张东剑,马其华,2,任洪娟,陶 超

(1.上海工程技术大学 汽车工程学院， 上海 201600；2.东华大学 高性能纤维及制品教育部重点实验室， 上海 201620)

赛车驾驶员人机工程舒适性仿真研究

张东剑1,马其华1,2,任洪娟1,陶 超1

(1.上海工程技术大学 汽车工程学院， 上海 201600；2.东华大学 高性能纤维及制品教育部重点实验室， 上海 201620)

大学生方程式赛车(FSC)驾驶员的操作舒适性对保证赛车可靠性、提高比赛成绩起着重要作用，但由于不同驾驶员的个体差异导致操作舒适性很难统一评价。针对这一问题，依据人机工程学理论，以FSC赛车驾驶员为人体模型样本，并考虑到人体关节复杂因素影响，应用模糊理论建立赛车驾驶员舒适性评价系统理论模型。在此基础上，以脚趾关节、踝关节、膝关节、臀关节、躯干关节、肩关节、肘关节、颈关节的舒适度加权和最大为目标，运用遗传算法对各关节的最舒适角度进行全局优化匹配。结果表明：评价结果与人体实际舒适性结果基本一致。这将为乘用车的驾驶舒适性开发提供理论借鉴。

舒适性；模糊推理；评价体系；遗传算法；优化匹配

Abstract: The operation comfort of Formula Student China(FSC)driver plays an important role in ensuring the reliability of the car and improving the performance of the race, however, due to the individual differences of different drivers, it is difficult to unify the evaluation of operating comfort. According to the theory of ergonomics and taking into account the impact of complex human joint factors of FSC driver, using fuzzy inference to establish racing driver comfort evaluation system. The maximum weighted sum of the comfort degree of the joints of the toe joint, ankle joint, knee joint, hip joint, shoulder joint, shoulder joint, elbow joint and neck joint was seen as the goal, and the genetic algorithm is used to optimize and match the most comfortable angle of each joint. The results show that the evaluation results are consistent with the actual comfort of the driver, and the research methods have positive effects on the development of the driving comfort of passenger cars in the future.

Keywords: comfort; fuzzy inference; evaluation system; genetic algorithm; optimize and match

驾驶员的操作舒适性是FSC赛车设计的重要指标，是驾驶员与驾驶室良好匹配的重要内容。合理、舒适的人-机-环境系统相互关系能有效提高驾驶员的操作效率、操作舒适性以及操作安全[1]，对于提高比赛成绩起到重要的作用。

FSC赛车的功能和设计目标较为单一，所以驾驶员的舒适性评价主要集中在躯干关节上，如脚趾关节、踝关节、膝关节、臀关节、躯干关节、肩关节、肘关节、颈关节等。但目前驾驶员舒适性评价方法主要集中在模糊综合评判和关节角度舒适度评估两方面。李鸿炜等[2]利用模糊理论分析乘坐环境，乘员身体振动，乘员生理、心理等因素，并以这些影响因素为对象进行模糊综合评判， 进而提出评价乘车舒适性的综合评判方法。Grandjean[3]在保持头、手、脚的位置相类似的基础上，计算出了人体最佳驾驶舒适度的各关节角度。滕俊章等[4]在关节角度舒适性评估方法的基础上进行改进，提出了一种基于关节力矩的舒适度评估算法。总体上来说，这两类评价方法需要实物样机的支持，成本高，开发周期长，评估的关节角度一般也只涉及部分躯干，未从驾驶员整体协调性的角度进行躯体关节全局优化。

针对上述问题，本文基于人机工程学理论和相关国家标准，应用模糊理论的方法构建了驾驶员人机工程舒适性评价系统模型，并引入遗传算法对脚趾关节、踝关节、膝关节、臀关节、躯干关节、肩关节、肘关节、颈关节的最舒适角度进行全局优化匹配。评价结果能为FSC赛车驾驶室的开发设计提供辅助决策支持，同时其研究方法对乘用车的驾驶舒适性开发具有一定的借鉴作用。

1 基于人机工程学的赛车驾驶员舒适性评价

人机工程学是研究人、机、环境三者之间相互关系的新学科，其研究目的是综合考虑人体生理、能源消耗及环境适应等因素以实现人机最佳状态。FSC赛车驾驶员的人机工程舒适性要求设计人员在设计车辆时，将人的舒适性、安全性与方便性作为车辆设计的核心内容，使驾驶员无需依据车辆调整自己的状态。因此，在评价车辆舒适性时始终以人为核心。

FSC赛车为比赛专用车，车体小、视野广是其一大特点。因此，在评价驾驶员人机工程舒适性时往往集中在身体躯干关节的舒适度上。如图1(a)所示，本文将影响驾驶员人机工程舒适性的因素分为8类：W1、W2、W3、W4、W5、W6、W7、W8分别对应脚趾关节、踝关节、膝关节、臀关节、躯干关节、肩关节、肘关节、颈关节。然而，由于人体的每个关节都可以进行前后转动和左右转动，因此在评价驾驶员人机工程舒适性时还需要考虑每个关节的空间转动，如图1(b)所示(本文以颈关节空间转动为例)。

图1 驾驶员舒适性影响因素

按照层次化的方法建立驾驶员的人机工程舒适性评价指标体系[5]。首先将驾驶员人机工程舒适性评价定义为总体，再将总体细分为若干子项，如脚趾关节、踝关节、膝关节、臀关节、躯干关节、肩关节、肘关节、颈关节舒适角度等8个1级指标，最后将1级指标分为多个2级指标，如关节的左右、上下活动舒适角度等，这样所有的参评项目就构成了一个具有层次的指标树。图2为 FSC赛车驾驶员人机工程舒适性主要评价指标体系。

图2 FSC赛车驾驶员人机工程舒适性主要评价体系

2 基于遗传算法的驾驶员人机工程舒适性模糊评价

FSC赛车驾驶员舒适性评价缺乏客观的标准尺度，在评价过程中容易受到主观因素的影响。在舒适性评价时，不同设计人员、试车员、驾驶员等这些不确定因素之间所感受的舒适性难以一致，不同车型之间的舒适性评价也不尽相同，有可能对同一个设计方案的舒适性评价造成显著差异，亟待研究一种行之有效的评价方法[6]。因此，为提高驾驶员舒适性评价的准确性，本文应用模糊推理的方法建立驾驶员人机工程舒适性评价模型，并运用遗传算法对各关节的最舒适角度进行全局优化。

2.1 模糊评价的引入

在本文所建立的评价指标体系中，假设舒适性评价1级指标集合为W={W1,W2,…,Wn}，其中Wi(i=1,2,…,n)是评价因素，n是同一层级单个因素的个数。舒适性评价2级指标集合Wi={wi1,wi2,wi3,…,win}，其中win(i=1,2,…,n)是1级指标评价子因素，n是同一层级单个因素的个数。

对于每一个子因素win，其权重分配为Ai={ai1,ai2,ai3,…,ain}，其中

由不同1级指标下的2级评价子因素win构成的评价矩阵为Ri，于是单因素模糊推理综合评价为：Zi=Ai×Ri=(bi1,bi2,…,bin)，其中i=1，2，…,8。

将每一个Wi作为一个因素，用Zi作为它的单因素评价，构成评价矩阵，即：

(1)

其中：m表示参考个数；i表示因素个数。Zi表示因素集W={W1,W2,W3,W4,W5,W6,W7,W8}的单因素评判矩阵，每个Wi作为W的一部分，反映了W的某类属性。按各因素重要程度给出权重分配为C={c1，c2，c3，…，ci}，i=8 以及它们各因素的评价结果构成的矩阵Z，这样就可以得出模糊推理综合评价的结果T，T=C×Z。

计算得到T后，按照最大隶属度原则确定评判对象的具体结果，取其最大的评价指标 MaxTk(k=1，2，3,…,m)相对应的评判集P为综合评价的结果，即P=MaxTk。

2.2驾驶员人机工程舒适性评价的等级划定

在只涉及特定驾驶员和路面激励的FSC赛车驾驶员舒适性综合评价中，将驾驶员的脚趾关节、踝关节、膝关节、臀关节、躯干关节、肩关节、肘关节、颈关节的关节角度作为舒适性综合评价中的量化指标，参照Kristian[7]的同一级别目标车乘坐舒适性主观评价方法以及UG人机系统数据库建立FSC赛车驾驶员乘坐舒适性的评价标准。通过在人机系统数据库中改变各关节角度，给出舒适性的主观分值，与客观评价进行对比，结果表明二者具有一致性。本文将舒适性评判集P统一为7级。7级评价指标的量化见表1。

表1 7级评价指标量化

舒适性很好好较好一般分数90～10080～9070～8060～70舒适性较坏坏很坏分数50～6040～500～40

由表1可以看出：在对驾驶员人机工程舒适性评价的过程中，需要对各项指标精确评分。这是一项严格的要求，只有经验丰富的测评专家才能做到，而普通测评人员只能对某项指标做出“很好”“好”“较好”“一般”“较坏”“坏”及“很坏”等模糊评判。如果引入遗传算法对各个关节角度进行优化，训练出各个关节转动角度与评价结果的函数关系，可获得更好的效果。以下将遗传算法理论应用于驾驶员人机工程舒适性评价，通过对已知样本的学习获得测评专家的经验、知识、主观判断及对目标重要性的权重协调能力，从而降低评价过程中人为因素的影响，较好地保证评价结果的客观性。

2.3 基于遗传算法的关节舒适角度优化

在研究FSC赛车驾驶员舒适性的过程中，驾驶员身体的各个关节存在相互关联的变化情况。因此，每个关节角度都不能单独处在最舒适的状态，必须参照人体协调运动趋势将人体的各个关节进行加权求和，同时运用遗传算法对驾驶员各个关节角度进行整体优化。

在优化过程中，采用标准遗传算法的2个原则：Pareto最优保存原则和差异保存原则。如果根据所有的评判标准，一个优化方案x不比另一个方案y差，那么方案x称作对方案y的Pareto支配，至少根据一个评判标准称x绝对比y好。如果研究范围内所有实验点的设置为非Pareto支配，则称作多目标问题的Pareto最优解：表示矛盾目标之间的最佳折中，而且是一个集合[8]。解决多关节角度的优化问题，就是在Pareto最优解集合中选择一个最佳方案，其流程如图3所示。

图3 基于遗传算法的多关节角度优化流程

2.3.1 函数训练

FSC赛车驾驶员的各个关节角度直接影响驾驶员的乘坐舒适性。本文依据测评专家总结数据训练出各个关节角度与驾驶员舒适性评价结果的函数，并绘制函数曲面，如图4所示。

1) 脚趾关节：

(2)

2) 踝关节：

(3)

3) 膝关节：

(4)

4) 臀关节：

(5)

5) 躯干关节：

(6)

6) 肩关节：

(7)

7) 肘关节：

(8)

8) 颈关节：

(9)

2.3.2 优化目标

为使FSC赛车驾驶员的舒适性最佳，本文对驾驶员身体的脚趾关节、踝关节、膝关节、臀关节、躯干关节、肩关节、肘关节、颈关节角度进行全局优化，优化目标为：

(10)

式中：Minαin、Maxαin分别为子集因素win取值角度的最小值与最大值。

当每一个子集因素都算出最佳舒适角度时，依据CORLETT[9]建立的BPD指标确定各子集因素的权重系数，即脚趾关节、踝关节、膝关节、臀关节、躯干关节、肩关节、肘关节、颈关节的权重系数为{0.088,0.102,0.125,0.208,0.247,0.134,0.031,0.065},通过各个关节所占的权重计算驾驶员的舒适程度，其最终的优化函数——FSC赛车驾驶员舒适性评价结果T表示为

(11)

3 优化结果与分析

在遗传进化过程中，每个关节的因素角度win在其取值范围内不断取值计算。在满足约束条件下选择评价结果T最大值的关节角度组合。通过对脚趾关节、踝关节、膝关节、臀关节、躯干关节、肩关节、肘关节、颈关节角度的寻优，得到FSC赛车驾驶员最舒适状态下的关节角度组合，如表2所示。

表2 遗传算法优化结果

驾驶员的各个关节角度组合为表2所示时舒适性评价结果T值最大。然而，驾驶员的操作是一个动态过程，因此各个关节有一个舒适的角度范围：脚趾关节为13°～17°，踝关节为前后85°～100°、左右0°～10°，膝关节为116°～126°，臀关节为38°～48°，躯干关节为55°～65°，肩关节为前后80°～90°、上下72°～82°，肘关节为前后135°～150°、上下5°～15°，颈关节为0°～15°，此时FSC赛车驾驶员处在最舒适状态，且驾驶员视野满足GB11562《汽车驾驶员前方视野要求及测量方法》的规定和要求。

4 结束语

本文以FSC赛车为研究实例对驾驶员的人机工程舒适性进行探索。根据模糊推理建立赛车驾驶员舒适性评价体系，运用遗传算法对脚趾关节、踝关节、膝关节、臀关节、躯干关节、肩关节、肘关节、颈关节的舒适度进行加权计算，同时对各关节的最舒适角度进行全局优化匹配。本研究结果符合实际FSC赛车驾驶员的乘坐需要，其研究方法对乘用车的驾驶舒适性开发具有积极的借鉴作用。

[1] 赵吉波.人机工程学在车辆产品设计中的应用[J].山东冶金,2016,38(2):71-72.

[2] 李鸿炜,肖盛燮,徐进.用多级模糊综合评判理论评价汽车乘坐舒适性[J].公路与汽运,2005(2):1-4.

[3] GRANDJEAN E.Sitting posture of car drivers from the point of view of ergonomics[J].Human Factors in Transport Research,1980,2(3):15-22.

[4] 滕俊章,李焱,吕治国，等.基于虚拟人的驾驶员踏板操作舒适性分析方法[J].系统仿真学报，2009，21(s1):193-196.

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[6] 张君.基于模糊数学的梭车驾驶室设计评价研究[J].煤矿机械,2015,36(4):292-294.

[7] ISO 2631—1—1997.机械振动与冲击人体处于全身振动的评价第1部分:一般要求[S].

[8] 张林家.基于Pareto遗传算法的多目标优化[J].鞍山师范学院学报,2008,10(4):44-46.

[9] CORLETT E N,BISHOP R P.A Technique for Assessing Postural Discomfort[J].Ergonomics,1976,19(2):175-182.

(责任编辑刘 舸)

SimulationStudyonErgonomicComfortofRacingDrivers

ZHANG Dongjian1，MA Qihua1,2，REN Hongjuan1，TAO Chao1

(1.College of Automotive Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201600, China； 2.Key Laboratory of High Performance Fibers & Products, Ministry of Education, Donghua University, Shanghai 201620, China)

2017-04-01

高性能纤维及制品教育部重点实验室开放课题资助项目(E2-6203-16-09-(2016)NO.2)

张东剑(1991—)，男，硕士研究生，主要从事汽车性能研究，E-mail:d.j.zhang@qq.com； 通迅作者 马其华(1980—)，男， 副教授，主要从事汽车性能仿真与优化研究，E-mail:mqh0386@163.com。

张东剑,马其华,任洪娟，等.赛车驾驶员人机工程舒适性仿真研究[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2017(9):22-28.

formatZHANG Dongjian，MA Qihua，REN Hongjuan,et al.Simulation Study on Ergonomic Comfort of Racing Drivers[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(9):22-28.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.09.004

TB24；U462

A

1674-8425(2017)09-0022-07