矿用挖掘机驾驶室操作界面的布局优化设计

王雅坤，任家骏，李爱峰，孟浩南

（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）

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；Balakrishnan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 preference 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 methodanalytic 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.1 Composition of operation interface in mining excavator cab

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。

图2 矿用挖掘机驾驶室操作界面布局优化设计的流程Fig.2 Flow of layout optimization design of operation interface in mining excavator cab

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：

表1 GEM和AHP的原理及优缺点比较Table 1 Comparison of principle，advantages and disadvantages of GEM and AHP

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：

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：

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。

表2 操作界面组成元件的层次结构Table 2 Hierarchy of components of operation interface

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。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：

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：

通过计算可得：

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：

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。

图3 操作界面组成元件优先序饼状图Fig.3 Priority pie chart of components of operation interface

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α=0.42，β=0.58，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，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。

表3 操作界面组成元件的权重值及优先序Table 3 Weight value and priority of components of operation interface

图4 操作面板模块划分情况Fig.4 Division of operation panel modules

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

图5 操作面板模块重要程度分布图Fig.5 Distribution diagram of degree of importance of operation panel modules

表5 组成元件与操作面板模块的匹配Table 5 Matching of components and operation panel modules

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0～5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

图6 操作界面布局优化设计结果Fig.6 Result of layout optimization design of operation interface

图7 操作员界面操作的舒适度分析Fig.7 Comfort analysis of operator’s interface operation

表6 操作界面布局的主观评价结果Table 6 Subjective evaluation result of operation interface layout

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。