礦用挖掘機駕駛室操作界面的布局優化設計

王雅坤，任家駿，李愛峰，孟浩南

（1.太原理工大學機械與運載工程學院，山西太原030024；2.太原重工股份有限公司技術中心，山西太原030024）

礦用挖掘機駕駛室操作界面是駕駛人員通過人機交互保持挖掘機安全作業的主要載體和通道。操作界面的組成元件的數量及種類較多，因此操作界面的布局合理化設計尤為重要［1］。

國外學者對礦用挖掘機駕駛室操作界面的人機交互研究較早。例如：Azadeh等［2］采用模糊數據包絡分析法求解了操作界面的最優布局方案；Jamil等［3］采用模擬退火法將操作界面各元件重新排序；Balakrishnan等［4］采用綜合模擬退火法和遺傳算法對操作界面進行了布局優化。而國內學者對礦用挖掘機駕駛室操作界面的人機交互研究較晚。例如：Zhang等［5］采用改進的TOPSIS（technique for order preference by similarity to ideal solution，逼近理想解排序法）對操作界面的元件進行了優化排序。但是，現有的針對挖掘機駕駛室操作界面的研究大多是對組成元件的分析，而忽略了對操作面板的分析?；诖?，筆者針對操作界面組成元件數量及種類較多的問題，提出礦用挖掘機駕駛室操作界面布局優化設計的思路和方法：采用GEM-AHP（group eigenvalue methodanalytic hierarchy process，群組決策的特征根法-層次分析法）優化法對操作界面組成元件進行權重分析；針對操作面板，采用模塊重要程度分析法進行考量；在此基礎上，將操作界面組成元件與操作面板模塊進行匹配，使操作界面布局設計更為科學和直觀。

圖1 礦用挖掘機駕駛室操作界面的組成Fig.1 Composition of operation interface in mining excavator cab

1 礦用挖掘機駕駛室操作界面的組成

礦用挖掘機駕駛室操作界面由操作面板和多個組成元件構成［6］。如圖1所示，操作面板分為左操作面板、右操作面板和左側操控臺操作面板3個部分。組成元件的個數較多，種類也較復雜，共有52個組成元件，包括各種按鈕、儀表、指示燈、操縱桿、開關和顯示屏等。

2 操作界面布局優化設計方法

在對操作界面進行布局優化設計時，對操作面板和組成元件的分析是極為重要的。礦用挖掘機駕駛室操作界面布局優化設計的流程如圖2所示。

圖2 礦用挖掘機駕駛室操作界面布局優化設計的流程Fig.2 Flow of layout optimization design of operation interface in mining excavator cab

2.1 基于GEM-AHP優化法的組成元件權重分析

由于礦用挖掘機駕駛室操作界面組成元件的數量較多且種類較復雜，采用GEM-AHP優化法來分析組成元件的權重［7-8］。GEM-AHP優化法是GEM［9］和AHP［10］相結合的優化算法，在應用中可根據實際情況進行改進，可以將復雜的組成元件權重問題層次化，避免GEM法在求解問題時過于籠統的缺點［11-14］。GEM和AHP的原理及優缺點比較如表1所示。

在對組成元件的權重分析中，創新地改進了GEM-AHP優化法的權重計算方法。在原有縱向相對權重的基礎上，構建了第2層目標層橫向評分矩陣，得到橫向相對權重，進而得出綜合權重并進行排序，并繪制餅狀圖以更加科學、直觀地指導組成元件的布局設計。組合元件權重的求解步驟為：

表1 GEM和AHP的原理及優缺點比較Table 1 Comparison of principle，advantages and disadvantages of GEM and AHP

1）基于組成元件的功能，依據AHP的原理［15］，構建組成元件的層次結構。由具體元件到按功能分類的元件，按從目標低層到目標高層分為目標1層、目標2層、目標3層和目標4層，如表2所示。

2）求解組成元件的縱向相對權重。

基于組成元件的層次結構，采用使用頻率和重要程度兩個評價指標對目標2層的各元件進行評分。由x個專家組成評分小組，按照李克特量表法評分，對目標2層的y個各元件進行評分。首先，構建目標2層的使用頻率矩陣P1：

式中：pij為評分小組人員i對評價對象j的評分。

計算E1。E1為組成元件目標2層評分矩陣P1轉置后和它本身的乘積：

計算E1的最大特征值為單根時對應的特征向量F1，并對F1進行歸一化處理，得到組成元件目標2層使用頻率的相對權重矩陣λ1。

同理，可計算得到組成元件目標2層重要程度的相對權重矩陣λ2。

3）求解組成元件的橫向相對權重。

對目標3層進行評分，評分原則同上，構建操作元件、指示元件、緊急元件、輔助元件和備用元件的評分矩陣PA、PB、PC、PD、PE，求解步驟同步驟2），計算目標3層各類元件的使用頻率和重要程度的相對權重，即橫向相對權重λA、λB、λC、λD、λE。

4）將橫向相對權重和相對應的縱向相對權重乘積后求和，得到組成元件的綜合權重λ。

5）對組成元件的綜合權重λ排序，并繪制組成元件優先序的餅狀圖。

表2 操作界面組成元件的層次結構Table 2 Hierarchy of components of operation interface

2.2 操作面板模塊重要程度分析

礦用挖掘機駕駛室原有操作面板較多，布置時缺乏人機交互考量，尤其是操控臺操作面板上組成元件繁多且排序較雜亂，不利于操作人員的作業，因此對操作面板模塊進行重要程度分析，構建其重要程度分布圖，為組成元件的排布提供科學的指導。具體分析步驟為：

1）將操作面板均勻劃分為N個模塊。

2）操作面板視覺注意程度分析。

因模塊的數量較少，采用模塊成對排列比較。根據人眼視覺特性理論進行評分，視覺注意程度較高的模塊計1分，較低的計0分，求均值，得到模塊n的視覺注意程度值Vn。

3）操作面板易操作程度分析。

同樣采用模塊成對排列比較，根據操作員的實際操作主觀感受進行評分，較易操作的模塊計1分，較低的計0分，求均值，得到模塊n的易操作程度值On。

4）計算模塊n的重要程度值Sn。

Sn=αVn+βOn

式中：α、β分別為模塊n的視覺注意程度和易操作程度的權重。

5）操作面板重要程度可視化處理。

每一個模塊的重要程度不同，則用不同的灰度Gn來表示，構建操作面板重要程度分布圖?；叶菺n的計算公式為：

3 操作界面布局優化設計實例

3.1 操作界面布局優化設計的過程

1）基于GEM-AHP優化法的組成元件權重分析。

根據GEM-AHP優化法，由4名操作人員、2名行業專家和2名設計師組成的評分小組對礦用挖掘機駕駛室操作界面組成元件層次結構中目標2層的各元件進行使用頻率指標的評分，構建目標2層的使用頻率矩陣P1：

通過計算可得：

對F1歸一化處理，得到組成元件目標2層使用頻率的相對權重矩陣λ1：

同理，計算得到組成元件目標2層重要程度的相對權重矩陣λ2，操作元件、指示元件、緊急元件、輔助元件和備用元件的使用頻率和重要程度的相對權重矩陣λA、λB、λC、λD、λE以及組成元件綜合權重λ，如表3所示。繪制操作界面組成元件的優先序餅狀圖，如圖3所示，由圖可以得出，主要操縱元件A1和操作模式元件A2的綜合權重最高且使用頻率最高，緊急停止元件C2的綜合權重次之且重要程度最高，應優先設計排布；其余元件按照綜合權重優先序依次設計排布。

2）操作面板模塊重要程度分析。

圖3 操作界面組成元件優先序餅狀圖Fig.3 Priority pie chart of components of operation interface

將操作面板劃分為a、b、…、g等7個模塊，如圖4所示。由評分小組（同組成元件評分小組）對各模塊的視覺注意程度和易操作程度進行評分，取平均值。根據5名操作人員、10名行業專家和5名設計師的問卷調查結果，取α=0.42，β=0.58，計算各模塊的重要程度量值Sn和灰度值Gn，結果如表4所示。構建了操作面板模塊的重要程度分布圖，如圖5所示。結果表明：模塊e的視覺注意程度較高，模塊f次之；模塊a、c的易操作程度較高，模塊b、d次之。

3）組成元件與操作面板模塊的匹配。

在組成元件權重分析和操作面板模塊重要程度分析的基礎上，將組成元件和操作面板模塊一一匹配，匹配情況如表5所示，其中顯示屏比較特殊，排布在模塊e上。鑒于模塊f上組成元件較多，對其細分，根據人的視覺和操作習慣，上兩行排布指示燈元件，下兩行排布按鈕，并根據功能細化為4個分區，將功能相關的元件優先排布在一起，如將低壓、高壓和整流元件呈邊長為35 mm的方形陣列排布在右下方，向左間隔50 mm排布重要程度僅低于低壓、高壓和整流元件的復位元件，將接地故障指示燈排在接地故障復位按鈕上方，呈三角形模塊。最終操作界面的布局優化設計結果如圖6所示。

表3 操作界面組成元件的權重值及優先序Table 3 Weight value and priority of components of operation interface

圖4 操作面板模塊劃分情況Fig.4 Division of operation panel modules

表4 操作面板模塊重要程度量值表Table 4 Value table of degree of importance of operation panel modules

圖5 操作面板模塊重要程度分布圖Fig.5 Distribution diagram of degree of importance of operation panel modules

表5 組成元件與操作面板模塊的匹配Table 5 Matching of components and operation panel modules

3.2 操作界面布局優化設計評價

采用主客觀評價相結合的方法對原操作界面和優化后的操作界面進行綜合評價。

1）客觀評價。采用Jack人機工學軟件［16-17］中的Comfort Assessment工具對原操作界面和優化后的操作界面的布局在同等可達及可視的操控臺中進行仿真分析。圖7所示結果表明：與原操作界面相比，優化后操作界面組成元件的排布更加合理，且操作員在按動元件時手指關節的舒適度均在Dreyfuss 3D標準內［18］，操作舒適性明顯提升。

2）主觀評價。采用用戶體驗主觀評價法，選取5名礦用挖掘機操作人員和5名研究人員，分別對原操作界面和優化后操作界面的指示信息可讀性、元件信息確定性、元件可操作性、功能分區合理性和界面排布合理性進行0～5分量化綜合評分，結果如表6所示。結果表明：優化后操作界面的平均分值高于原操作界面，設計合理性提高了18.6%；操作人員的行為特性和認知特性得到了重視，整體布局更加人性化。

4 結 論

圖6 操作界面布局優化設計結果Fig.6 Result of layout optimization design of operation interface

圖7 操作員界面操作的舒適度分析Fig.7 Comfort analysis of operator’s interface operation

表6 操作界面布局的主觀評價結果Table 6 Subjective evaluation result of operation interface layout

1）以人機工程學為基礎，對操作界面的操作面板和組成元件進行分析，提出了礦用挖掘機駕駛室操作界面布局優化設計的思路和方法：采用GEM-AHP優化法對組成元件進行權重分析，對操作面板采用模塊分析并繪制重要程度分布圖，可以更加科學、直觀地指導操作界面的布局設計，為復雜人機操作界面的布局設計提供了一種新的方法。

2）將基于算法的布局設計和人機界面設計有效結合，對操作界面采用Jack人機工程學軟件進行仿真評價和用戶體驗主觀評價。結果表明：優化后操作界面的可操作舒適性得到了明顯提升，操作人員的行為特性和認知特性得到了重視，界面整體布局更加人性化，這對復雜人機界面的布局設計和評價具有一定的理論指導意義。