基于人因工程的船舶驾驶室人机界面布局优化设计

doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.401

上海交通大学学报 ›› 2024, Vol. 58 ›› Issue (2): 201-210.doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.401

基于人因工程的船舶驾驶室人机界面布局优化设计

季煜恒¹^,², 李春通¹^,², 骆晓萌³, 杨雪莲⁴, 王德禹¹^,²()

1.上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海 200240
2.上海交通大学海洋装备研究院,上海 200240
3.中国船舶集团有限公司第十一研究所,上海 200032
4.上海外高桥造船有限公司,上海 200137

收稿日期:2022-10-14 修回日期:2022-12-13 接受日期:2023-03-10 出版日期:2024-02-28 发布日期:2024-03-04
通讯作者: 王德禹,教授,博士生导师,电话(Tel.):021-62933131;E-mail:dywang@sjtu.edu.cn.
作者简介:季煜恒(1999-),硕士生,从事人因工程、系统仿真研究.

Layout Optimization Design of Human Machine Interface in Wheelhouse Based on Ergonomics

JI Yuheng¹^,², LI Chuntong¹^,², LUO Xiaomeng³, YANG Xuelian⁴, WANG Deyu¹^,²()

1. State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China
2. Institute of Marine Equipment, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China
3. 11th Research Institute, China State Shipbuilding Corporation Limited, Shanghai 200032, China
4. Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding Corporation Limited, Shanghai 200137, China

Received:2022-10-14 Revised:2022-12-13 Accepted:2023-03-10 Online:2024-02-28 Published:2024-03-04

摘要/Abstract

摘要：

为了解决船舶驾驶室人机界面设计采用人工布局所存在的经验性、主观性、随机性的问题,提出一种将虚拟仿真和优化算法相结合的人机界面布局优化设计方法.首先,通过虚拟仿真得到待布局人机界面各区域的操作舒适度以及最优操作点位置;其次,将人机界面布局准则和人因工程学准则量化为目标函数和约束条件,建立人机界面布局优化数学模型,通过差分进化算法获取大量粒子群算法的粒子初始位置;最后,通过寻优获取人机界面的最优布局并进行虚拟仿真评价.将某控制面板作为算例进行布局优化和虚拟仿真,获取的最优布局结果满足人因工程学准则,人机界面各项性能均有提升.本研究可为船舶驾驶室的高性能人机界面布局设计提供参考.

关键词: 人机界面, 布局优化, 人因工程, 虚拟仿真, 粒子群算法

Abstract:

To solve the problems of empiricism, subjectivity and randomness in the manual layout of human machine interface in wheelhouse, an optimization layout design method of human machine interface that combines virtual simulation and optimization algorithm is proposed. First, the optimal operating point and the operating comfort of each area of the human machine interface are obtained through virtual simulation. Then, the layout criteria and ergonomics criteria of human machine interface are quantified as objective functions and constraints, a layout optimization mathematical model of human machine interface is established, and a large number of initial positions of the particles in the particle swarm optimization (PSO) algorithm are obtained through the differential evolution algorithm. Finally, the optimal layout scheme is obtained, and virtual simulation evaluation is conducted. Taking a control panel as an example for layout optimization and virtual simulation, the optimal layout scheme obtained is proved to satisfy ergonomic criteria, and the performance of the human machine interface has been improved. This paper can provide references for the layout design of the high performance human machine interface in wheelhouse.

Key words: human machine interface, layout optimization, ergonomics, virtual simulation, particle swarm optimization (PSO)

中图分类号:

U664.82

季煜恒, 李春通, 骆晓萌, 杨雪莲, 王德禹. 基于人因工程的船舶驾驶室人机界面布局优化设计[J]. 上海交通大学学报, 2024, 58(2): 201-210.

JI Yuheng, LI Chuntong, LUO Xiaomeng, YANG Xuelian, WANG Deyu. Layout Optimization Design of Human Machine Interface in Wheelhouse Based on Ergonomics[J]. Journal of Shanghai Jiao Tong University, 2024, 58(2): 201-210.

图/表 17

图1

图2

表1

图3

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参考文献 29

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分数	说明
1~2	较舒适
3~4	稍有舒适
5~6	较不舒适
7	非常不舒适

角度区域	分值	舒适度
舒适域	100	非常舒适
可作业域	80	较舒适不易疲劳
可达域	60	不舒适易疲劳

装置	编号	A_i/m	B_i/m	x_i/m	y_i/m
按钮功能组1	1	0.375	0.375	-0.50	0.70
信号指示1	2	0.349	0.185	-0.06	0.82
信号指示2	3	0.349	0.185	0.33	0.82
按钮功能组2	4	0.128	0.488	0.62	0.68
摇杆1	5	0.128	0.203	-0.07	0.57
推拉杆1	6	0.257	0.203	0.19	0.57
按钮功能组3	7	0.375	0.375	-0.50	0.25
推拉杆2	8	0.257	0.203	-0.08	0.17
电话	9	0.105	0.302	0.30	0.17
摇杆2	10	0.128	0.203	0.47	0.12
摇杆3	11	0.128	0.203	0.62	0.12

参数	网格1	网格2	网格3	网格4	网格5	网格6	网格7	网格8	网格9	网格10	网格11	网格12
c_i	0.13	0.13	0.10	0.09	0.08	0.08	0.07	0.07	0.06	0.07	0.06	0.06
C_i	1.00	1.00	0.67	0.44	0.33	0.33	0.22	0.22	0.11	0.22	0.11	0.00

坐标	装置1	装置2	装置3	装置4	装置5	装置6	装置7	装置8	装置9	装置10	装置11
x	-0.06	-0.23	0.32	0.59	0.40	0.20	-0.49	-0.56	0.62	-0.06	0.22
y	0.73	0.11	0.37	0.28	0.75	0.12	0.68	0.12	0.75	0.33	0.80

基于人因工程的船舶驾驶室人机界面布局优化设计

Layout Optimization Design of Human Machine Interface in Wheelhouse Based on Ergonomics

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坐标	装置1	装置2	装置3	装置4	装置5	装置6	装置7	装置8	装置9	装置10	装置11
x	-0.45	-0.43	-0.44	0.00	0.25	0.51	0.43	0.22	-0.16	0.41	0.57
y	0.69	0.37	0.12	0.58	0.13	0.36	0.70	0.37	0.21	0.13	0.13

目标函数值	初始设计方案	优化后设计方案	提升/%
f₁	0.710	0.771	8.6
f₂	0.492	0.592	20.3
f₃	0.719	0.847	17.9
f₄	0.531	0.644	21.4
f	0.613	0.714	17.0

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