基于JACK的某自行高炮乘员舱人机工效评估

王华亭，田 宇，程广伟，王普毅，汪立国

(1.西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099；2.陕西通家汽车有限责任公司，陕西 宝鸡 722405)

自行高炮乘员舱是车长和炮手操控火炮的场所，在战斗状态时，车长和炮手需要进行各种信息观察、状态监控和频繁操作控制。由于乘员舱内空间狭小、控制和显示装置繁多、使用环境较恶劣。乘员舱内设备布局是否满足可达性要求，操纵机构操纵力是否适宜，座椅的设计是否满足舒适度要求，将直接影响到车长和炮手的作战效率，也关系到整个武器系统能否安全、可靠和稳定运行[1]，因此，对乘员舱进行工效评估具有非常重要的意义。

传统的工效评估一般利用人机工效评估专家对样机进行预先评估和有经验的操作手进行实际操作评估相结合的办法。这种评估方法具有耗费资金多、周期长、指标选择随意和人为干扰因素大等诸多弊端。JACK软件是一款优秀的虚拟工效评估软件，可为各种乘员舱进行有效的工效评估。这种评估方法，具有修改方便、成本低、研制周期短和工效评估内容强大等优点，已经在飞机座舱和汽车驾驶室的工效评估、导弹装卸虚拟仿真评估和航天舱出舱活动等方面取得很好的应用效果[2-3]。本文利用JACK软件工效评估功能，对某自行高炮乘员舱进行工效评估。

1 虚拟人的创建

JACK最强大的功能就是能够精确地建立不同尺寸的人体模型。JACK创建的人体模型包含68个关节点、69个节段、135个自由度、脊柱有17段、手有16段，逼真的肩膀/锁骨关节模型。JACK有两种人体模型创建模块，基本模块(Basic Scaling)和高级模块(Advanced Scaling)。在基本模块中，可以建立身高和体重为P5、P50、P95的人体模型，同时也可以指定特定身高、体重和人体模型的类型(男、女或小孩)。在高级模块中，可以指定26种人体测量学数据来建立人体模型。

图1为利用JACK软件和GJB2873-1997[3]创建的我国18～25岁男性人体模型，从左向右依次为P95、P50、P5的虚拟人。

2 乘员舱优化和评估模型的建立

某自行高炮UG模型在存储和打开时，占据了较大的硬盘和内存使用空间，常出现死机或内存不足等问题，无法将模型快速地导出，因此，对模型的优化处理就显得非常必要。该优化方法就是根据实际需要删除掉不影响工效评估部件，增加需要评估的部件模块。优化后，模型具有能够快速地在UG软件环境下打开、并能够实现模型易修改和易转换成其他软件格式等特点，进而方便做工效评估研究。

某自行高炮的乘员舱模型为UG软件制作的.prt格式，在JACK中不能直接打开，需要进行格式转换，即将.prt格式导为.jt格式。.jt格式在JACK中可以直接打开，也可以运用格式转换器将其转换成.fig格式。由坐标变换可知，乘员舱.jt格式转换为中间.fig格式要绕X轴旋转-90°，其中，图2是UG坐标系和JACK坐标系的相对关系(本文在后面论述中的坐标均指JACK坐标系)。

3 乘员舱人机工效评估

3.1 乘员舱布局

某自行高炮为双人炮塔，乘员舱内布置如图3所示。车长座椅位于乘员舱左侧，炮手座椅位于右侧，操控台位于车长和炮手座椅正前方；方向机为2台(双驱动)，左方向机具有手动-机动转换手轮箱，右方向机只有机动功能。两台方向机沿乘员舱纵轴线布置，分别安装在车长右前方和炮手前方；高低机主传动箱安置在火力舱内，通过万向联轴节连接到乘员舱内，手动-机动转换手轮箱安装在火力舱和乘员舱之间的隔板上，位于车长、炮手座椅中间；高低行军固定器位于车长座椅左上方，安装在炮塔左侧内壁上；方位行军固定器位于车长座椅左前下方，安装在乘员舱底板上。车长镜位于车长正前方，安装在操控台顶面上；方向机、高低机手-机动转换手轮箱，一般只在高炮装调、检查和维修过程中使用。

3.2 座椅工效评估

原乘员舱座椅高低前后方向不可调整，仅可绕y轴旋转。使用JACK软件工效评估分析后发现，当车长利用车长镜观察外部战场环境时，P50、P95的虚拟人需要低头、弯腰，P5的虚拟人需要抬头挺腰进行操作；当车长或炮手操作方向机时，P5、P50、P95虚拟人需要低头、弯腰，虚拟人的躯干、腰部弯曲角接近弯曲极限值，虚拟人的头部容易碰撞操控台底面。基于上述分析，原座椅基本满足可达性和操作性要求，但不满足舒适度区域使用要求，座椅高度方向应该设计为可调整的。

图4为虚拟人的Bottom_head.sight点，图5为lower_torso.crotch点。将lower_torso.crotch点约束在座椅中心点，最舒适坐姿应满足的条件是人体模型的Bottom_head.sight点与设计眼位点重合[4]，向上调整量应满足虚拟人Bottom_head.sight点与车长镜中心点重合，向下调整量应满足虚拟人手部关节达到左方向机手柄处于最下端的情况。

表1为利用3种人体模型测得座椅高度、前后移动量，其中y1为最舒适坐姿时的座椅高度，y2为观察车长镜时的座椅高度，y3为操作左方向机手轮的座椅高度；将坐标原点置于原座椅中心点，测得z1为最舒适坐姿时的座椅前后移动量，z2为观察车长镜时的座椅前后移动量，z3为操作方向机手轮时的座椅前后移动量。由表1知，乘员舱座椅高度范围为231～489.8 mm。乘员舱座椅向前调整量为16.3 mm，向后调整量为55.3 mm，前后调整量几乎对虚拟人的操作没有影响，最舒适坐姿操作时，座椅向后调整量为50 mm左右，建议将安装位置向后调整50 mm。

表1 座椅高度和前后调整量

3.3 操控台工效评估

3.3.1 操控台可达性的评估

P5虚拟人身材较小，采用P5的虚拟人坐姿操控进行操控台可达域判断。将P5的虚拟车长、炮手Bottom_head.sight点置于设计眼位点，分别创建车长、炮手手部关节最大可达域的包络域，如图6所示，除左上角和右上角操控盒的几个按钮不可达之外，公共部分的按钮车长和炮手均可达，操控台其他按钮、开关均在最大可达域内。车长操纵杆和炮手操纵杆均在最舒适可达域范围内。

3.3.2 综合信息显示器可视性评估

综合信息显示器是自行高炮获取目标、跟踪和系统工作状态等信息的主要显示装置，应处于最佳视区和视距范围内。在其左、右边界中心选取A点、B点，上、下边界中心选取C点、D点，O为眼位点，如图7所示，a1、a2为左右水平视角、β1、β2为上下垂直视角。

从JACK软件中得出眼位点O、A、B、C、D点坐标，经过计算得出了当前布局和座椅调整之后车长的水平视角和垂直视角值，如表2所示。座椅调整后，垂直视角在MIL-STD-1472F[5]规定的最佳视野范围内，水平视角超出了眼部转动时最佳视野范围，但满足头部转动时(左右各60°)的要求。

表2 水平视角和垂直视角

3.3.3 操控台视角评估

与计算综合信息显示器视角同样的方法，计算出调整布局后，车长观察操控台上最左边指示灯的水平视角34.6°，操控台最右端“故障/状态”指示区水平视角49.7°，满足头部转动时水平最大视野所规定的要求。最上端指示灯垂直视角为14.7°，最下端的指示灯垂直视角为向下47°，满足头部转动时(向上55°向下50°)的要求。

3.4 高低机手轮的工效评估

P5、P50、P95虚拟人正常坐姿下，手部关节无法操控高低机手轮。在评估高低机可达性时，选择P50人，需要将车长座椅绕y轴顺时针旋转90°，将虚拟人的手掌固定到高低机手轮上，在其处于舒适状态下，形成肩、肘、腰、臀、膝盖和脚踝的最大可达域。经分析，高低机手轮不可达。因为高低机手轮不可调整，所以只能调整座椅的高度。当座椅高度为250 mm，躯干弯曲角为39°，高低机手轮处于舒适性可达域范围内。

3.5 行军固定器的工效评估

P50虚拟人在操作高低行固定器时，需将车长座椅绕y轴逆时针旋转60°，座椅高度设置为最舒适高度。车长坐姿下，其头部和肩部容易碰到高低行军固定器。为避免车长头和肩部被碰撞，建议将高低行军固定器安装在车长左侧偏前的舱壁上。

P50虚拟人在操作方位行军固定器，需将座椅高度调整到255 mm，头部需在操控台的下面并弯腰方能操作，头部容易被操控台磕碰，建议设计辅助机构，将辅助机构布置到车长易于操作的左侧操控区域内。

4 结束语

本文运用JACK软件的人机工效评估功能，评估分析了某自行高炮的乘员舱，经过评估得出以下结论：

1)乘员舱布局基本符合人机工效要求，操控台所有按钮、开关均满足可达性要求，综合信息显示器处于上下最佳视野内，其他部件均在最大视野范围内。

2)座椅应设计为高低、前后方向可调整的座椅。本文给出了最佳座椅高度，同时，将座椅安装位置向后调整50 mm。

3)建议：将高低行军固定器布置车长左侧操控区域内；方位行军固定器设计辅助机构，将其布置在车长左侧操控区域内。

4)该人机工效评估方法，也可应用于各类武器装备乘员舱的优化设计和工效评估分析。

[1] 谈乐斌.火炮人机工程学[M].北京:兵器工业出版社，1999.

TAN Le-bin. Human machine engineering of gun[M].Beijing：The Publishing House of Ordrance Industry，1999.(in Chinese)

[2] 马智，薛红军，苏润娥.基于JACK的人体建模与人机工效分析[J].航空计算技术，2008，38(1)：98-100.

MA Zhi，XUE Hong-jun，Su Run-e.Human-modeling and analysis of ergonomics based on jack[J].Aeronutical Computing Technique，2008，38(1)：98-100.(in Chinese)

[3] 顾辉，谈乐斌，潘孝斌.基于JACK的某车载炮装填过程仿真研究[J].人类工效学， 2011，17(4)：48-51.

GU Hui,TAN Le-bin,PAN Xiao-bin.The simulation of truck-mounted artillery filling based on JACK software[J]. Chinese Journal of Ergonomics， 2011，17(4)：48-51.(in Chinese)

[4] 苏润娥.基于虚拟设计的民机驾驶舱工效布局评价[J].航空计算学报，2008，38(1)：69-72.

SU Run-e.Ergonomic assessment for cockpit layout of civil aircraft based on virtual design[J].Aeronutical Computing Technique，2008，38(1)：69-72.(in Chinese)

[5] Department of Defense.MIL-STD-1472F Design criteria standard of human engineering[S].Philadelphia PA：Navy Publishing and Printing Office,1999:16-18.