所得結(jié)論如下：

(1)人機(jī)仿真軟件Siemens Tecnomatix Jack能夠較好地從技術(shù)層輔助和支撐火炮等武器裝備操作中的人體姿勢量化評估研究工作，在該軟件視角下提出的評估模型具有良好的可用性，能夠從多指標(biāo)維度全面、科學(xué)地評估炮手操作的行為姿勢，從而快速、有效、精準(zhǔn)地辨別火炮人機(jī)操控設(shè)備設(shè)計方案的優(yōu)劣，有助于提取最優(yōu)方案以及后續(xù)開展方案的優(yōu)化工作。

(2)將GRA和TOPSIS相綜合，提出灰色關(guān)聯(lián)貼近度算法，結(jié)合灰色接近關(guān)聯(lián)度算法、灰色關(guān)聯(lián)聚類算法，能夠準(zhǔn)確計算和對比方案在同項與多項指標(biāo)下的評估數(shù)據(jù)，為方案的優(yōu)劣排序和組類劃分建立基礎(chǔ)。根據(jù)上述算法與使用邏輯開發(fā)的DASGOPE1.0系統(tǒng)，可提升評估數(shù)據(jù)收集、整序、計算、分析的效率。

(3)實例評估中的方案3相對最優(yōu)，方案11最差，且各評估節(jié)點(diǎn)下的雙手手腕、雙手肘部、軀干、臂部、膝蓋、腳踝部位承載力評估結(jié)果的均值較方案3依次降低約31.06%，0.40%，8.21%，0.51%，0.76%，9.92%。參照方案的優(yōu)劣順序與劃分的組類數(shù)要求，可將12組方案劃分到不同組類，在進(jìn)行牽引榴彈炮瞄準(zhǔn)機(jī)手輪尺寸設(shè)計與決策時，可快速、準(zhǔn)確地指出應(yīng)重點(diǎn)參考的最優(yōu)或優(yōu)選設(shè)計方案。

后續(xù)針對炮手操作中肢體負(fù)荷較大或受力大小和方向持續(xù)變化的行為姿勢評估中，可加入詳細(xì)的人體生物力學(xué)分析，使評估指標(biāo)體系更加豐富，同時對評估模型進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步提升評估的準(zhǔn)確性；另外，可將評估模型適當(dāng)拓展并運(yùn)用到其他類型武器裝備的人機(jī)操作姿勢評估領(lǐng)域。