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《北京交通大学》 2010年
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高速列车驾驶界面人因适配性设计理论与方法研究

郭北苑  
【摘要】:高速列车驾驶界面是司机获取信息、做出决策并对相关系统进行指令控制、驾驶列车完成各项任务的作业空间。司机驾驶界面操纵与显示器件的设置与布置是否科学合理,对司机能否全面、准确地完成驾驶职能具有重大影响,针对列车司机驾驶界面人因设计理论与方法展开研究具有重要的理论与实际应用价值。本论文从分析高速列车驾驶作业任务出发,研究列车驾驶操纵模式,构建驾驶界面适配性模型,提出列车驾驶界面人因适配性动态评估方法,为高速列车驾驶界面人因适配性设计提供理论基础与方法支持。 论文首先给出了列车驾驶操纵的定义,然后运用综合层次分析法和认知任务分析法,在人的信息处理模型基础上,提出并建立了高速列车司机驾驶任务分析模型,并以此为工具,针对高速列车正常行车驾驶任务,完成了驾驶任务分类模型的构建,将驾驶任务分为监视任务、思考任务、调整任务和通信任务,并进一步分解到功能层及界面层。 论文针对任务模型对应的界面层与司机间的操作匹配关系进行分析,基于通用运动程序,提出列车驾驶操纵模式模型,定义了操纵资源映射规则、操纵任务的过滤与转义规则、操纵形式规则、操纵时间规则和操纵空间规则。在此基础上,论文通过设计柔性构架驾驶人因实验平台、研制驾驶坐姿上身运动捕捉实验标记系统,完成了操纵模式测试实验的设计与实施、实验数据的处理与分析等工作,验证了驾驶操纵环境下左右手操作的操作一致性,得到了操纵模式操作时间规则、速度分布规则和操作轨迹规则,并给出了各自的定义公式。 论文建立了高速列车驾驶界面适配性模型,模型由三个部分有机组成:高速列车司机人体模型、高速列车驾驶界面产品模型以及基于反向运动学的适配性预测模型。该模型可以对司机利用驾驶界面完成操纵任务时的位姿状态进行预测,从而为驾驶界面适配性评估分析打下基础。在适配性预测模型反向运动学求解研究中,通过对高速列车驾驶环境中人体运动特点的分析,提出了一种全新的基于二面角变动最小化的HAL链求解算法,并将其推广用于肘部关节、肩部关节、衣领关节及颈部关节的位姿关系求解。 论文总结并提出了高速列车驾驶座椅的三个基本要求即几何适配性要求、安全性要求以及劳动保护的要求,并以此提出基于列车司机适意驾驶H点分布范围的驾驶座椅适配性设计评估方法。提出了驾驶界面几何适配性动态评估方法。该方法基于驾驶操纵任务模型及操纵模式模型,通过导出驾驶操纵模式序列、利用高速列车驾驶界面适配性模型完成操纵姿势的预测,并在快速上肢评价方法(RULA)的基础上,利用其评价标准,通过对姿势的角度投影,完成动态的司机操纵几何适配性评价。 最后,论文完成了CRH3C及CIT400型高速列车驾驶界面的实例分析,应用驾驶界面人因适配性理论与方法对其驾驶座椅几何适配性、操纵界面几何适配性进行了评估与对比分析;针对已商业化运行的CRH3C车型运用观察法进行了相同条件下的姿势评估,分析结果验证了驾驶界面人因适配性预测评估方法的正确性和有效性。
【学位授予单位】:北京交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:U260.38

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