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基于工效学的控制面板计算机辅助设计  
 
  摘 要:随着人机系统的发展,对作为人机界面的控制面板设计的要求越来越高。总结和分析了3种基于工效学的控制面板计算机辅助设计方法,提出了今后该研究领域的发展方向。

  关键词:控制面板; 计算机辅助设计; 人机工效学

  现代人机系统的控制面板具有几百个单元,设计任务越来越复杂。随着计算机技术的发展,在控制面板设计中也引进了计算机辅助设计,出现了许多基于CAD的控制面板设计方法。控制面板CAD的基本思路是:根据操作任务、功能要求和工效学准则,在显示和控制单元之间建立约束条件,构造目标函数,进行优化设计,求得满足优化条件的解(即布置方案)。由于具体问题的约束条件和目标函数不一定可以得到最优解或最优解不唯一,还可能需要进行进一步交互处理。

  1、控制面板设计的基本要求和准则

  控制面板的设计要求和准则是多方面的,其目的是尽可能提高人机系统的性能,保证其功能的高质量完成。

  (1)控制面板设计的功能要求 控制面板是系统中人和机器的接口,人必须通过控制面板来实现对系统的控制。因此,控制面板必须能够满足系统的功能要求。对控制面板设计的功能要求分析是一个串行化过程,设计人员可以通过认真、细致的工作很好地满足这方面的要求。因此,对功能要求的分析和处理往往不必通过计算机来实现。 (2)控制面板设计的工效学准则 目前用于控制面板设计的工效学准则有:①操作空间相容性准则;②功能单元使用频率准则;③功能单元重要性准则;④功能单元按功能分组准则;⑤功能单元使用序列准则。将这些工效学准则按一定的方法构造出量化的约束条件和目标函数,采用优化理论进行求解,就是控制面板计算机辅助设计的一般方法。这些工效学准则之间可能存在矛盾,在不同的模型中,可能采用了不同的或部分准则。

  2 基于工效学的控制面板计算机辅助设计模型

  (1)CRAFT模型 1964年Buffa等人提出了CRAFT模型,该模型曾被用于某种飞机的控制面板设计。该模型的使用使初期设计费用减少了30%。

  CRAFT模型出现在计算机刚兴起的时代,该模型比较简单,仅仅采用了一条工效学准则,即“功能单元使用频率准则”。其目标函数为:操作过程中眼和手的运动最少。最终设计方案的特点是:使用频率最高的功能单元被布置在最佳操作域,其它功能单元按使用频率高低依次由最佳操作域向外布置。CRAFT模型只适用于设计的初级阶段,不能给出合理的最终设计方案。

  (2)CAPABLE模型 CAPABLE(Controls and Panel Arrangement By Logical Evaluation)模型是Bonney等人于1977年提出的,主要是针对坐姿操作控制面板设计。其设计过程为:①对输入数据按要求的数据结构进行预处理,根据各因素权值,确定各单元的“重要系数”;②根据预处理后的数据和舒适性准则,求出最佳操作域,确定座位位置;③确定各肢体(包括眼睛)在不同舒适水平下的可达区域,根据功能单元特点、可达区域的要求、平衡工作负荷和使用频率等因素将功能单元分配给四肢和眼睛;④选取没有布置的“重要系数”最大的功能单元,根据其对应的肢体,在控制面板上该肢体的可达区域(按舒适水平排列)中,搜索可以布置该功能单元的区域。重复该过程,直到所有的功能单元布置完;⑤通过任务完成时间、各肢体运动距离和占用时间、功能单元分组情况等指标,判断设计出的控制面板是否满足设计要求,合格将结束设计过程,否则将调节各因素的权值,转到第②步进行循环处理。

  在该模型中,考虑了5个准则:功能单元重要性准则、功能单元使用频率准则、功能单元按功能分组准则、功能单元使用序列准则和操作空间相容性准则,基本包含所有工效学对控制面板设计的要求,因此,该模型具有一定的实用性。

  (3)CSPB模型 CSPB模型是1995年由Jung等人[3]提出的。该模型将控制面板设计看作为一个多约束问题,设计目标被量化为约束条件,包括工效学准则和其它设计要求。在CSPB模型中约束集决定了可行解空间。约束分为硬约束和软约束:硬约束是保证得到可行解的约束,软约束是指对可行解起改进作用的约束。该模型的求解过程如图1所示。

  CSPB模型将各种设计要求和工效学准则根据其作用划分出不同层次。其作用是:一方面减少搜索的复杂度,使寻找可行解的速度加快,并能保证存在可行解;另一方面,通过增加与设计人员的交互接口,使设计人员能够对约束进行改进,从而缩小可行解范围,求得最优解或满意解。求解工作中,需要设计人员根据约束的重要程度进行必要的调整,最终得到满足功能和工效学设计要求的控制面板设计方案。

  3 基于工效学控制面板计算机辅助设计发展方向

  通过对上面3个基于工效学的控制面板计算机辅助设计模型的分析,根据目前计算机软、硬件技术的发展水平,可以确定控制面板的设计问题应该按照多约束的优化问题进行处理,同时应该将面向对象的思想和技术引入对功能单元和任务的分析和定义中去,进一步合理地进行约束处理,并寻求更有效的搜索方法进行求解计算,实现对满足约束条件的解空间的搜索和比较,得到最优解或满意解。

参考文献:
[1] Bonney M C, Williams R W. CAPABLE, A computer program to layout controls and panels[J]. Ergonomics, 1977, 20(3):297~316.

[2] Babur M P, Mahmoud A A. A computer-aided panel layout procedure for process control jobs-LAYGEN[J]. IIE Transactions, 1985, 17(1):84~93.

[3] Jung F S, Pann S, Chang Y. A CSP technique-based interactive control panel layout[J]. Ergonomics, 1995, 38(9):1884~1893.



 
 
 
 
 
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