高空吊車人機界面的安全模型和任務(wù)型PIMG范式創(chuàng)建,機械工程論文

高空吊車人機界面的安全模型和任務(wù)型PIMG范式創(chuàng)建,機械工程論文內(nèi)容摘要：高空吊車在建筑工地多用來吊裝設(shè)備及建筑用原材料,受視線距離、作業(yè)環(huán)境、作業(yè)任務(wù)的影響,常因重物、吊具從吊鉤脫落或者鋼絲繩拉斷,造成吊具、吊裝重物等從高空墜落,引發(fā)人身傷亡和設(shè)備毀壞安全現(xiàn)象。因此通過人機交互,有效地采集與安全現(xiàn)象相關(guān)的安全數(shù)據(jù),通過安全信息反應(yīng)給操作人員,操作人員采取有效的安全技術(shù)措施,防止此類安全現(xiàn)象事故的發(fā)生,實現(xiàn)智慧安全尤為重要。為此,基于安全感悟、安全認(rèn)知和安全任務(wù),從人機界面的布局構(gòu)建高空吊車人機界面的安全模型,提出了一種面向任務(wù)的易學(xué)、高效、易記的人機界面范式PIMG。實現(xiàn)靜態(tài)信息呈現(xiàn)與動態(tài)交互方式,人機界面設(shè)計多采用一鍵操控和手勢操控,操作人員易學(xué),易接受,進而減少誤操作,提高交互效率。本文關(guān)鍵詞語：安全現(xiàn)象;安全感悟;安全認(rèn)知;動態(tài)交互方式;PIMG范式;ResearchonSafetyModelandParadigmConstructionofHuman-machineInterfaceforHigh-altitudeCraneXUEMeiXIAOYigaiSichuanHongboSafetyTechnologyCo.,Ltd.SinosteelMaanshanGeneralInstituteofMiningResearchCo.,Ltd.Abstract：Thehigh-altitudecraneiswidelyusedinconstructionsitetohoistequipmentandrawmaterialsforconstruction,andareaffectedbysightdistance,workingenvironment,andworktasks.Theyoftenfallfromhighaltitudebecauseheavyobjectsorhoistsfallofffromhooksorwireropes,causinghoistshoistingheavyobjectstofallfromhighaltitude,causingcasualtiesamongadultsanddamagingsafetyofequipment.Therefore,throughhuman-computerinteraction,effectivelycollectsafetydatarelatedtosafetyphenomena,feedbacktooperatorsthroughsafetyinformation,operatorstakeeffectivesafetytechnicalmeasurestopreventtheoccurrenceofsuchsafetyphenomenonaccidents,andrealizeintelligentsafetyisparticularlyimportant.Basedonsafetyperception,safetycognitionandsafetytask,thispaperconstructsthesafetymodelofhuman-machineinterfaceofhigh-altitudecranefromthelayoutofhuman-machineinterface.Torealizestaticinformationpresentationanddynamicinteractionmode,man-machineinterfacedesignusesone-clickcontrolandgesturecontrol,theoperatoriseasytolearn,easytoaccept,andthenreducemisoperation,improveinteractionefficiency.隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展,高層建(構(gòu))筑物應(yīng)運而生,高空吊車在建筑施工中為常用的起重設(shè)備,多為塔式吊車設(shè)備。在建筑工地多用來吊裝設(shè)備及建筑用原材料。高空吊車作業(yè)是一種特種作業(yè),由于視線距離遠(yuǎn),操作復(fù)雜,定位要求準(zhǔn),因此人機界面的設(shè)計要求也就高。從安全現(xiàn)象分析,高空吊車在日常的作業(yè)中,吊具等重物從高空墜落常會造成人員傷亡和設(shè)備毀壞;物體從吊裝繩索中散落,進而造成人員傷亡、物體或設(shè)備毀壞等;重物或吊具從吊鉤脫落而引發(fā)的重物失落事故;因超載起吊、起升限位開關(guān)失靈而造成過卷拉斷鋼絲繩;斜吊、斜拉造成亂繩擠傷切斷鋼絲繩;缺乏維護保養(yǎng)造成疲憊變形、磨損損傷、超標(biāo)準(zhǔn)使用等造成破斷事故的安全現(xiàn)象。因此有效地采集與安全現(xiàn)象相關(guān)的安全數(shù)據(jù),通過安全信息反應(yīng)給操作人員,操作人員采取有效的安全技術(shù)措施,防止此類安全事故的發(fā)生,通過人機交互,實現(xiàn)智慧安全。本研究從吊車高空作業(yè)的特點,通過安全感悟、安全認(rèn)知、安全任務(wù)等模型設(shè)計高空吊車人機界面的安全模型,構(gòu)建了高空吊車人機界面范式,實現(xiàn)高空吊車作業(yè)機械系統(tǒng)的安全可靠運行,提高系統(tǒng)工效以及操作人員的安全和舒適性。1高空吊車人機界面介紹人機界面指的是人與設(shè)備之間通過計算機進行信息加工處理的交互方式[1],人對信息輸入、設(shè)備對信息顯示的一個信息交換媒介。在生產(chǎn)實踐中,人機界面的設(shè)計包括眾多因素,根據(jù)人機工程學(xué)原理,考慮高空吊車人機界面設(shè)計的特點和功能要求,確定其主要構(gòu)成要素有人、吊車操控臺、觸控設(shè)備、視覺元件、操控、數(shù)據(jù)信息處理計算單元等。如此圖1所示。圖1高空吊機人機界面要素高空吊車人機交互的信息流程見圖2。圖2高空吊車人機交互信息流程高空吊車人機界面包括計算機控制單元和操作用戶,在進行高空吊車人機界面設(shè)計中時,首先要了解吊車操作用戶。高空吊車人機交互系統(tǒng)在適應(yīng)用戶經(jīng)過中,收集對所需要的個體用戶(用戶組)的信息,考慮操作用戶的心理因素,全面考慮人、機、操作環(huán)境的互相作用因素,研究操作用戶的安全感悟及認(rèn)知能力,并明確安全任務(wù)。2高空吊車人機界面安全模型人體對外界的感悟信息主要通過視覺、觸覺、聽覺、嗅覺來獲取,獲取的感悟信息通過大腦處理后,構(gòu)成安全信息指導(dǎo)人的行為。根據(jù)學(xué)者研究統(tǒng)計,約有80%是依靠視覺系統(tǒng)來獲取[2],人類獲得外界信息的另一途徑就是聽覺,僅次于視覺。從人體感悟的各項指標(biāo)因素能直接或間接影響感悟系統(tǒng),進而影響人體的心理生理因素,以及人體在作業(yè)時的反響。高空吊車人機界面安全模型就是基于人的感悟和認(rèn)知,通過安全現(xiàn)象反響的安全數(shù)據(jù)、安全信息、安全情報,構(gòu)成了安全智慧,進而作出正確的安全判定,完成安全任務(wù)的執(zhí)行。2.1安全感悟感悟是人通過對外界客觀事物的接觸,通過大腦感覺后的主觀反響,外界事物的接觸包括視覺接觸、觸覺接觸、聽覺等。而安全感悟模型正是從用戶的基本感悟特性總結(jié)出來的。外界客觀事物及事件的安全信息通過眼睛或者耳朵以視覺或聽覺等方式感悟后,人通過大腦進行判定、理解,根據(jù)人的感悟?qū)Π踩畔⑦M行挑選,作出必要的操作,將相關(guān)信息輸入計算機,計算機在既定的程序下進行計算分析處理后,輸出控制信息。人機界面為了便于操作人員的辨別、記憶和理解,在進行人機界面設(shè)計時,對界面的菜單內(nèi)容、布局、圖標(biāo)設(shè)計等都應(yīng)該參加操作人員的感悟特性以及生活習(xí)慣,像中國的汽車駕駛位均在汽車的左邊;中國人習(xí)慣用右手操控;在進行用戶界面視覺感悟區(qū)域設(shè)計時應(yīng)盡量減少操作人員的視線來回移動等等類似的感悟特性和習(xí)慣。在進行人機界面設(shè)計時,根據(jù)安全感悟原理,再進工作臺的格式和布局設(shè)計時,應(yīng)考慮易于閱讀;操控按鈕設(shè)計考慮到絕大多數(shù)操作者是右手操作用戶,應(yīng)布置在工作臺的右側(cè),便于操作;根據(jù)工作臺的主次布局原則,根據(jù)視覺感悟的重要性,設(shè)計工作臺的左上區(qū)域作為儀器儀表盤的顯示區(qū)域,該區(qū)域為操作人員注意力最為集中的地方,便于操作人員及時讀取相關(guān)安全信息;控件應(yīng)采取分級和分層的原則布置[3],不但使得工作臺美觀,而且便于操作、實用。根據(jù)安全感悟模型,工作臺布局見圖3。圖3高空吊車人機界面布局形式2.2安全認(rèn)知人類認(rèn)知經(jīng)過是由思維處理器與短時記憶和長時記憶器的協(xié)調(diào)工作完成的[4]。在安全生產(chǎn)活動中,外界客觀事物或事件安全信息通過視覺、聽覺系統(tǒng)感悟后,由感悟處理器處理,有選擇地被傳送到短時記憶器或長時記憶器。操作人員的常識和專業(yè)知識決定了他的認(rèn)知能力,因而,在進行人機界面的設(shè)計時,應(yīng)考慮操作人員的認(rèn)知特性,不能專業(yè)性太強。人類的認(rèn)知特性為人機界面設(shè)計約定了一些原則,在設(shè)計中應(yīng)當(dāng)讓感悟的大量安全信息根據(jù)其互相關(guān)系分類組織;人機界面應(yīng)當(dāng)簡潔明了,與任務(wù)無關(guān)的信息不應(yīng)在界面顯示,讓操作人員的注意力集中;對于便于記憶和信息提取的個性化設(shè)計能夠加強應(yīng)用,便于在操作的時候能謹(jǐn)記于心,減少誤操作。2.3安全任務(wù)高空吊車廣泛用于港口碼頭、生產(chǎn)車間、電力施工、建筑工地等地方的材料、設(shè)備起吊搬運,是建筑工程中的常見設(shè)備,在高層建(構(gòu))筑物的施工中能夠解決高空作業(yè)的難題,提升施工效率,大大節(jié)約人工成本[5]。高空吊車用戶的任務(wù)主要是操作吊車的起吊、升降、轉(zhuǎn)向等,安全地完成原材料或設(shè)備的起吊、定位等,是吊車司機操作使用吊車的控制單位來完成各種任務(wù)的行動經(jīng)過。在行為管理和心理學(xué)中,任務(wù)也就是行動。從動機心理學(xué)出發(fā),意向、計劃、施行、評價為行動的4個基本經(jīng)過。在進行高空吊車人機界面設(shè)計研究時,不但要考慮人的理性心理和外部的自然因素,還要愈加系統(tǒng)地考慮操作人員諸如情感波動、個體特性和工作動機等非認(rèn)知因素。在進行高空吊車人機界面設(shè)計時,要考慮作業(yè)人員的環(huán)境可能造成的非理性任務(wù),因而需要針對該系統(tǒng)的設(shè)計,進行操作人員行動經(jīng)過的詳細(xì)調(diào)查,對特定環(huán)境下人的行動特性進行調(diào)查和分析,建立詳細(xì)的安全任務(wù)模型,充分考慮理性和非理性思維。3高空吊車人機界面范式構(gòu)建3.1人機界面安全范式提出人機界面(HumanMachineInterface)指的是操作人員和機器之間信息溝通與互動的作業(yè)區(qū)域,是人和機器之間信息傳遞的媒介。在人機系統(tǒng)中,人機界面包括3個子集,即人體、機器和作業(yè)環(huán)境。人將接收到的外部客觀信息通過人機界面作用于機器,機器將信號信息反應(yīng)給人的大腦,這就構(gòu)成了人機交互。在人機交互中,準(zhǔn)確的信息傳遞、正確的交互動作匹配、保持設(shè)備的運行狀態(tài)穩(wěn)定,進而實現(xiàn)了人機系統(tǒng)的安全運行。在高空吊車人機界面的設(shè)計中,傳統(tǒng)桌面用戶界面WIMP(Windows,Icons,Menus,Pointing)范式是以操作為中心,使用精到準(zhǔn)確的輸入輸出方式。隨著科學(xué)技術(shù)的進步,設(shè)備的智能化已經(jīng)非常成熟,WIMP范式已經(jīng)不適應(yīng)于智能設(shè)備的操控,設(shè)計選擇PIMG(InformationPlatform,Information,Direct-Manipulations,Gestures)安全范式代替WIMP范式,操作人員同設(shè)備溝通采用交互方式,目的是交互任務(wù)本身,不再需要考慮怎樣執(zhí)行任務(wù)。在PIMG范式中,桌面環(huán)境(desktop)變?yōu)橹荒芷桨蹇刂菩畔⑵脚_,提高操作人員界面的自然性與易用性。華而不實P,M,M,G分別于WIMP范式中的W,I,M,P相對應(yīng)。見圖4。圖4人機交互PIMG范式框架承載應(yīng)用信息呈現(xiàn)的交互組件由窗口(Windows)變?yōu)樾畔⑵脚_(InformationPlatform),信息平臺包括顯示屏幕和標(biāo)識組件,作為操作人員信息輸入端口,也是物理設(shè)備信息輸出顯示屏幕,組織和管理操控平臺組件中的各類其他組件,比方標(biāo)簽、按鈕、圖標(biāo)、媒介等組件。I表示Information,高空吊車人機界面安全范式中設(shè)備信息或信息集標(biāo)識,主要包括媒介,圖像,聲音等。D表示Direct-Manipulations,為高空吊車人機界面的直接操作組件,能夠響應(yīng)操作的控制組件,在智能集成操控設(shè)備中,操作人員關(guān)心的是任務(wù)本身,因此多采用一鍵直接操作,包括操控按鈕、信息接收器、傳感器等,能夠大大提高系統(tǒng)的操作效率。G表示Gestures,手勢操控動作是指高空吊車人機界面的交互方式。與WIMP范式交互方式進行比擬,PIMG改變了操作人員的交互動作,由傳統(tǒng)的鼠標(biāo)的點擊(mousepointing)變?yōu)槭謩萁换?gestureinteraction)[6]。像觸摸屏的觸控,類似操控平板電腦的拖動、縮放等。3.2人機界面安全范式功能目的PIMG范式中靜態(tài)信息呈現(xiàn)方式和動態(tài)交互方式愈加符合人與外界交互的習(xí)慣。靜態(tài)信息呈現(xiàn)方式包括操控平臺和信息標(biāo)識,在人機界面中,利用人的感悟通道,如觸覺、視覺和聽覺等,減少用戶選擇操作命令的層次,進而減少誤操作,提高信息呈現(xiàn)的效率。Direct-Manipulations和Gestures是一種動態(tài)交互方式,充分利用人的安全感悟效應(yīng),如人的語言、眼神