岸邊集裝箱起重機人機功能分配方法的研究

王浩， 嚴偉， 陸后軍

（上海海事大學 物流工程學院，上海 201306）

0 引言

國際自動化集裝箱碼頭發展至今已有30a左右的歷史，其發展大體可分為四個階段［1］：第一代以荷蘭鹿特丹碼頭I期和II期為代表；第二代以Altenwerder碼頭為代表；第三代以ECT碼頭設計建設中的Europmax碼頭為代表；第四代以即將啟用的廈門遠海碼頭為代表。根據自動化碼頭的發展，能看到其中的裝卸工藝不是完全的自動化，而僅僅是部分功能的自動化，因此作業過程中仍然需要人機的協同操作。

近年來，國內外學者對于人機功能分配做了多項研究。2012年，空軍工程大學工程學院柳平等人引入多目標模糊決策的數學方法，建立了人機功能分配的一般模型，為飛機設計中合理進行人機功能分配提供了一種新的參考方法。2011年7月，佐治亞理工大學航空航天工程學院的So Young Kim等人從機器部分的智能性（mostly-automated），操作人員的獨立性（mostlymanual），人機結合的協調性（mixed）和智能組件的優先性（highly-automated）四個方面建立了復雜工作環境下人機功能分配的衡量標準的模型。目前比較常用的人機功能分配的分析方法有：比較分配法、剩余分配法、經濟分配法、概率期望值指標法、動態分配法等。

作為自動化橋吊駕駛系統設計的核心內容，人機功能分配的合理性極其重要。過度的智能化容易造成橋吊司機的依賴性增強和態勢感知能力的降低，并且系統的開發代價會過高；但是過低的系統智能化容易造成橋吊司機工作量過大，使其認知能力下降，工作效率下降。因此如何評判岸橋駕駛中的人機功能分配設計的合理性［2］，是自動化碼頭發展進程中必須解決的核心任務之一。

1 岸邊集裝箱起重機作業功能分析

通過對集裝箱碼頭作業的調研學習，可以把岸橋的裝卸船過程分解為以下幾步：作業前檢查、岸橋就位、小車平移、吊具下降、吊具與集裝箱對接、吊具起升、小車后退、吊具下降、集裝箱卸載到集卡和吊具回升。

在功能分配原則設定中，問題的關鍵是對橋吊司機和自動橋吊駕駛系統分配何種任務。通常情況，駕駛員的許多工作優勢正好是自動化的缺點，而自動化的有些工作優勢也是駕駛員的缺點，兩者在岸橋作業時可相輔相成。根據兩者的特點，進行合理的功能分配，即可實現現代岸橋的高效作業。具體可參考表1所列出的人機各自的優勢特性。

表1 Fitts人機能力對比表

根據岸橋的作業流程，對操作過程中各個步驟（即作業前檢查、岸橋就位、小車平移、吊具下降、吊具與集裝箱對接、吊具起升、小車后退、吊具下降、集裝箱卸載到集卡和吊具回升）進行分解，可繪出岸橋作業中各步驟的作業軌跡如圖1所示。得到如表2所示的功能分配的可能性分析結論。

在岸邊集裝箱起重機的所有操作步驟中，選取何種類型的操作進行功能分配的分析需要根據橋吊司機的能力、自動化的水平、分配的可能性和作業的可靠性進行確定，確定的基本原則如下：1）在所有的操作中，流程簡單，橋吊司機可獨立完成的任務，分配給橋吊司機操作；2）在所有操作中，銜接不同操作過程并能影響作業效率和安全性的操作，除了提供自動控制外，需要引入橋吊司機的監督控制的備份，確保作業可靠性；3）橋吊司機和自動控制系統各自負責的具體作業范疇應有一定的可發揮性，以減少不必要的干涉，達到合理作業的協調性；4）在進行不同作業的功能分配時，應考慮到橋吊司機的操作水平、反應時間（特別是多個任務時間窗口疊加的情況）、作業的可靠性和該操作的復雜性。

圖1 岸橋及其作業軌跡圖

表2 岸橋作業中可能的人、機功能分配

功能分配是指設計者對各種不同現有條件（包括橋吊司機和自動控制系統）規定所要完成的各種作業任務，也就是說需要設計者根據不同的任務分配用于完成該任務的各種已有條件。目前對岸邊集裝箱起重機的人機功能分配還沒有相對成熟的方法，由于岸橋的作業過程受多種復雜因素的影響，存在許多的不確定性，不能單純地從一個方面來評價功能分配的合理性，因此需要建立一種可以把多種因素同時引入評價系統［3］的數學方法，以達到橋吊作業中的人機協同工作、密切配合，達到系統效率的最大化。人機功能分配作為現代岸橋設計的基本決策之一，直接影響著岸橋的系統結構、司機室界面的設計、系統軟硬件的配置等，并在很大程度上決定著實際操作過程中駕駛員和系統的相互作用，在整體上影響岸橋的性能發揮、裝卸效能、可靠性、成本以及橋吊司機的工作負荷。

2 岸邊集裝箱起重機功能分配模型

在實際生活中，對于無法精確描述的問題，采用傳統的決策方法無法進行分析說明，而通過引入模糊數學［4］的方法則可以相對清楚地說明問題。同樣，對于岸橋作業人機功能的分配，其系統的設計難度、支持費用、可靠性、操作的復雜性、乘員安全、人機系統的各自優越性以及維護性等影響因素都無法精確地描述。顯然要考慮如此多的對人機系統完成任務的影響因素，應采用多屬性模糊決策的數學方法來進行綜合的分析。因此，可以建立一個廣義的多目標模糊決策模型，通過各指標值對最佳指標值的模糊接近距離z來描述分配方案的優劣。

設根據所需得到的評價屬性集［5］為 E=｛E1，E2，…，Ei，…，Es｝，其對應的各屬性值為e=｛e1，e2，…，ei，…，es｝，各屬性值的下限值為A=｛a1，a2，…，ai，…as｝，各屬性值的上限值為B=｛b1，b2，…，bi，…，bs｝，其中的上下限的取值ai、bi、為評價屬性E的定義域，即當ai

定義如下的功能分配屬性值集，任務分配給橋吊司機的各屬性值為M=｛m1，m2，…，mi，…，ms｝，任務分配給自動控制的各屬性值為N=｛n1，n2，…，ni，…ns｝，橋吊司機和自動控制共同完成任務的各屬性值為T=｛t1，t2，…，ti，…ts｝。V為所有的屬性值所構成的矩陣。

定義各屬性值對最優方案的模糊接近的最優權重距離為

其中：qj為各屬性變量的權重系數；dij為各屬性變量的模糊關系矩陣。

其中對各屬性變量間的模糊關系與各屬性變量值之間的關系定義如下：

如何在分析判斷任務時將上述的模型進行細化，是人機系統設計的重要過程。在岸橋作業過程中，其流程實際上也是一個反復細化的過程，在細化過程中要求將整個作業分解成最基本的、細小的能夠具體分配到橋吊司機或者自控系統的操作任務。對于數學模型來說即確定不同操作任務的組成及其約束，因此可以在最基本的操作任務上對決策模型進行分析，使得每個操作任務可以最優地分配給橋吊司機或者自控系統來完成，該分配過程如圖2所示。

圖2 岸橋系統人機功能分配過程

圖3 數據收集及操控界面圖

3 案例分析

由表2可知，對岸橋作業的分解中，對人機功能分配比較理想的過程是小車的平移過程。為了說明該模型，對岸橋作業過程中的小車水平運動進行功能分配，通過建立的數學模型，進行分配決策，確定其執行方式。

通過分析得知，小車的水平運動既可以由橋吊司機單獨完成，也可以由自控系統單獨完成，同時也滿足兩者的合作完成。在研究過程中，主要考察反應時間、可靠性、安全性和工作載荷4個屬性，其所對應的屬性值可參考專家調查法并采用現已具有的實驗條件（岸橋仿真訓練器，圖3）進行采集確定。

應用德爾斐法，確定各屬性值的權重系數向量為

根據多屬性模糊決策理論及式（2）和我們所采集的數據整理得到的屬性值矩陣為

根據所選屬性所具有的特性以及綜上所獲得的參數，得各屬性值如表3所示。

表3 岸橋小車水平運動功能分配的屬性值表

由以上屬性指標表得到理想的最佳方案為（0.15,1,0.99,0.2）。

根據式（6），對所考慮的4個屬性之間的模糊關系矩陣D求解如下：

根據式（3），各屬性值對最優方案的模糊接近的最優權重距離，得出各屬性的功能分配方案對最優方案的最優權重距離如下，

最優方案的目標函數為 Zi=min（Z1，Z2，Z3），由所得結果可知 Z3=min（Z1，Z2，Z3）。因此，根據最終結果可知，由橋吊司機和自控系統共同執行小車的水平運動為最優方案。可假設在執行的過程中，橋吊司機主要負責對小車水平運動過程的監督任務，可以將剩余的其他時間來完成其他相重疊的任務，以保證岸橋作業高效可靠地進行。

4結語

在港口機械的發展，特別是在岸橋的設計中對雙小車雙吊具復雜系統的操作，使橋吊司機的作業任務和作業難度越來越大，同時橋吊司機的能力也有一定的限度。針對上述問題，本文提出的基于橋吊司機反應時間和系統可靠性的屬性值均能達到最佳的人機功能分配，可將橋吊司機從繁瑣的操作任務中解脫出來，使其更好地完成監督、處理和決策的任務，最好地發揮橋吊司機和自控系統的工作效能，確保岸橋高效可靠地完成集裝箱吊運任務。本文討論了在岸橋作業中橋吊司機和自動控制系統的人機功能分配問題，是功能分配在港口機械作業任務中的一次應用嘗試，提出了岸橋操作系統的人機功能分配的一些分配原則和方法，建立了多屬性模糊決策的最優方案比選模型，通過模糊決策使得對任務的描述性分析轉變為與量化分析相結合方法。通過上述的案例分析表明：該方法對岸橋作業中人機功能分配的整體任務分析或具體操作任務分析具有一定的參考價值，同時該方法也能應用到自動化碼頭系統設計大趨勢中。

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