人體工效測試系統的設計與實現

段世梅

中國飛行試驗研究院

由于特種車輛綜合模擬實驗環境的實驗艙是一個密閉的復雜的人機環境，因此需要研制一套人體工效測試系統，用于實時測試人體各項生理參數、監控和記錄實驗人員的駕駛動作，配合其他監控參數，通過事后分析，掌握乘載人員的工作負荷，對人體工效給出評價，對駕駛動作給予糾正。經過實驗驗證，證明了本系統對特種車輛綜合模擬實驗的安全性、駕駛人員動作有針對性的校正，起到了一定的作用。

引言

特種車輛綜合模擬實驗環境需要模擬特種工程車輛在各種環境條件下的外部視景、運動狀態以及艙內溫濕度、氣壓、噪聲、發動機尾氣滲漏及特殊作業產生的內部環境等，進行不同任務負荷、不同操作環境下的乘載人員模擬實驗，是一個密閉的、復雜的人機環境。需要對乘員的身體狀況及駕駛狀況進行監控，傳統手段主要是通過攝像裝置對乘員進行監控。但是，由于特種車輛綜合模擬實驗環境實驗艙內存在乘員操作空間狹小、操縱裝置布局不舍理、人體部位有所遮擋等因素，傳統手段對乘員的生理特征的監控不夠細致，對矯正乘員動作缺乏針對性。因此，本文結合特種車輛綜合實驗仿真環境開發過程，詳細設計了一套人體工效測試系統。

系統的設計

人體工效測試系統完成對人體運動實時捕捉、人體生理參數分析、肌電參數采集分析、腦電參數采集分析四部分，每一部分為一個獨立的采集分析單元，最終數據匯總到人體運動工控機中，對數據進行顯示、記錄以及回放等功能。該系統的總體結構框圖如圖1 所示。

硬件設計

圖1 人體工效測試系統結構框圖

人體工效測試系統由人體運動實時捕捉、人體生理參數分析、肌電參數采集分析、腦電參數采集分析四部分組成。人體運動實時捕捉部分由人體運動捕捉設備及若干個慣性傳感器組成。人體生理參數采集主要包括血壓、脈搏、體溫、心率、呼吸機血氧飽和度傳感器。神經腦電和表面肌電分析設備也分別帶有相應的傳感器。在實驗開始之前，在實驗艙內布置前端傳感器，分別測量駕駛員的體溫、呼吸、脈搏、心率、血壓、血氧飽和度等信息，另外還給實驗艙內乘員身體各個關節關節點布置慣性傳感器，以測量乘員身體每個部位的姿態變化。實驗開始后，前端傳感器發送數據給對應的采集器，采集器通過以太網發送給人體工效工控機。系統的硬件框圖如圖2 所示。

軟件設計

人體工效測試系統由人體工效工控機和前段采集設備組成，人體工效測試軟件運行在人體工效工控機上，通過以太網與前端采集軟件與控制中心軟件進行通訊接口框圖如圖3 所示。

進行一次人體工效測試系統軟件的基本流程如下，如圖4 所示。

圖2 人體工效測試系統硬件框圖

確定各網絡設備電源已打開，人體生理參數采集設備、表面肌電分析設備、神經腦電分析設備已初始化并穩定工作，傳感器與通訊設備準備就緒，啟動人體運動工控機，運行人體工效測試系統軟件；

系統進行初始化，包括網絡、設備自檢等；

在任務管理界面運行設置下選擇單機運行或網絡運行，運行后可對監測點、默認報警閥值等參數進行預先設置；

啟動參數監控顯示任務，進行數據記錄存儲，報警設置指示，數據輸出等工作；

在運行過程中，若選擇單機運行，僅與前端人體運動捕捉設備、人體生理參數采集設備、神經腦電、表面肌電進行數據通訊；若選擇網絡運行，不僅要接收前端采集設備的數據包，還要與控制中心計算機之間進行數據通訊。網絡運行系統與控制中心計算機之間的控制流程如圖4 所示。

系統的實現

人體工效測試系統是在VC6.0 環境中開發實現的。系統接收前端采集設備的信息，在界面上通過曲線、數值列表等形式供監控人員查看。并且做了三維人體模型，實時再現人體三維動作。并可以制定想要查看的參數，重點查看。并且也與控制中心進行了聯合調試。實驗證明，能夠在特種車輛綜合模擬實驗環境下對乘員的各種生理信息以及姿態信息得以監控和測試，并且可以報警和回放分析。圖5 是人體運動捕捉曲線圖，圖6 是三維人體模型再現圖，圖7 是肌電測試界面，圖8 是腦電測試界面。供監控用，并且進行處理、存儲、發送，并實時對乘員駕駛動作進行三維重現。系統的硬件框圖如圖2 所示。人體工效工控機接收控制中心計算機發送的實驗配置數據，進行初始化；并向控制中心計算機發送本系統狀態標志、設備狀態標志。

結語

針對特種車輛綜合模擬實驗環境，設計和實現了配套的人體工效測試系統。用于實時監控和記錄實驗人員的駕駛動作。配合其他監控參數，通過事后分析，掌握乘員的工作負荷，對人體工效給出評價。該系統已經成功運用在特種車輛綜合模擬實驗中，在監控及校正乘員駕駛動作方面起到了很好的效果，為相關系統的研制提供了很好的參考價值。

圖5 人體運動捕捉曲線圖

圖6 三維人體模型再現圖

圖7 肌電測試界面

圖8 腦電測試界面