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汽车产品开发中的人机工程学建模与优化

摘要

我们为汽车业务收集符合人体工程学的规则和规范的规则考虑，并且为汽车业务对这些活动建模通过创建的特殊UML语言VDML(车辆开发建模语言)。从这些集成在产品开发活动中的高层次过程愿景，可以实现与减少时间、活动过程质量以及使用过去经验相关的多种改进。我们还打算定义符合人机工程学的相关模板，这些模板反映了标准的人机工程学工作例程，将其纳入CAD应用中，提高了人机工程学过程的参考点，并使过程优化达到了深入的UML高层视觉。在此过程中，我们还定义了一个基于OWL(本体Web语言)标准的人机工程学本体(EOL - ergonomics ontology Language)。

关键词:本体，知识检索，协同，CAD，人机工程学，建模。

1. 介绍

新产品(如新车、新飞机等)的开发是一项复杂的任务，具有不确定性和可变性。它需要不同领域的专家合作，对涉及的几个方面进行一般和具体方面的分析，包括品牌定位、目标市场、客户需求、成本、风格和性能属性、特定的公司目标级联和自然的一致性规则等 [1,2,3]。研究表明，产品制造成本的70%以上是由产品设计阶段的决策决定的[4]。从启动网关开始，通过对新车的需求，建立基本的程序可行性，设计的早期阶段要兼顾造型和性能。当造型师通过绘图或虚拟草图来关注美学时，工程师通过特定的数字模型来准备基本的车辆组织。选择内外包装尺寸的关键要素和主要模块及部件的初步位置，验证人机工程学和一致性规则。然后进行虚拟仿真，以检查设想的设计是否能在各种预期的使用情况下工作，从而满足客户和可行性约束。这意味着不同的设计者和设计循环之间的相互作用直到基本的检查在开始详细的产品设计前都是满意的。此外，这不仅提出了一项建议，而且还提出了一些备选方案，这些方案的可行性方面必须加以评价。

汽车行业的高强度竞争迫使企业需要尽量最小化变化，这意味着在不进行重大变化的基础上生产新车型，以降低成本。强烈依赖于过去的经验的样式和分析:收集过去的解决方案经常发生,可能使来自不同的项目用新构想部分组合在一起的第一个版本他们完善规范的新车被认为是在详细设计。为了加快这一阶段的评估过程，同时使用了不同种类的数据和数字表示(如表面、简化的组件体、2D切片和人机工程学规则)。

这种预设计活动通常需要3-6周甚至更长时间，因为检索和调整现有数据以适应独立使用的不同软件工具的需要需要时间。事实上，现有的汽车可行性分析包(机械、人体工程学、法规、基准数据库等)通常不是在一个定义在惟一的环境和未完全集成与CAD系统中的。除此以外，目前对过去经验的检索依赖于公司产品数据的组织方式，而缺乏能够捕获隐含在过去项目数据中的知识的工具。信息保存和检索可以避免公司内部循环的高成本。

1. UML和本体语言

UML已经成为软件行业的主导语言，并且已经是一个对象管理组(OMG)标准。它代表了一组在大型复杂系统建模中被证明是成功的最佳工程实践。OMG正在为信息技术的国际标准化提出UML规范[5]。广泛的认可和接受，通常会扩大基于它的产品的市场，这将是主要的好处。因此，特定的主题(例如车辆设计过程)需要使UML模型更加具体化，从而变得更加精确。这可以通过使用原型(因为它们是UML第二版固有的扩展机制)作为向现有模型元素添加必要信息的方法来实现。随着模型驱动体系结构(MDA、[6])和生成式编程方法的思想得到了特别的关注，这些方法也越来越受欢迎。UML的使用有两种意义:(1)业务流程建模;(2)软件过程建模。一个车辆开发的设计流程建模专门描述活动如何与其他设计流程的活动交互和关联，同时支持业务的运行。也可作多种用途，例如全面概述整个活动及过程，以促进人类的理解及沟通(许多外部角色参与这些工作:经销商、保险公司、国家监管等)，通过业务流程分析与仿真支持流程改进与再造[7,8]，自动化业务流程执行[9,10]，保持流程与支持系统[11]的一致性，促进业务与系统的协调发展。此外，UML还用于详细说明将为XMI和XIS（XML信息系统）插入的高级软件规范作为基于XML(可扩展标记语言)的交换格式。本体是一个数据模型，它表示一个域中的一组概念(在本例中是人机工程学规则和新产品开发中的概念)以及这些概念之间的关系。语义web体系结构是一种功能性的、非固定的体系结构[13]。Barnes-Lee定义了三个不同的层次，逐步引入了表达原语:元数据层、模式层和逻辑层[14]。XML和XML模式定义语法，但对它所描述的数据没有任何意义。这意味着必须在描述数据语义的XML之上构建一些标准。这对RDF和元数据层RDF模式中的通用模型进行了指导，RDF模式提供了定义声明的属性和其他资源之间关系的机制。为了在逻辑层上为语义web启用服务。该层引入了本体语言，这些本体语言基于底层定义的元建模体系结构。这使得使用具有通用推理支持的工具成为可能，而不依赖于特定的问题领域。这些语言的例子有OIL(本体推理层)、DAML (DARPA代理标记语言)、OWL和VCO。OWL是一种语义标记语言，用于在web上发布和共享本体。OWL是RDF的一个词汇扩展，由DAML和OIL[15]派生而来。

我们打算用一个领域UML概要文件来探索领域本体，以建立:(1)通用符号和标准;(2)改进和缩短开发过程的时间;(3)在CAD程序中集成自动或半自动新的人机工程学考虑。我们建议在新产品设计中应用软件工程师已知的技术和方法，并尝试将人机工程学和通常在设计后期手工执行的规范规则、在CAD工作环境的初始阶段自动或半自动执行的规则结合起来。

1. VDML和EOL

VDML - 新车辆设计UML概要文件(VDML):为新车辆流程开发专门创建的新概要文件的目的是捕获此活动流程中涉及的特定概念，并提供适当的符号。在UML的基础上，提出了一个基于如图1所示特定的原型的汽车工业元模型。新车设计的主要模式是:(1)laquo;活动raquo;，由参与者执行，并通过资源和信息进行操作;(2)laquo;参与者raquo;，即能够执行活动所需动作的某人(人类参与者)或某物(自动化参与者，例如信息系统或生产机器);参与者属于组织单元(部门)(3)laquo;资源raquo;是一个活动的输入和输出，它表示由人类参与者操作的材料、信息系统等事物; (4)laquo;信息raquo;也是活动的输入/输出;(5)“目标”表示组织打算实现的可度量状态;(6)“测量”;(7)“警报”。有关详细描述，请参见[1]。应用程序和数据库有很大的多样性。这些数据库通常是从特定应用程序的角度创建的，而不是从更广泛的公司范围的角度创建的，这使得跨不同应用程序的重用变得困难。由于这些困难，开发人员倾向于创建与现有数据源有一些语义重叠的新数据源。对于特定的应用程序，这可能是一个有效的解决方案——但是从公司的角度来看，这是最糟糕的解决方案。

EOL（人体工程学本体语言） - EOL的目标是结合现有的工效学数据源，并基于OWL标准创建一个知识空间，如图2所示。我们将语义信息集成应用于解决了异构工效学方法在CAD参数化应用中的集成问题。EOL创建了信息架构来支持定位和访问可用的人机工程学信息。为了实现这种方法，我们必须集成异构数据源，并为用户提供不同数据模式的统一视图，以便进行浏览和查询。数据的意义在中心本体中捕获，数据源中的数据通过创建数据源与本体之间的映射来赋予意义，图3通过三个操作说明了映射操作: (1)转换XMI中的本体。在我们的案例中，我们使用企业架构(EA);(2)格式转换为XSL，面向EOL;(3)基于EOL和VDML语言，基于预定义模板进行转换。所有这些源都必须集成到信息体系结构中。图4描述了EOL是如何组织和构建的一个小示例，其中划分了基于使用者或组件的主要人机工程学研究。在这个层次下，我们定义了主要的人机工程学过程检查和他们的组件在一个预先定义的结构上。有关此过程的更多信息可以在[16]中找到，在那里我们探索了车辆企业领域本体(VCO)，并可以导出EOL。

1. 人体工程学过程建模

利用UML语言派生语言(VDML-Vehicle design Modeling language)[17]我们已经描述了新型车辆的高级设计。现在，我们打算通过使用VDML(允许高级视图)和创建一个参数化的统一软件工具来改进业务流程活动，该工具集成在一个环境中，在高级设计车辆流程的早期阶段集成了多个程序。在[18]中已经描述的主要活动，我们提出了一个通用的可行性计划研究，将包括以下人体工程学和规范活动，通常在新产品开发的后期进行。基于VDML，对新产品开发活动进行了描述和改进。对这些活动的详细分析见[17,18]。本文将以人机工程学建模活动为重点，将其自动集成到CAD活动中:

2D人体模型函数，如图5所示，创建一个2D(侧视图)人体模型，您可以使用它来检查姿态。大小和姿势取决于所选择的人体模型人口百分位数和人体模型类型(即司机或乘客)。根据SAE J833 (SAE - Society of Automotive Engineers)，您可以在车辆开发过程的早期使用2D人体模型进行乘员包装研究。在进一步的工作阶段，3D人体模型将被开发出来；如图6所示，允许对符合各种政府和监管标准的汽车进行认证。

睫毛特征，您可以创建一个表示驾驶员眼睛位置的睫毛特征，该特征由人口统计样本定义。您还可以创建代表头部轮廓和EEC视觉点的功能。Eyellipse是eye(眼睛)和ellipse(椭圆)这两个词的缩写，它描述了一个从统计学上推导出来的椭圆模型，用来表示道路车辆中驾驶员眼睛的位置。还有一些其他的车辆设计活动需要输入一个睫毛功能。这些包括挡风玻璃视觉区，直接视野，仪表板可视性和镜子认证。这个活动的输出是：1-3D椭球体，表示人口统计样本的左眼、右眼和中眼位置;2个头部轮廓，3个视觉点。

镜像认证，如图7所示，宏将认证和分析内后视镜和外后视镜的性能;镜像认证向导允许您在认证前对汽车驾驶员和乘客侧、内外后视镜进行分析，或者验证现有镜像设计的性能。您可以生成描述后视镜几何视场的视觉光线和线条。这些视觉光线和线条符合多个国家和地区内、外后视镜的国家标准。

挡风玻璃视觉区，如图8所示，活动允许您验证挡风玻璃和雨刷系统设计是否符合已建立的车辆标准。您可以基于SAE和ECE(欧洲)标准在挡风玻璃上生成测试区域。该程序创建实际挡风玻璃擦除面积，并计算实际擦除面积的百分位数，并根据标准进行检查。可以在挡风玻璃上生成测试区域和擦除区域，然后根据SAE标准或欧洲经委会条例计算和验证擦除区域的百分比。

直接视场，如图9所示，直接视场计算单个驾驶员的双眼视觉区域。您可以在车辆开发过程的早期使用此选项来计算单个驾驶员或一组驾驶员的双眼视觉区域。这可以让你检查视角是否在可接受的范围内。您可以通过定义眼睛/头部旋转或指定一个光圈来限制视野范围。这些区域依赖于眼点或眼睫毛(眼睫毛考虑了车辆类型和驾驶员人口百分比)。输出是一个直接视场的特性，它允许您为视图几何字段指定所需的显示选项。

驾驶员选择的座椅位置线，如图10所示，描述了特定百分比的驾驶员将他们的可调座椅放置在何处。您可以使用座位线作为设计工具来估计目标驾驶员群体的座位位置和座位行程长度。您还可以使用这些行来预测给定座位旅行提供的住宿水平(SAE J1516和J1517)。

仪表盘的可见性，如图11所示，宏将计算仪表板被方向盘和智能开关杆遮挡的可见和不可见的同调区域。这决定了车辆设计是否符合SAE J1050标准的建议，该标准描述了仪表板的最低强制驾驶员视图。作为该活动的输出，得到的输出结果为:1-仪表盘模糊曲线;2-转向轮视觉面;3、智能开关视觉面;4 .智能开关模糊曲线。

1. 计算机辅助设计工程师的活动

工程师活动，如图12所示，定义了车辆的设计，特别注意人机工程学、功能和一致性的要求。演示从2D图片或说明(如设计)解释和开发模型的能力。作为输入，本主要活动有:(1)指导方针:即产品评价活动给出的主要特征的规格清单;(2)基准与拆卸数据库:包含基准产品信息的数据库，可作为模型使用;(3)其他活动:该输入是迭代开发过程的一部分，可能作为条目出现多次。表示CAE活动等其他活动提供的信息，关于加强接近和执行安全规则，以便更好地保护乘客;(4) CAS Eng活动:对最终产品的形状和指导方针进行概述。辅助CAD活动的CAD软件(如Catia、Unigraphics等)如[5]所示，该软件自动嵌入人体工程学和同调问题。本次活动的目标是绘制汽车部分;(5)测量:该过程将根据活动所花费的时间、表面间隙、符合性不合格、一般集成、人体工程学和一致性问题、重心、重量和稳定性等预定义目标，检查CAD活动输出。这些度量上的失败可以产生两种类型的警报:(1)对产品开发团队和CAD Eng突出显示的较小的、较小的影响问题;(2)向产品开发团队和产品经理强调可能使项目面临风险的重大关键问题。

1. 结论

所描述的方法具有动态的投标优势，并且在VDML(如UML)中描述的新的人机工程学过程可以很容易地、几乎自动地集成到CAD参数化设计工具中。人机工程学过程应该通过使用VDML和EOL进行高层次的分析来改进，EOL允许从不同模式的人机工程学数据库中集成数据。从模型中，程序脚本(Visual Basic或C )将使用适当的API开发并集成到参数化CAD设计工具中。这些脚本是特定CAD应用程序的功能，但是可以开发从一个CAD参数系统到另一个参数系统的转换脚本。这种方法有潜力成为一种交互式、多用户、多学科和综合的工具，可用于任何主要的汽车OEM和供应商，以及各大学作为教学和教学辅助工具，用于车辆设计。该模型需要关键的输入参数来定义将要设计的新车的类型——根据其预期的驾驶员/用户数量、车辆类型以及与车身大小和比例相关的一些关键的内外尺寸等细节。该模型计算并图形化地显示内部包、驾驶员控制和显示的人机工程

资料编号：[4394]