矿用挖掘机驾驶室操作界面的布局优化设计.pdf

第 27 卷第 4 期 2020 年 8 月 工程设计学报 Chinese Journal of Engineering Design Vol.27 No.4 Aug. 2020 矿用挖掘机驾驶室操作界面的布局优化设计 王雅坤 1， 任家骏1， 李爱峰2， 孟浩南1 （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） 摘要 针对矿用挖掘机驾驶室操作界面布局设计不合理的问题， 提出了操作界面布局优化设计的思路和方法。 首先， 采用GEM-AHP（group eigenvalue -analytic hierarchy process， 群组决策的特征根法-层次分析法） 优化 法分析矿用挖掘机驾驶室操作界面组成元件的使用频率、 重要程度的相对权重和综合权重， 构建组成元件优先序 饼状图， 并采用模块重要程度分析法对操作面板的视觉注意程度和易操作程度进行考量， 绘制操作面板重要程度 分布图； 其次， 匹配组成元件和操作面板模块， 建立操作界面的布局优化设计方案； 最后， 选用Jack人机工程学软件 虚拟仿真评价法和用户体验主观评价法对优化前后的矿用挖掘机驾驶室操作界面进行对比评价。结果表明 优化 后操作界面的操作舒适性得到了明显提升， 设计合理性提高了18.6， 操作人员的行为特性和认知特性得到了重 视， 其整体布局更加人性化。研究结果可为操作界面的布局优化设计提供更加科学、 直观的指导， 为复杂人机操作 界面的布局设计和评价提供参考。 关键词 挖掘机驾驶室；操作界面；布局设计；GEM-AHP优化法 中图分类号 TD422文献标志码 A文章编号 1006-754X（2020） 04-0469-09 Layout optimization design of operation interface in mining excavator cab WANG Ya-kun1， REN Jia-jun1， LI Ai-feng2， MENG Hao-nan1 （1. College of Mechanical and Vehicle Engineering， Taiyuan University of Technology， Taiyuan 030024， China； 2. Technology Center of Taiyuan Heavy Machinery Group Co.， Ltd.， Taiyuan 030024， China） AbstractAiming at the problem of unreasonable layout design of operation interface in mining excavator cab, the idea and of layout design of operation interface was proposed.Firstly, the GEM-AHP（group eigenvalue -analytic hierarchy process）optimization was used to analyze the relative weights of using frequency, degree of importance and comprehensive weight of components of operation interface in mining excavator cab. A priority pie chart of components was constructed. The degrees of visual attention and ease of operation of the operation panel were considered by using the module importance analysis , and the distribution diagram of degree of importance of operation panel modules was drawn. Secondly, Components and operation panel modules were matched, and the layout optimization design scheme of the operation interface was established. Finally, Jacks ergonomics software virtual simulation uation and user experience subjective uation were used to compare and uate the operation interface in mining excavator cab before and after optimization. The results showed that the operating comfort of optimized interface was significantly improved, and the design rationality was improved by 18.6. The behavioral characteristics and cognitive characteristics of the operator were emphasized, and the overall layout was doi10.3785/j.issn.1006-754X.2020.00.053 收稿日期 2020-04-13修订日期 2020-05-18本刊网址 在线期刊 基金项目 国家高技术研究发展计划 （863计划） 资助项目 （2012AA062001） 作者简介 王雅坤 （1995） ， 女， 山西太原人， 硕士生， 从事机械设计和人机工程学研究， E-mail wangyk1226 通信联系人 任家骏 （1958–） ， 男， 山西孝义人， 教授， 博士， 从事机械设计和人机工程学等研究， E-mail tyrenjj ， https //orcid.org/0000-0003-2480-1120 工程设计学报 第 27 卷 more humanized. The research results can provide more scientific and intuitive guidance for layout optimization design of operation interface and provide reference for layout design and uation of complex man-machine operation interface. Key wordsexcavator cab；operation interface；layout design；group eigenvalue -analytic hierarchy process（GEM-AHP）optimization 矿用挖掘机驾驶室操作界面是驾驶人员通过人 机交互保持挖掘机安全作业的主要载体和通道。操 作界面的组成元件的数量及种类较多， 因此操作界面 的布局合理化设计尤为重要 ［1］。 国外学者对矿用挖掘机驾驶室操作界面的人机 交互研究较早。例如 Azadeh等 ［2］采用模糊数据包络 分析法求解了操作界面的最优布局方案； Jamil等 ［3］ 采用模拟退火法将操作界面各元件重新排序； Bal- akrishnan等 ［4］采用综合模拟退火法和遗传算法对操 作界面进行了布局优化。而国内学者对矿用挖掘机 驾驶室操作界面的人机交互研究较晚。例如 Zhang 等 ［5］采用改进的TOPSIS（technique for order prefer- ence by similarity to ideal solution， 逼近理想解排序 法） 对操作界面的元件进行了优化排序。但是， 现有 的针对挖掘机驾驶室操作界面的研究大多是对组成 元件的分析， 而忽略了对操作面板的分析。基于此， 笔者针对操作界面组成元件数量及种类较多的问题， 提出矿用挖掘机驾驶室操作界面布局优化设计的思 路和方法 采用GEM-AHP （group eigenvalue - analytic hierarchy process， 群组决策的特征根法-层次 分析法） 优化法对操作界面组成元件进行权重分析； 针对操作面板， 采用模块重要程度分析法进行考量； 在此基础上， 将操作界面组成元件与操作面板模块进 行匹配， 使操作界面布局设计更为科学和直观。 图1矿用挖掘机驾驶室操作界面的组成 Fig. 1Composition of operation interface in mining excavator cab 470 王雅坤， 等 矿用挖掘机驾驶室操作界面的布局优化设计第 4 期 1矿用挖掘机驾驶室操作界面的组成 矿用挖掘机驾驶室操作界面由操作面板和多个 组成元件构成 ［6］。如图1所示， 操作面板分为左操作 面板、 右操作面板和左侧操控台操作面板3个部分。 组成元件的个数较多， 种类也较复杂， 共有52个组成 元件， 包括各种按钮、 仪表、 指示灯、 操纵杆、 开关和显 示屏等。 2操作界面布局优化设计方法 在对操作界面进行布局优化设计时， 对操作面 板和组成元件的分析是极为重要的。矿用挖掘机驾 驶室操作界面布局优化设计的流程如图2所示。 2.1基于GEM-AHP优化法的组成元件权重分析 由于矿用挖掘机驾驶室操作界面组成元件的数 量较多且种类较复杂， 采用GEM-AHP优化法来分析 组成元件的权重 ［7-8］。GEM-AHP优化法是GEM［9］和 AHP ［10］相结合的优化算法， 在应用中可根据实际情 况进行改进， 可以将复杂的组成元件权重问题层次 化， 避免GEM法在求解问题时过于笼统的缺点 ［11-14］。 GEM和AHP的原理及优缺点比较如表1所示。 在对组成元件的权重分析中， 创新地改进了 GEM-AHP优化法的权重计算方法。在原有纵向相 对权重的基础上， 构建了第2层目标层横向评分矩 阵， 得到横向相对权重， 进而得出综合权重并进行排 序， 并绘制饼状图以更加科学、 直观地指导组成元件 的布局设计。组合元件权重的求解步骤为 1） 基于组成元件的功能， 依据AHP的原理 ［15］， 构 建组成元件的层次结构。由具体元件到按功能分类 的元件， 按从目标低层到目标高层分为目标1层、 目 标2层、 目标3层和目标4层， 如表2所示。 2） 求解组成元件的纵向相对权重。 基于组成元件的层次结构， 采用使用频率和重 要程度两个评价指标对目标2层的各元件进行评分。 由x个专家组成评分小组， 按照李克特量表法评分， 对目标2层的y个各元件进行评分。首先， 构建目标 2层的使用频率矩阵P1 P1pij x y i 1,2,⋯,x ; j 1,2,⋯,y 式中 pij为评分小组人员i对评价对象j的评分。 计算E1。E1为组成元件目标2层评分矩阵P1转 置后和它本身的乘积 E1 P T 1P1 计算E1的最大特征值为单根时对应的特征向量 F1， 并对F1进行归一化处理， 得到组成元件目标2层 使用频率的相对权重矩阵λ1。 同理， 可计算得到组成元件目标2层重要程度的 相对权重矩阵λ2。 3） 求解组成元件的横向相对权重。 对目标3层进行评分， 评分原则同上， 构建操作 元件、 指示元件、 紧急元件、 辅助元件和备用元件的评 分矩阵PA、 PB、 PC、 PD、 PE， 求解步骤同步骤2） ， 计算目 标3层各类元件的使用频率和重要程度的相对权重， 即横向相对权重λA、 λB、 λC、 λD、 λE。 4） 将横向相对权重和相对应的纵向相对权重乘 积后求和， 得到组成元件的综合权重λ。 5） 对组成元件的综合权重λ排序， 并绘制组成元 件优先序的饼状图。 图2矿用挖掘机驾驶室操作界面布局优化设计的流程 Fig. 2Flow of layout optimization design of operation inter- face in mining excavator cab 表1GEM和AHP的原理及优缺点比较 Table 1Comparison of principle，advantages and dis- advantages of GEM and AHP 对比项 原理 优点 缺点 GEM 求理想专家的GEM模型 专家群组决策和处理问 题简洁、 科学， 绕开了判 断矩阵不一致的问题 考虑问题过于笼统， 结构 模糊 AHP 元素两两比较， 得出判 断矩阵 将复杂的问题层次化， 定性与定量相结合 判断矩阵不一致， 处理 问题较复杂 471 工程设计学报 第 27 卷 2.2操作面板模块重要程度分析 矿用挖掘机驾驶室原有操作面板较多， 布置时 缺乏人机交互考量， 尤其是操控台操作面板上组成元 件繁多且排序较杂乱， 不利于操作人员的作业， 因此 对操作面板模块进行重要程度分析， 构建其重要程度 分布图， 为组成元件的排布提供科学的指导。具体分 析步骤为 1） 将操作面板均匀划分为N个模块。 2） 操作面板视觉注意程度分析。 因模块的数量较少， 采用模块成对排列比较。 表2操作界面组成元件的层次结构 Table 2Hierarchy of components of operation interface 目标4层 矿用挖掘机驾驶室 操作界面组成元件 目标3层 操作元件A 指示元件B 紧急元件C 辅助元件D 备用元件E 目标2层 主要操纵元件A1 操作模式元件A2 启动元件A3 复位元件A4 其他元件A5 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 状态指示仪表元件B5 停止元件C1 紧急停止元件C2 照明开关元件D1 清洗元件D2 其他元件D3 备用元件E1 目标1层 左/右操纵杆A11 推压/左行走松闸/抱闸A12 提升/右行走松闸/抱闸A13 回转松闸/抱闸A14 挖掘模式按钮A21 行走模式按钮A22 空气压启动按钮A31 低压启动按钮A32 高压启动按钮A33 整流启动按钮A34 接地故障复位按钮A41 复位按钮A42 梯子起升/下降按钮A51 遥控操作有效指标灯B11 空压机气压指标灯B12 低压运行指标灯B13 高压运行指标灯B14 整流运行指标灯B15 甘油液位低警示灯B21 黑油液位低警示灯B22 提升/推压到位警示灯B23 接地故障指示灯B31 延时停机故障指示灯B32 立即停机故障指示灯B33 安全警报指示灯B41 高压/低压电压表B51 低压停止按钮C11 高压停止按钮C12 整流停止按钮C21 司机室门灯/照明灯D11 机棚后/四角照明灯D12 机棚前/侧/后探照灯D13 玻璃清洗/雨刷电源D21 司机室插座电源D31 24 V DC电源D32 备用元件E11 472 王雅坤， 等 矿用挖掘机驾驶室操作界面的布局优化设计第 4 期 根据人眼视觉特性理论进行评分， 视觉注意程度较高 的模块计1分， 较低的计0分， 求均值， 得到模块n的 视觉注意程度值Vn。 3） 操作面板易操作程度分析。 同样采用模块成对排列比较， 根据操作员的实 际操作主观感受进行评分， 较易操作的模块计1分， 较低的计 0 分， 求均值， 得到模块 n 的易操作程度 值On。 4） 计算模块n的重要程度值Sn。 Sn αVn βOn 式中 α、 β分别为模块n的视觉注意程度和易操作程 度的权重。 5） 操作面板重要程度可视化处理。 每一个模块的重要程度不同， 则用不同的灰度 Gn来表示， 构建操作面板重要程度分布图。灰度Gn 的计算公式为 Gn 255 - 5 255Sn ∑ n 1 n N Sn 3操作界面布局优化设计实例 3.1操作界面布局优化设计的过程 1） 基于GEM-AHP优化法的组成元件权重分析。 根据GEM-AHP优化法， 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矿用挖掘机 驾驶室操作界面组成元件层次结构中目标2层的各 元件进行使用频率指标的评分， 构建目标2层的使用 频率矩阵P1 P1 9935333553333131 9977757667557152 9876556567735121 9855357735333351 9935343553434132 9974353447337352 9975366535335333 9876575567735121 通过计算可得 F1[0.4263,0.4079,0.2800,0.2578,0.1959, 0.2406,0.2426,0.2494,0.2276,0.2682, 0.2124,0.1562,0.2364,0.0823,0.1666, ]0.0773 对F1归一化处理， 得到组成元件目标2层使用频 率的相对权重矩阵λ1 λ1[0.1144， 0.1094， 0.0751， 0.0692， 0.0526， 0.0645， 0.0651， 0.0669， 0.0611， 0.0720， 0.0570， 0.0419， 0.0634， 0.0221， 0.0447， ]0.0207 同理， 计算得到组成元件目标2层重要程度的相 对权重矩阵λ2， 操作元件、 指示元件、 紧急元件、 辅助 元件和备用元件的使用频率和重要程度的相对权重 矩阵λA、 λB、 λC、 λD、 λE以及组成元件综合权重λ， 如表3 所示。绘制操作界面组成元件的优先序饼状图， 如图 3所示， 由图可以得出， 主要操纵元件A1和操作模式 元件A2的综合权重最高且使用频率最高， 紧急停止 元件C2的综合权重次之且重要程度最高， 应优先设 计排布； 其余元件按照综合权重优先序依次设计 排布。 2） 操作面板模块重要程度分析。 将操作面板划分为a、 b、 、 g等7个模块， 如图4 所示。由评分小组 （同组成元件评分小组） 对各模块 的视觉注意程度和易操作程度进行评分， 取平均值。 根据5名操作人员、 10名行业专家和5名设计师的问 卷调查结果， 取α0.42， β0.58， 计算各模块的重要程 度量值Sn和灰度值Gn， 结果如表4所示。构建了操作 面板模块的重要程度分布图， 如图5所示。结果表 明 模块e的视觉注意程度较高， 模块f次之； 模块a、 c 的易操作程度较高， 模块b、 d次之。 3） 组成元件与操作面板模块的匹配。 在组成元件权重分析和操作面板模块重要程度 分析的基础上， 将组成元件和操作面板模块一一匹 配， 匹配情况如表5所示， 其中显示屏比较特殊， 排布 在模块e上。鉴于模块f上组成元件较多， 对其细分， 根据人的视觉和操作习惯， 上两行排布指示灯元件， 图3操作界面组成元件优先序饼状图 Fig. 3Priority pie chart of components of operation interface 473 工程设计学报 第 27 卷 下两行排布按钮， 并根据功能细化为4个分区， 将功 能相关的元件优先排布在一起， 如将低压、 高压和整 流元件呈边长为35 mm的方形阵列排布在右下方， 向左间隔50 mm排布重要程度仅低于低压、 高压和 整流元件的复位元件， 将接地故障指示灯排在接地故 障复位按钮上方， 呈三角形模块。最终操作界面的布 局优化设计结果如图6所示。 图4操作面板模块划分情况 Fig. 4Division of operation panel modules 表4操作面板模块重要程度量值表 Table 4Value table of degree of importance of opera- tion panel modules 模块 a b c d e f g Vn 3.60 1.20 4.20 1.30 6.90 6.10 2.40 On 6.80 5.30 6.40 5.10 0.50 3.90 1.10 Sn 5.46 3.58 5.48 3.51 3.19 4.83 1.65 Gn 32 109 31 112 125 58 188 表3操作界面组成元件的权重值及优先序 Table 3Weight value and priority of components of operation interface 目标3层元件的权重 λA λB λC λD λE 使用频率相对权重 0.495 0.417 0.250 0.286 0.333 重要程度相对权重 0.505 0.583 0.750 0.714 0.667 目标2层 A1 A2 A3 A4 A5 B1 B2 B3 B4 B5 C1 C2 D1 D2 D3 E1 λ1 0.114 4 0.109 4 0.075 1 0.069 2 0.052 6 0.064 5 0.065 1 0.066 9 0.061 1 0.072 0 0.057 0 0.041 9 0.063 4 0.022 1 0.044 7 0.020 7 λ2 0.084 3 0.084 3 0.071 4 0.062 1 0.049 5 0.067 9 0.069 2 0.069 3 0.076 2 0.063 4 0.077 3 0.084 3 0.045 9 0.040 1 0.031 5 0.023 4 λ 0.099 2 0.096 7 0.073 2 0.065 6 0.051 0 0.066 5 0.067 5 0.068 3 0.069 9 0.067 0 0.072 2 0.073 7 0.050 9 0.035 0 0.035 3 0.022 5 优先序 1 2 4 11 12 10 8 7 6 9 5 3 13 15 14 16 图5操作面板模块重要程度分布图 Fig. 5Distribution diagram of degree of importance of opera- tion panel modules 474 王雅坤， 等 矿用挖掘机驾驶室操作界面的布局优化设计第 4 期 3.2操作界面布局优化设计评价 采用主客观评价相结合的方法对原操作界面和 优化后的操作界面进行综合评价。 1） 客观评价。采用Jack人机工学软件 ［16-17］中的 Comfort Assessment工具对原操作界面和优化后的 操作界面的布局在同等可达及可视的操控台中进行 仿真分析。图7所示结果表明 与原操作界面相比， 优化后操作界面组成元件的排布更加合理， 且操作员 在按动元件时手指关节的舒适度均在Dreyfuss 3D标 准内 ［18］， 操作舒适性明显提升。 2） 主观评价。采用用户体验主观评价法， 选取5 名矿用挖掘机操作人员和5名研究人员， 分别对原操 作界面和优化后操作界面的指示信息可读性、 元件信 息确定性、 元件可操作性、 功能分区合理性和界面排 布合理性进行05分量化综合评分， 结果如表6所 示。结果表明 优化后操作界面的平均分值高于原操 作界面， 设计合理性提高了18.6； 操作人员的行为 特性和认知特性得到了重视， 整体布局更加人性化。 4结论 1） 以人机工程学为基础， 对操作界面的操作面 板和组成元件进行分析， 提出了矿用挖掘机驾驶室操 表5组成元件与操作面板模块的匹配 Table 5Matching of components and operation panel modules 操作面板模块 a、 b、 c、 d e f g 组成元件 主要操纵元件A1、 操作模式元件A2、 其他元 件A5、 提升/推压到位警示灯B23 显示屏、 状态指示仪表元件B5 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、 停止元件 C1、 紧急 停止元件C2 照明开关元件 D1、 清洗元件 D2、 其他元件 D3、 备用元件E1 图6操作界面布局优化设计结果 Fig. 6Result of layout optimization design of operation interface 475 工程设计学报 第 27 卷 作界面布局优化设计的思路和方法 采用GEM-AHP 优化法对组成元件进行权重分析， 对操作面板采用模 块分析并绘制重要程度分布图， 可以更加科学、 直观 地指导操作界面的布局设计， 为复杂人机操作界面的 布局设计提供了一种新的方法。 2） 将基于算法的布局设计和人机界面设计有效 结合， 对操作界面采用Jack人机工程学软件进行仿 真评价和用户体验主观评价。结果表明 优化后操作 界面的可操作舒适性得到了明显提升， 操作人员的行 为特性和认知特性得到了重视， 界面整体布局更加人 性化， 这对复杂人机界面的布局设计和评价具有一定 的理论指导意义。 参考文献 ［1］朱小晶， 权龙， 王新中， 等. 大型液压挖掘机工作特性联 合仿真研究 ［J］ . 农业机械学报， 2011， 42 （4） 27-32. doi 10.3969/j.issn.1000-1298.2011.04.006 ZHU Xiao-jing，QUAN Long，WANG Xin-zhong，et al. 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