高空吊車人機界面的安全模型和范式構建研究

薛 梅 肖益蓋

(1.四川省宏博安全科技有限責任公司；2.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司)

隨著國民經濟的發展，高層建(構)筑物應運而生，高空吊車在建筑施工中為常用的起重設備，多為塔式吊車設備。在建筑工地多用來吊裝設備及建筑用原材料。高空吊車作業是一種特種作業，由于視線距離遠，操作復雜，定位要求準，因而人機界面的設計要求也就高。

從安全現象分析，高空吊車在日常的作業中，吊具等重物從高空墜落常會造成人員傷亡和設備毀壞；物體從吊裝繩索中散落，從而造成人員傷亡、物體或設備毀壞等；重物或吊具從吊鉤脫落而引發的重物失落事故；因超載起吊、起升限位開關失靈而造成過卷拉斷鋼絲繩；斜吊、斜拉造成亂繩擠傷切斷鋼絲繩；缺乏維護保養造成疲勞變形、磨損損傷、超標準使用等造成破斷事故的安全現象。因而有效地采集與安全現象相關的安全數據，通過安全信息反饋給操作人員，操作人員采取有效的安全技術措施，防止此類安全事故的發生，通過人機交互，實現智慧安全。

本研究從吊車高空作業的特點，通過安全感知、安全認知、安全任務等模型設計高空吊車人機界面的安全模型，構建了高空吊車人機界面范式，實現高空吊車作業機械系統的安全可靠運行，提高系統工效以及操作人員的安全和舒適性。

1 高空吊車人機界面介紹

人機界面指的是人與設備之間通過計算機進行信息加工處理的交互方式[1],人對信息輸入、設備對信息顯示的一個信息交換媒介。在生產實踐中，人機界面的設計包括諸多因素，根據人機工程學原理，考慮高空吊車人機界面設計的特點和功能要求，確定其主要構成要素有人、吊車操控臺、觸控設備、視覺元件、操控、數據信息處理計算單元等。如圖1所示。

圖1 高空吊機人機界面要素

高空吊車人機交互的信息流程見圖2。

圖2 高空吊車人機交互信息流程

高空吊車人機界面包括計算機控制單元和操作用戶，在進行高空吊車人機界面設計中時，首先要了解吊車操作用戶。高空吊車人機交互系統在適應用戶過程中,收集對所需要的個體用戶(用戶組)的信息，考慮操作用戶的心理因素，全面考慮人、機、操作環境的相互作用因素，研究操作用戶的安全感知及認知能力，并明確安全任務。

2 高空吊車人機界面安全模型

人體對外界的感知信息主要通過視覺、觸覺、聽覺、嗅覺來獲取，獲取的感知信息通過大腦處理后，形成安全信息指導人的行為。根據學者研究統計，約有80%是依靠視覺系統來獲取[2]，人類獲得外界信息的另一途徑就是聽覺，僅次于視覺。從人體感知的各項指標因素能直接或間接影響感知系統，從而影響人體的心理生理因素，以及人體在作業時的反應。高空吊車人機界面安全模型就是基于人的感知和認知，通過安全現象反應的安全數據、安全信息、安全情報，形成了安全智慧，從而作出正確的安全判斷，完成安全任務的執行。

2.1 安全感知

感知是人通過對外界客觀事物的接觸，通過大腦感覺后的主觀反應，外界事物的接觸包括視覺接觸、觸覺接觸、聽覺等。而安全感知模型正是從用戶的基本感知特性總結出來的。

外界客觀事物及事件的安全信息通過眼睛或者耳朵以視覺或聽覺等方式感知后，人通過大腦進行判斷、理解,根據人的感知對安全信息進行篩選，作出必要的操作，將相關信息輸入計算機，計算機在既定的程序下進行計算分析處理后，輸出控制信息。人機界面為了便于操作人員的識別、記憶和理解，在進行人機界面設計時，對界面的菜單內容、布局、圖標設計等都應該加入操作人員的感知特性以及生活習慣，像中國的汽車駕駛位均在汽車的左邊；中國人習慣用右手操控；在進行用戶界面視覺感知區域設計時應盡量減少操作人員的視線來回移動等等類似的感知特性和習慣。

在進行人機界面設計時，根據安全感知原理，再進工作臺的格式和布局設計時，應考慮易于瀏覽；操控按鈕設計考慮到絕大多數操作者是右手操作用戶，應布置在工作臺的右側，便于操作;根據工作臺的主次布局原則,根據視覺感知的重要性，設計工作臺的左上區域作為儀器儀表盤的顯示區域，該區域為操作人員注意力最為集中的地方，便于操作人員及時讀取相關安全信息；控件應采取分級和分層的原則布置[3]，不但使得工作臺美觀，而且便于操作、實用。根據安全感知模型，工作臺布局見圖3。

圖3 高空吊車人機界面布局形式

2.2 安全認知

人類認知過程是由思維處理器與短時記憶和長時記憶器的協調工作完成的[4]。在安全生產活動中，外界客觀事物或事件安全信息通過視覺、聽覺系統感知后，由感知處理器處理，有選擇地被傳送到短時記憶器或長時記憶器。操作人員的常識和專業知識決定了他的認知能力，因此，在進行人機界面的設計時，應考慮操作人員的認知特性，不能專業性太強。

人類的認知特性為人機界面設計約定了一些原則，在設計中應當讓感知的大量安全信息按照其相互關系分類組織；人機界面應當簡潔明了,與任務無關的信息不應在界面顯示，讓操作人員的注意力集中；對于便于記憶和信息提取的個性化設計可以加強應用，便于在操作的時候能牢記于心，減少誤操作。

2.3 安全任務

高空吊車廣泛用于港口碼頭、生產車間、電力施工、建筑工地等地方的材料、設備起吊搬運，是建筑工程中的常見設備，在高層建(構)筑物的施工中能夠解決高空作業的難題，提升施工效率，大大節約人工成本[5]。

高空吊車用戶的任務主要是操作吊車的起吊、升降、轉向等，安全地完成原材料或設備的起吊、定位等，是吊車司機操作使用吊車的控制單位來完成各種任務的行動過程。

在行為管理和心理學中，“任務”也就是“行動”。從動機心理學出發,意向、計劃、實施、評價為行動的4個基本過程。在進行高空吊車人機界面設計研究時，不但要考慮人的理性心理和外部的自然因素,還要更加系統地考慮操作人員諸如情感波動、個體特性和工作動機等非認知因素。

在進行高空吊車人機界面設計時，要考慮作業人員的環境可能造成的非理性任務，因此需要針對該系統的設計,進行操作人員行動過程的具體調查,對特定環境下人的行動特性進行調查和分析,建立具體的安全任務模型，充分考慮理性和非理性思維。

3 高空吊車人機界面范式構建

3.1 人機界面安全范式提出

人機界面(Human Machine Interface)指的是操作人員和機器之間信息交流與互動的作業區域，是人和機器之間信息傳遞的媒介。在人機系統中，人機界面包括3個子集，即人體、機器和作業環境。人將接收到的外部客觀信息通過人機界面作用于機器，機器將信號信息反饋給人的大腦，這就形成了人機交互。在人機交互中，準確的信息傳遞、正確的交互動作匹配、保持設備的運行狀態穩定，從而實現了人機系統的安全運行。

在高空吊車人機界面的設計中，傳統桌面用戶界面WIMP(Windows，Icons，Menus，Pointing)范式是以操作為中心，使用精確的輸入輸出方式。隨著科學技術的進步，設備的智能化已經非常成熟，WIMP范式已經不適應于智能設備的操控，設計選擇PIMG(Information Platform，Information，Direct-Manipulations，Gestures)安全范式代替WIMP范式，操作人員同設備溝通采用交互方式，目的是交互任務本身，不再需要考慮如何執行任務。

在PIMG范式中，桌面環境(desktop)變為只能平板控制信息平臺，提高操作人員界面的自然性與易用性。其中P，M，M，G分別于WIMP范式中的W，I，M，P相對應。見圖4。

圖4 人機交互PIMG范式框架

承載應用信息呈現的交互組件由窗口(Windows)變為信息平臺(Information Platform)，信息平臺包括顯示屏幕和標識組件，作為操作人員信息輸入端口，也是物理設備信息輸出顯示屏幕，組織和管理操控平臺組件中的各類其他組件，比如標簽、按鈕、圖標、媒介等組件。

I表示Information，高空吊車人機界面安全范式中設備信息或信息集標識，主要包括媒介，圖像，聲音等。

D表示Direct-Manipulations，為高空吊車人機界面的直接操作組件，能夠響應操作的控制組件，在智能集成操控設備中，操作人員關心的是任務本身，因而多采用一鍵直接操作，包括操控按鈕、信息接收器、傳感器等，可以大大提高系統的操作效率。

G表示Gestures，手勢操控動作是指高空吊車人機界面的交互方式。與WIMP范式交互方式進行比較，PIMG改變了操作人員的交互動作，由傳統的鼠標的點擊(mouse pointing)變為手勢交互(gesture interaction)[6]。像觸摸屏的觸控，類似操控平板電腦的拖動、縮放等。

3.2 人機界面安全范式功能目標

PIMG范式中靜態信息呈現方式和動態交互方式更加符合人與外界交互的習慣。靜態信息呈現方式包括操控平臺和信息標識，在人機界面中，利用人的感知通道，如觸覺、視覺和聽覺等，減少用戶選擇操作命令的層次，從而減少誤操作，提高信息呈現的效率。

Direct-Manipulations和Gestures是一種動態交互方式，充分利用人的安全感知效應，如人的語言、眼神和動作等，進行一鍵操控和手勢操控，在操控中操作人員更加自然，更加容易接受，進而減少誤操作，提高交互效率。

4 結論及建議

根據高空吊車作業的特點，從高空作業安全現象分析，基于安全感知、安全認知和安全任務，從人機界面的布局構建高空吊車人機界面的安全模型，提出了一種面向任務的易學、高效、易記的人機界面范式PIMG。人機界面的靜態信息呈現方式和動態交互方式更加符合人與外界交互的習慣，設計人機界面多采用一鍵操控和手勢操控，操作人員易學、易接受，進而減少誤操作，提高交互效率。