矿井地震仪设计中的人机工程学

石 岩 冯 宏 王有杰 程 海

（中煤科工集团西安研究院，西安 710077）

1 人机工程学在煤矿井下物探仪器设计中的意义

人机工程设计是按照“以人为本”的思想来设计和优化“人-机-环境系统”的一种设计方法。它要求在仪器（人所使用和控制的物）设计时应特别注意人的因素和人的特性，例如人体尺寸。人的反应能力和限度以及人的心理；要求把人机工程准则及所需的技术方法渗透到设计之中，其目的是建立操作者与系统之间的协调关系。许多单位在煤矿井下物探仪器的设计和开发中投入了大量的精力。然而在设计的过程中往往忽视了仪器形态的人机功效问题，而关注的往往是产品本身的功能问题，比如性能参数等。

2 煤矿井下物探仪器的作用和结构要求

2.1 煤矿井下物探仪器的作用

近年来，我国煤矿发生重特大灾害事故的惨痛教训表明，安全是煤炭工业和煤炭企业发展的前提和保证。但是随着煤炭开采深度的加大，煤矿地质、水文、构造和煤层赋存状况等问题给矿井生产带来的地质灾害日益突出。矿井地质灾害复杂多样，在煤炭开采过程中，煤层构造（断层）、陷落柱、含水层（体）、异常体（火成岩、煤层顶底板岩性等）是不可忽视的灾害性地质异常体。运用综合物探方法防治煤矿地质灾害与地质风险的优势明显，高分辨率三维地震勘探、电法勘探等综合物探技术以其独具的信息量大、分辨率高、控制网度密等优点，使得较准确地探测小规模构造、断层、陷落柱、含水体等地质异常体成为可能。

2.2 煤矿井下物探仪器的防爆结构要求

鉴于煤矿井下的恶劣环境，国家对煤矿井下物探仪器有着极为严格的要求。仪器结构要满足下表中严酷等级要求：

井下物探仪器受工作环境所限，在仪器设计过程中有其结构的特殊性和材料选取的局限性。在仪器结构设计的过程优先考虑的产品的安全可靠性，如阻燃 防静电 防水 防尘 抗跌落等防爆性能，兼顾材料的选取和加工装配工艺的选用等其他部分因素。本文以矿井地震仪为例，探讨在地震仪结构设计中所包含的人机工程学因素。

表1：煤矿用井下仪器产品型式试验严酷等级表

3 地震仪系统构成及地震仪“人-机-环境”系统

3.1 地震仪系统的构成。

一套完整的地震勘探仪系统由中央控制站、采集站、采集站供电单元 、检波器、起爆器、和同步触发装置6部分组成。其中中央控制站作为人机对话操控平台，在其中涉及人机工程学因素也最多。文中所提及地震仪即为矿井地震仪中央控制站（以下简称地震仪）。

3.2 地震仪“人-仪器-环境”系统。

“人-机-环境”系统的思想是指导仪器设计的核心。在“人-地震仪-环境”系统中，“人”是指做主体工作的人，对应为仪器操作者；“机”对应为操作者控制的对象，例如，键盘、鼠标、亮度调节钮、显示屏等；“环境”对应为影响操作者操作的因素。地震仪设计中提出的人机功效方面的性能要求例如按键大小间距 显示屏大小 视角 仪器携带方便舒适性等，都是以“人”为主体提出来的。我们研究地震仪设计中的人机功效因素，主要研究“人-地震仪-环境”系统中操作员。控制对象以及内外环境三者之间的相互作用和关系。我们建立了“人-地震仪-环境”模型如图1所示：

图1 “人-地震仪-环境”系统关系图

4 人机工程学思维在地震仪人机交互部件设计中的应用。

4.1 造型

基于国家对煤矿井下地震仪的结构要求，我们在Solidworks软件环境下对地震仪进行三维建模设计。考虑到地震仪采用WINDOWS 操作系统，最终按照操作电脑右手习惯将键盘分布在面板左侧，建立模型如下：

图2：SOLID WORKS环境下地震仪三维模型

4.2 键盘的设计

在人机交互中，系统与人的交互是通过输入设备和输出设备来进行。在地震仪系统中，键盘就是最主要的输入设备。鉴于井下工作环境的特殊，井下地震仪键盘的操作方法与日常办公室操作有所区别。办公室操作键盘多采用坐姿。在键盘作业时，双手放在基准键上用于定位，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，在键盘作业时，手腕和手臂悬空，主要操作靠食指和大拇指完成。单个键大小应与食指指球肌大小相符。考虑到操作矿井地震仪的用户多为年龄22至50岁男性，由表1可知，应选择90百分位值，即手长193mm 食指长75mm。若需满足操作员单手进行组合键操作需求，键盘长度应控制在200mm至220 mm之间。

最终设计出防水键盘如下图：

表1 GB/T 10000人体手部尺寸（男）

4.3 显示屏的设计

地震仪系统中主要输出设备是显示屏。在显示屏的设计中，我们主要需要考虑显示屏的亮度、可视域等。其中可视域又包括了显示屏视角 、尺寸等。

4.3.1 亮度

矿井下没有自然光，与地面相比相对较暗。此时若屏幕亮度仍像平时室内工作时则会显刺眼，我们在设计的过程中在面板上专门设计了显示器亮度调节开关，可供用户在不同照度环境下自由选择。如图5所示

图3：矿井地震仪防水键盘设计图

图4：矿井地震仪防水键盘实物

图5：显示屏亮度调节按钮

图6：显示屏实物图

4.4 屏面尺寸

屛面的大小：屛面的大小与视距有关。正确识别观察对象的视距被称为识别视距。实际上是否能正确识别观察对象的决定条件是视角。当观察距离增大时，应增大相应屛面尺寸。一般来说在井下环境下设计视距在700mm处较为适宜，小于380mm会发生目眩，超过760mm时会看不清细节。在这种情况下我们可以根据视角计算公式计算出地震仪屏幕尺寸：

式中a-视角，用“ˊ”（分）表示，即1/60度；人正确识别物体的视角约为10ˊ至15ˊ（在此我们选用最大视角15ˊ）。

D-被观察对象上下两端点间的直线距离；

L-视距，眼睛至被观察对象的距离。

代入公式计算得显示屏的上下两端点间的直线距离为184mm。最终确定了显示屏设计方案，如下图所示：

5 样机方案确定

考虑到产品的便携性和舒适性，最终在三维模型的基础上加装了方便携带的把手和背带。最终样机如下图所示：

图7：矿井地震仪实物图

图8：连接器保护槽实物

6 样机缺点和不足

样机在测试使用中发现，在蹲姿操作键盘的过程中，食指用力会较室内坐姿操作略大，而键盘设计键程略短，使用起来不够舒适。在侧面连接器槽的设计上，仅仅考虑到对连接器插头的保护作用，并没有考虑到人体手部用力的方式。人体手中肌肉发达的部位包括指尖虎口大鱼际和小鱼际，手指根部关节和手掌则不受力。操作时手腕弯角需在合适的角度范围内力作用，样机中连接器插头间距过小，并不利于指尖和虎口发力。

7 结束语

人机工程学作为产品设计中的一个重要环节早已被应用到了汽车、飞机、工程机械等领域。而在井下物探仪器设计这个新兴领域内还未得到设计人员的重视。本次在矿井地震仪设计过程中运用人机工程学的思维和方法，辅助计算机三维建模，为提高操作员在井下环境工作的舒适性有着一定的帮助。在样机试验中发现的问题也表明，在仪器设计过程中的人机工程学因素还有着更多的改进空间，需要我们进一步去探索、去学习。

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