一种基于视觉感知强度的钢轨铣磨车人机界面布局优化方法技术

本发明专利技术提出一种基于视觉感知强度的钢轨铣磨车人机界面布局优化方法，属于制造装备界面工效学设计领域。本发明专利技术依据双眼视觉感知强度区域划分人机交互界面视觉感知力等级。在此基础上，综合考虑界面参数信息模块的重要性、观看频率与关联性，构建基于视觉感知强度的人机界面布局优化模型。本发明专利技术还提出一种基于灰狼

【技术实现步骤摘要】
一种基于视觉感知强度的钢轨铣磨车人机界面布局优化方法


[0001]本专利技术涉及一种基于视觉感知强度的钢轨铣磨车人机界面布局优化方法，属于制造装备界面工效学设计领域。

技术介绍

[0002]当前，铁路交通运输速度大大提升，高速的列车运行伴随着对钢轨平顺度更高的质量要求，因此修复钢轨磨损的装备就显得格外重要。近年来，我国引进了提高铁路钢轨质量的钢轨铣磨车，其工作性能良好具有很好的应用前景。钢轨铣磨车作为钢轨维护装备承担的工作任务越来越重，为了实现钢轨铣磨车在高精度、高附加值领域的应用，需要对钢轨铣磨车人机界面进行深入细致的研究。
[0003]现阶段国内的钢轨铣磨车大多是由国外引进或仿制，人机界面设计只注重满足基础的功能性需求，不重视驾驶员的认知特性及用户体验需求。而钢轨铣磨车驾驶员已由传统的驾驶者转变为监控者和决策者，这使得驾驶员对人机界面信息的认知效率要求更高，同时增加了驾驶员的认知负荷和工作负担，导致人机交互效率低下，进而引起操作失误以及工作安全性问题。因此，针对钢轨铣磨车驾驶员认知特性的人机界面优化设计，对提高钢轨铣磨车人机交互效率具有重要研究和应用价值。
[0004]钢轨铣磨车人机界面工控系统是钢轨修复的控制中心，其中钢轨铣削修复操作主要是由驾驶室内驾驶员完成，且钢轨修复控制是一项复杂的作业，因此驾驶员与人机界面的交互程度直接影响着钢轨修复的效率与质量。现有人机界面优化研究多针对界面位置布局，能够满足人认知行为的基本要求，并取得了一定成果。但考虑钢轨铣磨车操作过程的复杂性与多维交互信息，尤其是工控系统的高度集成和复杂性，现有人机界面布局优化方法难以适用其多维度信息、多流程、多功能、多对象的人机交互要求，主要存在以下问题待解决：
[0005](1)现有人机界面优化方法仅局限于满足系统的基础功能需求，忽略界面中各模块间的关联性和驾驶员的用户体验度，难以满足钢轨铣磨车人机交互的多信息、多流程等复杂认知要求，易引发操作失误和监控不及时，严重影响钢轨修复质量与安全性。
[0006](2)钢轨铣磨车人机界面布局模型以机械工程师的经验设计对人员认知与界面功能进行布局优化，难以系统兼顾其驾驶员的用户体验度、舒适性因素和安全性因素，存在较强的主观性，导致其人机交互效率低。
[0007](3)钢轨铣磨车多决策变量的布局优化模型求解时，传统的单一算法求解布局模型时参数组成与设置较为复杂，难以在最大迭代次数内准确确定最优解的搜索方向，造成求解的质量偏低，进而无法求解最优的钢轨铣磨车人机界面布局方案。

技术实现思路

[0008]本专利技术旨在提供一种基于视觉感知强度的钢轨铣磨车人机界面布局优化方法，为钢轨铣磨车的人机交互优化设计提供了一种有效途径。
[0009]为实现上述目的，本专利技术通过以下步骤实现：
[0010]S1.人机交互界面的模块化与视觉感知强度的划分，
[0011]S2.确定人机交互界面各个功能模块的使用关系、操作关系、配合关系，
[0012]S3.构建基于视觉感知强度的钢轨铣磨车人机界面布局模型。
[0013]进一步地，所述的基于视觉感知强度的钢轨铣磨车人机界面布局优化方法中，所依据的人机交互界面布局设计原则为：
[0014](1)应满足驾驶员的认知需求，将人员经验与认知特性统一起来，保证重要关键信息快速识别、快速响应。应充分考虑人员的认知规律与人机界面模块的重要性，观看频率和关联性，合理安排界面布局空间；
[0015](2)应满足操作任务的舒适性，将各显控功能模块依据观看频率，操作顺序与操作关联性集中有序的布置于人员的舒适操作区域，以加快操作信息的处理，实现人机交互效率与操作舒适性的有效提升；
[0016](3)应满足安全性需求，充分考虑驾驶员认知过程、操作过程及界面设计中安全性因素的影响，并作为关键性的布局影响因素融入到人机界面布局的优化中。
[0017]进一步地，所述基于视觉感知强度的钢轨铣磨车人机界面布局优化方法，具体操作为：
[0018]S1.人机交互界面的模块化与视觉感知区区域划分，
[0019]S2.确定人机交互界面各个功能模块的使用关系、操作关系、配合关系，
[0020]S3.构建钢轨铣磨车的人机界面布局模型。
[0021]前述的基于视觉感知强度的钢轨铣磨车人机界面布局优化方法，其中，所依据的人机交互界面布局设计原则为：
[0022](1)钢轨铣磨车的人机界面布局应满足驾驶员的认知需求。在对钢轨铣磨车人机界面的优化设计中，首先深入分析驾驶员的认知过程，将用户的工作经验以及人机交互相结合，保证任务完成的高效性，充分考虑驾驶人员的用户体验需求与人机界面模块的关联性和模块的观看频率，完成界面的工效学分析与优化设计；
[0023](2)钢轨铣磨车人机界面布局应满足监控任务的舒适性。在驾驶员完成钢轨铣削作业的过程中，由于装备的智能化工作，驾驶员需密切关注钢轨铣磨车铣削作业时的参数动态信息，并对异常及时处理，界面的设计情况决定了驾驶员的认知负荷，保证驾驶员的工作舒适性。因此，钢轨铣磨车在人机界面布局优化时，应当将观看频率高的以及重要程度高的模块置于视觉感知强的区域，可以减少驾驶员监控界面的认知负荷，加快信息处理，尽可能避免信息获取不及时的安全问题。
[0024](3)钢轨铣磨车人机界面布局应满足安全性需求。钢轨铣磨车因其加工上的特点，考虑钢轨铣削的不可逆性以及轨道运输的安全性，对其工作的参数具有极高的要求。驾驶员在工作中，需要密切关注车辆的工作状态，稍有不慎响应不够迅速，都会产生严重危害和经济损失。因此，在钢轨铣磨车人机界面布局优化设计应当充分考虑驾驶员的人机交互过程，针对模块的重要性科学合理的设计界面。
[0025]前述基于视觉感知强度的钢轨铣磨车人机界面布局优化方法，其中，所述步骤S1人机交互界面的模块化与视觉感知域的划分，具体操作为：
[0026](1)界面模块化根据钢轨铣磨车人机交互界面的作业功能，按照参数信息与显示
窗口将作业状态界面划分为若干矩形规则模块，同时不考虑作业状态界面的复杂形状与区域内部的布局情况；
[0027](2)利用Jack仿真软件的视觉分析模块，结合人体冠状面视觉感知区域范围，绘制出驾驶员视觉感知区域图形，考虑到驾驶员的对铣削作业的监控过程中凭双眼观察配合颈部扭动完成钢轨修复，划分三个级别的视觉感知强度等级区域；
[0028](3)驾驶员观察各个模块的使用各模块的舒适性与稳定程度与各功能模块所在的视觉感知区域等级和在各视觉感知区域的面积有关，为简化模块面积的计算过程，以作业状态界面中线为基准进行单元栅格化处理；以5mm为一个基本单元划分界面模块视觉感知区域面积。
[0029]前述的基于视觉感知区域的钢轨铣磨车人机界面布局优化方法，其中，所述步骤S2中确定人机交互界面各个功能模块的使用关系、操作关系、配合关系，具体确定方法为：
[0030](1)使用关系参数的确定
[0031]使用关系指驾本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于视觉感知强度的钢轨铣磨车人机界面布局优化方法，其特征在于，包括如下步骤：S1.人机交互界面的模块化与视觉感知区区域划分，S2.确定人机交互界面各个功能模块的使用关系、操作关系、配合关系，S3.构建钢轨铣磨车的人机界面布局模型。2.根据权利要求1所述的基于视觉感知强度的钢轨铣磨车人机界面布局优化方法，其特征在于，所依据的人机交互界面布局设计原则为：(1)钢轨铣磨车的人机界面布局应满足驾驶员的认知需求，在对钢轨铣磨车人机界面的优化设计中，首先深入分析驾驶员的认知过程，将用户的工作经验以及人机交互相结合，保证任务完成的高效性，充分考虑驾驶人员的用户体验需求与人机界面模块的关联性和模块的观看频率，完成界面的工效学分析与优化设计；(2)钢轨铣磨车人机界面布局应满足监控任务的舒适性，在驾驶员完成钢轨铣削作业的过程中，由于装备的智能化工作，驾驶员需密切关注钢轨铣磨车铣削作业时的参数动态信息，并对异常及时处理，界面的设计情况决定了驾驶员的认知负荷，保证驾驶员的工作舒适性，因此，钢轨铣磨车在人机界面布局优化时，应当将观看频率高的以及重要程度高的模块置于视觉感知强的区域，可以减少驾驶员监控界面的认知负荷，加快信息处理，尽可能避免信息获取不及时的安全问题；(3)钢轨铣磨车人机界面布局应满足安全性需求，钢轨铣磨车因其加工上的特点，考虑钢轨铣削的不可逆性以及轨道运输的安全性，对其工作的参数具有极高的要求，驾驶员在工作中，需要密切关注车辆的工作状态，稍有不慎响应不够迅速，都会产生严重危害和经济损失，因此，在钢轨铣磨车人机界面布局优化设计应当充分考虑驾驶员的人机交互过程，针对模块的重要性科学合理的设计界面。3.根据权利要求1所述的基于视觉感知强度的钢轨铣磨车人机界面布局优化方法，其特征在于，所述步骤S1人机交互界面的模块化与视觉感知区区域划分，具体操作为：(1)界面模块化根据钢轨铣磨车人机交互界面的作业功能，按照参数信息与显示窗口将作业状态界面划分为若干矩形规则模块，同时不考虑作业状态界面的复杂形状与区域内部的布局情况；(2)利用Jack仿真软件的视觉分析模块，结合人体冠状面视觉感知区域范围，绘制出驾驶员视觉感知区域图形，考虑到驾驶员的对铣削作业的监控过程中凭双眼观察配合颈部扭动完成钢轨修复，划分三个级别的视觉感知强度等级区域；(3)驾驶员观察各个模块的使用各模块的舒适性与稳定程度与各功能模块所在的视觉感知区域等级和在各视觉感知区域的面积有关，为简化模块面积的计算过程，以作业状态界面中线为基准进行单元栅格化处理；以5mm为一个基本单元划分界面模块视觉感知区域面积。4.根据权利要求1所述的基于视觉感知区域的钢轨铣磨车人机界面布局优化方法，其特征在于，所述步骤S2中确定人机交互界面各个功能模块的使用关系、操作关系、配合关系，具体确定方法为：(1)使用关系参数的确定使用关系指驾驶员在钢轨铣磨车的人机界面操作交互过程中对各功能模块的使用情
况，使用关系由界面的功能模块重要性程度与观看频率共同组成，对使用关系较强的模块，应将其尽量合理的布置于驾驶员快速舒适安全操作的可达区域内，界面功能模块的重要性程度与观看频率首先通过专家评分确定相应的重要分值与使用程度分值，之后采用群组决策法结合层次分析转化为重要性指数和观看频率指数来表示某一界面功能模块的重要性和观看频率情况，设界面功能模块的重要性评分矩阵为I，有a名专家对i个模块评分(i＝17)，则：(1)基础重要度系数C针对钢轨铣磨车人机界面设计时仅仅满足钢轨修复功能需求，忽略驾驶员的用户体验的问题，本发明从专家访谈问卷调查出发，因子分析确定用户体验维度，采用专家语义评价用户体验与模块之间的关联度，基于粗糙集理论最终确定考虑用户体验的钢轨铣磨车人机界面基础重要度C；(2)观看频率系数F由于钢轨铣磨车人机界面参数信息模块较多且参数信息较为复杂，在对界面16个模块的观看频率权重分析中，本发明采用GEM
‑
AHP优化法来分析铣磨车界面模块观看频率系数，在原纵向相对权重系数的基础上，构建模块横向评分矩阵，得到横向相对权重，进而得出综合权重，各个模块观看频率权重的求解如下：采用使用频率和重要程度两个评价指标对各元件进行评分，8个专家组成评分小组，按照李克特量表法评分，对各元件进行评分，首先，构建目标层的使用频率矩阵P1：P1＝(p
ij
)
x
×
y
(i＝1,2,
…
,x；j＝1,2,
…
,y)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)式中：p
ij
为评价组员i对模块j的评分，计算E1，(E1为各个模块评分矩阵P1转置后和它本身的乘积)：E1＝P
1T
P1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)计算E1的最大特征值为单根时对应的特征向量F1，并对F1进行归一化处理，得到各界面模块观看频率的相对权重矩阵F，本次的评估专家有钢轨铣磨车研制人员、机械工程师、铣磨车驾驶人员以及人机工程学的专业学者，由于钢轨铣磨车需要面对复杂的钢轨工况，导致其评估存在较强的主观性与不稳定性，本发明引入专家自评表来修正层次分析法和群组决策法中的专家权重问题，使得评价觉果更加贴合实际情况，计算步骤如下：
①
构建钢轨铣磨车驾驶室人机界面评价体系；
②
专家根据自评表(如表1)对自己进行打分，建立专家可靠度矩阵，设专家组共有m人，第i位专家的评估值为G
i
，则G
i
＝a
i
b

【专利技术属性】
技术研发人员：姜兴宇，于沈虹，孙猛，杨国哲，邓建超，韩清冰，刘伟军，
申请(专利权)人：沈阳工业大学，
类型：发明
国别省市：