司钻控制房视觉工效评价研究*

邓 丽，余隋怀，初建杰，张婉玉

(1.西北工业大学工业设计研究所，陕西 西安 710072;2.西南石油大学机电工程学院，四川 成都 610500)

司钻控制房视觉工效评价研究*

邓 丽1,2，余隋怀1，初建杰1，张婉玉1

(1.西北工业大学工业设计研究所，陕西 西安 710072;2.西南石油大学机电工程学院，四川 成都 610500)

针对传统视觉工效评价中人工计算和作图误差的问题，在分析人体视野特性的基础上，引入了汽车视野设计原理中的眼椭圆和H点，结合计算机辅助人机工程设计技术，建立了石油钻机司钻控制房视觉工效评价模型。以CATIA作为二次开发平台，采用VB编制了司钻控制房视觉工效评价系统，实现了准确和快速定位不同百分位数人体模型眼位。最后，通过实例说明了系统的实用性，满足了司钻控制房人机界面布局可视化评估的要求。

眼椭圆；H点；CATIA；视觉工效；司钻控制房

1 引言

司钻控制房是石油钻机的控制中枢，被业界誉为石油钻机的“驾驶室”。钻机开钻后将昼夜不停地运转，工人们轮班作业。司钻员在司钻控制房内采用坐姿的工作姿态，主要观察前方控制台的显示仪表，其次观察平台上井口的工作情况。司钻员视域在水平和垂直面存在最佳、较好和极限工效区域，钻井信息显示位置必须与司钻员的视域相匹配。视觉是信息处理中最重要的感觉通道，约有80%以上的信息是由人的视觉获得。司钻员通过司钻控制房的人机界面获取信息，人机界面是否布置在合理的视区范围内，将直接影响到司钻员的视觉生理感受和钻井过程的安全。

在视觉工效评价方面，研究集中在飞机座舱、轿车驾驶室以及挖掘机和卡车等工程机械驾驶室的评价[1,2]。尤其是随着汽车技术的发展，汽车人体工程学的研究成果日益成熟。为了确保汽车驾驶员具有良好的视野，美国机车工程师协会SAE(Society of Automotive Engineers)在1977年发布了SAE J941眼椭圆标准，并在2010年公布了最新版本[3]。Cho Y H等人[4]提出在汽车驾驶过程中开阔的视野能降低驾驶的潜在危险，并通过对A柱障碍角的研究提出了解决措施。葛安林、黄金陵、任金东等人[5～7]研究了汽车视野设计原理和方法，提出了适合不同驾驶员群体眼椭圆统计方法，车身布置中H点的优化方法。

传统的汽车人机关系研究中，使用二维眼椭圆进行设计评价。随着计算机技术的日新月异，计算机辅助人机工程设计也得到了进一步的发展。数字人体模型的研究已经趋于成熟，将人机工效研究成果计算机化是人机工程学未来发展的趋势[8,9]。视觉工效评价作为司钻控制房布局设计中的一个重要环节，关系到人机系统的安全性，但是目前业界尚未有司钻控制房视觉工效评价标准。由于司钻员的工作姿态与B类汽车(重型卡车)驾驶员的驾驶姿态相似，因此，提出在司钻控制房的视觉工效评价中，引入较成熟的汽车人体工程学原理[10,11]与SAE标准中的眼椭圆和H点的概念，并探讨了如何根据司钻具体情况进行修正，以及如何开发出适合司钻员视觉工效评价的系统和应用方法。

2 评价原理

眼椭圆是汽车视野设计的重要基准[12]。SAE J941定义眼椭圆是指汽车驾驶员按照自己的意愿调整座椅，并以正常的驾驶姿势入座，眼睛位置在车身坐标系中的统计分布图形。驾驶员眼椭圆代表了一定群体的驾驶员在正常驾驶位置时眼睛在车身坐标系中的分布。因此，本文参考SAE眼椭圆提出司钻员眼椭圆，用司钻员眼椭圆来定位人体模型，评价人机界面布局是否符合人体视野特性。

H点是眼椭圆定位的参考点。SAE定义H点是指人体模板中的人体躯干和大腿中心线的铰接点，即胯点(Hip point)，在人体模板中为髋关节(见图3)。SAE J1517[13]中给出的B类汽车的舒适H点位置线与H点的高度之间呈线性关系，本文对此进行了修正，提出司钻员的舒适H点范围是一个四边形区域。

本文首先分析了人体视野特性，提出显示仪表需按照一定原则布置在不同的视区才能满足人体视觉生理需求。其次，建立了二维人体杆状模型，以中国成年人人体尺寸和舒适的人体关节活动范围作为约束，通过Matlab计算和仿真出舒适的H点区域，据此确定出的座椅调节行程量可以满足一定百分位数人群坐姿的舒适性。由H点坐标确定司钻员眼椭圆坐标，座椅行程量确定眼椭圆尺寸。最后，以CATIA作为平台，通过VB开发了视觉工效评价系统，避免了传统手工绘制眼椭圆的繁琐和误差，实现准确快速的视觉工效评价。

3 评价模型的建立

3.1 人体视野特性

与汽车驾驶相似，在钻井过程当中，司钻员的大部分信息是靠视觉获取的。根据人机工程学资料[14]，眼睛在观察物体时，两个眼球协调运动，总是朝同一个方向转动。如图1所示的垂直面，人体在坐姿下的自然视线是向下15°，最佳眼动界限是上下30°。如图2所示的水平面，人眼最佳直接视野是左右25°。当眼动达到一定的界限时，就需要转动头部来扩大视野范围。头部转动中心在左右两眼的连线中垂线的后方98.6 mm，左右两眼的有效瞳孔距是65 mm。头部轻松偏转角度是向前12°，向后25°,左右各25°。人体视野的特性决定了显示仪表板的尺寸、安装位置和倾角。显示仪表按照重要性、使用频率等原则分别布置在不同的视区内。

Figure 1 Human vertical vision features图1 人体视觉垂直视野特性

3.2 计算座椅行程量

司钻员长时间在坐姿下进行操作，座椅的几何尺寸必须要保证司钻员具有正确的坐姿。在实际的钻井工作中，司钻员的个头高矮不同，座椅必须上下、前后可调才能满足不同身材的司钻员操作的舒适性和良好视野的需求。此外，SAE J941中眼椭圆的尺寸与座椅可调节行程量有关。本文根据下肢关节在舒适角度范围内变化确定出舒适的H点区域，进而以该区域确定出的座椅行程量即可满足既定百分比人群。

对人体模型进行简化建立如图3所示的二维人体杆状模型。以踵点O为原点，建立H点坐标：

(1)

(2)

(3)

其中，α1为大腿和水平线之间的夹角，α2为大腿和小腿之间的夹角，α3为小腿和脚踏板之间的夹角，α4为脚踏板和地面之间的夹角。这四个角度之间存在如公式(3)所示的约束关系。J5表示髋关节；J3表示膝关节；O表示踵点；M点表示膝关节和裸关节连线的延长线与脚底的交点。

Figure 3 Two-dimensional human body rod model图3 二维人体杆状模型

将国标中人体尺寸数据修正后(见表1)和关节舒适活动范围(见表2)代入公式(1)～公式(3)，通过Matlab计算和绘制出舒适的H点区域图(见图4)。图4中前后两个四边形区域分别是1百分位数和99百分位数男性的舒适H点区域。小个头的舒适H点区域靠前靠下，而大个头的舒适H点区域更靠后靠上，这和实际情况一致。图中两个四边形区域在水平方向上的重合距离大约是145 mm，在垂直方向上的重合距离大约是90 mm。由此得出，座椅前后行程145 mm，上下行程90 mm即可满足98%的司钻员坐姿的舒适性。同理可求出其它百分位数座椅行程量(见表3)。

Table 1 Different percentile human body size表1 不同百分位数人体尺寸数据

Table 2 Each joint comfort range of lower limb表2 下肢各关节舒适活动范围

Figure 4 P1 and P99 male comfortable H point area 图4 P1和P99男性的舒适H点区域

性别百分位数前、后行程量/mm上、下行程量/mm男性P1和P9914590P5和P95180115女性P1和P9911575P5和P95155105男女P1女和P99男9535通用P5女和P95男13565

3.3 建立眼椭圆

在上述研究基础上，将眼椭圆建立步骤总结如下：

(1)确定布置工具参考点ATRP点和座椅参考点SgRP点。

座椅参考点SgRP是制造厂规定的汽车座椅上的一个设计基准点，它确定了驾驶员在乘坐时座椅的最后位置。将P95的人体模型布置在汽车座椅上时，SgRP点与H点重合。在司钻员眼椭圆确定中，采用上文计算出的P95司钻员的舒适H点的最后位置坐标(710,380)作为座椅参考点。

根据SAE J1516可知，ATRP点与SgRP点有如下关系。

XATRP=855.31-0.509ZSgRP

(4)

(5)

(2)确定座椅靠背倾角A40。

参考人机工程学资料选择座椅靠背倾角，这里设定司钻员座椅靠背倾角为10°。

(3)根据座椅行程量选择眼椭圆尺寸。

SAE给出了95和99百分位数眼椭圆尺寸(见表4)，对于这两种百分位数又分别根据座椅行程分为两种尺寸。

Table 4 95 and 99 percentile eye ellipse dimensions of SAE表4 SAE 95和99百分位数眼椭圆尺寸

(4)计算司钻员眼椭圆的形心坐标。

根据SAE J941，眼椭圆形心点坐标与ATRP点有如下关系。

X=XATRP-184.44+12.23*(A40)

(6)

Z=ZATRP+707.52-4.17*(A40)

(7)

YL=W20-32.5

(8)

YR=W20+32.5

(9)

其中，W20是双眼中心到y=0平面的距离。

(5)作出眼椭圆。

司钻员坐在司钻控制房正中间，身体中心线与Y基准平面是重合的，因此不需要汽车驾驶员眼椭圆在俯视图中5.4°的偏转角(见图5)。与汽车驾驶员眼椭圆相同的是需要一个向下的11.6°的倾角。已知司钻员眼椭圆的形心坐标和眼椭圆尺寸后，即可作出眼椭圆。

Figure 5 Sketch map of car cab eye ellipse图5 汽车驾驶室眼椭圆形心位置示意图

4 评价系统

4.1 评价系统实现

根据上述方法，本文采用CATIA Automation方式针对司钻员眼椭球对其进行二次开发[15]，采用VB编制了石油钻机司钻控制房视觉工效评价系统，进一步完善和扩展了CATIA人机工程模组的功能，满足了实际应用的需求。其系统结构图如图6所示。

Figure 6 Structure drawing of driller control room visual ergonomics evaluation system图6 司钻控制房视觉工效评价系统结构图

模型库管理各类型钻机司钻控制房模型，后期可以随着系统的不断完善而加入新的模型，扩大评价范围。人体模型数据库中包含人体尺寸数据和各关节舒适活动角度。鉴于CATIA人体模型中没有中国成年人人体尺寸数据库，本文根据文献[16]的方法建立了中国人体数字模型。视觉工效数据库包含眼椭圆尺寸、人体视野范围、座椅行程量等评估参数。

如图7所示，用户通过窗体界面进行操作，选择调入司钻控制房模型，输入司钻员信息，设置人体百分位数和座椅参数，程序自动连接到CATIA，系统根据数据处理程序在CATIA中自动生成司钻员眼椭球模型，从而实现人体模型的定位。

Figure 7 Interface of driller control room visual ergonomics evaluation system图7 司钻控制房视觉工效评价系统界面

4.2 系统应用

眼椭球空间位置的确定是司钻控制房视觉工效评价的关键。图8是某型号的直流电动钻机司钻控制房人机界面设计方案。

Figure 8 Determine the position of eye图8 确定眼位

评价人员通过视觉工效评价系统窗体界面输入信息，系统程序自动计算并在CATIA平台上生成了95百分位数眼椭球。调入的数字人体模型以眼椭球为基准进行定位。图9是人机界面布局的可视性检验。通过CATIA软件的视觉分析功能虚拟人的视觉效果，据此判断人机界面的布局是否符合视觉特性。将重要的、使用频繁的布置在最佳视区，较重要的布置在有效视区，当最佳和有效视区都排满时，将重要性最差的仪表布置在最大视区内。在分析之前，根据上文提到的人体视野特性，在图9右下角所示的属性栏设置视野范围：单眼水平视野范围、双眼水平视野范围和垂直上、下视野范围。图9的左上角显示的是当前姿态下人体模型的视觉效果。从图9中可以看出，在司钻员头部保持不动的情况下，所有的显示仪表处于眼动视野范围内，而指重表等重要仪表处于最佳直接视野。对人体姿态进行编辑，可以进一步测试司钻员在不同姿态下的视野情况。

Figure 9 Visibility test图9 可视性检验

5 结束语

科学的人机界面布局有助于司钻员具有良好的视觉生理感受，使其处于最佳的工作状态，利于其做出准确有效的操作。由于司钻员身高、坐姿等不同，司钻员眼睛的位置不可能固定在某个点。为了在设计前期进行视觉工效评估校核，本文引入汽车视野设计的方法，为司钻控制房视觉工效评价提供了依据。通过编程实现了司钻员眼位的快速定位，替代了以二维人体模板为依据的传统人机工程分析方法，满足了司钻控制房人机界面可视性检验的需求。该方法可以推广到其它类型工程机械中使用。

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DENGLi,born in 1986,PhD candidate,assistant teacher,her research interests include computer aided industrial design, and ergonomics.

余隋怀(1962-),男，吉林通化人，博士，教授，研究方向为工业设计和计算机辅助工业设计。E-mail:yusuihuai@vip.sina.com

YUSui-huai,born in 1962,PhD,professor,his research interests include industrial design, and computer aided industrial design.

初建杰(1981-),男，山东莱阳人，博士生，讲师，研究方向为计算机辅助工业设计。E-mail:cjj@nwpu.edu.cn

CHUJian-jie,born in 1981,PhD candidate,lecturer,his research interest includes computer aided industrial design.

张婉玉(1982-),女，四川南充人，博士生，讲师，研究方向为工业设计。E-mail:zhangwanyu_nwpu@126.com

ZHANGWan-yu,born in 1982,PhD candidate,lecturer,her research interest includes industrial design.

Researchonvisualergonomicsevaluationofdrillercontrolroom

DENG Li1,2，YU Sui-huai1，CHU Jian-jie1，ZHANG Wan-yu1

(1.Institute of Industrial Design,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072;2.School of Mechatronic Engineering,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China)

To solve the problem of artificial calculation and mapping error in traditional visual ergonomics evaluation, based on the analysis of the human vision characteristics, the eyellipse andHpoint used in the car vision design principle are introduced, and the visual ergonomics evaluation model of the oil rig driller control room is established by combining the computer aided ergonomics design technology. Taking CATIA as the secondary development platform, the visual ergonomics evaluation system of the driller control room is programmed by VB, which realizes the accurate and rapid positioning of eyes with different percentile human body model. Finally, a case illustrates that the system is practical and able to satisfy the visual assessment requirements of the human-machine interface layout of the driller control room.

eyellipse;Hpoint;CATIA;visual ergonomics;driller control room

1007-130X(2014)08-1538-06

2013-02-25;

：2013-04-12

国家863计划重点资助项目(2007AA040406)

TP182

：A

10.3969/j.issn.1007-130X.2014.08.020

邓丽(1986-),女，四川简阳人，博士生，助教，研究方向为计算机辅助工业设计和人机工效学。E-mail:dengli@swpu.edu.cn

通信地址：610500 四川省成都市新都区新都大道8号西南石油大学机电工程学院工业设计教研室

Address:Section of Industrial Design,School of Mechatronic Engineering,Southwest Petroleum University,8 Xindu Avenue,Xindu District,Chengdu 610500,Sichuan,P.R.China