联合收获机驾驶室人机界面布局优先序研究

2 0 0 9 年 12 月农 业 机 械 学 报第 40 卷 第 12 期 联合收获机驾驶室人机界面布局优先序研究 仇 莹1 朱忠祥1 毛恩荣1 宋正河1 扈伟斌2 朱现学2 ( 1.中国农业大学工学院, 北京 100083;2.福田雷沃国际重工股份有限公司, 潍坊 261206) 【 摘要】 为了实现联合收获机驾驶室人机界面的优化设计, 以自走式谷物联合收获机为研究对象, 从人机工 程学角度分析了驾驶室人机界面的元件构成, 在调查分析基础上, 采用改进的 TOPSIS 法对人机界面各元件的重 要程度进行了分析和排序。 根据各元件的优先序进行布局, 即将优先序排在同类元件中最前的元件布置在驾驶员 最容易伸及或看到的区域, 其他元件根据优先序依次布置在次级可伸及区域和可见区域, 从而保证驾驶员操作和 观察的方便性和舒适性。 关键词: 联合收获机 驾驶室 人机界面 优先序 中图分类号: S225;TB18文献标识码: A Study on Priorities of Human-machine Interface in Combine Harvester Cab Qiu Ying1 Zhu Zhongxiang1 Mao Enrong1 Song Zhenghe1 Hu Weibin2 Zhu Xianxue2 ( 1. College of Engineering, China Agricultural University , Beijing 100083, China 2. Foton Lovol International Heavy Industries Co. , Ltd. , Weifang 261206, China) Abstract The structure of human-machine interface in combine harvester cab was analyzed in terms of ergonomics, then, the priorities of the components were calculated using the modified method of TOPSIS , based on the interview and investigation to 2 designers in the corporation and 45 experienced drivers. The results showed that components used in emergency and frequently are prior to others. Therefore the procedure is more scientific and effective combined with both subjective and objective methods, and the conclusion could be applied to design or evaluate the combine harvester cab. Key words Combine harvester, Cab, Human-machine interface , Priorities 收稿日期: 2008 -11-28 修回日期: 2008-12 -27 “十一五”国家科技支撑计划资助项目( 2006BAD11A01) 作者简介: 仇莹, 博士生, 主要从事车辆人机工程学和虚拟现实技术研究, E -mail: qiuying cau. edu. cn 通讯作者: 宋正河, 副教授, 博士生导师, 主要从事车辆人机工程学和农业装备工程研究, E -mail: gxy16cau. edu. cn 引言 联合收获机驾驶室内的操纵元件和显示元件繁 多,跨区作业期间连续工作时间长、强度大, 容易产 生驾驶疲劳以及各种职业病。调查发现, 超过 80 % 的驾驶员腰部疼痛, 近半数的驾驶员颈部、 背部和肩 部疼痛 ,主要是因为座椅设计不合理或座椅与其他 元件之间的位置关系需要改进; 另外约 1/4 的驾驶 员反映手臂和腿部经常疲劳, 这表明手操纵元件和 脚操纵元件的位置、尺寸或操纵力设计不合理 。 依据广义的人机界面定义 1,上述问题均可归 结为人机界面设计问题 。本文中 ,人机界面指联合 收获机驾驶室内各元件的几何位置匹配关系。为了 更加客观准确地评价现有联合收获机驾驶室的人机 界面,并在此基础上优化设计,需要进行驾驶室内各 元件重要程度的研究 , 即确定各元件相对于人机界 面的权重系数,继而得出元件的优先序,根据元件的 优先序合理布局, 从而提高驾驶员的工作效率, 并保 证其安全和健康。 目前, 常用的权重确定方法归纳为主观赋权法 和客观赋权法。主观赋权法使用较多的是专家咨询 法 、 层次分析法 、循环打分法等; 客观赋权法常用的 有熵值法、 因子分析法 、 主成分分析、均方差法、相关 系数法等 2 4 。经过对上述多种方法的比较分析, 本文对自走式谷物联合收获机驾驶室人机界面的元 件构成进行分析 ,根据各元件的使用频率和重要性 , 通过改进的 TOPSIS 法处理调查问卷的统计结果 , 得出各元件的权重系数, 并对各元件的重要程度进 行排序。 1 联合收获机驾驶室人机界面构成分析 联合收获机根据动力供给方式分为牵引式、自 走式、背负式 ; 按喂入方式分为全喂入式和半喂入 式; 按行走装置 ,可分为轮式、履带式; 还可以按作物 名称分为小麦联合收获机 、 水稻联合收获机、稻麦联 合收获机和玉米联合收获机等 。不同类型的联合收 获机驾驶室元件相近, 本文以涉及驾驶室人机界面 各元件较为全面的自走式谷物联合收获机为研究对 象。从人机工程学角度, 可将这些元件划分为手操 纵元件、 脚操纵元件、视觉显示元件 、 驾驶座椅和驾 驶空间等 5 大类 ,将每一类别中最低一级的元件作 为评价因素。 由于操纵杆 、 开关按钮、 仪表和报警指示灯都包 含十几种元件, 这些元件和方向盘、踏板、座椅和作 业空间等所属级别不同, 其重要程度也相差较大, 因 此将联合收获机驾驶室人机界面的构成划分进行修 正 ,得出图 1 所示的结构图 。 2 改进的 TOPSIS法 逼近理想解法( technique for order preference by similarity to ideal solution, 简称 TOPSIS) , 通过构造 多目标问题的理想解和负理想解, 并以靠近理想解 和远离负理想解两个基准 ,作为评价各可行方案的 判据 5 6 。但是此方法需要事先确定决策指标的 权重系数 ,而改进的 TOPSIS 法是一种新的多属性 决策方法,可以利用决策矩阵的信息 ,客观地评价各 元件的重要程度 7 8, 本文即根据这一思路进行联 合收获机驾驶室人机界面各元件的优先序研究 。 设决策矩阵 X = ( xij)m n,标准化矩阵为 Y = ( yij)mn,指标权重向量为 W =( 1, 2, , n) T , 则加权标准化矩阵为 V= ( vij)m n= ( jyij)m n。 理想解 V= ( v 1, v 2, , v n) =jy j 其中 y j= max 1i myij ( j J +) min 1i myij ( j J -) ( j = 1, 2, , n) ( 1) 图 1 联合收获机驾驶室人机界面构成框图 Fig. 1 Structure of human -machine interface in combine harvester cab 用各方案到理想解的距离平方和作为评价方案 的准则。记 di= m j =1 ( vij-v j) 2 = m j =1 ( yij-y j) 2 2 j( 2) 显然 , di越小方案越优。 为了确定指标权重 j,构造最优化模型 min Z = m i =1 di= m i =1 n j =1 ( yij-y j) 2 2 j s. t . n j =1 j=1 ( j0) ( 3) 求解此模型, 作拉格朗日函数 L = m j =1 n i =1 ( yij-y j) 2 2 j+ ( n i =1 j-1) 令 L j = 0 ,得 j= 1 n j =1 1 m i =1 ( yij-y j) 2 m i =1 ( yij-y j) 2 ( 4) 44农 业 机 械 学 报 2 0 0 9 年 3 人机界面各元件的优先序确定 3. 1 各元件排序计算结果 基础数据来源于 47 份有效调查问卷,为保证研 究数据的准确性 ,选取的调查对象包括 2 名福田雷 沃国际重工股份有限公司负责驾驶室布置的工程 师、3 名中国农业大学农业机械化专业的实验教师 ( 有 10 年以上联合收获机驾驶经验) 以及跨区麦收 期间工作在第一线的 42 名河南、 山东籍联合收获机 驾驶员 。为增强调查问卷的易读性和可操作性 , 将 打分表转换成使用情况选择表 。 下面以常用操纵元件为例 。各元件在起动和停 车时被选择使用的人数( 1) 、 紧急情况下被选择使 用的人数( 2) 、田间作业经常用到的人数( 3) 、田 间作业偶尔用到的人数( 4) 、 道路行驶经常用到的 人数( 5) 和道路行驶偶尔用到的人数( 6) 等 6 种 情况的人数见图 2, 即初始矩阵 X= ( xij)6 13= 35353911738360101137 244325361327240302015 3539364423175422624453630 173031333221075 4234344562001002322 1121922231211813 根据重要程度, 将以上 6 种情况设定不同权系 数 ,即令 = ( 1, 2, 3, 4, 5, 6) = ( 0. 7,0. 9,0. 7,0. 3 ,0. 5 ,0. 1) 将初始矩阵处理为无量纲矩阵 V= ( vij)6 13=1 47 ( xij)6 13= 0. 521 30. 521 30. 580 90. 163 80. 104 30. 566 00. 536 200. 014 900. 014 90. 193 60. 104 3 0. 459 60. 823 40. 478 70. 689 40. 248 90. 517 00. 459 600. 057 400. 038 300. 287 2 0. 521 30. 580 90. 536 20. 655 30. 342 60. 263 20. 074 50. 625 50. 387 20. 625 50. 670 20. 536 20. 446 8 0. 006 40. 044 70. 019 100. 019 10. 083 00. 019 10. 019 10. 012 80. 019 100. 044 70. 031 9 0. 446 80. 361 70. 361 70. 478 70. 063 80. 021 3000. 010 6000. 244 70. 234 0 0. 002 10. 002 10. 004 30. 002 10. 019 10. 046 80. 048 90. 002 10. 004 30. 002 10. 002 10. 017 00. 027 7 根据式( 4) 计算得常用操纵元件的权重 W = ( 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13) = ( 0. 059 5 ,0. 102 2, 0. 092 0, 0. 220 4 ,0. 128 8 ,0. 080 0, 0. 047 5, 0. 015 6 ,0. 045 5 ,0. 057 8, 0. 013 9, 0. 039 0 ,0. 097 9) 图 2 常用操纵元件使用情况统计结果 Fig. 2 Usage statistics of the components in common use 按同样方法 ,得出其他元件以及各大类的权重 值和优先序( 见表 1) 。 3. 2 优先序分析 在联合收获机驾驶室人机界面设计时, 需要考 虑各元件的优先序 ,将排序结果靠前的元件布置在 最优区域, 即人的手脚操作活动或眼睛观察活动最 灵敏 、 辨别力最好、反应最快、用力最强的空间范围 和合适的方位上 ,当这些空间范围不够用时, 其他元 件则根据其优先序布置在较好或次要的可伸及区域 和可见区域 ,保证驾驶员操作和观察的可行性 。从 而提高联合收获机驾驶员的工作效率, 减少职业病 的发生。 在紧急情况下使用的元件和使用频率高的元 件 ,优先序靠前, 比如方向盘、手油门、油门踏板 、 制 动器踏板、 离合器踏板和无级变速操纵杆等元件 ,在 田间作业和道路行驶过程中都需要频繁操作 ,应优 先布置 ,而其他元件优先序靠后则布置在一般区域。 设计操纵杆时, 为使操作者能有一个较为舒适 的控制过程, 应尽可能的将操纵杆设置在人能够有 较大施力的位置。最优水平作业范围是左右肩关节 为圆心的 394 mm 半径范围, 最大水平作业范围是 左右肩关节为圆心的 508 mm 半径范围。视野中心 3 范围内是人的最优视区 ,20 40 视野范围是一般 视区,40 60 视野范围是次要视区 1。在表 1 中, 一些报警灯、开关按钮和常用操纵元件的排序结果 靠前,由于这些元件涉及到驾驶安全性和可操作性, 应布置在最优区域 ,即最方便观察和操作的范围 。 以雷沃谷神 4LZ-2 型自走轮式谷物联合收获机 驾驶室为例,无级变速操纵杆、拨禾轮升降操纵杆、 割台升 降操纵 杆分 别位 于座椅 SIP 点右 侧的 370mm 、 420 mm 、 470 mm 处, 与表 1 中的优先序相 符 ; 主离合操纵杆和卸粮离合操纵杆分别位于座 45第 12 期 仇莹 等: 联合收获机驾驶室人机界面布局优先序研究 表 1 联合收获机驾驶室人机界面各元件权重值和优先序 Tab. 1 Weights of the components of human -machine interface in combine harvester cab 目标评价因子权重值优先序 评价因子权重值优先序综合权重值 油门踏板( C11)0. 059 570. 021 2 制动器踏板( C12)0. 102 230. 036 4 离合器踏板( C13)0. 092 050. 032 8 方向盘( C14)0. 220 410. 078 6 手油门( C15)0. 128 820. 045 9 手刹( C16)0. 080 060. 028 5 常用操纵元件 ( B1)0. 356 61熄火手柄( C17)0. 047 590. 016 9 卸粮离合操纵杆( C18)0. 015 6120. 005 6 主离合操纵杆( C19)0. 045 5100. 016 2 拨禾轮升降操纵杆( C110)0. 057 880. 020 6 割台升降操纵杆( C111)0. 013 9130. 005 0 换挡操纵杆( C112)0. 039 0110. 013 9 无级变速操纵杆( C113)0. 097 940. 034 9 油压表( C21)0. 353 810. 030 9 电压表/电流表( C22)0. 080 840. 007 1 水温表( C23)0. 245 320. 021 4 油温表( C24)0. 106 530. 009 3 车速表( C25)0. 025 390. 002 2 仪表( B2)0. 087 34里程表( C26)0. 021 9110. 001 9 计时表( C27)0. 029 870. 002 6 发动机转速表( C28)0. 037 260. 003 2 复脱器转速表( C29)0. 027 580. 002 4 轴流滚筒转速表( C210)0. 023 6100. 002 1 联合收获机驾驶室 割茬高度( C211)0. 048 350. 004 2 人机界面( A1) 油压低报警灯( C31)0. 054 130. 015 0 手刹报警灯( C32)0. 026 650. 007 4 左右转向指示灯( C33)0. 017 660. 004 9 远光指示灯( C34)0. 006 690. 001 8 近光指示灯( C35)0. 006 4110. 001 8 示宽指示灯( C36)0. 006 980. 001 9 报警指示灯( B3)0. 277 32电瓶指示灯( C37)0. 343 120. 095 1 油量指示灯( C38)0. 041 540. 011 5 水温指示灯( C39)0. 472 110. 130 9 空滤堵塞报警灯( C310)0. 006 5100. 001 8 轴流滚筒堵塞报警灯( C311)0. 006 4110. 001 8 复脱器堵塞报警灯( C312)0. 007 270. 002 0 粮箱满报警灯( C313)0. 005 0130. 001 4 割台灯开关( C41)0. 013 3110. 003 0 卸粮灯开关( C42)0. 013 3110. 003 0 驾驶室风扇开关/空调开关( C43)0. 080 050. 018 2 转向灯开关( C44)0. 192 020. 043 6 示宽灯开关( C45)0. 023 190. 005 2 开关按钮( B4)0. 226 93 前大灯开关( C46)0. 023 470. 005 3 前大灯变光开关( C47)0. 023 470. 005 3 点火开关( C48)0. 320 510. 072 7 电源总开关( C49)0. 104 840. 023 8 报警蜂鸣器开关( C410)0. 148 330. 033 6 喇叭按钮( C411)0. 040 860. 009 3 轴流滚筒转速开关( C412)0. 017 2100. 003 9 驾驶座椅( B5)0. 045 450. 045 4 驾驶空间( B6)0. 006 560. 006 5 46农 业 机 械 学 报 2 0 0 9 年 椅 SIP 点左侧的 520 mm 和400mm 处 ,根据表 1 中 的优先序, 应将主离合操纵杆调换到距座椅 SIP 点 更近的位置,即更优的作业范围; 复脱器转速表 、轴 流滚筒转速表、割茬高度布置在驾驶室顶最前方, 为 次要视区 ,其他仪表均布置在方向盘下面的仪表盘 , 为最优视区和一般视区, 根据表 1 中的优先序 ,割茬 高度的权重较高 ,应布置在仪表盘上,里程表则可以 布置在次要视区 ; 割台灯开关 、 卸粮灯开关、轴流滚 筒转速开关布置在驾驶室顶最前方 ,为次要操作范 围 ,与表 1 中的优先序相符 。 4 结束语 以自走式谷物联合收获机为调研对象, 分析了 驾驶室人机界面的元件构成 ,从人机工程学角度将 各元件进行合理划分, 在 47 份有效调查问卷基础上 统计整理 ,通过改进的 TOPSIS 法得出各元件的权 重值和优先序 ,用于联合收获机驾驶室人机界面设 计与评价。 参考文献 1 毛恩荣, 张红, 宋正河.车辆人机工程学 M . 2 版. 北京:北京理工大学出版社, 2007. 2 王国华, 梁. 决策理论与方法 M .合肥: 中国科学技术大学出版社, 2006. 3 郭玉明, 冯飞燕, 韩永英, 等. 农业机械化项目绩效评价指标体系与模糊评价 J .农业机械学报, 2007, 38( 3): 82 85. Guo Yuming, Feng Feiyan, Han Yongying , et al.Performance evaluation system and fuzzy evaluation for agricultural mechanizationproject J .Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2007, 38( 3):82 85.( in Chinese ) 4 朱文学, 连政国, 张玉先, 等. 谷物干燥性能指标权重的研究 J . 农业机械学报, 2000, 31( 1): 72 75. ZhuWenxue, Lian Zhengguo, Zhang Yuxian, et al.Study on weighted factors of characteristic index of drying J . Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2000, 31( 1): 72 75. ( in Chinese) 5 Olson D L. Comparison of weights in TOPSIS models J . Mathematical andComputer Modelling , 2004, 40( 7 8) : 721 727. 6 Deng H, Yeh C H, Willis R J. Inter -company comparison using modified TOPSIS with objective weights J . Computers & Operations Research, 2000, 27( 10): 963 973. 7 茅力可, 陈荣达. 应用改进的理想解法评估竞争企业经济效益 J .工业工程与管理, 2006, 11( 1): 46 48, 52. Mao Like, Chen Rongda.Evaluation of economic benefits of minor enterprise based on the improved technique for order preference by similarity to ideal solution J .Industrial Engineering and Management, 2006, 11( 1):46 48, 52.( in Chinese ) 8 卫贵武.一种区间直觉模糊数多属性决策的 TOPSIS 方法 J .统计与决策, 2008( 1): 149 150. 9 金晓萍, 仇莹, 毛恩荣, 等. 车辆人机界面