張宏瑞，任家駿，李愛(ài)峰，趙 靜

大型礦用挖掘機(jī)操作界面的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

張宏瑞1，任家駿1，李愛(ài)峰2，趙 靜1

(1. 太原理工大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，山西 太原 030024；2. 太原重工股份有限公司技術(shù)中心，山西 太原 030024)

針對(duì)大型礦用挖掘機(jī)操作元件布局不合理的問(wèn)題，以人機(jī)工程學(xué)理論為基礎(chǔ)，采用改進(jìn)的Topsis法，將挖掘機(jī)駕駛室人機(jī)界面的設(shè)計(jì)元素進(jìn)行量化分析。首先，根據(jù)駕駛室各元件在不同工況下的使用頻率，采用改進(jìn)的逼近理想解法對(duì)各元件進(jìn)行優(yōu)先排序。其次，為提高駕駛員的操作便利性與工作效率，綜合利用功能分區(qū)原則、色彩設(shè)計(jì)原則等用戶體驗(yàn)方法對(duì)操作元件進(jìn)行重新布局與設(shè)計(jì)。最后，采用0~5打分表格法對(duì)重新布局設(shè)計(jì)前、后的操作界面進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：重新設(shè)計(jì)后的操作界面人機(jī)交互性能評(píng)分較高，區(qū)域劃分、元件分類更加合理，其中區(qū)域劃分合理性提高近40%，總體平均分值提高35.4%。該方法為復(fù)雜人機(jī)界面的合理規(guī)劃和布局提供了一種設(shè)計(jì)思路。

大型礦用挖掘機(jī)；人機(jī)界面；駕駛室；改進(jìn)的Topsis法

大型礦用挖掘機(jī)是礦山開(kāi)采的重要設(shè)備，主要應(yīng)用于露天礦開(kāi)采，大型礦用挖掘機(jī)操作元件數(shù)量有20多個(gè)，其位置與布局影響著駕駛員的操作效率與安全性。露天礦現(xiàn)場(chǎng)粉塵濃度高、噪聲污染嚴(yán)重，在這種復(fù)雜的工作條件下，駕駛員操作的舒適性與安全性顯得尤為重要[1]。因此，以人機(jī)界面設(shè)計(jì)的原則指導(dǎo)操作界面的設(shè)計(jì)，能夠提高駕駛?cè)藛T的操作準(zhǔn)確性、安全性、舒適性以及工作效率。

國(guó)外對(duì)挖掘機(jī)駕駛室內(nèi)部的人機(jī)關(guān)系研究已較深入且廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)中。文獻(xiàn)[2]提出了模糊數(shù)據(jù)包絡(luò)分析方法，并綜合人機(jī)工程學(xué)、安全性、可操作性方面的相關(guān)指標(biāo)，尋找出最優(yōu)布局方案；文獻(xiàn)[3]基于模擬退火的算法，提出了一種以最優(yōu)方式對(duì)用戶界面各元素進(jìn)行重新排序的方法，提高了基于約束條件的用戶界面的設(shè)計(jì)效率；文獻(xiàn)[4]利用模擬退火和遺傳算法2種方法求解界面的布置問(wèn)題，并對(duì)2種方法進(jìn)行了計(jì)算測(cè)試，通過(guò)比較其性能差別以確定較好的參數(shù)評(píng)價(jià)值。

國(guó)內(nèi)對(duì)大型礦用挖掘機(jī)等工程車輛的人機(jī)界面鮮有研究，且缺乏對(duì)設(shè)計(jì)流程的工學(xué)理論指導(dǎo)及缺乏工學(xué)計(jì)算與美學(xué)設(shè)計(jì)原則的結(jié)合[5-6]。本文對(duì)挖掘機(jī)人機(jī)界面的布局進(jìn)行研究，利用改進(jìn)的Topsis法與功能分區(qū)原則對(duì)其布局進(jìn)行再設(shè)計(jì)，對(duì)各個(gè)元件的優(yōu)先序進(jìn)行求解，并通過(guò)量化各元件的優(yōu)先序，分析駕駛員的操作邏輯，對(duì)各原件進(jìn)行布局與色彩設(shè)計(jì)，提高操作效率與操作的安全性。

1 礦用挖掘機(jī)駕駛室操作界面構(gòu)成分析

大型礦用挖掘機(jī)駕駛室元件種類繁多，包括儀表、指示燈和開(kāi)關(guān)3大類，共24個(gè)元件，圖1為駕駛室的操作界面及位置分布圖。在目標(biāo)優(yōu)化前，需根據(jù)圖1對(duì)目標(biāo)進(jìn)行分層[7]。表1中，傾角儀等各個(gè)元件是評(píng)價(jià)的第1層因素；儀表、指示燈和開(kāi)關(guān)3大類為該人機(jī)界面構(gòu)成的第2層因素；駕駛室人機(jī)界面為第3層因素，也就是目標(biāo)層因素。應(yīng)用具體方法進(jìn)行評(píng)價(jià)因素包括第1、2層級(jí)，評(píng)價(jià)順序?yàn)閺牡?層級(jí)到第1層級(jí)[8]，第1層級(jí)因素的評(píng)價(jià)結(jié)果受第2層級(jí)因素的影響。

圖1 優(yōu)化前駕駛室界面

表1 因素分類表

2 改進(jìn)的逼近理想解法求解優(yōu)先序

2.1 改進(jìn)的Topsis法

多目標(biāo)因素是評(píng)價(jià)Topsis法綜合評(píng)價(jià)方法的一種，其根據(jù)歸一化后的原始矩陣，確定理想方案，然后分別計(jì)算各個(gè)因素與理想解之間的接近程度從而確定最優(yōu)方案[9-10]。而改進(jìn)后的Topsis法是以最優(yōu)為原則，且與理想方案之間的最小距離為前提，求解各個(gè)對(duì)象的權(quán)重值，從而指導(dǎo)設(shè)計(jì)。求解出的指標(biāo)權(quán)重值為最接近理想解的值，可以更加科學(xué)、有效地指導(dǎo)界面中元件的布局及色彩設(shè)計(jì)。求解過(guò)程為：

(1) 構(gòu)造原始矩陣=(x)×n；其中為工況類型，共有個(gè)；為評(píng)價(jià)對(duì)象，共有個(gè)；x為某對(duì)象在該工況下的使用人數(shù)。

(2) 將低和中優(yōu)指標(biāo)全部轉(zhuǎn)化為高優(yōu)指標(biāo)?，對(duì)指標(biāo)屬性進(jìn)行趨同化處理[11]，即

其中，為指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值。

(3) 對(duì)趨同化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，由此得到標(biāo)準(zhǔn)化矩陣=(z)×n

(4)將矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到=(y)×n

(5) 設(shè)理想解矩陣為*，標(biāo)準(zhǔn)化矩陣中其各列的理想解為*，即

其中，+為效益型指標(biāo)；–為成本型指標(biāo)[12]。

(6) 根據(jù)各對(duì)象到理想解的距離可以判斷優(yōu)化程度。選取d較小的值作為最優(yōu)解，則可以構(gòu)造最優(yōu)化模型[13]

(7) 根據(jù)此模型求解各目標(biāo)權(quán)重，即

2.2 改進(jìn)的Topsis法求解權(quán)重

逼近理想解法是多目標(biāo)決策分析的一種常用方法。改進(jìn)的Topsis可以求解最接近理想解的元件權(quán)重，通過(guò)量化各元件的重要程度，對(duì)界面設(shè)計(jì)中元件的優(yōu)先序布局起到指導(dǎo)的作用。在22份有效問(wèn)卷調(diào)查的基礎(chǔ)上，根據(jù)上述改進(jìn)的逼近理想解法對(duì)權(quán)重進(jìn)行求解。問(wèn)卷調(diào)查的主體包括3名太原重型機(jī)械集團(tuán)有限公司的工程師、2名太原理工大學(xué)機(jī)械化專業(yè)的教師及17名大型礦用挖掘機(jī)駕駛員，根據(jù)改進(jìn)群AHP法[14]計(jì)算出專家權(quán)重系數(shù)分別為：0.9,0.8,0.9。本文根據(jù)礦用挖掘機(jī)的操作規(guī)則，將工況分為起動(dòng)和停車、緊急情況及正常作業(yè)3種，且根據(jù)專家給出的重要程度表，設(shè)定了不同的權(quán)重系數(shù)，依次為0.7,0.9,0.8。

以操作元件為例，分別統(tǒng)計(jì)出各元件在3種工況下的使用情況，根據(jù)各種情況下各元件的使用人數(shù)，建立初始矩陣=(x)3×14。其中，為不同工況；為不同元件。

根據(jù)上式與不同工況的權(quán)重系數(shù)，將初始矩陣進(jìn)行歸一化處理，得到

根據(jù)式(7)計(jì)算得出各開(kāi)關(guān)按鈕的權(quán)重=(1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14)=(0.0229, 0.0199, 0.0179, 0.0472, 0.0458, 0.0118, 0.0382, 0.0678, 0.0117, 0.0104, 0.6418, 0.0308, 0.0226, 0.0133)。

2.3 駕駛室操作元件的排序

根據(jù)同樣的方法，得出其他元件和各大類的權(quán)重值，見(jiàn)表2。權(quán)重值的高低代表了元件的使用頻率，權(quán)重高的元件使用頻率較高。在進(jìn)行挖掘機(jī)駕駛室操作臺(tái)界面設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮各元件的優(yōu)先序，優(yōu)先將權(quán)重值較高的元件排放在視野最優(yōu)、手最容易到達(dá)的區(qū)域，其余元件依次排放在視野較好和手較容易到達(dá)的區(qū)域。此外，3種工況下的各元件使用頻率不同，緊急情況下使用頻率較高的元件應(yīng)優(yōu)先布置。例如，在發(fā)生故障燈緊急情況下，只需按下整流的停止按鈕，各機(jī)構(gòu)的抱閘便可立即抱緊，使各機(jī)構(gòu)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。整流停止按鈕在緊急情況下發(fā)揮著重要的作用，其使用頻率較高，應(yīng)優(yōu)先布置。依據(jù)表2中的綜合權(quán)重值以及分析得出的結(jié)論為：

(1) 開(kāi)關(guān)類元件中，操縱桿權(quán)重值為0.641 8，綜合權(quán)重值為0.296 1，是此類使用頻率最高的元件，在布置的過(guò)程中應(yīng)該優(yōu)先考慮。

(2) 模式切換、松閘與抱閘綜合權(quán)重值均在0.02以上，其排序僅次于操縱桿，應(yīng)將其布置于座椅兩側(cè)的控制面板，且可達(dá)性好。

(3) 其余開(kāi)關(guān)類元件的綜合權(quán)重值均不高于0.02，將其布置于座椅左前方的操作臺(tái)上。

(4) 根據(jù)初始矩陣中的數(shù)據(jù)，分析不同工況下的使用頻率可知，整流停止在緊急情況下發(fā)揮著重要的作用，在操作臺(tái)的操作元件布置中應(yīng)優(yōu)先考慮。

(5) 儀表類元件中，傾角儀的綜合權(quán)重值為0.007 7，是該類中權(quán)重值最高的元件，應(yīng)該優(yōu)先布置。

(6) 空調(diào)、梯子上升、腳部加熱開(kāi)關(guān)的綜合權(quán)重值為0.000 5左右，在開(kāi)關(guān)類元件中使用頻率較低，可將其布置于操作臺(tái)靠后的位置。

綜上所述，依據(jù)表2的綜合權(quán)重值量化各元件的優(yōu)先序，可更加科學(xué)化的設(shè)計(jì)界面。在布局與色彩設(shè)計(jì)中，權(quán)重值較高的元件排放在視野最優(yōu)、手最容易到達(dá)的區(qū)域，且采用較為突出的色彩進(jìn)行區(qū)分。其余元件依次排放在視野較好和手較容易到達(dá)的區(qū)域。

表2 大型礦用挖掘機(jī)駕駛室人機(jī)界面各元件權(quán)重值和優(yōu)先序

3 操作臺(tái)界面優(yōu)化設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)

3.1 操作元件位置布局設(shè)計(jì)

對(duì)操作元件進(jìn)行布局設(shè)計(jì)時(shí)，在考慮綜合權(quán)重值排序的基礎(chǔ)上，需要對(duì)駕駛員的操作邏輯進(jìn)行分析，使得元件布局與駕駛員日常經(jīng)驗(yàn)的操作流程相符，以避免造成操作的混亂。例如，駕駛員在起動(dòng)挖掘機(jī)時(shí)需要用到整流開(kāi)啟，工作過(guò)程需觀察整流運(yùn)行指示燈正常工作情況，停車或緊急情況需要用到整流停止。三者在操作上存在一定關(guān)系，且在功能關(guān)系上同屬于整流控制元件。因此，在排序時(shí)將其劃分為同一區(qū)域內(nèi)的相鄰元件。根據(jù)該原則，綜合權(quán)重排序與功能邏輯關(guān)系分析，得出元件的邏輯關(guān)系，如圖2所示。

圖2 邏輯關(guān)系圖

對(duì)于具有較多操作元件的面板，在設(shè)計(jì)中通常需要對(duì)其進(jìn)行區(qū)域劃分。劃分時(shí)要綜合考慮功能分類、視域分布、視覺(jué)流程的要求，劃分的形式有線、面、體3種[15]。且對(duì)國(guó)內(nèi)外工程機(jī)械進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，駕駛室內(nèi)部操作面板多以長(zhǎng)方形進(jìn)行區(qū)域劃分，以免曲線太多擾亂駕駛員的視線，降低工作效率。根據(jù)上述綜合權(quán)重值與操作邏輯圖進(jìn)行區(qū)分布局，如圖3所示。

圖3 操作界面布局劃分圖

3.2 操作面板色彩設(shè)計(jì)

研究表明，操作臺(tái)的各種開(kāi)關(guān)、指示燈的顏色具有特定的合義，應(yīng)符合人的正常心理反應(yīng)[16]。因此，本文根據(jù)綜合權(quán)重值與功能綜合分析的邏輯關(guān)系對(duì)元件群進(jìn)行區(qū)域劃分，并且根據(jù)色彩心理學(xué)進(jìn)行色彩計(jì)劃，重要按鍵選用紅色、綠色。表3列出了各元件的色彩計(jì)劃。

在色彩與材質(zhì)上，各元件的銘牌保持與操作面板的一致性，文字說(shuō)明部分采用黑色以突出強(qiáng)調(diào)。由于整流停止綜合權(quán)重值較高，且在操作邏輯中屬于常用開(kāi)關(guān)。設(shè)計(jì)其為紅色扳鍵式開(kāi)關(guān)，增加觸覺(jué)反饋以避免誤操作，在統(tǒng)一基礎(chǔ)上形成差異性，突出強(qiáng)調(diào)其緊急情況下的制動(dòng)功能。其中各元件尺寸數(shù)據(jù)嚴(yán)格按照J(rèn)B/T 3907、GB 16915.1中[17]的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。圖4為最終操作界面設(shè)計(jì)方案，操作面板在駕駛室中的分布如圖5所示。為提高操作的便捷性與效率性，對(duì)操作界面的布局進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，采用環(huán)繞座椅式，減小了手伸的活動(dòng)半徑，縮小了駕駛員操作的活動(dòng)范圍。

表3 操作元件色彩計(jì)劃

圖4 最終效果圖

圖5 面板布局圖

3.3 設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)

對(duì)操作界面的人機(jī)性能做出評(píng)價(jià)時(shí)，需要綜合考慮用戶體驗(yàn)等心理與情感表達(dá)，因此，本文采用主觀評(píng)價(jià)的方法，評(píng)價(jià)人員為駕駛員和設(shè)計(jì)人員各5人。針對(duì)設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)，采用0~5分的表格進(jìn)行打分對(duì)優(yōu)化前后的方案分別進(jìn)行評(píng)價(jià)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析，將各項(xiàng)指標(biāo)求取平均值得到表4的結(jié)果。結(jié)果表明，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的方案平均分高于原有方案，尤其在元件分類以及區(qū)域劃分合理性2項(xiàng)上有較大的改進(jìn)。設(shè)計(jì)后的方案更加關(guān)注用戶體驗(yàn)，更人性化。

表4 方案評(píng)價(jià)結(jié)果

4 結(jié) 論

本文基于對(duì)挖掘機(jī)控制臺(tái)操作元件的分析，通過(guò)對(duì)挖掘機(jī)操作界面的再設(shè)計(jì)，總結(jié)出基于Topsis的設(shè)計(jì)方法并進(jìn)行了驗(yàn)證，增加了人機(jī)工程學(xué)優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)方法：

(1)通過(guò)改進(jìn)的Topsis法求解出各元件最貼近理想狀態(tài)的權(quán)重值，得出各操作元件的優(yōu)先順序；該方法可以通過(guò)量化優(yōu)先順序指導(dǎo)設(shè)計(jì)，為設(shè)計(jì)提供科學(xué)、有效的支撐奠定了理論基礎(chǔ)。

(2) 通過(guò)對(duì)操作元件的布局以及色彩設(shè)計(jì)分析，綜合優(yōu)先排序的結(jié)果，總結(jié)出元件的邏輯關(guān)系圖并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；將工學(xué)計(jì)算與美學(xué)原則進(jìn)行了有效地結(jié)合。

(3) 最終通過(guò)主觀評(píng)價(jià)表明，運(yùn)用該方法進(jìn)行設(shè)計(jì)的操作界面得分較高，具有較好的識(shí)別性與合理性，從而驗(yàn)證了該方法的正確性。

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Study on Optimal Design of Operating Interface of Large Mining Excavator

ZHANG Hong-rui1, REN Jia-jun1, LI Ai-feng2, ZHAO Jing1

(1. College of Mechanical Engineering and Transportation, Taiyuan University of Technology, Taiyuan Shanxi 030024, China; 2. Taiyuan Heavy Machinery Group Co. Ltd Tecnology Center, Taiyuan Shanxi 030024, China)

In view of the unreasonable layout of operating elements in large mining excavators, the elements of the man-machine interface of the excavator cab were quantitatively analyzed based on the ergonomic theory by the method of the improved Topsis method. Firstly, according to the operating frequency of each component in the excavator cab under different working conditions, the improved approximation ideal solution was used to prioritize each component. Secondly, in order to improve the operational convenience and work efficiency of drivers, user experience methods such as functional zoning principle and color design principle were comprehensively utilized to rearrange and design the operating components. Finally, the user interface of the redesigned layout and the original interface of current excavator were evaluated subjectively by using the 0-5 scoring table method. The results show that the user interface of the redesigned layout has higher human-computer interaction performance score than the former one. In Particular, in area division and component classification, they both have an optimization rate of about 40% and the average overall optimization rate is 35.4%. This method provides a design idea for rational planning and layout of the complex human-computer interface.

large mining excavators; man-machine interface; the cab; improved Topsis method

TB 472

10.11996/JG.j.2095-302X.2019040796

A

2095-302X(2019)04-0796-06

2019-03-12；

定稿日期：2019-04-15

國(guó)家“863”科技基金項(xiàng)目(2012AA062001)

張宏瑞(1994-)，女，山西呂梁人，碩士研究生。主要研究方向?yàn)檐囕v人機(jī)工程學(xué)研究。E-mail：zhr5503@163.com

任家駿(1958-)，男，山西孝義人，教授，碩士。主要研究方向?yàn)闄C(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)及車輛人機(jī)工程學(xué)研究。E-mail：tyrenjj@163.com