岸邊集裝箱起重機人機功能分配方法的研究

王浩， 嚴偉， 陸后軍

（上海海事大學(xué) 物流工程學(xué)院，上海 201306）

0 引言

國際自動化集裝箱碼頭發(fā)展至今已有30a左右的歷史，其發(fā)展大體可分為四個階段［1］：第一代以荷蘭鹿特丹碼頭I期和II期為代表；第二代以Altenwerder碼頭為代表；第三代以ECT碼頭設(shè)計建設(shè)中的Europmax碼頭為代表；第四代以即將啟用的廈門遠海碼頭為代表。根據(jù)自動化碼頭的發(fā)展，能看到其中的裝卸工藝不是完全的自動化，而僅僅是部分功能的自動化，因此作業(yè)過程中仍然需要人機的協(xié)同操作。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對于人機功能分配做了多項研究。2012年，空軍工程大學(xué)工程學(xué)院柳平等人引入多目標(biāo)模糊決策的數(shù)學(xué)方法，建立了人機功能分配的一般模型，為飛機設(shè)計中合理進行人機功能分配提供了一種新的參考方法。2011年7月，佐治亞理工大學(xué)航空航天工程學(xué)院的So Young Kim等人從機器部分的智能性（mostly-automated），操作人員的獨立性（mostlymanual），人機結(jié)合的協(xié)調(diào)性（mixed）和智能組件的優(yōu)先性（highly-automated）四個方面建立了復(fù)雜工作環(huán)境下人機功能分配的衡量標(biāo)準的模型。目前比較常用的人機功能分配的分析方法有：比較分配法、剩余分配法、經(jīng)濟分配法、概率期望值指標(biāo)法、動態(tài)分配法等。

作為自動化橋吊駕駛系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容，人機功能分配的合理性極其重要。過度的智能化容易造成橋吊司機的依賴性增強和態(tài)勢感知能力的降低，并且系統(tǒng)的開發(fā)代價會過高；但是過低的系統(tǒng)智能化容易造成橋吊司機工作量過大，使其認知能力下降，工作效率下降。因此如何評判岸橋駕駛中的人機功能分配設(shè)計的合理性［2］，是自動化碼頭發(fā)展進程中必須解決的核心任務(wù)之一。

1 岸邊集裝箱起重機作業(yè)功能分析

通過對集裝箱碼頭作業(yè)的調(diào)研學(xué)習(xí)，可以把岸橋的裝卸船過程分解為以下幾步：作業(yè)前檢查、岸橋就位、小車平移、吊具下降、吊具與集裝箱對接、吊具起升、小車后退、吊具下降、集裝箱卸載到集卡和吊具回升。

在功能分配原則設(shè)定中，問題的關(guān)鍵是對橋吊司機和自動橋吊駕駛系統(tǒng)分配何種任務(wù)。通常情況，駕駛員的許多工作優(yōu)勢正好是自動化的缺點，而自動化的有些工作優(yōu)勢也是駕駛員的缺點，兩者在岸橋作業(yè)時可相輔相成。根據(jù)兩者的特點，進行合理的功能分配，即可實現(xiàn)現(xiàn)代岸橋的高效作業(yè)。具體可參考表1所列出的人機各自的優(yōu)勢特性。

表1 Fitts人機能力對比表

根據(jù)岸橋的作業(yè)流程，對操作過程中各個步驟（即作業(yè)前檢查、岸橋就位、小車平移、吊具下降、吊具與集裝箱對接、吊具起升、小車后退、吊具下降、集裝箱卸載到集卡和吊具回升）進行分解，可繪出岸橋作業(yè)中各步驟的作業(yè)軌跡如圖1所示。得到如表2所示的功能分配的可能性分析結(jié)論。

在岸邊集裝箱起重機的所有操作步驟中，選取何種類型的操作進行功能分配的分析需要根據(jù)橋吊司機的能力、自動化的水平、分配的可能性和作業(yè)的可靠性進行確定，確定的基本原則如下：1）在所有的操作中，流程簡單，橋吊司機可獨立完成的任務(wù)，分配給橋吊司機操作；2）在所有操作中，銜接不同操作過程并能影響作業(yè)效率和安全性的操作，除了提供自動控制外，需要引入橋吊司機的監(jiān)督控制的備份，確保作業(yè)可靠性；3）橋吊司機和自動控制系統(tǒng)各自負責(zé)的具體作業(yè)范疇?wèi)?yīng)有一定的可發(fā)揮性，以減少不必要的干涉，達到合理作業(yè)的協(xié)調(diào)性；4）在進行不同作業(yè)的功能分配時，應(yīng)考慮到橋吊司機的操作水平、反應(yīng)時間（特別是多個任務(wù)時間窗口疊加的情況）、作業(yè)的可靠性和該操作的復(fù)雜性。

圖1 岸橋及其作業(yè)軌跡圖

表2 岸橋作業(yè)中可能的人、機功能分配

功能分配是指設(shè)計者對各種不同現(xiàn)有條件（包括橋吊司機和自動控制系統(tǒng)）規(guī)定所要完成的各種作業(yè)任務(wù)，也就是說需要設(shè)計者根據(jù)不同的任務(wù)分配用于完成該任務(wù)的各種已有條件。目前對岸邊集裝箱起重機的人機功能分配還沒有相對成熟的方法，由于岸橋的作業(yè)過程受多種復(fù)雜因素的影響，存在許多的不確定性，不能單純地從一個方面來評價功能分配的合理性，因此需要建立一種可以把多種因素同時引入評價系統(tǒng)［3］的數(shù)學(xué)方法，以達到橋吊作業(yè)中的人機協(xié)同工作、密切配合，達到系統(tǒng)效率的最大化。人機功能分配作為現(xiàn)代岸橋設(shè)計的基本決策之一，直接影響著岸橋的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、司機室界面的設(shè)計、系統(tǒng)軟硬件的配置等，并在很大程度上決定著實際操作過程中駕駛員和系統(tǒng)的相互作用，在整體上影響岸橋的性能發(fā)揮、裝卸效能、可靠性、成本以及橋吊司機的工作負荷。

2 岸邊集裝箱起重機功能分配模型

在實際生活中，對于無法精確描述的問題，采用傳統(tǒng)的決策方法無法進行分析說明，而通過引入模糊數(shù)學(xué)［4］的方法則可以相對清楚地說明問題。同樣，對于岸橋作業(yè)人機功能的分配，其系統(tǒng)的設(shè)計難度、支持費用、可靠性、操作的復(fù)雜性、乘員安全、人機系統(tǒng)的各自優(yōu)越性以及維護性等影響因素都無法精確地描述。顯然要考慮如此多的對人機系統(tǒng)完成任務(wù)的影響因素，應(yīng)采用多屬性模糊決策的數(shù)學(xué)方法來進行綜合的分析。因此，可以建立一個廣義的多目標(biāo)模糊決策模型，通過各指標(biāo)值對最佳指標(biāo)值的模糊接近距離z來描述分配方案的優(yōu)劣。

設(shè)根據(jù)所需得到的評價屬性集［5］為 E=｛E1，E2，…，Ei，…，Es｝，其對應(yīng)的各屬性值為e=｛e1，e2，…，ei，…，es｝，各屬性值的下限值為A=｛a1，a2，…，ai，…as｝，各屬性值的上限值為B=｛b1，b2，…，bi，…，bs｝，其中的上下限的取值ai、bi、為評價屬性E的定義域，即當(dāng)ai

定義如下的功能分配屬性值集，任務(wù)分配給橋吊司機的各屬性值為M=｛m1，m2，…，mi，…，ms｝，任務(wù)分配給自動控制的各屬性值為N=｛n1，n2，…，ni，…ns｝，橋吊司機和自動控制共同完成任務(wù)的各屬性值為T=｛t1，t2，…，ti，…ts｝。V為所有的屬性值所構(gòu)成的矩陣。

定義各屬性值對最優(yōu)方案的模糊接近的最優(yōu)權(quán)重距離為

其中：qj為各屬性變量的權(quán)重系數(shù)；dij為各屬性變量的模糊關(guān)系矩陣。

其中對各屬性變量間的模糊關(guān)系與各屬性變量值之間的關(guān)系定義如下：

如何在分析判斷任務(wù)時將上述的模型進行細化，是人機系統(tǒng)設(shè)計的重要過程。在岸橋作業(yè)過程中，其流程實際上也是一個反復(fù)細化的過程，在細化過程中要求將整個作業(yè)分解成最基本的、細小的能夠具體分配到橋吊司機或者自控系統(tǒng)的操作任務(wù)。對于數(shù)學(xué)模型來說即確定不同操作任務(wù)的組成及其約束，因此可以在最基本的操作任務(wù)上對決策模型進行分析，使得每個操作任務(wù)可以最優(yōu)地分配給橋吊司機或者自控系統(tǒng)來完成，該分配過程如圖2所示。

圖2 岸橋系統(tǒng)人機功能分配過程

圖3 數(shù)據(jù)收集及操控界面圖

3 案例分析

由表2可知，對岸橋作業(yè)的分解中，對人機功能分配比較理想的過程是小車的平移過程。為了說明該模型，對岸橋作業(yè)過程中的小車水平運動進行功能分配，通過建立的數(shù)學(xué)模型，進行分配決策，確定其執(zhí)行方式。

通過分析得知，小車的水平運動既可以由橋吊司機單獨完成，也可以由自控系統(tǒng)單獨完成，同時也滿足兩者的合作完成。在研究過程中，主要考察反應(yīng)時間、可靠性、安全性和工作載荷4個屬性，其所對應(yīng)的屬性值可參考專家調(diào)查法并采用現(xiàn)已具有的實驗條件（岸橋仿真訓(xùn)練器，圖3）進行采集確定。

應(yīng)用德爾斐法，確定各屬性值的權(quán)重系數(shù)向量為

根據(jù)多屬性模糊決策理論及式（2）和我們所采集的數(shù)據(jù)整理得到的屬性值矩陣為

根據(jù)所選屬性所具有的特性以及綜上所獲得的參數(shù)，得各屬性值如表3所示。

表3 岸橋小車水平運動功能分配的屬性值表

由以上屬性指標(biāo)表得到理想的最佳方案為（0.15,1,0.99,0.2）。

根據(jù)式（6），對所考慮的4個屬性之間的模糊關(guān)系矩陣D求解如下：

根據(jù)式（3），各屬性值對最優(yōu)方案的模糊接近的最優(yōu)權(quán)重距離，得出各屬性的功能分配方案對最優(yōu)方案的最優(yōu)權(quán)重距離如下，

最優(yōu)方案的目標(biāo)函數(shù)為 Zi=min（Z1，Z2，Z3），由所得結(jié)果可知 Z3=min（Z1，Z2，Z3）。因此，根據(jù)最終結(jié)果可知，由橋吊司機和自控系統(tǒng)共同執(zhí)行小車的水平運動為最優(yōu)方案。可假設(shè)在執(zhí)行的過程中，橋吊司機主要負責(zé)對小車水平運動過程的監(jiān)督任務(wù)，可以將剩余的其他時間來完成其他相重疊的任務(wù)，以保證岸橋作業(yè)高效可靠地進行。

4結(jié)語

在港口機械的發(fā)展，特別是在岸橋的設(shè)計中對雙小車雙吊具復(fù)雜系統(tǒng)的操作，使橋吊司機的作業(yè)任務(wù)和作業(yè)難度越來越大，同時橋吊司機的能力也有一定的限度。針對上述問題，本文提出的基于橋吊司機反應(yīng)時間和系統(tǒng)可靠性的屬性值均能達到最佳的人機功能分配，可將橋吊司機從繁瑣的操作任務(wù)中解脫出來，使其更好地完成監(jiān)督、處理和決策的任務(wù)，最好地發(fā)揮橋吊司機和自控系統(tǒng)的工作效能，確保岸橋高效可靠地完成集裝箱吊運任務(wù)。本文討論了在岸橋作業(yè)中橋吊司機和自動控制系統(tǒng)的人機功能分配問題，是功能分配在港口機械作業(yè)任務(wù)中的一次應(yīng)用嘗試，提出了岸橋操作系統(tǒng)的人機功能分配的一些分配原則和方法，建立了多屬性模糊決策的最優(yōu)方案比選模型，通過模糊決策使得對任務(wù)的描述性分析轉(zhuǎn)變?yōu)榕c量化分析相結(jié)合方法。通過上述的案例分析表明：該方法對岸橋作業(yè)中人機功能分配的整體任務(wù)分析或具體操作任務(wù)分析具有一定的參考價值，同時該方法也能應(yīng)用到自動化碼頭系統(tǒng)設(shè)計大趨勢中。

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