港机驾驶室联动台空间布局的人因优化中文版

港机驾驶室联动台空间布局的人因优化高静1,钱省三1,王殊轶2,赵改平21上海理工大学管理学院上海2000932上海理工大学医疗器械与食品学院上海200093摘要:基于人因工程学原理，以上海振华港机(集团)公司岸边集装箱起重机产品为研究对象，通过对驾驶员的作业姿势进行分析，得出了适合港机驾驶室环境下联动台空间位置和控制元件布局位置的优化建议。结论为提高港机同类产品的竞争力提供了部分参考。关键词:港机驾驶室联动台;人机工程学;布局设计中图分类号:TH21文献标识码:A文章编号:1001－0785(2010)12－0049－04Abstract:Basedontheergonomicsprinciple，thepaperstudiesthequaysidecontainercraneproductofShanghaiZhenhuaPortMachineryCo.，Ltd.andgivesoptimizationadviceforthespatialpositionoftheoperatingworktableandthelayoutofthecontrolelementswhicharesuitabletotheportmachinerycabenvironment，throughanalyzingtheoperatingpostureofthedriver.Theconclusionprovidespartialreferencefortheimprovingthecompetitivestrengthoftheothersametypeofportmachinery.Keywords:operatingworktableintheportmachinerycab;ergonomics;layoutdesign港机驾驶室联动台是港机驾驶室内安置港机操控装置的承载箱体，它的正确操作直接影响到港口设备的正常使用。联动台界面是人机交互的主要界面，驾驶员在上面进行细致的信息化控制式操作，因此，其控制装置的大小和位置等都应处于人观察和操作时的舒适、准确和高效的工作状态，只有这样才能减少失误。对港机驾驶室联动台进行设计，其目的是设计一个友好的、人性化的人机沟通界面，保证驾驶员与港机之间信息传递正确通畅，提高港机作业效率。1港机系统人机界面优化设计构成要素港机系统人机界面设计包含很多因素。根据人因工程学原理和一般机械系统人机界面的特点和设计要求，可以认为港机系统人机界面优化设计的构成要素主要包括如图1所示［1］。港机驾驶室内的联动台包括箱体和手控操作元件2部分，完整意义上的联动台优化设计应包含箱体的整体优化设计和手控操作元件的优化设计。在此只对箱体的空间布局位置以及对此影响到的手控元件布局提出优化建议。图1港机系统人机界面优化设计构成要素图2人因工程学基本原理2.1控制元件的选择控制器的选择与操作要求、环境和造价有关，但主要还是从功能和操作要求出发进行选［2］。港机驾驶室联动台上主要放置手动控制元件，因此符合要求的控制器有:按钮、旋钮、选择开关和手柄等。2.2布局原则对系列控制元件应有最佳的布置，这取决于人的感受特征、人体测量学以及作业的性质。对于港机驾驶室的联动台，其实际使用的控制器大概有30个，因此，并不能保证每个元件都处于最理想的位置。根据人机工程学，面板元件可以按照以下原则进行布局［3］:(1)功能分组原则;(2)操作次序原则;(3)使用频率原则;(4)重要性原则。这4种布局原则每种都有自己的特点及适用场合，在进行界面方案设计时可权衡考虑。2.3作业范围及坐姿眼高作业空间的平面作业尺寸设计应满足95%的人需要。坐姿作业时，使用着的控制器等应放置在正常作业范围内。由人因工程学原理，并依据GB/T14779—1993《坐姿人体模板功能设计要求》的人体测量数据［4］，作业者在水平范围的最大作业范围为男性在第95百分位的坐姿上肢功能前伸长为767mm、正常作业范围为前臂加手长478mm。由于在港机驾驶室内，驾驶员采用坐姿作业，故取男子第95百分位的坐姿眼高837mm，坐姿颈椎点高689mm，为其坐姿时的眼睛高度。2.4人体上身关节活动最佳调节范围根据人机工程学中人体关节活动调节范围表［5］，人的观察视野在水平方向(即人头部左右转向)上以中间为轴线左右摆动55°时为最佳，摆动110°时观察视野最大。而头部颈关节在以中间为轴线向前12°，向后25°时为最佳，75°为最大摆动角度。3现状分析3.1联动台的结构分析(1)尺寸结构港机驾驶室联动台有2个箱体，分别固定于座椅的两侧，如图2所示。图2座椅尺寸及联动台联动台内侧间距为600mm，而座宽加扶手的尺寸610mm。因此，就目前的安装方式来看:(1)联动台安装过于靠近扶手，扶手会遮挡了人的部分视线，不利于控制元件的选择;(2)联动台箱体的位置超出了人的最佳视野范围，使得驾驶员每次在选择控制元件时都要转身动作，造成反映时间延迟。因此，需要优化设计联动台的安装位置。(2)界面布局从图2中可以看出，联动台界面上的控制元件主要采用矩阵式布局，所有元件不经区别的直接布置于联动台面板上。控制元件颜色使用随意，未参考相应的准则。由此造成了整个联动台界面的布局不仅给人一种死板、混乱的感觉，也不利于驾驶员的正确选择集中。3.2驾驶员的作业姿势分析港机驾驶员的作业姿势与一般工程机械的驾驶员不同，驾驶员在工作时的作业流程如图3所示。由于作业者大部分时间都需要观察地面情况，因此驾驶员的上身会呈长时间的前倾弯曲姿势，其人体脊柱分布曲线如图4所示。由于驾驶员的主要视线区域向下，靠近脚部，故在优化联动台位置时需要预留此部分视线需要的空间。图3驾驶员的作业流程图4正常作业姿势下脊柱分布曲线4驾驶室联动台的优化设计4.1联动台箱体布局位置优化设计优化后的联动台安装位置不仅需要尽可能地在人的最佳视野范围和最佳作业范围内，方便驾驶员对控制元件一目了然、及时操作，减少作业者的反映时间和作业疲劳，还不能遮挡驾驶员观察地面情况所需的视野空间。通过对港机驾驶员进行正常作业下的人体建模，由图5可以看出:港机驾驶员在作业时，其头部与躯干成一定的夹角θ，故驾驶员的实际眼高在水平和垂直距离上发生了改变，在一定程度上影响了其水平范围内可视的最佳作业范围。图5港机驾驶员正常作业下的人体模图6改进后的联动台安装位置区域图7德国先进的港机联动台由于人头部前倾时最舒适的角度为12°，故可计算得到驾驶员在水平方向上的前移距离L3=sinθ×(坐姿眼高L1－坐姿颈椎点高L2)=sin12°×(837－689)=29.6mm。通过计算前移距离可以间接得到此时驾驶员的最佳和最大作业范围。当驾驶员以颈部为圆心，头部在水平最佳视野范围内左右移动时会画出一个最舒适的观察区域，只要不将联动台安装于此区域范围内，就可避免遮挡观察视线。图6中的阴影区域为联动台可以放置的最佳区域，并且联动台在安装时应选择在人视线的可视区域内。图6中虚线为原驾驶室内的左右联动台，它们皆不在人的最佳视野范围内，图7给出了目前德国设计的先进联动台［6，7］。优化设计后的联动台，可以减少上身的大幅度转动，提高工作效率，减轻作业疲劳。4.2联动台控制元件布局位置优化设计根据人因工程学原理，可以将控制元件根据使用频率的高低分为最常用控制器、常用控制器、不常用控制器和重要控制器4类。越是常用的控制器应越靠近手边放置，以缩短使用的时间和距离。而对于重要控制器(如紧急急停按钮)虽然使用频率低但是很重要，一旦出现危险就需要立即执行，所以，不宜超出正常作业范围放置。对控制元件排序后结果见表1：表1联动台控制元件分类4.3联动台界面的可视化设计可视化能提供一定反馈信息，给人以心理安慰。一般人的视线在水平方向是由左向右流动，在垂直方向是由上向下流动的，结合人的心理排列的文字，能创造良好的视觉诱导效果。除了传统的文字表达外，在界面设计上还可以使用一些符合人们心理习惯的图形或图像，增加交流的动态性。此外，机器除了视觉的可视化外，还可以从听觉上实现可视化，如报错的蜂鸣器或警铃等。一定的声音反馈可以帮助作业者及时了解自己是否正确地完成了作业5结论港机驾驶室内的联动台优化设计属于人机界面设计中的实体界面设计。本文以振华港机联动台为对象，在传统产品设计FBS的理念基础上，通过对产品的功能和特性分析后，结合人因工程学的基本原理和方法，对联动台的安装位置、界面布局和可视化方面进行了研究。优化后的产品在一定程度上改善了原来明显违背人因工程学原则的问题，满足驾驶员的需求。然而，本文的研究仍是基于传统的人因学研究方法，可以给出一些合理设计建议，但不能计算出精准的布局数据。目前，国外很多学者在人机界面布局上的研究都开始尝试使用函数模型的方式，从而解决传统方法在此方面的缺陷。因此，对于港机系统人机界面的优化设计还有待于进一步的深入研究。参考文献［1］韩磊.机械系统人机界面优化设计［J］.电脑编程技巧与维护，2010(2):26－30.［2］江进国，宋小青.基于人机工程学的钻机控制面板设计［J］.矿山机械，2007，(35)5:31－33.［3］童时中.人机工程设计与应用手册［M］.北京:中国标准出版社，2007.［4］GB/T14779—1993坐姿人体模板功能设计要求［S］.［5］郑秀媛.现代运动生物力学［M］.北京:国防工业出版社，2007.［6］NickElliott.Cranecabs:ergonomicsequalsefficiency［J］．Portstrategy，2004(12)．［7］FrankKrause.Merford'sergoseat:Evaluationofaninnova-tiveseatdesignforcontainercranes［J］.NetherlandsOr-ganizationforAppliedScientificResearch.2004.论文排版格式选用重庆交通大学学报格式