任务-结构-迭代融合的挖掘机操作界面设计方法

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本站小编 Free考研考试/2021-12-15

任家骏¹, 王雅坤¹, 李娟莉¹, 李爱峰²
1. 太原理工大学机械与运载工程学院, 山西太原 030024;
2. 太原重工股份有限公司技术中心, 山西太原 030024
收稿日期：2020-06-19
基金项目：国家高技术研究发展计划项目(2012AA062001)；山西省研究生教改项目(2019JG047)；山西省研究生教育创新项目(2020SY556)。
作者简介：任家骏(1958-)，男，山西孝义人，太原理工大学教授，博士生导师。

摘要：为改善矿用挖掘机操作员的作业体验和操作界面设计不合理现状, 提出了一种任务-结构-迭代融合的挖掘机操作界面设计方法.采用问卷调查、实地考察和文献资料分析等方法掌握操作员在作业中对环境和信息的感知接收情况, 分析操作界面存在的问题, 得出所需的设计点.采用结构分解法分析原操作界面的布局, 建立了各模块与设计点之间的映射关系, 分别确立控制台、控制面板、控制元件等主要模块的设计方法, 并引入遮光设计和防误操作设计; 采用人机工程学软件Jack迭代评价矿用挖掘机操作界面的可视性、可达性和舒适性.结果表明, 应用任务-结构-迭代融合法设计的操作界面更加合理.
关键词：矿用挖掘机操作界面任务分析结构分解迭代设计
Design Method of Excavator Operation Interface Based on Task-Structure-Iteration Fusion
REN Jia-jun¹, WANG Ya-kun¹, LI Juan-li¹, LI Ai-feng²
1. College of Mechanical and Vehicle Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China;
2. Technology Center, Taiyuan Heavy Machinery Group Co., Ltd., Taiyuan 030024, China
Corresponding author: WANG Ya-kun, E-mail: wangyk1226@163.com.

Abstract: A task-structure-iteration fusion design method is proposed to improve the experience of operator manipulating mining excavator and the operation interface design. Questionnaire, field investigation and literature analysis are carried out to investigate the operator perceptive status to environment and information in the task and to find out the shortcomings of the existing operation interface, and the design points aiming at the defects are obtained. The mapping between modules and the design points is established by dividing the layout of operation interface into several modules with a structure split method. The arrangement methods of the console, control panel and control components are developed, with shading and anti-misoperation considered. The engineering software Jack is used to iteratively evaluate the visibility, accessibility and comfortability of mining excavator operation interface. The results show that the rationality of the operation interface is improved by the task-structure-iteration fusion method.
Key words: mining excavatoroperation interfacetask analysisstructure splititerative design
矿用挖掘机的操作界面是操作员保证挖掘机安全作业的主要载体和通道, 控制面板结构较为复杂, 控制元件数量庞大且种类繁多^[1].操作员在操作界面上的工作时间长、作业压力大、作业坏境恶劣, 容易疲劳, 导致误操作和安全事故增加^[2], 因此矿用挖掘机操作界面的合理设计有重要意义.
目前, 针对矿用挖掘机操作界面的设计更重视性能和功能的实现, 缺乏人机工程学理论设计.近年来, 部分****对挖掘机操作界面进行了人机工程学的设计研究.文献[3]基于人机工程学研究挖掘机操作界面的操纵杆以改善操作员的作业情况.文献[4-5]分别通过人机工程学结合模糊数据包络分析法、模拟退火法改进并优化矿用挖掘机的操作界面的元件布局.文献[6]以操作员的工作状况传递路径分析为依据有效缓解了挖掘机驾驶室座椅的振动问题.上述研究分别从挖掘机操作界面的操纵杆、元件布局和座椅进行了人机工程学研究, 对挖掘机操作界面的整体设计问题仍有待研究.
在其他装备的操作界面设计中, 文献[7]研究了操作员在数字化操作平台的操作行为, 有效提高了操作员的响应时间.文献[8]对操作员的操作视频进行分析, 据此改善了操作界面的人因失误情况.文献[9]根据操作变化中的行为分析研究主控室操作员的人因可靠性.文献[10]基于眼动追踪的注意力感知研究用户操作界面以提高输入操作效率.文献[11]通过操作员的视觉认知实验, 构建“布局-认知”映射关系, 优化数控操作界面设计.文献[12]研究操作员的视觉搜索过程, 改良操作界面, 提高了操作员执行任务的认知绩效.综上所述, 对操作员的行为分析研究已经受到****关注且有了一定的研究成果, 但是人机工程学强调对人和机器的系统研究, 缺乏对装备的任务分析环节.操作界面的设计应根据人和机器的条件和特点合理分配人和机器所承担的操作职能, 因此对操作员的行为分析和对装备的任务分析同样重要.
本文从操作员作业模型出发, 以太原重工股份有限公司的WK-55矿用挖掘机操作界面为研究对象, 综合考虑挖掘机的作业任务、操作员的作业行为和操作界面的整体结构, 基于人机工程学, 提出了任务-结构-迭代融合的挖掘机操作界面设计方法.
1 任务-结构-迭代融合框架操作界面是矿用挖掘机操作员完成作业任务的主要工具.矿用挖掘机属于大型工程机械, 操作界面较为复杂, 本文提出一种基于任务-结构-迭代融合的操作界面设计方法, 分为3个设计阶段, 研究框架如图 1所示.
图 1(Fig. 1)

图 1 任务-结构-迭代融合框架Fig.1 Task-structure-iteration fusion framework

1) 任务分析: 分析操作员的日常作业, 建立操作员作业模型, 操作员作业是指操作员通过对外部环境和任务信息的感知和接收、理解和认知, 并据此在操作界面上的准确执行来完成作业的过程, 如图 2所示, 箭头表示信息流通方向.为了加强操作友好性, 减少人为因素造成的操作失误, 在界面设计中应考虑感官体验元素, 通过对操作员的作业操作流程观察、问卷调查和访谈, 结合查阅的文献资料, 对操作员的工作流程进行概括, 对矿用挖掘机的操作体验进行分析, 从而发现操作界面的现存痛点, 得出界面设计应着重考虑的设计点.
图 2(Fig. 2)

图 2 操作员作业模型Fig.2 Operator job model

2) 结构分解设计: 首先分析原操作界面的组成, 并合理拆分.本文以WK-55矿用挖掘机的原操作界面为例, 从人机工程学角度可将操作界面分解为控制台、控制面板和控制元件3个部分, 如图 3所示.控制面板分别安置在座椅左侧和右侧的控制台表面, 左侧控制台有2个控制面板, 右侧控制台有1个控制面板.操作面板上共有52个控制元件, 包括各种按钮、仪表、指示灯、操纵杆、开关、显示屏等, 分别安置在3个控制面板上.
图 3(Fig. 3)

图 3 操作界面结构分解Fig.3 Decomposition of operation interface structure

其次建立各结构与任务分析得出的设计点之间的映射关系, 依据各结构特点和设计点确立拆分后各结构的设计方法, 并引入遮光设计和防误操作设计.因矿用挖掘机操作界面的控制面板较多、面积较大, 为了高效有序地指导控制元件的排布, 将控制面板划分为n个模块, 对设计点评分; 假定V_i为模块i针对视觉注意力的设计点, O_i为模块i针对操作难易的设计点, 取平均值, 计算模块i的综合考量值S_i:

(1)

式中α和β为设计点权重, i=1, 2, …, n.
为了更加直观地显示模块的考量结果, 构建考量分布图, 采用不同的灰度值G_i显示, 从模块a开始依次计算各模块的灰度值, 灰度值范围为0~255, 计算公式为

(2)

由于控制元件数量较多、种类较复杂, 采用GEM-AHP^[13-14](group eigen value method-analytic hierarchy process)对调研数据进行处理, 求解步骤为: 根据AHP法对控制元件分类, 构建设计点评分矩阵P, 计算评分矩阵P转置后和它本身的乘积E, 求解E的最大特征值为单根时对应的特征向量F:

(3)

式中: p_ij为设计点分数; i为评分小组人员, 共有x人; j为待评价目标, 共有y个.

(4)

(5)

ρ_max为E的最大特征根, P_y为所有评分向量的集合; 对F归一化处理, 得到相对权重λ, 对权重排序, 为了直观显示数据处理结果, 绘制优先序柱状图.
3) 迭代设计: 引入人机工程学评估体系, 构建迭代设计, 研究矿用挖掘机操作界面的设计方案.人机工程学分析软件Jack提供了准确的人体生物力学模型, 应用领域广泛且可以较为准确地对仿真模型进行人机工效评估, 其Reach Zones, Comfort Assessment和Visual Field工具可以对操作界面的视野、可操作性、舒适性等科学评估, 因此本文借助Jack软件对操作界面的设计方案进行迭代评估, 改进局部尺寸或角度, 不断完善设计方案, 最终得到较优的操作界面设计方案.
2 融合框架应用研究采用任务-结构-迭代融合法对太原重工股份有限公司的WK-55矿用挖掘机的操作界面进行优化.融合框架由任务分析、结构分解设计和迭代设计3个部分组成.
2.1 任务分析调研结果来源于WK-55矿用挖掘机作业特性和操作规程, 以及袁家村矿的实地考察; 选取的调查对象包括2名山西籍操作员、4名“太重”高级工程师和4名高校研究人员.通过调研和分析得出操作员的作业任务可分为启动、行走、挖掘、卸载、停车、故障停车, 其中挖掘操作又可以分为推压和提升(下降)操作.由表 1可知, 操作员作业时需要频繁观察指示灯和工作环境, 并根据观察分析结果, 在操作界面上完成作业.调查表明, 为了良好的操作体验, 操作界面的设计应当注意以下问题: ①有序排布操作界面的显示控制元件, 以便视觉对信息的及时捕捉, 因此需要视觉考量; ②操作界面不能阻挡操作员对驾驶室外部环境的观察视野, 此外, 在露天矿山作业时, 操作界面易产生反光, 影响操作员作业的安全性和舒适性, 因此增加遮光设计考量; ③控制面板距离操作员不能太远, 使操作不便，影响工作效率, 因此需要易操作性和可达性的考量等.
表 1(Table 1)

表 1 矿用挖掘机操作界面的任务分析Table 1 Task analysis of mining excavator operation interface

任务		操作流程	痛点	设计点
启动		机械通电→启动照明开关→启动空压机→启动润滑系统→整流启动→观察指示灯	①控制台反光. ②控制面板1位置较远导致操作不便. ③控制元件排列杂乱不利于操作和观察. ④误操作控制元件, 操纵杆使用体验差.	①遮光设计 ②可视性考量 ③易操作、可达性考量 ④防误操作设计 ⑤舒适性考量
行走		观察工作环境→选择行走模式→松开抱闸→观察指示灯→行走
挖掘	推压	选择挖掘模式→松开抱闸→观察指示灯→工作→到达限位→指示灯声光报警
挖掘	提升 (下降)	选择挖掘模式→观察指示灯→启动润滑系统→松开抱闸→观察指示灯→工作→到达限位→指示灯声光报警
卸载		松开抱闸→观察指示灯→观察运输车辆→回转→卸载
停车		控制器回零→关闭抱闸→断开整流→观察指示灯
故障停车		指示灯声光报警→关闭抱闸→复位

表 1 矿用挖掘机操作界面的任务分析 Table 1 Task analysis of mining excavator operation interface

2.2 结构分解设计建立了控制台、控制面板和控制元件与通过任务分析得出的设计点之间的映射关系, 如图 4所示, 分为控制台设计、控制面板分析、控制元件排布、控制元件设计4个部分对操作界面分解设计.
图 4(Fig. 4)

图 4 结构分解设计框架Fig.4 Structural decomposition design framework

2.2.1 控制台设计原操作界面的控制面板1距离座椅位置较远, 操作员在工作过程中需要起身, 手才能够到控制台的控制面板, 操作的方便性与舒适性较低; 分析了矿用挖掘机操作员操作流程, 操作员在坐姿下对前俯视和右俯视视野要求较高, 因此控制台的设计主要采用了左侧半环绕结构设计, 增加遮光设计考量, 确立控制台设计方案, 有效解决操作员操作过程中对机构外环境的视野困扰、操作不便困扰和外环境带来的反光困扰.
2.2.2 控制面板分析将新设计的控制台表面的3个控制面板划分为a~h共8个模块, 如图 5所示.依据映射关系确定各模块的设计点为视觉注意程度和易操作程度, 根据问卷调查结果, 取权重值α=0.42, β=0.58, 式(1)和式(2) 的计算结果见表 2.
图 5(Fig. 5)

图 5 控制面板模块划分Fig.5 Control panel module division

表 2(Table 2)

表 2 控制面板分析量值表Table 2 Analysis value table of control panel

指标	模块
指标	a	b	c	d	e	f	g	h
V_i	3.60	1.20	5.90	4.20	1.30	6.90	6.10	2.40
O_i	6.80	5.30	1.80	6.40	5.10	0.50	3.90	1.10
S_i	5.46	3.58	3.53	5.48	3.51	3.19	4.83	1.65
G_i	32	109	111	31	112	125	58	188

表 2 控制面板分析量值表 Table 2 Analysis value table of control panel

构建了视觉-操作综合考量分布图, 其中模块f的视觉注意程度较高, 模块g次之; 模块a和d的易操作程度较高, 模块b和e次之, 灰度越深表明其综合考量值越高, 视觉注意程度和易操作程度变化趋势, 如图 6所示.
图 6(Fig. 6)

图 6 视觉-操作综合考量分布图Fig.6 Distribution of vision-operation comprehensive consideration

2.2.3 控制元件排布根据AHP法将控制元件分为3层, 可将这些元件划分为主要操作元件A类、指示元件B类、紧急操作元件C类、辅助操作元件D类、备用元件E类.由式(3)、式(4)和式(5)计算得到控制元件目标1层操作频率和综合考量纵向相对权重λ₁, λ₂, 目标2层控制元件操作频率和综合考量相对权重, 即横向相对权重λ_A, λ_B, λ_C, λ_D, λ_E, 将横向相对权重和相对应的纵向相对权重乘积求和, 得到控制元件综合权重λ, 如表 3所示.
表 3(Table 3)

表 3 控制元件权重值及优先序Table 3 Control element weight values and priorities

目标3层	目标2层			目标1层
目标3层	元件类别	操作频率	综合考量	元件	λ₁	λ₂	λ	排序
矿用挖掘机驾驶室操作界面控制元件	主要操作元件A λ_A	0.495	0.505	主要操纵元件A₁	0.114 4	0.084 3	0.099 2	1
				操作模式元件A₂	0.109 4	0.084 3	0.096 7	2
				启动元件A₃	0.075 1	0.071 4	0.073 2	4
				复位元件A₄	0.069 2	0.062 1	0.065 6	11
				其他元件A₅	0.052 6	0.049 5	0.051 0	12
	指示元件B λ_B	0.417	0.583	运行指示灯元件B₁	0.064 5	0.067 9	0.066 5	10
				运行警示灯元件B₂	0.065 1	0.069 2	0.067 5	8
				故障指示灯元件B₃	0.066 9	0.069 3	0.068 3	7
				警报指示灯元件B₄	0.061 1	0.076 2	0.069 9	6
				状态指示仪表元件B₅	0.072 0	0.063 4	0.067 0	9
	紧急操作元件C λ_C	0.250	0.750	停止元件C₁	0.057 0	0.077 3	0.072 2	5
	紧急操作元件C λ_C	0.250	0.750	紧急停止元件C₂	0.041 9	0.084 3	0.073 7	3
	辅助操作元件D λ_D	0.286	0.714	照明开关元件D₁	0.063 4	0.045 9	0.050 9	13
				清洗元件D₂	0.022 1	0.040 1	0.035 0	15
				其他元件D₃	0.044 7	0.031 5	0.035 3	14
	备用元件E λ_E	0.333	0.667	备用元件E₁	0.020 7	0.023 4	0.022 5	16

表 3 控制元件权重值及优先序 Table 3 Control element weight values and priorities

以控制元件目标1层操作频率纵向相对权重λ₁求解过程为例:
根据GEM-AHP法, 由4名操作人员, 2名行业专家和2名设计师组成的评分小组对操作界面组成元件层次结构中目标1层的各元件进行操作频率指标评分, 由式(3)构建矩阵P₁:

由式(4)和式(5)计算可得

对F₁归一化处理, 得到控制元件目标1层操作频率纵向相对权重λ₁:

绘制控制元件排布优先序柱状图(如图 7所示), 可以得出, 主要操纵元件A₁和操作模式元件A₂综合权重最高且操作频率最高, 紧急停止元件C₂次之且重要程度最高, 应优先设计排布; 其余元件按照优先序依次设计排布.依据控制面板的分析结果, 同控制元件分析结果匹配, 排布情况如表 4所示, 其中显示屏在组成元件中比较特殊, 排布在f模块.
图 7(Fig. 7)

图 7 控制元件排布优先序柱状图Fig.7 Bar chart of control element arrangement priority

表 4(Table 4)

表 4 控制元件排布Table 4 Arrangement of control elements

控制面板模块	控制元件
模块a, b, d, e	主要操纵元件A₁、操作模式元件A₂
模块c	其他元件A₅、运行警示灯元件B₂
模块f	显示屏、状态指示仪表元件B₅
模块g	紧急停止元件C₂、停止元件C₁、启动元件A₃、复位元件A₄、运行指示灯元件B₁、运行警示灯元件B₂、故障指示灯元件B₃、警报指示灯元件B₄
模块h	照明开关元件D₁、清洗元件D₂、其他元件D₃、备用元件E₁

表 4 控制元件排布 Table 4 Arrangement of control elements

因为模块g面板上组成元件较多, 根据注意指导原则^[15], 如图 8所示, 采用矩阵和多栏式布局方案, 上两行排布指示灯元件, 下两行排布可按动元件, 并根据功能细化为4个分区, 将功能逻辑相关的元件优先排布在一起, 如将低压、高压和整流元件以35 mm方形阵列首先排布在右下方, 向左间隔50 mm是重要程度仅次于它的复位元件, 将接地故障排在接地故障复位上方, 呈三角形模块.
图 8(Fig. 8)

图 8 控制元件排布示意图Fig.8 Schematic diagram of control element arrangement

2.2.4 控制元件设计借鉴了人机界面操纵装置的设计原则^[16]和GB15092.1—2003器具开关国家通用要求^[17], 对操作和紧急元件沿用圆形按压按钮形状, 按钮半径15 mm, 增加了内外径差为2 mm的金属环, 误触操作会被金属环隔断, 只有完全按压才可以触发开关.不仅如此, 在座椅左右操纵杆后方的面板处设计下沉20 mm的防误操作面板, 并将操纵杆面板内侧下沉35 mm, 改变了原来操纵杆竖直放置方式, 更适宜操作员的操作.控制元件的颜色应符合人的心理和生理反应, 采用色彩心理设计, 即绿色表示运行、安全和正常工作; 红色表示注意、危险、故障和停止工作; 黑色表示归零和复位.
2.3 迭代设计利用Jack软件进行迭代设计, 改进了局部尺寸或角度: 将两个控制台间的距离缩小了16 mm, 将操纵杆位置后移了20 mm等, 不断完善设计方案, 最终的评估结果如图 9所示, 得到了操作界面的设计方案, 图 10为矿用挖掘机操作界面设计方案的效果图和三视图.
图 9(Fig. 9)

图 9 Jack软件的最终评估结果Fig.9 Final evaluation results with software Jack

图 10(Fig. 10)

图 10 矿用挖掘机操作界面设计方案Fig.10 Design scheme of mining excavator operation interface

3 方案评价本文采用主观评价的方法, 对优化的操作界面设计方案和其余2个同型号操作界面设计方案进行对比, 3个待评价方案如表 5所示.为保障评分人员的权威性和人员构成的合理性, 评分小组的工厂操作员和研究人员的人数比为1∶1, 其中有4个矿用挖掘机操作员、12个挖掘机操作员、6个工程机械高工、10个人机工程学研究者.按照1~5评分并计算平均值, 采用GEM-AHP法对评分进行数据处理, 分别计算3个方案中9个指标的32个专家评分的算术平均值, 如表 6所示.
表 5(Table 5)

表 5 待评价方案Table 5 Plans to be evaluated

待评价方案M₁	待评价方案M₂	待评价方案M₃


该方案为现在WK-55矿用挖掘机的操作界面, 座椅左侧控制面板1距离座椅较远, 手柄为简单柱状, 显示屏在面板的左侧且不可移动.	该方案为对比改进方案, 座椅左侧控制面板1离座椅较近, 手柄为简单柱状, 显示屏在面板的右侧且可旋转.	该方案为本文优化方案, 座椅左侧采用半环绕结构, 将原控制面板1和2组合在一起, 手柄为更适合手握的形状, 显示屏在面板的右侧, 并增加遮光设计.

表 5 待评价方案 Table 5 Plans to be evaluated

表 6(Table 6)

表 6 矿用挖掘机驾驶室操作界面决策指标Table 6 Decision index of mining excavator cab operation interface

评价指标	M₁	M₂	M₃
控制面板的安装位置是否合理N₁	1.2	4.1	4.8
控制面板是否处于最佳视域N₂	2.3	4.4	4.4
控制元件是否按功能分区N₃	3.8	5.0	5.0
操作界面的信息易读性N₄	3.1	4.1	4.2
元件排列顺序与操作顺序是否一致N₅	4.1	4.2	4.2
元件操作范围是否处于合理区域N₆	1.1	4.7	4.1
界面设计能否减少误操作的发生N₇	1.3	3.2	4.6
界面布局是否合理N₈	2.1	3.2	4.6
界面美度N₉	2.2	4.0	4.8

表 6 矿用挖掘机驾驶室操作界面决策指标 Table 6 Decision index of mining excavator cab operation interface

由式(3)、式(4)和式(5)计算可得

对F归一化处理后得到评价指标的综合权重λ:

因此, 矿用挖掘机操作界面设计方案优劣排序为: 待评价方案M₁ < 待评价方案M₂ < 待评价方案M₃, 待评价方案M₃为最优方案, 即通过任务-结构-迭代设计的操作界面方案为最优方案.因待评价方案M₁为现在WK-55矿用挖掘机的操作界面, 评分小组评分平均值应低于其他两个优化方案, 同评定结果一致, 故GEM-AHP法评定方案的主观倾向性在容忍范围内.
4 结论1) 本文提出了一种任务-结构-迭代融合的挖掘机操作界面设计方法, 以WK-55矿用挖掘机为研究对象, 综合考虑了挖掘机的作业任务、操作员的操作行为、操作界面的结构和Jack软件评估, 该方法可以较好地应用于挖掘机操作界面的设计.
2) 基于操作员作业任务分析可以得到挖掘机操作界面所需的设计点, 对操作界面的结构设计、布局设计和细节设计具有一定的引导性.
3) 控制面板的模块式分解以及与控制元件的匹配, 可以指导操作界面控制元件的布局设计; 通过GEM-AHP方法可以根据控制元件的权重简化界面优化过程.
4) 迭代设计方法有助于提高挖掘机操作界面设计的合理性; 通过人机工程学软件对操作界面可视性、可达性和舒适性进行评估, 可以对操作界面方案进行有效的优化.
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