混合感性工学驱动的舱内人机设计与评价方法研究

摘要

任何设计活动的最终目的都是为人服务的，现代设计要本着“以人为本”的理念。设计不仅要满足人的生理需要，还要满足人的心理需要。近年来，我国围绕飞机驾驶舱操纵器和显示器等重要装置功能需要的布局、造型和色彩的设计及评价，大都是针对人体生理方面的研究，主要以人的可达域、可视域、疲劳程度等人机的角度作为出发点，往往轻视，甚至忽视了偏向人心理作用的情感因素，而情感因素同样会影响驾驶的效率与误操作率。另外，对舱内色彩设计的研究也非常少。因此，在对舱内布局、造型和色彩进行系统设计与评价时，人的心理因素同样应该作为研究重点。　　感性工学是将感性和工学相融合的技术，是基于人的感性因素来设计和制造产品的理论与方法，是在人机工程学的基础上发展起来的新兴学科。与人机工程学一样，感性工学也是较为适应“以人为本”理念的学科，但与人机工程学不同的是感性工学更为关注人的心理因素，感性工学与人机工程学相结合就能够较为完整地考虑设计中使用者的感性心理问题。混合感性工学是由正向式感性工学和逆向式感性工学共同构成的一种可双向转译的感性工学系统，比较适用于考虑使用者感性因素对复杂项目的设计与评价。目前对感性工学的研究与运用仍处于新兴阶段，感性工学和人机工程学相结合的研究还很少，混合感性工学至今还没形成较为成熟的研究方法。将混合感性工学应用于飞机驾驶舱人机设计和将感性因素融入到飞机驾驶舱进行人机评价是本文的重要尝试，不仅是对我国飞机驾驶舱设计研究领域往往存在的轻视人的情感和心理因素问题的一点修正，也是对感性工学尤其是混合感性工学研究还比较薄弱现状的有益补充。　　本文应用混合感性工学与人机工程学的相关理论，从工程实际应用的角度出发，探索出一种同时满足飞行员心理需求和生理需求的设计与评价方法。本文构建了一种新的双向式混合感性工学模型，其构建方式与现有的混合感性工学模型有所不同，用途也有所创新，更适用于飞机驾驶舱的舱内设计。现有的混合感性工学模型主要用于较为简单的产品设计，如手机设计，机床设计等，而且现有的混合感性工学模型中的正向式感性工学模型只有设计用途，逆向式感性工学模型只有反向推理的设计验证用途，这种模式难以满足飞机驾驶舱这类复杂舱室的设计需求。本文根据飞机驾驶舱的特殊性与复杂性的设计特点，构建了新的混合感性工学模型，其中的正向式感性工学模型虽然仍旧只具有设计用途，但逆向式感性工学模型同时具有设计与设计验证这两种用途，这样就能够较好地解决复杂的舱内设计问题。另外，鉴于现有的混合感性工学模型双向转译特点完全由人工智能算法实现，人感性因素不确定性和不稳定性的大小难以估算和调整，本文构建的混合感性工学模型针对这方面进行了改善，所采用的构建混合感性工学模型的方法与现有方法也有一定创新。　　本文开展混合感性工学驱动的舱内人机设计研究，是在构建混合感性工学模型与人机工程学模型的基础上，对飞机驾驶舱舱内布局、造型和色彩设计展开的研究。同时，本文基于感性工学，开展了对混合感性工学驱动的舱内设计方案的人机评价研究。本文主要分为三大部分进行研究并展开论述。　　第一，构建混合感性工学模型与构建人机工程学模型。首先，采用遗传算法改进BP神经网络和自适应权重改进的粒子群算法，构建正向式感性工学模型，并且与未改进的算法和常用算法进行了对比，凸显了本文改进的优越性；其次，采用专家咨询法，多元回归分析构建了逆向感性工学模型；最后，基于几何和力学关系构建了驾驶姿势的人机工程学模型，并且基于人眼可视域、人体可达域、人体上肢运动分解构建了人机约束模型。　　第二，基于混合感性工学进行了舱内人机设计，包括布局、造型和色彩设计。其中，提出使用基于改进BP神经网络和改进粒子群算法构建的正向式感性工学模型，建立了感性意象到设计元素的映射关系；提出使用多元回归分析构建逆向式感性工学模型，建立了设计元素到感性意象的映射关系；并且采用专家咨询法构建的逆向式感性工学模型，验证了正向式感性工学建立的映射效果。　　第三，基于感性工学进行了人机评价方法的构建。首先，基于眼动设备设计了不同的配色方案，进行了心理和认知评价分析；其次，运用Delphi排序改进了AHP-Fuzzy，人体三维扫描实验，建立了人机虚拟评价模型；再次，采用肌电仪和坐垫压力设备，在座椅和脚蹬处于不同相对位置的情况下，对人体下肢进行了数据采集和对座椅进行了压力测试，基于均方根值和压力变异系数进行了方差分析，提出了评价坐姿舒适度的方法；最后，采用多属性决策较好地解决了复杂驾驶舱的综合评价问题。　　本文构建了新的混合感性工学模型，提出了舱内人机设计的新方法，解决了目前舱内设计对人的心理因素分析不足的问题，有助于对飞机驾驶舱这种复杂舱室进行系统化的舱内布局、造型和色彩人机设计。本文结合感性工学，基于人机实验仪器和人机工程分析软件采集到的数据，提出的人机评价，有助于筛选出最优设计方案，为飞机驾驶舱的前期设计提供参考借鉴。本课题来源于中国航空工业第一飞机设计研究院的工业设计项目，×××××驾驶舱人机工效评估与设计改进课题。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 舱内人机系统研究

1.3 混合感性工学及其研究方法

1.4 研究目的和意义

1.5 研究内容与结构框架

2 舱内设计与评价的难点和求解思路

2.1 飞行员的心理和生理特征分析

2.2 舱内设计与评价的难点

2.3 求解思路

2.4 本章小结

3 舱内混合感性工学和人机工程学模型的构建

3.1 舱内正向式感性工学模型的构建

3.2 舱内逆向式感性工学模型的构建

3.3舱内人机工程学模型的构建

3.4 本章小结

4 基于混合感性工学的舱内人机设计

4.1 舱内设计的前期工作

4.2 混合感性工学模型驱动的人机布局优化设计

4.3 混合感性工学模型驱动的人机造型设计

4.4 混合感性工学模型驱动的人机色彩设计

4.5 本章小结

5 基于感性工学的舱内人机评价研究

5.1 心理和认知评价

5.2 人机虚拟评价

5.3 坐姿舒适度评价

5.4综合评价与验证

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 主要研究工作与成果

6.2 主要创新点

6.3 未来工作展望

参考文献

附录A：构建混合感性工学模型的部分代码

附录B：布局优化设计自适应权重粒子群部分代码

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文和参加科研情况

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