礦井地震儀設計中的人機工程學

石 巖 馮 宏 王有杰 程 海

（中煤科工集團西安研究院，西安 710077）

1 人機工程學在煤礦井下物探儀器設計中的意義

人機工程設計是按照“以人為本”的思想來設計和優化“人-機-環境系統”的一種設計方法。它要求在儀器（人所使用和控制的物）設計時應特別注意人的因素和人的特性，例如人體尺寸。人的反應能力和限度以及人的心理；要求把人機工程準則及所需的技術方法滲透到設計之中，其目的是建立操作者與系統之間的協調關系。許多單位在煤礦井下物探儀器的設計和開發中投入了大量的精力。然而在設計的過程中往往忽視了儀器形態的人機功效問題，而關注的往往是產品本身的功能問題，比如性能參數等。

2 煤礦井下物探儀器的作用和結構要求

2.1 煤礦井下物探儀器的作用

近年來，我國煤礦發生重特大災害事故的慘痛教訓表明，安全是煤炭工業和煤炭企業發展的前提和保證。但是隨著煤炭開采深度的加大，煤礦地質、水文、構造和煤層賦存狀況等問題給礦井生產帶來的地質災害日益突出。礦井地質災害復雜多樣，在煤炭開采過程中，煤層構造（斷層）、陷落柱、含水層（體）、異常體（火成巖、煤層頂底板巖性等）是不可忽視的災害性地質異常體。運用綜合物探方法防治煤礦地質災害與地質風險的優勢明顯，高分辨率三維地震勘探、電法勘探等綜合物探技術以其獨具的信息量大、分辨率高、控制網度密等優點，使得較準確地探測小規模構造、斷層、陷落柱、含水體等地質異常體成為可能。

2.2 煤礦井下物探儀器的防爆結構要求

鑒于煤礦井下的惡劣環境，國家對煤礦井下物探儀器有著極為嚴格的要求。儀器結構要滿足下表中嚴酷等級要求：

井下物探儀器受工作環境所限，在儀器設計過程中有其結構的特殊性和材料選取的局限性。在儀器結構設計的過程優先考慮的產品的安全可靠性，如阻燃 防靜電 防水 防塵 抗跌落等防爆性能，兼顧材料的選取和加工裝配工藝的選用等其他部分因素。本文以礦井地震儀為例，探討在地震儀結構設計中所包含的人機工程學因素。

表1：煤礦用井下儀器產品型式試驗嚴酷等級表

3 地震儀系統構成及地震儀“人-機-環境”系統

3.1 地震儀系統的構成。

一套完整的地震勘探儀系統由中央控制站、采集站、采集站供電單元 、檢波器、起爆器、和同步觸發裝置6部分組成。其中中央控制站作為人機對話操控平臺，在其中涉及人機工程學因素也最多。文中所提及地震儀即為礦井地震儀中央控制站（以下簡稱地震儀）。

3.2 地震儀“人-儀器-環境”系統。

“人-機-環境”系統的思想是指導儀器設計的核心。在“人-地震儀-環境”系統中，“人”是指做主體工作的人，對應為儀器操作者；“機”對應為操作者控制的對象，例如，鍵盤、鼠標、亮度調節鈕、顯示屏等；“環境”對應為影響操作者操作的因素。地震儀設計中提出的人機功效方面的性能要求例如按鍵大小間距 顯示屏大小 視角 儀器攜帶方便舒適性等，都是以“人”為主體提出來的。我們研究地震儀設計中的人機功效因素，主要研究“人-地震儀-環境”系統中操作員。控制對象以及內外環境三者之間的相互作用和關系。我們建立了“人-地震儀-環境”模型如圖1所示：

圖1 “人-地震儀-環境”系統關系圖

4 人機工程學思維在地震儀人機交互部件設計中的應用。

4.1 造型

基于國家對煤礦井下地震儀的結構要求，我們在Solidworks軟件環境下對地震儀進行三維建模設計。考慮到地震儀采用WINDOWS 操作系統，最終按照操作電腦右手習慣將鍵盤分布在面板左側，建立模型如下：

圖2：SOLID WORKS環境下地震儀三維模型

4.2 鍵盤的設計

在人機交互中，系統與人的交互是通過輸入設備和輸出設備來進行。在地震儀系統中，鍵盤就是最主要的輸入設備。鑒于井下工作環境的特殊，井下地震儀鍵盤的操作方法與日常辦公室操作有所區別。辦公室操作鍵盤多采用坐姿。在鍵盤作業時，雙手放在基準鍵上用于定位，手腕和手臂放在桌面，主要操作靠食指和中指完成。而在井下多采用蹲姿，在鍵盤作業時，手腕和手臂懸空，主要操作靠食指和大拇指完成。單個鍵大小應與食指指球肌大小相符。考慮到操作礦井地震儀的用戶多為年齡22至50歲男性，由表1可知，應選擇90百分位值，即手長193mm 食指長75mm。若需滿足操作員單手進行組合鍵操作需求，鍵盤長度應控制在200mm至220 mm之間。

最終設計出防水鍵盤如下圖：

表1 GB/T 10000人體手部尺寸（男）

4.3 顯示屏的設計

地震儀系統中主要輸出設備是顯示屏。在顯示屏的設計中，我們主要需要考慮顯示屏的亮度、可視域等。其中可視域又包括了顯示屏視角 、尺寸等。

4.3.1 亮度

礦井下沒有自然光，與地面相比相對較暗。此時若屏幕亮度仍像平時室內工作時則會顯刺眼，我們在設計的過程中在面板上專門設計了顯示器亮度調節開關，可供用戶在不同照度環境下自由選擇。如圖5所示

圖3：礦井地震儀防水鍵盤設計圖

圖4：礦井地震儀防水鍵盤實物

圖5：顯示屏亮度調節按鈕

圖6：顯示屏實物圖

4.4 屏面尺寸

屛面的大小：屛面的大小與視距有關。正確識別觀察對象的視距被稱為識別視距。實際上是否能正確識別觀察對象的決定條件是視角。當觀察距離增大時，應增大相應屛面尺寸。一般來說在井下環境下設計視距在700mm處較為適宜，小于380mm會發生目眩，超過760mm時會看不清細節。在這種情況下我們可以根據視角計算公式計算出地震儀屏幕尺寸：

式中a-視角，用“ˊ”（分）表示，即1/60度；人正確識別物體的視角約為10ˊ至15ˊ（在此我們選用最大視角15ˊ）。

D-被觀察對象上下兩端點間的直線距離；

L-視距，眼睛至被觀察對象的距離。

代入公式計算得顯示屏的上下兩端點間的直線距離為184mm。最終確定了顯示屏設計方案，如下圖所示：

5 樣機方案確定

考慮到產品的便攜性和舒適性，最終在三維模型的基礎上加裝了方便攜帶的把手和背帶。最終樣機如下圖所示：

圖7：礦井地震儀實物圖

圖8：連接器保護槽實物

6 樣機缺點和不足

樣機在測試使用中發現，在蹲姿操作鍵盤的過程中，食指用力會較室內坐姿操作略大，而鍵盤設計鍵程略短，使用起來不夠舒適。在側面連接器槽的設計上，僅僅考慮到對連接器插頭的保護作用，并沒有考慮到人體手部用力的方式。人體手中肌肉發達的部位包括指尖虎口大魚際和小魚際，手指根部關節和手掌則不受力。操作時手腕彎角需在合適的角度范圍內力作用，樣機中連接器插頭間距過小，并不利于指尖和虎口發力。

7 結束語

人機工程學作為產品設計中的一個重要環節早已被應用到了汽車、飛機、工程機械等領域。而在井下物探儀器設計這個新興領域內還未得到設計人員的重視。本次在礦井地震儀設計過程中運用人機工程學的思維和方法，輔助計算機三維建模，為提高操作員在井下環境工作的舒適性有著一定的幫助。在樣機試驗中發現的問題也表明，在儀器設計過程中的人機工程學因素還有著更多的改進空間，需要我們進一步去探索、去學習。

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