車(chē)輛人機界面布局優(yōu)化推理系統研究
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引言
目前，在車(chē)輛駕駛室人機工程學(xué)設計、分析和評價(jià)中常用的人工智能技術(shù)主要有專(zhuān)家系統、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )以及遺傳算法。專(zhuān)家系統是人工智能最重要的應用之一，目的是讓計算機根據某領(lǐng)域一個(gè)或多個(gè)專(zhuān)家提供的知識和經(jīng)驗，進(jìn)行推理和判斷，模擬人類(lèi)專(zhuān)家的決策過(guò)程，以便解決那些需要人類(lèi)專(zhuān)家處理的復雜問(wèn)題。國內外研究中，Gilad等人[1]于20世紀90-年代提出的基于人機對話(huà)框的人機咨詢(xún)專(zhuān)家系統，屬于這方面較早的嘗試。文獻[2～3]研究了基于知識的工作空間設計系統的構建方法。FeyenR等人[4]將計算機輔助設計軟件與人機工程學(xué)分析軟件相結合，開(kāi)發(fā)出用于評價(jià)工作空間設計對工人生物力學(xué)特性影響的軟件系統。任金東等人[5]針對車(chē)身內部布置，在CATIA平臺上研制出基于知識的汽車(chē)駕駛員座椅布置系統。這些研究成果都具有較高的學(xué)術(shù)價(jià)值，并且各具特點(diǎn)。到目前為止，盡管人工智能技術(shù)在計算機輔助設計與人機工程學(xué)分析中的應用已取得了一定進(jìn)展，但還未真正解決設計人員與人機工程學(xué)家之間的溝通問(wèn)題。
本文提出的車(chē)輛人機界面布局優(yōu)化推理方法，是在分析車(chē)輛人機界面布局優(yōu)化的任務(wù)和特點(diǎn)的前提下，從車(chē)輛駕駛室人機工程布局知識表達和推理出發(fā)，實(shí)現從設計、仿真、評價(jià)到反饋修改、優(yōu)化的過(guò)程；并實(shí)現人機界面布局推理系統與三維CAD平臺的緊密集成。
1 人機界面布局知識表示
知識表示是把事實(shí)知識和專(zhuān)家所有的經(jīng)驗知識形式化，用計算機能夠接受并進(jìn)行處理的符號和方法來(lái)表示[6] 。目前常用的知識表示方法主要有產(chǎn)生式表示法、框架表示法、語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò )表示法和面向對象表示法等。人機界面布置設計過(guò)程是相當復雜的，其涉及到的因素、條件很多，是多因素的協(xié)調設計、不斷迭代反饋的過(guò)程。設計知識也是多樣化的，除了涉及到相關(guān)部件的空間布置尺寸參數外，要更考慮乘坐舒適性、操縱舒適性、視野可見(jiàn)性等諸多影響因素。設計過(guò)程中不但需要大量的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域知識及專(zhuān)家經(jīng)驗和技巧，還需要進(jìn)行大量的科學(xué)計算和分析。設計人員既要考慮設計對象的結構特征、功能特征，又要綜合設計對象的行為特征、操作。因此集中各種單一知識表示方法的優(yōu)點(diǎn)，采用面向對象技術(shù)將框架、規則和過(guò)程體結合在一起，構成混合知識表達方法。
在面向對象方法中，類(lèi)、子類(lèi)、具體對象構成了一個(gè)層次結構，而且子類(lèi)可以繼承父類(lèi)的數據及操作。類(lèi)結構是知識庫的最基本單元，不僅可以表達設計對象的屬性數據，還可以表達設計對象之間的相互關(guān)系。每個(gè)對象的知識表達都應包括屬性、約束、方法和規則4個(gè)部分，其描述形式如下：
Class對象名>：基類(lèi)>
｛
Attribute屬性描述>
｛屬性項，屬性名，繼承關(guān)系，屬性類(lèi)型。屬性集｝
Methods方法描述>
｛方法項，方法名，繼承關(guān)系，法類(lèi)型，方法集｝
Restraint 約束條件>
｛約束項，約束名，繼承關(guān)系，約束類(lèi)型，約束集｝
Rules規則描述>
｛規則項，規則名，繼承關(guān)系，規則類(lèi)型，規則集｝
例如座椅知識表示的結構如圖１所示。
人機界面布局知識庫系統由實(shí)例庫、規則庫、約束庫和知識庫構成。實(shí)例庫用于存放成功實(shí)例及推理機所產(chǎn)生的新實(shí)例；規則庫存儲的是進(jìn)行知識推理的規則，如實(shí)例的搜索、相似算法等；約束庫用于存放設計的各類(lèi)約束，如幾何約束、性能參數以及其他與人機界面設計相關(guān)的法規及各種標準，包括人體尺寸、視覺(jué)特性、肢體伸及范圍等；知識庫用于存儲大量專(zhuān)家的經(jīng)驗知識、實(shí)驗數據、設計準則及公式，由知識庫管理系統對知識庫進(jìn)行管理。知識庫中的知識數據能夠被推理機所采納并通過(guò)系統的知識獲取進(jìn)行維護。
2 人機界面布局推理架構
2.1總體結構
車(chē)輛人機界面布局推理系統的總體結構如圖２所示。為了對設計狀態(tài)空間進(jìn)行簡(jiǎn)化，系統采用分層構造的方式，位于最頂層的是方案設計層，其次是主參數設計層，位于底層的是詳細設計層。方案設計的任務(wù)就是要推出各方案要素的取值，所有方案要素確定后，進(jìn)行主參數設計；根據方案設計和主參數設計的結果，進(jìn)行詳細設計，產(chǎn)生圖形以及技術(shù)文件。本系統可以根據用戶(hù)的需要，從上兩層的設計數據出發(fā)，推理、匹配、產(chǎn)生詳細設計參數，最終輸出結果。
2.2推理與評價(jià)體系
車(chē)輛人機界面布局優(yōu)化系統是分層建造的，而不同的層各有其特點(diǎn)，因此也相應地存在著(zhù)不同類(lèi)型的推理機制，不僅有主推理機，還有嵌入到各對象內的子推理機。
（1）方案設計的推理與評價(jià)體系
在方案設計階段，因主要利用的是經(jīng)驗設計，故推理方式采用模糊邏輯推理與評價(jià)相結合的方式。
①推理的模糊矩陣法。對于模糊規則：IF x is A THEN y is B,A、B分別是論域U、V上的模糊子集，表示A、B之間存在模糊的因果關(guān)系；設為R。若已知模糊事實(shí)A，通過(guò)A與R的合成可得到B，即B＝R＊A。②方案設計中的評價(jià)策略。評價(jià)的過(guò)程與推理過(guò)程相似，評價(jià)一方面輔助推理，另一方面對產(chǎn)生的多方案進(jìn)行篩選。在方案設計階段對方案要素進(jìn)行評價(jià)，可以彌補推理過(guò)程中的知識不足或不確定。是否進(jìn)行評價(jià)有2種策略：無(wú)論如何都對推理結果進(jìn)行評價(jià)；推理產(chǎn)生的結果隸屬度比較接近時(shí)，再使用評價(jià)。
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