基于人机工程的煤矿机械人机界面安全评价

陈　玉，颜声远

（1.黑龙江科技大学 机械工程学院，哈尔滨 150022；2.哈尔滨工程大学 机电工程学院，哈尔滨 150001）

基于人机工程的煤矿机械人机界面安全评价

陈玉1，颜声远2

（1.黑龙江科技大学 机械工程学院，哈尔滨 150022；2.哈尔滨工程大学 机电工程学院，哈尔滨 150001）

为了提高煤矿机械人机协作作业的安全和效率，在分析煤矿机械人机界面的基础上，基于人机工程学标准，搭建煤矿机械人机界面评价指标体系，并提出各项评价指标的权重确定方法和量化方法。应用物元分析方法构建煤矿机械人机界面安全评价的数学模型，利用该模型对矿井提升机人机界面进行实例评价，获得了人机界面安全等级评价结果，依据评价结果有针对性地对人机界面设计缺陷进行改进。结果表明：该方法可以克服传统的主观量化方法易受个人经验和偏好影响的缺点，能够有效地完成煤矿机械人机界面的安全评价工作。

煤矿机械；人机界面；评价指标；量化方法；评价模型

0　引言

煤矿机械是确保矿井生产正常进行的重要设备，其人机界面（Human-machine interface，HMI）是操作员与机械设备之间传递和交换信息的媒介。由于煤矿复杂恶劣的工作环境，若机械设备人机界面设计不合理，往往易于造成操作员的操作疲劳、生产效率降低［1］、误读误判断［2］、操作失误［3］，甚至导致人员伤亡和财产损失等严重安全生产事故。例如，矿井提升机作为联系矿井井下与地面的“咽喉”设备，由于其提升控制系统人机界面设计未满足人机工程学的要求，因而导致司机错判造成错发开车信号，使罐笼过卷翻转、人员伤亡的重大事故。可见，煤矿机械人机界面设计的优劣，直接影响人机关系的合理性和煤矿的安全生产。

20世纪末国外就已经进行了一系列的煤矿机械人机工程学研究，并将人机工程学评价结果作为机械设备能否投入煤矿安全生产的主要指标［4］。21世纪初已经将虚拟现实技术应用于远程控制连续采煤操作界面的人机工程学设计中［5］。在国内对于煤矿机械人机界面研究刚刚起步，且多以人的主观感受对煤矿机械的人机界面安全进行评价，容易受评价人员知识和经验的影响。与发达国家相比，我国煤矿机械人机界面的人机工程学研究还有差距。笔者依据人机工程学理论［6］，结合物元分析法独特的数学特性，将主观评价和客观评价结合，对煤矿机械人机界面进行安全评价。

1　煤矿机械人机界面分析

操作员对采煤状态的操控都是通过人机界面实现的。煤矿机械人机界面既包括人与机械装置之间相互作用的硬件界面，例如操纵杆、按钮、旋钮等，又包括人与视觉显示装置之间相互作用的软件界面，例如安全仪表、各类煤矿安全监控系统、报警装置等，甚至包括在控制台面上的空间布局和工作座椅等。煤矿机械人机界面是工作人员或操作者与设备之间传递和交换信息的媒介，其安全评价体系由三个要素组成，即评价指标、指标权重和评价模型。评价过程是各要素之间信息流动、组合的过程，是一个定性与定量信息集成的复杂过程。

2　安全评价体系的构建

2.1评价指标体系

人机界面设计标准是进行煤矿机械人机界面安全评价的基础和科学依据。文中参考国内外相关标准，同时结合实际情况，在遵循系统性、科学性、实用性、层次性以及简易性等原则的基础上，构建了煤矿机械人机界面安全等级评价指标体系，如图1所示。

图1　煤矿机械人机界面评价指标体系Fig.1 HMI evaluation index system for coal mine machinery

搭建出的人机界面评价指标体系具有多属性、多层次性。评价指标体系的顶层是目标层；中间层为评价指标层，是对系统某项指标的概括描述，中间层层数的多少由问题的复杂程度决定；底层为单项指标层，是对人机界面具体设计状况和水平的具体描述，底层评价指标是进行人机界面安全评价的基础。以（N11）仪表为例，列出其底层单项评价指标见表1。

表1　仪表底层评价指标及其权重Table 1 Underlying evaluation indexes and its weights of instrument

2.2各项评价指标权重的确定

确定权重是进行煤矿机械人机界面安全评价的关键环节之一。权重确定的是否科学合理也影响最终评价结果。多数文献中有关权重的确定主观成分较多，很难达到满意的效果。文中提出将德尔菲法（Delphi）和Yaahp层次分析软件相结合的Delphi-Yaahp方法，将建立的图1中的安全评价指标体系制作成专家意见函询表，选择20名熟悉该领域的专家并将函询表发给各位专家，保证被征询意见的专家在事前和事后均不接触，以保证收集到专家意见的客观真实，降低主观成分因素。对各专家返回的意见进行归纳综合，定量统计分析后，若专家们的意见分歧较大，则在隐去各专家姓名的基础上，将专家们的意见归纳整理后返回给各位专家，要求专家们参考他人的意见，深入考虑，第二次给出自己的看法。这种意见收集和信息反馈一般要经过三四轮，各专家意见将趋于一致，然后，形成各评价指标的专家判断矩阵。最终将该专家判断矩阵输入Yaahp层次分析法软件，计算出各元件的重要性权值，该软件使用方便，而且直观明了。应用该方法，表1所示为矿井提升系统控制台上仪表各项评价指标权重值。

2.3评价模型的建立

令煤矿机械人机界面评价指标Nij的物元矩阵为一个有序的三元组R：

式中：xs——评价指标Nij包括的s项底层评价指标x1，x2，…，xs；

f（x1），f（x2），…，f（xs）——底层各单项评价指标对应的量值。

将对应的量值组成s维复合物元矩阵R′：

评价指标xs包含客观和主观评价指标。由于客观指标的量纲不同，存在不可公度的问题，主观指标没有测量数据，难以进行量化评价。因此，需要分别针对客观和主观评价指标提出合适的预处理方法，以便于集成运算。

2.3.1主观指标量化方法

传统的检查表量化方法多采用“大致”或“可能”等词语判断，评价结果具有一定的模糊性。为了避免评价人员在定性评价时出现较大分歧，或者量化结果集中在无法抉择的两个等级间的情况，文中对传统的检查表法进行改进。依据G·Miller［10］关于人的分辨能力为“7±2”级的认知理论，将定性评价结果划分为5个等级，即优、良、中、及格、差，其量化值f（x）分别为90、80、70、60、50；同时保留二级量化方法“是”（100）或“否”（0），以便根据不同的主观评价指标特点进行量化，减少评价结果的模糊性，提高评价结果的可信度。

2.3.2客观指标量化方法

煤矿机械人机界面的客观评价指标的量化，通过实际设计值与标准规定值比较来确定。按照人们的认知习惯，量化结果采用百分制：60～100分对应评价指标的有效取值区间［x1，x4］；极限取值区间以外均为0分，100分对应标准所规定的评价指标最佳取值或取值区间［x2，x3］。建立客观评价指标量化的分段模型如图2所示。

图2　客观评价指标分段量化模型Fig.2 Quantification model of segmentation for objective evaluation indexes

客观评价指标的量化结果越接近100分，说明该矿机械人机界面某元件的实际设计值越接近标准推荐的最优设计值范围，其人机界面的设计越合理，越易于操作员操作，从而可提高操作效率，降低人因失误的概率；若量化结果为0时，说明人机界面某元件的设计值不符合标准的规定，会增加操作员的操作时间，易于引发事故。

2.3.3确定评价等级

将煤矿机械人机界面划分为｛很安全、较安全、一般安全、不安全、很不安全｝五个安全等级。令Xks=（aks，bks）为各评价指标xs关于安全等级k所取的量值范围，称为经典域Rk

令Xps=（aps，bps）为各评价指标xs全部等级的量值范围，称为节域Rp:

关联函数表示煤矿机械人机界面底层评价指标符合人机工效学标准要求的程度，令f（xs）的关联函数为Kk（f（xs）：

煤矿机械人机界面评价元素Nij的各评价指标xs关于评价等级k的关联度为Kk（Nij）：

人机界面评价元素Ni的各评价指标关于评价等级k的关联度为Kk（Ni），则煤矿机械人机界面N关于评价等级k的综合关联度为Kk（N）：

若Km=max｛Km（N）｝（m∈k），表示被评价煤矿机械人机界面安全等级属于m级。

3　评价实例

根据提出的煤矿机械人机界面安全评价方法，以矿井提升控制系统控制台的仪表为例，进行人机界面的安全评价。

步骤1按照表1中所列的仪表客观底层评价指标，对矿井提升控制系统控制台的仪表进行实际设计值测量，按照图2所示的客观评价指标量化分段模型进行客观指标量化。量化结果｛f（x1），f（x2），…，f（x6）｝分别为 ｛76.34，81.23，63.54，81.75，64.76，76.75｝。

步骤2按照表1中所列的仪表主观底层评价指标，按照提出的主观评价指标量化方法进行量化，量化结果｛f（x7），f（x8），…，f（x14）｝分别为｛90，80，70，70，90，90，70，80｝。

步骤3对矿井体系系统控制台的仪表综合安全评价。将上述仪表的14项底层评价指标量化结果f（x）组成14维复合物元 。仪表各评价指标的权值ωs见表1，若各评价指标关于安全等级k的经典域Xk和节域Xp分别为

由式（4）可计算出仪表关于评价等级k的关联度Xk（N11）为：

可知K3=max｛K3（N）｝，表示该矿井提示控制系统控制台的仪表设计属于一般安全等级。追溯评价过程可知，其表盘设计不易于操作员读数，应依据国标中的具体规定［11］，增加指针宽度和刻度线间距，降低误读的概率，从而提高煤矿机械人机协作作业的安全和效率。与以往对仪表可视性的评价都是依据评价者主观感受的传统方法相比，该方法保证了评价的科学性。

同理，可对其他煤矿机械的硬件人机界面或软件人机界面进行设计优劣评价，并可追溯设计缺陷所在，及时进行设计改进，避免煤矿安全事故的发生。

4　结　论

（1）构建涵盖煤矿机械的硬件人机界面、软件人机界面、控制台的安全评价指标体系，确定各评价指标所占的权重，提出客观指标的量化方法.该方法可避免传统以人的经验为主的量化方法的随机性，改进了主观指标的量化方法。可以克服传统的主观量化方法易受个人经验和偏好影响的缺点。

（2）建立基于物元分析的煤矿机械人机界面安全评价模型，解决了客观、主观指标的量化结果，难以集成的问题。通过分析评价结果可以及时发现煤矿机械人机界面设计中存在的安全隐患。

（3）此外，该方法还可进一步扩展应用于煤矿的复杂工作环境和工作空间的安全研究，在一定程度上可降低操作员的操作疲劳，提高生产效率，从而防范和遏制安全事故发生。

（4）该研究对处于起步阶段的煤矿机械人机界面研究提供了科学有效且可操作的方法和工具，同时也为开展煤矿机械的人机工程学研究提供了一定的理论基础和工程应用参考。

［1］耿晓亮，于会荣，韩燕，等.人机工程在煤矿机械设计中的应用［J］.煤矿安全，2012，43（9）:222-224.

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（编辑徐岩）

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

陈 玉（1984-），女，黑龙江省哈尔滨人，讲师，博士，研究方向：人-机-环境系统设计及评估，E-mail：chenyubeautiful@163.com。