基于脑电信号分析的换挡布置优化

刘殿科 李洪钰

摘 要：脑电信号分析是人机工程中测量认知工作负荷及情绪的一种十分具有吸引力的方法。通过提取脑电功率谱信息，可以识别出不同种类的情绪，如高兴、悲伤、愉悦等，其准确率可达80%以上。文章基于脑电信号分析的以上作用，以某整车厂概念设计阶段，换挡手球位置的布置为研究对象。利用脑电信号采集设备分别采集24个被试人员在90个变量位置操纵换挡所产生的舒适度信号，再对信号进行小波能量分析，得到最优结果之后，与人体主观评价结果进行综合分析，确定换挡手球最佳布置位置。对脑电设备在汽车总布置阶段的应用进行探索实践。

关键词：脑电信号分析;主观评价;人机工程;换挡手球布置

中图分类号：U462  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）17-90-03

Gear shift arrangement optimization based on eegsignal analysis

Liu Dianke， Li Hongyu

（ Vehicle Integration Division， Brilliance Automotive Engineering Research Institute， Liaoning Shenyang 110141 ）

Abstract： Eeg signal analysis is an attractive method to measure cognitive workload and emotion in ergonomics. You can identify different kinds of emotions， such as happiness， sadness， and joy， with an accuracy of more than 80 percent， by extracting the eeg power spectrum. ased on the above functions of eeg signal analysis， this paper takes the layout of shift handball position in the conceptual design stage of a certain automobile factory as the research object. Eeg signal acquisition equipment was used to collect the comfort signals of 24 subjects who manipulated gear shifting at 90 variable positions， and then the signals were analyzed with wavelet energy. After obtaining the optimal results， the optimal position of the handball was determined through comprehensive analysis with the subjective evaluation results.The application of electroence -phalogram （eeg） equipment in automobile layout stage is explored and practiced.

Keywords： Eeganalysis; Subjectiveassessment; Ergonomics; Shift handball layout

CLC NO.： U462  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）17-90-03

1 問题产生

XX项目为A车型的改款项目，在概念设计阶段，总布置工程师与造型师对换挡手球的高度观点不一致，如图1。

就此问题，项目组拟采用新的方法进行模型验证。尝试利用脑电分析设备对比与主观评价结合的方式，对手球位置进行优化。

2 换挡手球位置优化

2.1 实验平台搭建

2.1.1 实验设备及分组

本实验采用的实验设备主要包括脑电采集设备、信号分析程序、原型车一辆（拆除副仪表内饰）、换挡手球位置调节样件（含固定支架）。

2.1.1.1 换挡位置变量分组

将原型车A的换挡手球空挡质心位置定位原点，车尾方向为X正方向，副驾驶方向为Y正方向。

由于本项目是基于A车型的FACELIFT，Y方向可设置变量少，以换挡手球在Y方向上的布置位置分组，共分为-10mm、0mm、10mm三组。每组包括5个X变化位置及6个Z变化位置。每次调整步长为10mm。

需要说明的是，根据竞品分析，原车型A换挡手球相对于驾驶员R点位置已经很低，概念设计阶段定义换挡手球不能低于原设计位置，故Z向变量值均为正值。

2.1.1.2 被试人员分组

为了验证结果更具说服力，寻找专业人机工程师12人和其他各部门人员12人分别组成人机组和随机组，两组人员身高组成覆盖90%人体范围。

2.2 脑电信号分析

2.2.1 α波能量分析原理

脑电节律波通常有四种，α波产生在人放松时和短期记忆的特征指标;β波是大脑产生注意活动的特征指标;θ波是人在产生情感变化时的特征指标;δ波是大脑产生动机、奖励活动的特征指标。

本文使用α波能量分析，通常该值越大，越舒适。

2.2.2 单个样本分析

对于单个样本，处理结果通过热力图展现，如图2，当换挡手球相对于原型车设计位置做如下变化时（?X=10，?Y=0，?Z=30），α波能量最高（熵值1.0755），即人体感觉最舒适。

2.2.3 所有样本分析

该阶段采取如下方式对所有被试的结果进行综合分析：

（1）按照2.2.2的方法，分别找到24个被试者脑电信号中α波能量最高的换挡位置。

（2）统计出所有试验位置中出现的人数，最终将统计结果中的“众数”作为“最佳换挡位置”。

（3）由于统计结果相对集中在一定区域，出现频数前五的位置做成柱形图，如圖3。

从统计来看，24名被试中有4人的脑电信号α波能量最高值出现在换挡手球相对原型车设计位置发生如下变化时（?X=-10，?Y=0，?Z=30），有3人的脑电信号α波能量最高值出现在换挡手球相对原型车设计位置发生如下变化时（?X=0，?Y=10，?Z=40），其余位置出现最高α波能量的频数均不超过2人。

综上，当换挡手球在以下范围布置时（-10≤?X≤0，0≤?Y≤10，30≤?Z≤40），多数人感觉换挡操作最为舒适。

2.3 主观评价分析

对所有被试者的主观评价结果进行分析，采用以下方式进行：

（1）将24名被试的主观评价表进行汇总，将每个位置分值（1～5分，舒适程度随分值增加）进行累加。

（2）求出每个位置的平均得分值（取整）。

（3）将平均值大于等于3分的位置，定义为换挡舒适区域，并在此区域布置换挡手球。

如图4，对参与主观评价人员的打分统计显示，当换挡手球相对于原型车设计位置布置在如下范围内时（-20≤?X≤10，-10≤?Y≤0，30≤?Z≤50），感觉换挡操作最为舒适。

3 结论与展望

综合主观评价方法和脑电分析评价法的结果，将换挡手球布置范围定义在（-10≤?X≤0，?Y=0，30≤?Z≤40）可以满足更多用户的换挡舒适性。

参考文献

[1] 时清学.基于SEMG信号理论的汽车变速杆位置的优化设计[D]. 东北大学， 2009.

[2] 黎谦，崔硕.汽车选换挡操作机构及驻车制动控制机构的优化布置与校核[J].企业科技与发展：上半月， 2010， 000（010）：27-31.