基于人機(jī)工程的煤礦機(jī)械人機(jī)界面安全評(píng)價(jià)

陳　玉，顏聲遠(yuǎn)

（1.黑龍江科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，哈爾濱 150022；2.哈爾濱工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150001）

基于人機(jī)工程的煤礦機(jī)械人機(jī)界面安全評(píng)價(jià)

陳玉1，顏聲遠(yuǎn)2

（1.黑龍江科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，哈爾濱 150022；2.哈爾濱工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150001）

為了提高煤礦機(jī)械人機(jī)協(xié)作作業(yè)的安全和效率，在分析煤礦機(jī)械人機(jī)界面的基礎(chǔ)上，基于人機(jī)工程學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，搭建煤礦機(jī)械人機(jī)界面評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并提出各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重確定方法和量化方法。應(yīng)用物元分析方法構(gòu)建煤礦機(jī)械人機(jī)界面安全評(píng)價(jià)的數(shù)學(xué)模型，利用該模型對(duì)礦井提升機(jī)人機(jī)界面進(jìn)行實(shí)例評(píng)價(jià)，獲得了人機(jī)界面安全等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果，依據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果有針對(duì)性地對(duì)人機(jī)界面設(shè)計(jì)缺陷進(jìn)行改進(jìn)。結(jié)果表明：該方法可以克服傳統(tǒng)的主觀量化方法易受個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和偏好影響的缺點(diǎn)，能夠有效地完成煤礦機(jī)械人機(jī)界面的安全評(píng)價(jià)工作。

煤礦機(jī)械；人機(jī)界面；評(píng)價(jià)指標(biāo)；量化方法；評(píng)價(jià)模型

0　引言

煤礦機(jī)械是確保礦井生產(chǎn)正常進(jìn)行的重要設(shè)備，其人機(jī)界面（Human-machine interface，HMI）是操作員與機(jī)械設(shè)備之間傳遞和交換信息的媒介。由于煤礦復(fù)雜惡劣的工作環(huán)境，若機(jī)械設(shè)備人機(jī)界面設(shè)計(jì)不合理，往往易于造成操作員的操作疲勞、生產(chǎn)效率降低［1］、誤讀誤判斷［2］、操作失誤［3］，甚至導(dǎo)致人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失等嚴(yán)重安全生產(chǎn)事故。例如，礦井提升機(jī)作為聯(lián)系礦井井下與地面的“咽喉”設(shè)備，由于其提升控制系統(tǒng)人機(jī)界面設(shè)計(jì)未滿足人機(jī)工程學(xué)的要求，因而導(dǎo)致司機(jī)錯(cuò)判造成錯(cuò)發(fā)開車信號(hào)，使罐籠過卷翻轉(zhuǎn)、人員傷亡的重大事故?？梢?，煤礦機(jī)械人機(jī)界面設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，直接影響人機(jī)關(guān)系的合理性和煤礦的安全生產(chǎn)。

20世紀(jì)末國外就已經(jīng)進(jìn)行了一系列的煤礦機(jī)械人機(jī)工程學(xué)研究，并將人機(jī)工程學(xué)評(píng)價(jià)結(jié)果作為機(jī)械設(shè)備能否投入煤礦安全生產(chǎn)的主要指標(biāo)［4］。21世紀(jì)初已經(jīng)將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于遠(yuǎn)程控制連續(xù)采煤操作界面的人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)中［5］。在國內(nèi)對(duì)于煤礦機(jī)械人機(jī)界面研究剛剛起步，且多以人的主觀感受對(duì)煤礦機(jī)械的人機(jī)界面安全進(jìn)行評(píng)價(jià)，容易受評(píng)價(jià)人員知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的影響。與發(fā)達(dá)國家相比，我國煤礦機(jī)械人機(jī)界面的人機(jī)工程學(xué)研究還有差距。筆者依據(jù)人機(jī)工程學(xué)理論［6］，結(jié)合物元分析法獨(dú)特的數(shù)學(xué)特性，將主觀評(píng)價(jià)和客觀評(píng)價(jià)結(jié)合，對(duì)煤礦機(jī)械人機(jī)界面進(jìn)行安全評(píng)價(jià)。

1　煤礦機(jī)械人機(jī)界面分析

操作員對(duì)采煤狀態(tài)的操控都是通過人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)的。煤礦機(jī)械人機(jī)界面既包括人與機(jī)械裝置之間相互作用的硬件界面，例如操縱桿、按鈕、旋鈕等，又包括人與視覺顯示裝置之間相互作用的軟件界面，例如安全儀表、各類煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)、報(bào)警裝置等，甚至包括在控制臺(tái)面上的空間布局和工作座椅等。煤礦機(jī)械人機(jī)界面是工作人員或操作者與設(shè)備之間傳遞和交換信息的媒介，其安全評(píng)價(jià)體系由三個(gè)要素組成，即評(píng)價(jià)指標(biāo)、指標(biāo)權(quán)重和評(píng)價(jià)模型。評(píng)價(jià)過程是各要素之間信息流動(dòng)、組合的過程，是一個(gè)定性與定量信息集成的復(fù)雜過程。

2　安全評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建

2.1評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

人機(jī)界面設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是進(jìn)行煤礦機(jī)械人機(jī)界面安全評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。文中參考國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)結(jié)合實(shí)際情況，在遵循系統(tǒng)性、科學(xué)性、實(shí)用性、層次性以及簡易性等原則的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了煤礦機(jī)械人機(jī)界面安全等級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如圖1所示。

圖1　煤礦機(jī)械人機(jī)界面評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.1 HMI evaluation index system for coal mine machinery

搭建出的人機(jī)界面評(píng)價(jià)指標(biāo)體系具有多屬性、多層次性。評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的頂層是目標(biāo)層；中間層為評(píng)價(jià)指標(biāo)層，是對(duì)系統(tǒng)某項(xiàng)指標(biāo)的概括描述，中間層層數(shù)的多少由問題的復(fù)雜程度決定；底層為單項(xiàng)指標(biāo)層，是對(duì)人機(jī)界面具體設(shè)計(jì)狀況和水平的具體描述，底層評(píng)價(jià)指標(biāo)是進(jìn)行人機(jī)界面安全評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。以（N11）儀表為例，列出其底層單項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)見表1。

表1　儀表底層評(píng)價(jià)指標(biāo)及其權(quán)重Table 1 Underlying evaluation indexes and its weights of instrument

2.2各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

確定權(quán)重是進(jìn)行煤礦機(jī)械人機(jī)界面安全評(píng)價(jià)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。權(quán)重確定的是否科學(xué)合理也影響最終評(píng)價(jià)結(jié)果。多數(shù)文獻(xiàn)中有關(guān)權(quán)重的確定主觀成分較多，很難達(dá)到滿意的效果。文中提出將德爾菲法（Delphi）和Yaahp層次分析軟件相結(jié)合的Delphi-Yaahp方法，將建立的圖1中的安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系制作成專家意見函詢表，選擇20名熟悉該領(lǐng)域的專家并將函詢表發(fā)給各位專家，保證被征詢意見的專家在事前和事后均不接觸，以保證收集到專家意見的客觀真實(shí)，降低主觀成分因素。對(duì)各專家返回的意見進(jìn)行歸納綜合，定量統(tǒng)計(jì)分析后，若專家們的意見分歧較大，則在隱去各專家姓名的基礎(chǔ)上，將專家們的意見歸納整理后返回給各位專家，要求專家們參考他人的意見，深入考慮，第二次給出自己的看法。這種意見收集和信息反饋一般要經(jīng)過三四輪，各專家意見將趨于一致，然后，形成各評(píng)價(jià)指標(biāo)的專家判斷矩陣。最終將該專家判斷矩陣輸入Yaahp層次分析法軟件，計(jì)算出各元件的重要性權(quán)值，該軟件使用方便，而且直觀明了。應(yīng)用該方法，表1所示為礦井提升系統(tǒng)控制臺(tái)上儀表各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值。

2.3評(píng)價(jià)模型的建立

令煤礦機(jī)械人機(jī)界面評(píng)價(jià)指標(biāo)Nij的物元矩陣為一個(gè)有序的三元組R：

式中：xs——評(píng)價(jià)指標(biāo)Nij包括的s項(xiàng)底層評(píng)價(jià)指標(biāo)x1，x2，…，xs；

f（x1），f（x2），…，f（xs）——底層各單項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的量值。

將對(duì)應(yīng)的量值組成s維復(fù)合物元矩陣R′：

評(píng)價(jià)指標(biāo)xs包含客觀和主觀評(píng)價(jià)指標(biāo)。由于客觀指標(biāo)的量綱不同，存在不可公度的問題，主觀指標(biāo)沒有測量數(shù)據(jù)，難以進(jìn)行量化評(píng)價(jià)。因此，需要分別針對(duì)客觀和主觀評(píng)價(jià)指標(biāo)提出合適的預(yù)處理方法，以便于集成運(yùn)算。

2.3.1主觀指標(biāo)量化方法

傳統(tǒng)的檢查表量化方法多采用“大致”或“可能”等詞語判斷，評(píng)價(jià)結(jié)果具有一定的模糊性。為了避免評(píng)價(jià)人員在定性評(píng)價(jià)時(shí)出現(xiàn)較大分歧，或者量化結(jié)果集中在無法抉擇的兩個(gè)等級(jí)間的情況，文中對(duì)傳統(tǒng)的檢查表法進(jìn)行改進(jìn)。依據(jù)G·Miller［10］關(guān)于人的分辨能力為“7±2”級(jí)的認(rèn)知理論，將定性評(píng)價(jià)結(jié)果劃分為5個(gè)等級(jí)，即優(yōu)、良、中、及格、差，其量化值f（x）分別為90、80、70、60、50；同時(shí)保留二級(jí)量化方法“是”（100）或“否”（0），以便根據(jù)不同的主觀評(píng)價(jià)指標(biāo)特點(diǎn)進(jìn)行量化，減少評(píng)價(jià)結(jié)果的模糊性，提高評(píng)價(jià)結(jié)果的可信度。

2.3.2客觀指標(biāo)量化方法

煤礦機(jī)械人機(jī)界面的客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)的量化，通過實(shí)際設(shè)計(jì)值與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值比較來確定。按照人們的認(rèn)知習(xí)慣，量化結(jié)果采用百分制：60～100分對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的有效取值區(qū)間［x1，x4］；極限取值區(qū)間以外均為0分，100分對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的評(píng)價(jià)指標(biāo)最佳取值或取值區(qū)間［x2，x3］。建立客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)量化的分段模型如圖2所示。

圖2　客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)分段量化模型Fig.2 Quantification model of segmentation for objective evaluation indexes

客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)的量化結(jié)果越接近100分，說明該礦機(jī)械人機(jī)界面某元件的實(shí)際設(shè)計(jì)值越接近標(biāo)準(zhǔn)推薦的最優(yōu)設(shè)計(jì)值范圍，其人機(jī)界面的設(shè)計(jì)越合理，越易于操作員操作，從而可提高操作效率，降低人因失誤的概率；若量化結(jié)果為0時(shí)，說明人機(jī)界面某元件的設(shè)計(jì)值不符合標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，會(huì)增加操作員的操作時(shí)間，易于引發(fā)事故。

2.3.3確定評(píng)價(jià)等級(jí)

將煤礦機(jī)械人機(jī)界面劃分為｛很安全、較安全、一般安全、不安全、很不安全｝五個(gè)安全等級(jí)。令Xks=（aks，bks）為各評(píng)價(jià)指標(biāo)xs關(guān)于安全等級(jí)k所取的量值范圍，稱為經(jīng)典域Rk

令Xps=（aps，bps）為各評(píng)價(jià)指標(biāo)xs全部等級(jí)的量值范圍，稱為節(jié)域Rp:

關(guān)聯(lián)函數(shù)表示煤礦機(jī)械人機(jī)界面底層評(píng)價(jià)指標(biāo)符合人機(jī)工效學(xué)標(biāo)準(zhǔn)要求的程度，令f（xs）的關(guān)聯(lián)函數(shù)為Kk（f（xs）：

煤礦機(jī)械人機(jī)界面評(píng)價(jià)元素Nij的各評(píng)價(jià)指標(biāo)xs關(guān)于評(píng)價(jià)等級(jí)k的關(guān)聯(lián)度為Kk（Nij）：

人機(jī)界面評(píng)價(jià)元素Ni的各評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)于評(píng)價(jià)等級(jí)k的關(guān)聯(lián)度為Kk（Ni），則煤礦機(jī)械人機(jī)界面N關(guān)于評(píng)價(jià)等級(jí)k的綜合關(guān)聯(lián)度為Kk（N）：

若Km=max｛Km（N）｝（m∈k），表示被評(píng)價(jià)煤礦機(jī)械人機(jī)界面安全等級(jí)屬于m級(jí)。

3　評(píng)價(jià)實(shí)例

根據(jù)提出的煤礦機(jī)械人機(jī)界面安全評(píng)價(jià)方法，以礦井提升控制系統(tǒng)控制臺(tái)的儀表為例，進(jìn)行人機(jī)界面的安全評(píng)價(jià)。

步驟1按照表1中所列的儀表客觀底層評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)礦井提升控制系統(tǒng)控制臺(tái)的儀表進(jìn)行實(shí)際設(shè)計(jì)值測量，按照?qǐng)D2所示的客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)量化分段模型進(jìn)行客觀指標(biāo)量化。量化結(jié)果｛f（x1），f（x2），…，f（x6）｝分別為 ｛76.34，81.23，63.54，81.75，64.76，76.75｝。

步驟2按照表1中所列的儀表主觀底層評(píng)價(jià)指標(biāo)，按照提出的主觀評(píng)價(jià)指標(biāo)量化方法進(jìn)行量化，量化結(jié)果｛f（x7），f（x8），…，f（x14）｝分別為｛90，80，70，70，90，90，70，80｝。

步驟3對(duì)礦井體系系統(tǒng)控制臺(tái)的儀表綜合安全評(píng)價(jià)。將上述儀表的14項(xiàng)底層評(píng)價(jià)指標(biāo)量化結(jié)果f（x）組成14維復(fù)合物元 。儀表各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)值ωs見表1，若各評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)于安全等級(jí)k的經(jīng)典域Xk和節(jié)域Xp分別為

由式（4）可計(jì)算出儀表關(guān)于評(píng)價(jià)等級(jí)k的關(guān)聯(lián)度Xk（N11）為：

可知K3=max｛K3（N）｝，表示該礦井提示控制系統(tǒng)控制臺(tái)的儀表設(shè)計(jì)屬于一般安全等級(jí)。追溯評(píng)價(jià)過程可知，其表盤設(shè)計(jì)不易于操作員讀數(shù)，應(yīng)依據(jù)國標(biāo)中的具體規(guī)定［11］，增加指針寬度和刻度線間距，降低誤讀的概率，從而提高煤礦機(jī)械人機(jī)協(xié)作作業(yè)的安全和效率。與以往對(duì)儀表可視性的評(píng)價(jià)都是依據(jù)評(píng)價(jià)者主觀感受的傳統(tǒng)方法相比，該方法保證了評(píng)價(jià)的科學(xué)性。

同理，可對(duì)其他煤礦機(jī)械的硬件人機(jī)界面或軟件人機(jī)界面進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)劣評(píng)價(jià)，并可追溯設(shè)計(jì)缺陷所在，及時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，避免煤礦安全事故的發(fā)生。

4　結(jié)　論

（1）構(gòu)建涵蓋煤礦機(jī)械的硬件人機(jī)界面、軟件人機(jī)界面、控制臺(tái)的安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)所占的權(quán)重，提出客觀指標(biāo)的量化方法.該方法可避免傳統(tǒng)以人的經(jīng)驗(yàn)為主的量化方法的隨機(jī)性，改進(jìn)了主觀指標(biāo)的量化方法?？梢钥朔鹘y(tǒng)的主觀量化方法易受個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和偏好影響的缺點(diǎn)。

（2）建立基于物元分析的煤礦機(jī)械人機(jī)界面安全評(píng)價(jià)模型，解決了客觀、主觀指標(biāo)的量化結(jié)果，難以集成的問題。通過分析評(píng)價(jià)結(jié)果可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)煤礦機(jī)械人機(jī)界面設(shè)計(jì)中存在的安全隱患。

（3）此外，該方法還可進(jìn)一步擴(kuò)展應(yīng)用于煤礦的復(fù)雜工作環(huán)境和工作空間的安全研究，在一定程度上可降低操作員的操作疲勞，提高生產(chǎn)效率，從而防范和遏制安全事故發(fā)生。

（4）該研究對(duì)處于起步階段的煤礦機(jī)械人機(jī)界面研究提供了科學(xué)有效且可操作的方法和工具，同時(shí)也為開展煤礦機(jī)械的人機(jī)工程學(xué)研究提供了一定的理論基礎(chǔ)和工程應(yīng)用參考。

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（編輯徐巖）

Human-machine interface safety evaluation of coal mine machinery based on human -machine engineering

CHEN Yu1，YAN Shengyuan2
（1.School of Mechanical Engineering，Heilongjiang University of Science&Technology，Harbin 150022，China；2.College of Mechanical&Electrical Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）

This paper is aimed at a better safety and more efficient performance of human-machine collaboration required for coal mine machinery.The study is focused on developing evaluation index system of human-machine interface for coal mine machinery by analyzing the human-machine interface and applying ergonomics standards；and thereby laying the theoretical foundations for safety assessment by creating the methods of weight determination and quantification for every evaluation index.The study describes the development of a mathematical model designed for the safety evaluation of human-machine interface based on matter element analysis method for coal mine machinery；the practical evaluation of human-machine interface involved in mine hoist；and the provision of the safety grades of human-machine interface and thereby the targeted improvement in design flaws affecting the human-machine interface.The result shows that the proposed method，capable of overcoming the drawback inherent in the conventional subjective quantification method vulnerable to the influence of individual experiences and p

，can offer an effective safety evaluation of human-machine interface for coal mine machinery.

coal mine machinery；human-machine interface；evaluation index；quantification method；evaluation model

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.06.023

X912.9；TB18

2095-7262（2015）06-0692-05

A

2015－10－09

陳 玉（1984-），女，黑龍江省哈爾濱人，講師，博士，研究方向：人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)設(shè)計(jì)及評(píng)估，E-mail：chenyubeautiful@163.com。