高空吊车人机界面的安全模型和范式构建研究

薛 梅 肖益盖

(1.四川省宏博安全科技有限责任公司；2.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司)

随着国民经济的发展，高层建(构)筑物应运而生，高空吊车在建筑施工中为常用的起重设备，多为塔式吊车设备。在建筑工地多用来吊装设备及建筑用原材料。高空吊车作业是一种特种作业，由于视线距离远，操作复杂，定位要求准，因而人机界面的设计要求也就高。

从安全现象分析，高空吊车在日常的作业中，吊具等重物从高空坠落常会造成人员伤亡和设备毁坏；物体从吊装绳索中散落，从而造成人员伤亡、物体或设备毁坏等；重物或吊具从吊钩脱落而引发的重物失落事故；因超载起吊、起升限位开关失灵而造成过卷拉断钢丝绳；斜吊、斜拉造成乱绳挤伤切断钢丝绳；缺乏维护保养造成疲劳变形、磨损损伤、超标准使用等造成破断事故的安全现象。因而有效地采集与安全现象相关的安全数据，通过安全信息反馈给操作人员，操作人员采取有效的安全技术措施，防止此类安全事故的发生，通过人机交互，实现智慧安全。

本研究从吊车高空作业的特点，通过安全感知、安全认知、安全任务等模型设计高空吊车人机界面的安全模型，构建了高空吊车人机界面范式，实现高空吊车作业机械系统的安全可靠运行，提高系统工效以及操作人员的安全和舒适性。

1 高空吊车人机界面介绍

人机界面指的是人与设备之间通过计算机进行信息加工处理的交互方式[1],人对信息输入、设备对信息显示的一个信息交换媒介。在生产实践中，人机界面的设计包括诸多因素，根据人机工程学原理，考虑高空吊车人机界面设计的特点和功能要求，确定其主要构成要素有人、吊车操控台、触控设备、视觉元件、操控、数据信息处理计算单元等。如图1所示。

图1 高空吊机人机界面要素

高空吊车人机交互的信息流程见图2。

图2 高空吊车人机交互信息流程

高空吊车人机界面包括计算机控制单元和操作用户，在进行高空吊车人机界面设计中时，首先要了解吊车操作用户。高空吊车人机交互系统在适应用户过程中,收集对所需要的个体用户(用户组)的信息，考虑操作用户的心理因素，全面考虑人、机、操作环境的相互作用因素，研究操作用户的安全感知及认知能力，并明确安全任务。

2 高空吊车人机界面安全模型

人体对外界的感知信息主要通过视觉、触觉、听觉、嗅觉来获取，获取的感知信息通过大脑处理后，形成安全信息指导人的行为。根据学者研究统计，约有80%是依靠视觉系统来获取[2]，人类获得外界信息的另一途径就是听觉，仅次于视觉。从人体感知的各项指标因素能直接或间接影响感知系统，从而影响人体的心理生理因素，以及人体在作业时的反应。高空吊车人机界面安全模型就是基于人的感知和认知，通过安全现象反应的安全数据、安全信息、安全情报，形成了安全智慧，从而作出正确的安全判断，完成安全任务的执行。

2.1 安全感知

感知是人通过对外界客观事物的接触，通过大脑感觉后的主观反应，外界事物的接触包括视觉接触、触觉接触、听觉等。而安全感知模型正是从用户的基本感知特性总结出来的。

外界客观事物及事件的安全信息通过眼睛或者耳朵以视觉或听觉等方式感知后，人通过大脑进行判断、理解,根据人的感知对安全信息进行筛选，作出必要的操作，将相关信息输入计算机，计算机在既定的程序下进行计算分析处理后，输出控制信息。人机界面为了便于操作人员的识别、记忆和理解，在进行人机界面设计时，对界面的菜单内容、布局、图标设计等都应该加入操作人员的感知特性以及生活习惯，像中国的汽车驾驶位均在汽车的左边；中国人习惯用右手操控；在进行用户界面视觉感知区域设计时应尽量减少操作人员的视线来回移动等等类似的感知特性和习惯。

在进行人机界面设计时，根据安全感知原理，再进工作台的格式和布局设计时，应考虑易于浏览；操控按钮设计考虑到绝大多数操作者是右手操作用户，应布置在工作台的右侧，便于操作;根据工作台的主次布局原则,根据视觉感知的重要性，设计工作台的左上区域作为仪器仪表盘的显示区域，该区域为操作人员注意力最为集中的地方，便于操作人员及时读取相关安全信息；控件应采取分级和分层的原则布置[3]，不但使得工作台美观，而且便于操作、实用。根据安全感知模型，工作台布局见图3。

图3 高空吊车人机界面布局形式

2.2 安全认知

人类认知过程是由思维处理器与短时记忆和长时记忆器的协调工作完成的[4]。在安全生产活动中，外界客观事物或事件安全信息通过视觉、听觉系统感知后，由感知处理器处理，有选择地被传送到短时记忆器或长时记忆器。操作人员的常识和专业知识决定了他的认知能力，因此，在进行人机界面的设计时，应考虑操作人员的认知特性，不能专业性太强。

人类的认知特性为人机界面设计约定了一些原则，在设计中应当让感知的大量安全信息按照其相互关系分类组织；人机界面应当简洁明了,与任务无关的信息不应在界面显示，让操作人员的注意力集中；对于便于记忆和信息提取的个性化设计可以加强应用，便于在操作的时候能牢记于心，减少误操作。

2.3 安全任务

高空吊车广泛用于港口码头、生产车间、电力施工、建筑工地等地方的材料、设备起吊搬运，是建筑工程中的常见设备，在高层建(构)筑物的施工中能够解决高空作业的难题，提升施工效率，大大节约人工成本[5]。

高空吊车用户的任务主要是操作吊车的起吊、升降、转向等，安全地完成原材料或设备的起吊、定位等，是吊车司机操作使用吊车的控制单位来完成各种任务的行动过程。

在行为管理和心理学中，“任务”也就是“行动”。从动机心理学出发,意向、计划、实施、评价为行动的4个基本过程。在进行高空吊车人机界面设计研究时，不但要考虑人的理性心理和外部的自然因素,还要更加系统地考虑操作人员诸如情感波动、个体特性和工作动机等非认知因素。

在进行高空吊车人机界面设计时，要考虑作业人员的环境可能造成的非理性任务，因此需要针对该系统的设计,进行操作人员行动过程的具体调查,对特定环境下人的行动特性进行调查和分析,建立具体的安全任务模型，充分考虑理性和非理性思维。

3 高空吊车人机界面范式构建

3.1 人机界面安全范式提出

人机界面(Human Machine Interface)指的是操作人员和机器之间信息交流与互动的作业区域，是人和机器之间信息传递的媒介。在人机系统中，人机界面包括3个子集，即人体、机器和作业环境。人将接收到的外部客观信息通过人机界面作用于机器，机器将信号信息反馈给人的大脑，这就形成了人机交互。在人机交互中，准确的信息传递、正确的交互动作匹配、保持设备的运行状态稳定，从而实现了人机系统的安全运行。

在高空吊车人机界面的设计中，传统桌面用户界面WIMP(Windows，Icons，Menus，Pointing)范式是以操作为中心，使用精确的输入输出方式。随着科学技术的进步，设备的智能化已经非常成熟，WIMP范式已经不适应于智能设备的操控，设计选择PIMG(Information Platform，Information，Direct-Manipulations，Gestures)安全范式代替WIMP范式，操作人员同设备沟通采用交互方式，目的是交互任务本身，不再需要考虑如何执行任务。

在PIMG范式中，桌面环境(desktop)变为只能平板控制信息平台，提高操作人员界面的自然性与易用性。其中P，M，M，G分别于WIMP范式中的W，I，M，P相对应。见图4。

图4 人机交互PIMG范式框架

承载应用信息呈现的交互组件由窗口(Windows)变为信息平台(Information Platform)，信息平台包括显示屏幕和标识组件，作为操作人员信息输入端口，也是物理设备信息输出显示屏幕，组织和管理操控平台组件中的各类其他组件，比如标签、按钮、图标、媒介等组件。

I表示Information，高空吊车人机界面安全范式中设备信息或信息集标识，主要包括媒介，图像，声音等。

D表示Direct-Manipulations，为高空吊车人机界面的直接操作组件，能够响应操作的控制组件，在智能集成操控设备中，操作人员关心的是任务本身，因而多采用一键直接操作，包括操控按钮、信息接收器、传感器等，可以大大提高系统的操作效率。

G表示Gestures，手势操控动作是指高空吊车人机界面的交互方式。与WIMP范式交互方式进行比较，PIMG改变了操作人员的交互动作，由传统的鼠标的点击(mouse pointing)变为手势交互(gesture interaction)[6]。像触摸屏的触控，类似操控平板电脑的拖动、缩放等。

3.2 人机界面安全范式功能目标

PIMG范式中静态信息呈现方式和动态交互方式更加符合人与外界交互的习惯。静态信息呈现方式包括操控平台和信息标识，在人机界面中，利用人的感知通道，如触觉、视觉和听觉等，减少用户选择操作命令的层次，从而减少误操作，提高信息呈现的效率。

Direct-Manipulations和Gestures是一种动态交互方式，充分利用人的安全感知效应，如人的语言、眼神和动作等，进行一键操控和手势操控，在操控中操作人员更加自然，更加容易接受，进而减少误操作，提高交互效率。

4 结论及建议

根据高空吊车作业的特点，从高空作业安全现象分析，基于安全感知、安全认知和安全任务，从人机界面的布局构建高空吊车人机界面的安全模型，提出了一种面向任务的易学、高效、易记的人机界面范式PIMG。人机界面的静态信息呈现方式和动态交互方式更加符合人与外界交互的习惯，设计人机界面多采用一键操控和手势操控，操作人员易学、易接受，进而减少误操作，提高交互效率。