單兵裝備人機工程建模、 仿真與評價（簡體書）

《單兵裝備人機工程建模、仿真與評價（應用篇）》是作者根據十多年從事單兵裝備研究開發和人機工程基礎科研的實踐經驗，本著力求全面反映單兵裝備人機工程學的最新發展和理論與工程實踐相結合、裝備與技術進步相促進的原則而編著的。全套書分為基礎篇、應用篇兩冊，共7章。系統總結了國內外相關領域的高新技術和作者的最新研究成果，內容翔實，並且加入了單兵裝備人機工程建模、仿真與評價的大量成功案例，可謂點面結合、深人淺出，實用性強。讀者通過《單兵裝備人機工程建模、仿真與評價（應用篇）》既可以學習單兵裝備人機工程學的基本理論和基礎知識，也能通過大量實例掌握單兵裝備在概念設計、樣機設計、樣機試製和裝備使用全過程中的工程實踐方法，是一本單兵裝備人機工程管理與應用技術的工具書，可作為相關學校院所的培訓教材，也可作為廣大軍事裝備科研人員、管理人員及軍事領導幹部的參考用書。

《單兵裝備人機工程建模仿真與評價(共2冊)》是作者陳曉等根據十多年從事單兵裝備研究開發和人機工程基礎科研的實踐經驗，系統總結了國內外相關領域的高新技術和作者的最新研究成果，內容翔實，并且加入了單兵裝備人機工程建模、仿真與評價的大量成功案例。

第1章單兵裝備人機工程學概論
1．1人機工程學概述
1．1．1人機工程學的概念和應用
1．1．2人機工程學常用方法
1．1．3典型人機系統：單兵裝備系統
1．1．4單兵裝備人機工程學的內容和意義
1．2士兵系統發展及其人機工程研究
1．2．1士兵系統的發展背景
1．2．2士兵系統的人機界面分析
1．2．3士兵系統人機工程研究狀況
1．3單兵裝備人機工程建模、仿真與評價相關領域
1．3．1單兵人體三維測量與建模
1．3．2單兵裝備數字化設計
1．3．3單兵裝備人機工程數字化仿真與評價
1．3．4單兵裝備人機工程半實物仿真與評價
1．3．5單兵裝備人機工程實物評價
1．3．6單兵負荷運動生物力學建模與應用
1．4本章小結
第2章單兵人體三維測量與建模
2．1概述
2．1．1人體測量與標準化
2．1．2人體建模的概念和分類
2．1．3三維人體數據庫、模型庫的建立
2．2三維人體測量及數據預處理
2．2．1三維人體測量技術
2．2．2三維人體掃描設備及其挑戰
2．2．3三維人體數據預處理
2．3單兵人體建模與號型系統
2．3．1概述
2．3．2三維頭面部建模與號型系統
2．3．3三維手部建模與號型系統
2．3．4軀幹建模與號型系統
2．3．5三維足部建模與號型系統
2．4人體模型驗證
2．4．1Jack軟件中的人體模型驗證
2．4．2基於標準頭面型的軍盔盔形驗證
2．4．3攜行具背架與人體背部的虛擬裝配
2．4．4褲子號型系統的虛擬試穿
2．5本章小結
第3章單兵裝備數字化設計
3．1概述
3．1．1單兵裝備數字化設計的發展背景
3．1．2單兵裝備數字化設計的作用與意義
3．2數字化設計概念
3．2．1數字化設計的發展歷程
3．2．2數字化設計的核心技術
3．2．3常用數字化設計軟件
3．3產品數字化造型技術
3．3．1幾何模型的基本概念
3．3．2傳統幾何實體造型方法
3．3．3參數化與變量化幾何實體造型方法
3．3．4基於特徵造型的幾何實體造型方法
3．4單兵裝備數字化設計
3．4．1簡單造型類單兵裝備數字化設計
3．4．2複雜造型類單兵裝備數字化設計
3．4．3柔性造型類單兵裝備數字化設計
3．4．4集成系統類單兵裝備數字化設計
3．5單兵裝備數字化設計案例：軍用頭盔數字化設計
3．5．1頭盔石膏造型參數的提取
3．5．2頭盔數字化模型的構建
3．5．3基於小波分析的步兵盔曲面快速修改方法
3．5．4參數化造型工具設計
3．5．5頭盔附件數字化造型
3．5．6頭盔數字化設計應用實例
3．6本章小結
第4章單兵裝備人機工程數字化仿真與評價
4．1概述
4．1．1人機工程數字化仿真評價概述
4．1．2人機工程仿真軟件簡介
4．1．3單兵裝備人機工程數字化仿真評價的作用與功能
4．2仿真環境與幾何建模
4．2．1仿真環境的搭建
4．2．2士兵人體參數化建模
4．2．3單兵裝備的幾何建模與加載
4．3士兵姿勢控制與運動仿真
4．3．1關節活動範圍控制
4．3．2姿勢加載、編輯與保存
4．3．3動態仿真方法
4．3．4動態仿真實例
4．4單兵裝備人機工程數字化評價
4．4．1概述
4．4．2可視性分析
4．4．3可達性分析
4．4．4姿勢舒適性分析
4．4．5質心分佈計算
4．4．6輔助分析計算
4．5數據庫搭建與管理
4．5．1數據庫結構
4．5．2數據庫典型設計
4．6Jack二次開發過程和實例
4．6．1Jack的結構
4．6．2仿真平臺方案設計
4．6．3二次開發過程
4．6．4調用開發的動作庫進行仿真
4．7本章小結參考文獻

第1章單兵裝備人機工程學概論
1.1人機工程學概述
1.1.1人機工程學的概念和應用
從20世紀50年代以來，特別是電子計算機的出現和載人航天活動取得的突破性進展，使得人們越來越不能適應復雜機器的要求。因此，各發達國家紛紛認識到研究人、機械、環境之間相互關系的迫切性和重要性，利用人體科學和工程學的最新成果，競相開始了一系列卓有成效的研究。美國的人的因素（HumanFactors）、人因工程學（Hu-manFactorEngineering），前蘇聯的工程心理學，歐洲的工效學（Ergonomics），日本的人機系統（Man-Machine-System）、人間工學、人體工學等諸多學科，從不同側面、不同角度深入研究人機工程，在本套書中統一稱為人機工程學。
而實際上人機工程的理念早已廣泛深入人們的工作生活之中，它根據人體科學和工程學，研究人、機械、環境相互間的合理關系，以保證人們安全、健康、舒適地工作并取得滿意的工作效果。社會的發展、技術的進步、產品的更新、生活節奏的加快等一系列社會與物質的因素，使人們在享受物質生活的同時，更加注重產品在“方便”、“舒適”、“可靠”、“價值”、“安全”和“效率”等方面的評價，也就是在產品設計中常提到的人性化設計問題。所謂人性化產品，就是包含人機工程的產品，只要是“人”所使用的產品，都應在人機工程上加以考慮。僅從工業設計這一范疇來看，大至宇航系統、城市規劃、建筑設施、自動化工廠、機械設備、交通工具，小至家具、服裝、文具以及盆、杯、碗筷之類各種生產與生活所創造的“物”，在設計和制造時都必須把“人的因素”作為一個重要的條件來考慮。若將產品類別區分為專業用品和一般用品的話，專業用品在人機工程上則會有更多的考慮，它比較偏重于生理學的層面；而一般性產品則必須兼顧心理層面的問題，需要更多的符合美學及潮流的設計，也就是應以產品人性化的需求為主。
一個好的產品設計是可以涵蓋形態和人機因素的，產品的外形一樣也可以有機會左右人機工程的發揮。以TEAGE為微軟所設計的易用鼠標球為例，該鼠標是特別為兒童體驗電腦而設計的，在方案決定之前對兒童的抓握方式進行了研究，黃白兩色相間的鼠標球使兒童們在學習電腦時，增加了趣味性和功能性。該產品已經超脫了產品造型上的束縛，除更好用之外，也同時被賦予了新的意義與想象空間。除了一般的大眾消費品之外，專為特殊族群所設計的產品在人機工程學上也有更多的考慮。如殘疾人用的瓷器套具，此套餐具針對殘疾人設計，又不讓人直接看出它們是專為殘疾人做的。因此，在充分考慮了人機工程學的基礎上，還特別處理手把的凹凸，使殘疾人拿在手里有一種心態上的平衡感，既能看到、摸到，但又不那么顯眼。對醫療設備來說，病床、醫療椅等產品，在設計上不只是考慮操作要符合人機工程學，在材料上也應力求人性化，增加產品的親和力，以提高產品的“EQ”。
國際人類工效學學會（InternationalErgonomicsAssociation，IEA）對人機工程的定義為：人機工程是研究系統中人與其他組成要素交互關系的一門學科，該學科運用其理論、原則、數據和方法進行設計，其目的是使整個系統的工效與人的健康最優化。它有五個指導性原則：安全、舒適、易用性、生產率/性能以及審美。安全：如藥瓶的標簽，標簽上的字體要足夠大以便視力有問題的病人可以清楚地看明白劑量，需研究藥瓶標簽印刷上的形式、顏色、大小以便優化視覺效果；舒適：如鬧鐘的顯示，有些顯示亮度較強，在黑暗的環境下容易刺激人眼，需根據對比度原則設計亮度差；易用性：如路牌的位置，在陌生的地方，很多情況下很難發現路牌，需根據視覺原理重新設計；生產率/效能：如高清電視的音量，和普通的電視相比，高清電視的聲音要小得多，所以當你從高清信號轉換成普通信號時候，聲音會突然顯著變大，分貝級差導致強聲傷害耳朵，需用平均分貝等級來解決這個問題；審美：如工作場所的標志，標志設計要和場所一致，既要符合審美，也要易于識別理解。
具體講，人機工程學面向“人―機―環”系統的設計和開發，并對人體結構特征和機能特征進行研究，提供人體各部分的尺寸、重量、體表面積、比重、重心以及人體各部分在活動時的相互關系和可及范圍等人體結構特征參數；還提供人體各部分的出力范圍、活動范圍、動作速度、動作頻率、重心變化以及動作時的習慣等人體機能特征參數，分析人的視覺、聽覺、觸覺以及膚覺等感覺器官的機能特性；分析人在各種勞動時的生理變化、能量消耗、疲勞機理以及人對各種勞動負荷的適應能力；探討人在工作中影響心理狀態的因素以及心理因素對工作效率的影響等。
該學科實際上是人體科學與環境科學不斷向工程科學滲透和交叉的產物。它以人體科學各學科為“一肢”，以環境科學中的各學科為“另一肢”，而以技術科學中的各學科為“軀干”，形象地構成了該學科的體系，如圖1-1所示。
人機工程學的顯著特點是，在認真研究人、機、環境三個要素本身特性的基礎上，不單純著眼于個別要素的優良與否，而是將使用“物”的人和所設計的“物”以及人與“物”所共處的環境作為一個系統來研究，即“人―機―環”系統。這個系統中，人、機械、環境三個要素之間相互作用、相互依存的關系決定著系統總體的性能。人機工程學的人機系統設計理論，就是科學地利用三個要素間的有機聯系來尋求系統的最佳參數。人機工程學研究需運用系統工程的觀點，使人、機械、環境的配合達到最佳狀態。環境因素通常是去適應而無法去改變，所以一般條件下“人―機―環”系統主要是“人機系統”。人開始使用機器就構成了人機系統。
在人機系統中操縱人員被看做系統中的一個元件。操作人員通過感覺器官（視、聽、觸、嗅、味）接收來自機器的信息，了解其意義并予以解釋，或先進行計算，再把結果與過去的經驗和策略進行比較，然后作出決策。作出決策后，人通過控制器官（手、腳等）去操縱機器的操縱器（如開關、按鈕、操縱桿、操縱盤、光筆或呼口令等）改變機器的運轉情況。機器隨即發出新的信息，如此重復不斷。人機系統不是孤立存在的，而是存在于某種環境之中。環境特性影響人的效率和行為，環境因素包括溫度、濕度、噪聲、照明、加速、振動、污染和失重等。設計人機系統時，要把人和機器作為一個整體來考慮，合理地或最優地分配人和機器的功能，保證系統在環境變動下達到要求的目標。
人機系統中人的特性、能力和限制已經有大量測試數據可查。從系統分析角度研究人機系統，在原有設備基本不變的情況下，由于考慮了人的動態特性而進行系統分析，再適當改動設備，就能顯著提高工效。如手動控制系統，即操縱人員直接參與的用手連續控制的系統，在飛機、火炮、雷達、汽車、艦船和航天飛機等方面已廣泛應用，在工業生產中也得到廣泛應用。人機接口系統，即人和計算機之間相互作用的系統，已是電子計算機發展的必不可少的重要組成部分。人機接口系統中人承擔越來越多的功能，操縱人員執行許多操作，進行人機對話，處理大量信息，作出各種決策。指揮控制通信系統（簡稱C3系統）是一種多操縱人員、多臺機器（或工程系統）的復雜人機系統。即使是一個非常簡單的設備，在人員操縱上也會產生常規工程實踐無法解決的問題。
人機工程學的應用領域目前已包括電話、電傳、計算機控制臺、數據處理系統、高速公路信號、汽車、航空、航天、航海、現代化醫院、環境保護、教育等，甚至還可用于大規模社會系統。人機工程學在軍事領域中尤其受到重視，美軍在陸、海、空三軍都分別建立了從事工效學研究的機構。在1971年，美國直接從事工效學方面工作的研究人員有1/5是就職于軍事部門的，人機工程對軍事裝備研究的重要性可見一斑。
第二次世界大戰期間，發現對制造出來的各種高效能的新式機器和機器系統（生產、運輸、通信、武器和航空飛行器等）進行操縱和控制時，整體系統的工作效率在很多情況下是由其中人的活動來決定的。如雷達運行時，要求操縱人員接收和分辨出顯示器上顯示的各種信息，根據這些信息在很短時間內作出決策和進行操作。若雷達設備的全部潛力沒有發揮出來，至少部分原因是操縱人員不能掌握這個電子設備的復雜操作。經驗和教訓提醒人們，有時飛機弄錯方向墜毀，炸彈誤中友船，就是因為設計時沒有考慮人的各種長處和短處。電子計算機發展的初期，計算機運算速度很快，輸入數據、編制程序和打印結果很慢，機器經常處于空閑狀態，也是因為沒有考慮和研究人機接口系統和人機功能分配等因素引起的。人的能力和機器的潛力很好地配合，能提高管理和控制效率。隨著機械化、自動化和電子化的高度發展，人的因素在生產中的影響越來越大，人機協調問題也就越來越顯得重要，軍事人機工程學就是在這樣的背景下創立和發展起來的。
1983年美國在發展先進武裝攻擊直升機LHX時，用“人―機―環”系統工程中的乘員工作負荷分析方法論證了單座和雙座兩個方案；在進行阿波羅登月計劃時，對載人飛船這一典型的“人―機―環”系統創建了數學模型，并進行了廣泛的數值試驗研究；前蘇聯在發展太空站計劃時也開展了類似的工作。據稱，美國軍事發展的重大項目立項論證報告，必須有相關的人機環境系統工程的內容才能批準。海灣戰爭后，美國把人機工程列為優先發展的十大高新技術之一。
在新的世紀里，人們以新的方式來感知世界，人們越來越多地在追求一種新的生存環境和生存空間。毫無疑義，未來的人性化設計具有更加全面立體的內涵，它將超越人們過去所局限的人與物關系的認識，向時間、空間、生理感官和心理方向發展，更加關注專業化產品和特殊使用人群，同時，通過現代高科技技術如CAD/CAM、虛擬現實、互聯網絡等多種數字化的形式而擴延。例如，本套書所描述的單兵裝備人機工程即屬于軍事人機工程學的新興特殊領域，離不開數字化設計、數字化仿真和半實物仿真等高科技評價手段。中國未來的產品設計必須以創意與革新為首要條件，唯有真正好用且務實的商品才能在市場上脫穎而出，讓消費者感到貼心且實惠的產品方是企業制勝的絕佳利器。符合人機工程、人性化的設計是最實在，同時也是最前沿的潮流與趨勢，是一種人文精神的體現，是人與產品完美和諧的結合。
1.1.2人機工程學常用方法
人機工程學研究的一般方法，通常是在明確人機系統設計總體要求的前提下，著重分析和研究人、機械、環境三個要素對系統總體性能的影響，如系統中人和機的職能如何分工、如何配合，環境如何適應人，機對環境又有何影響等問題，經過不斷修正和完善三要素的結構方式，最終確保系統最優組合方案的實現。
建立人機系統，必須考慮以下五方面：人員選擇、訓練（包括訓練設備）、設備設計、操作程序和環境。建立復雜的人機系統，除了這五方面外，還要考慮人機系統的系統性能、人和機器的特性等，采用系統科學或信息科學的方法來設計和分析，然后進行系統試驗，檢查系統性能和操縱人員操縱的難易程度。一般說來，人機系統要反復試驗和使用才能逐漸完善。人機系統中，操縱人員是人機系統中的主體，設計和運用人機系統時應當充分發揮人在人機系統中的能動和主導作用。設計人員要和操縱人員密切配合，使人機系統達到要求的性能和指標，同時保證操縱人員操縱簡便、安全舒適和提高系統工效。
在整個研究過程中，人機工程師和工業設計師都必須全程參與，相互的工作密不可分，即便是同一個設計人員，在各個階段為主為輔的角色會有不同。例如，產品概念由工業設計師主導，測試則由人機工程師主導，每個步驟以劇本的形式來串聯溝通。每件產品都有各自的在人機工程學上的特色，特別是消費性產品。以汽車內部設計來說，就有三個表達人機工程需求的方式。一是操控界面，如方向盤的設計。二是座椅及內裝設計，如一些大客車座椅，或者老板椅的靠背上部，都有一道鼓起來的凸包。對于大多數的中國人來說，這個凸包常常是頂在后腦勺，使得身體后靠在椅背時，不得不稍稍低頭。從設計上來說，這道凸包本來是用來墊靠頸部凹處，使人的頭頸更舒服的。問題的出現是由于這些座椅的設計和生產直接從國外引進，而生產者又沒有重新考慮中西方人在身材方面的不同，即人機工程師的測試環節未能及時到位，尺寸上完全照搬，結果西方人墊頸的凸包就頂住了人們的后腦勺。三是情報溝通系統，如導航系統設計及安全警報功能。
由于學科來源的多樣性和應用的廣泛性，人機工程學中采用的各種研究方法種類很多，有些是從人體測量學、工程心理學等學科中沿用下來的，有些是從其他有關學科借鑒過來的，更多的是從應用的目標出發創造出來的。圖1-2是汽車裝配的人機系統仿真設計，這是人機工程學為工業設計開拓了新的思路，并提供了獨特的研究方法和有關理論依據。下面總結了一般產品設計領域的幾類方法，各類方法之間可以交叉和融合。
實驗測量法的交互性和控制性好，過程直觀，但依賴于設備，數據散亂、不易分析，具有模糊性；分析處理法的解析性、再現性和預測性好，但較為理想化，具有不完全性，往往只能模擬系統一個或少數幾個方面的性能；運行調查法真實易行，當被試者不知正在進行著試驗的情況下主觀性最小，適用于做檢驗，缺少再現性，偶然性大，應采取大樣本進行。每種方法都離不開對數據的處理方法，尤其是實驗測量法和運行調查法，因為當設計人員測量或調查的是一個群體時，其結果就會有一定的離散度，必須運用數學方法進行統計分析，才能轉化成具有應用價值的數據庫，或獲得定性評價，對設計產生具有指導意義。實驗測量法和運行調查法均屬于人機工程學的常規方法，可統稱為工效計量學（Ergonometrics），它專門地、集中地研究人機工程中運用定量分析方法的問題。分析處理法是人機工程學的新興方法，充分利用計算機、虛擬現實、互聯網絡、仿真模型等高新技術手段進行模擬和預測，適合應用于較為復雜的人機系統。
1.1.2.1實驗測量法
測量方法是人機工程學中研究人形體特征的主要方法，它包括尺度測量、動態測量、力量測量、體積測量、肌肉疲勞測量和其他生理效應的測量等幾個方面。實驗測量法可采用真實活人體、人尸體和動物來進行，采用活人最為常見。例如，在模擬作戰情況下對士兵的各種力學、姿態、生理、生化和心理等指標變化進行監控，并對大量信息進行人工或者智能專家分析，最終實現單兵裝備和戰技術動作的優化設計。借鑒國內外在軍事科研、人體運動、航天醫學及工效學等領域的經驗，單兵裝備人機工程實驗測試方法在運動學、生物力學和生物醫學方面占有相當大的比重，因為這方面的測試設備和手段相對較成熟，并且具備通用性，適于實驗室內采用。圖1-3即為美國Natick士兵研究、發展與工程化中心對攜行背具的士兵的生理指標和動力學指標進行實時測量的情形。
1.1.2.2分析處理法
1）建立模型方法
這是現代產品設計必不可少的工作方法，包括數學模型、幾何模型和物理模型，它也是計算機輔助設計和仿真技術開展的基礎。基于大量的人、機、環數據建立數學模型，可為科學制定和使用裝備標準提供依據，例如，建立單兵的各種體重、負荷在不同速度、坡度和地形下的代謝量計算模型，可作為研究單兵負荷量標準的高效工具，再如，構建防彈頭盔和防彈衣的減傷分析模型，估算特定彈道殺傷單元對人體的殺傷概率，進而獲得基于戰斗減傷率的單兵防護裝備防護能力的評估；建立產品幾何模型，通過模型構思方案、規劃尺度、檢查效果、發現問題，有效地提高設計效率和成功率；建立能模擬人、機、環某方面形態和功能的物理模型是建立模型方法的最高境界，不但需要大量的人、機、環數據，掌握普遍規律，還需合理利用工程技術開發功能再現實物，如標準頭模系列、頭盔工效與力學性能測試系統、暖體假人、模擬環境氣候倉等。
2）人機工程計算機輔助設計
把人機工程中的數據管理、表現和裝備制造采用高效的計算機輔助設計。例如，把人機工程設計的各種標準、規范等數據和信息軟件化，建立數據庫和其數據管理系統，以便快速查找，如創建男軍人三維頭面型數據分析管理系統；在采集人體三維尺寸信息的基礎上，通過CIMS技術完成系統的快速化數字成型等，也即計算機模型建立。
3）計算機仿真和虛擬現實技術
計算機仿真通過計算機圖形顯示研究人的可達性、可視性、靜動態姿勢等問題，為設計者提供輔助手段和參考。其最高境界是虛擬現實技術，它是可用于創建和體驗似真環境的計算機系統或半實物仿真系統，通過多媒體傳感交互設備使人進入一種人工媒體空間場景，進而具有逼真的、親臨現場的感覺，直接參與其中的事物變化和相互作用。如交互式作戰對抗系統、智能虛擬步行訓練系統。