基于bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的測(cè)井儀絞車主控臺(tái)操縱裝置優(yōu)化布局

基于bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的測(cè)井儀絞車主控臺(tái)操縱裝置優(yōu)化布局

儀表絞式車床是裝載儀表和電纜絞式壓力車的專用石油工程車輛，由兩部分組成：操作室和絞車室。操作室是整輛車的核心,用于作業(yè)中對(duì)絞車的操縱及控制。受作業(yè)環(huán)境限制,室內(nèi)控制箱體大多集中在主控臺(tái)周圍,控制箱體數(shù)量較多(充電箱體、下井電源箱體、直/交流電控制箱等)同時(shí)受箱體自身尺寸限制,導(dǎo)致主控臺(tái)空間尺寸較小,而室內(nèi)控制箱體和控制臺(tái)的準(zhǔn)確操作直接影響探井設(shè)備的正常使用。傳統(tǒng)的測(cè)井控制臺(tái)布局采用矩陣式排布,操縱裝置擺放相對(duì)集中,如圖1所示,缺乏對(duì)操縱裝置使用頻率、重要性程度、操縱者人機(jī)尺寸、人體生物力學(xué)特性等因素的分析。對(duì)測(cè)井儀絞車主控臺(tái)操縱裝置的設(shè)計(jì),目的是通過交互操作界面的合理化布局,建立宜人的人機(jī)操作通道,提高測(cè)井作業(yè)的效率。文中首先對(duì)操縱裝置的重要性進(jìn)行綜合排序,為合理化布局提夠依據(jù),再利用CATIA對(duì)模擬操作者的視域和雙手展域進(jìn)行參數(shù)分析,最后以操作者和控制臺(tái)構(gòu)成的人機(jī)系統(tǒng)為對(duì)象,以操縱動(dòng)力學(xué)模型建立的人體上肢關(guān)節(jié)變量和設(shè)計(jì)參數(shù)的關(guān)系為依據(jù),對(duì)控制臺(tái)布局合理性進(jìn)行仿真分析,進(jìn)一步驗(yàn)證布局方案的合理性。由于駕駛室空間關(guān)聯(lián)物變量較多,定性分析相互聯(lián)系難度較大,所以此次設(shè)計(jì)遵循從下至上的逆向工程設(shè)計(jì)法則,以箱體和座椅的簡(jiǎn)化布局結(jié)果作為控制臺(tái)布局設(shè)計(jì)的初始依據(jù)。1干預(yù)設(shè)備的綜合重要性分類1.1操縱裝置使用頻次操縱裝置布局可以按照以下人機(jī)工程學(xué)原則進(jìn)行:功能分組原則、操作次序原則、使用頻率原則、重要性原則。由于測(cè)井儀操作室主控臺(tái)的操縱裝置沒有明顯的操作次序之分,所以根據(jù)使用頻率和重要度原則進(jìn)行綜合重要性評(píng)定。首先以測(cè)井儀絞車的主控臺(tái)操縱裝置(鍵盤除外)為評(píng)定對(duì)象,包括按鈕(帶自鎖電氣按鈕、自復(fù)位電氣按鈕)、手柄(四向手柄、霍爾手柄、氣剎車手柄)、轉(zhuǎn)矩閥(電位計(jì))3類(信息顯示器面板除外),以操縱裝置重要程度和使用頻次構(gòu)成評(píng)價(jià)目標(biāo)。利用多因素統(tǒng)計(jì)方法將操縱裝置的調(diào)查問卷讓5名現(xiàn)場(chǎng)操作者以最重要、重要、次重要的等級(jí)打勾,再將調(diào)查的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算,以計(jì)算出來的排序指數(shù)的大小來確定權(quán)重系數(shù)的大小,給出重要程度和使用頻次的權(quán)重系數(shù)。如表1所示(注:手動(dòng)和自動(dòng)測(cè)井結(jié)合分析)。由表1的數(shù)據(jù)分析可以得出,操縱裝置的使用頻次和重要度并不存在絕對(duì)關(guān)系。為了更好地綜合評(píng)定權(quán)重值,文中采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法計(jì)算兩者的排序關(guān)系及重要性程度之比,得出綜合的布局影響參數(shù)。1.2操縱機(jī)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的調(diào)整由于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自適應(yīng)性、自學(xué)習(xí)性和巨量并行性的特點(diǎn),可不受操縱裝置評(píng)價(jià)信息不完全可知性的限制,能夠較好地吸收專家的經(jīng)驗(yàn)并具備較強(qiáng)的抗干擾能力,所以文中利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)各操縱裝置按綜合分值的大小進(jìn)行評(píng)價(jià)和排序。將測(cè)井儀絞車主控臺(tái)的6種操縱裝置的評(píng)價(jià)指標(biāo)分值作為BP網(wǎng)絡(luò)的輸入,網(wǎng)絡(luò)的期望輸出只有一項(xiàng),即操縱裝置對(duì)操縱者影響度的綜合評(píng)價(jià)分值。結(jié)構(gòu)流程如圖2所示。(1)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)初始化:給各加權(quán)值wij,vj和θj閾值θj賦值,一般取0~1隨機(jī)數(shù)。(2)提供訓(xùn)練樣本:輸入經(jīng)預(yù)處理的訓(xùn)練樣本x和對(duì)應(yīng)的期望輸出m。(3)計(jì)算信號(hào)的輸出:式中:mi———隱含層節(jié)點(diǎn)的輸出;hj———輸出層節(jié)點(diǎn)的輸出;F(x)———采用對(duì)數(shù)(sigmoid)型函數(shù)。(4)計(jì)算輸出層權(quán)值誤差:(5)計(jì)算隱含層的權(quán)值誤差:(6)修正權(quán)值和閾值(輸入層):式中:η———學(xué)習(xí)速度,取0.01~1。(7)進(jìn)行下一個(gè)樣本的學(xué)習(xí)訓(xùn)練,返回步驟3,使整個(gè)樣本訓(xùn)練結(jié)束。針對(duì)BP算法存在收斂速度慢、容易陷入局部極小點(diǎn)的缺點(diǎn),文中采用附加動(dòng)量項(xiàng)的方法解決此問題。即在權(quán)值調(diào)整算式中加入動(dòng)量項(xiàng):式中:鄣———調(diào)節(jié)因子,0<鄣<1。如果相鄰兩次迭代點(diǎn)的梯度方向是相同的,加入動(dòng)量項(xiàng)可使權(quán)值的調(diào)整量增大,加快收斂速度;如果相鄰兩次迭代點(diǎn)的梯度方向相反,加入動(dòng)量項(xiàng)可使權(quán)值的調(diào)整量減小,防止來回振蕩,同時(shí)加快收斂速度。1.3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的建立文中采用的訓(xùn)練樣本來自XS142J型振動(dòng)壓路機(jī)、QY8B.5型汽車起重機(jī)和LW600K裝載機(jī)操縱臺(tái)操縱裝置的頻度和重要度,對(duì)5名有經(jīng)驗(yàn)的司機(jī)進(jìn)行問卷調(diào)查,求解平均值,結(jié)果如表2所示。由于此評(píng)價(jià)指標(biāo)以使用頻次權(quán)值數(shù)和重要性權(quán)值數(shù)體現(xiàn),兩者均是定性指標(biāo),故不需再進(jìn)行歸一化處理。文中BP算法用Matlab語言實(shí)現(xiàn)。抽取其中8組訓(xùn)練,剩余2組用于檢測(cè),可以得到輸入層與隱含層、隱含層與輸出層之間的權(quán)值和閾值。當(dāng)訓(xùn)練到97步之后,網(wǎng)絡(luò)誤差達(dá)到了設(shè)定的誤差要求。網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練完成后,將儀表2和儀表5作為驗(yàn)證樣本,輸入驗(yàn)證樣本以驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性,網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)結(jié)果和預(yù)期評(píng)價(jià)結(jié)果比較如表3所示。從驗(yàn)證結(jié)果可看出,網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)結(jié)果和實(shí)際評(píng)價(jià)結(jié)果基本上是一致的,由此可見,文中所構(gòu)建的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)模型可以用于測(cè)井儀絞車主控臺(tái)操縱裝置的綜合評(píng)價(jià)。由此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型得出文中測(cè)井儀絞車主控臺(tái)操縱裝置的綜合評(píng)價(jià)值,如表4所示。由表4所知:放置在一級(jí)重要范圍的是排繩控制按鈕和滾筒控制器(操縱手柄),放置在二級(jí)重要范圍的是轉(zhuǎn)矩閥、緊急停車按鈕和按下噴油按鈕(操縱按鈕和電位計(jì)),放置在三級(jí)重要范圍的是滾筒手剎(氣剎車手柄),由以上分級(jí)為操縱裝置的優(yōu)化布局提供了參考依據(jù)。2主控臺(tái)寬度控制由于測(cè)井儀絞車主控臺(tái)主要由操縱裝置和信息顯示器面板組成。根據(jù)人機(jī)工程學(xué)原理,信息顯示器面板主要布局在視域中心位置,以防對(duì)操縱裝置產(chǎn)生作業(yè)干涉。操縱裝置主要由手柄、電位計(jì)和按鈕組成,由重要性分級(jí)評(píng)定,作業(yè)人員能夠在視域和雙手域的范圍內(nèi)控制裝置是布局的先決條件,能夠在安全性、宜人性的控制范圍內(nèi)是布局的必要結(jié)果。測(cè)井儀絞車主控臺(tái)的長(zhǎng)寬受車身和控制箱體的大小控制,根據(jù)調(diào)研得知,市面上測(cè)井儀絞車主要用在2429.13mm×2747.37mm的底盤上,已有的控制箱體在(375~485mm)×(375~575mm)的長(zhǎng)寬范圍內(nèi),綜合數(shù)據(jù)分析,主控臺(tái)長(zhǎng)寬控制在1141mm×924mm為宜。在CATIA中導(dǎo)入以上尺寸的主控臺(tái),結(jié)合人體模型姿態(tài)分析模塊,使用HumanBuilder構(gòu)建中國臺(tái)灣第50百分位數(shù)的男性人體模型,以此人體尺寸模型作為操縱裝置布局優(yōu)化評(píng)定的對(duì)象。2.1主控臺(tái)區(qū)域位置優(yōu)化視野清晰范圍可以分為3部分:中心焦點(diǎn)視野區(qū)、中部視野區(qū)和邊緣視野區(qū),越接近中心焦點(diǎn)位置眼睛看到的越清晰。將人體模型放置在相對(duì)座椅舒適的中立位置參考點(diǎn)H(0,0,0),距離主控臺(tái)18mm的位置,依據(jù)GB/T14779—1993《坐姿人體模板功能設(shè)計(jì)要求》的人體測(cè)量數(shù)據(jù),設(shè)定坐姿眼高837mm,坐姿頸椎點(diǎn)高689mm,通過對(duì)CATIA人體模型視野屬性的設(shè)置和編輯,設(shè)定Focusdistance為302.04mm,Horizontalambinocular(左右眼合一水平方向)視野范圍為150°,確定人眼最佳視域范圍,如圖3所示,為了減少由于在焦點(diǎn)處矩陣式排布帶來的誤操作,結(jié)合視域分析和對(duì)操縱裝置的重要性測(cè)定,分別在不同的視野區(qū)域按重要性綜合評(píng)定結(jié)果優(yōu)化布局。2.2人體中心范圍雙手伸展域是身體下肢保持靜止時(shí)手部可觸的空間范圍,手部伸展域直接影響操縱裝置的放置,上肢長(zhǎng)由于受到人體條件限制,形成的雙手伸展域范圍是個(gè)近似值,文中根據(jù)人機(jī)工程學(xué)原理,確定人體中心3個(gè)范圍,如圖4所示(人眼位置O,人體中立位置H,主控臺(tái)L=1144mm,W=924mm,中立位置距主控臺(tái)AH=18mm)。用人體雙手操作的最大區(qū)域、最小區(qū)域及最佳區(qū)域的計(jì)算數(shù)據(jù)建立操縱裝置布局最優(yōu)解。2.3重要操縱裝置的布置結(jié)合操縱裝置的重要性排序與對(duì)主控臺(tái)視域和雙手伸展域數(shù)據(jù)分析可知,在離人眼中心位27°~45°(近似值)范圍,雙手伸展域在以兩個(gè)肩膀?yàn)閳A心,以238~260mm為半徑的兩個(gè)半圓內(nèi)布置一級(jí)重要操縱裝置,以260~298mm為半徑的兩個(gè)半圓內(nèi)布置二級(jí)重要操縱裝置,以298~411mm為半徑的兩個(gè)半圓內(nèi)布置三級(jí)重要操縱裝置,如圖5所示。以下結(jié)合人體動(dòng)力學(xué)模型,通過對(duì)操縱動(dòng)力學(xué)分析,重點(diǎn)分析一級(jí)操縱裝置的最優(yōu)擺放位置。3操縱動(dòng)力學(xué)模型建立一級(jí)操縱裝置的布局主要是針對(duì)四象排繩控制手柄和滾筒控制器的位置分析。為避免任意方向上同時(shí)出現(xiàn)較大的手腕轉(zhuǎn)動(dòng)力和最大的把握力量,要求手柄的位置和形狀滿足操縱者生理需求。以下從位置角度出發(fā),忽略形狀影響因素,以作業(yè)者右肢和操縱手柄構(gòu)成的人機(jī)系統(tǒng)為分析對(duì)象,通過建立操縱動(dòng)力學(xué)模型,對(duì)作業(yè)進(jìn)行仿真分析。以上肢各關(guān)節(jié)的受力情況為依據(jù),建立合理性的操控布局方式。3.1建立動(dòng)力學(xué)模型人體上肢是由肩、肘、腕3個(gè)關(guān)節(jié)連接。將其看作一個(gè)剛體桿的形式,建立上肢3剛體7自由度的動(dòng)力學(xué)模型,如圖6所示。桿的長(zhǎng)度由CATIA中的50百分位數(shù)男性上肢尺寸決定,質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量由運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)確定,如表5所示。3.2推拉機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)建模利用拉格朗日法建立上肢動(dòng)力學(xué)方程,并利用Matlab軟件編程對(duì)操縱手柄推拉運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真分析,將表4中各參數(shù)帶入運(yùn)算程序使其可視化,進(jìn)而得出力矩和時(shí)間的關(guān)系,并根據(jù)圖6所示的運(yùn)動(dòng)模型轉(zhuǎn)化成力矩和位置的關(guān)系,如圖7所示。動(dòng)力學(xué)模型建立步驟如下:拉格朗日函數(shù):L=K-P(8)式中:K———系統(tǒng)的總動(dòng)能;P———系統(tǒng)的總位能。系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)狀態(tài)用拉格朗日函數(shù)L描述為:式中:n———連桿數(shù)量;qi———廣義坐標(biāo),文中取轉(zhuǎn)角坐標(biāo),rad;q觶i———廣義速度,rad/s;Fi———作用在第i個(gè)坐標(biāo)上的廣義力,N·m。系統(tǒng)動(dòng)能描述為:式中:H(q)———系統(tǒng)的慣性矩陣;Ia———手臂的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,kg·m2。總位能描述為:式中:mi———連桿i的質(zhì)量;ri———連桿相對(duì)前端關(guān)節(jié)坐標(biāo)系的重心位置矢量;g———重力加速度。從圖7可以看出距離和力矩的線性關(guān)系,當(dāng)距離為0.43m時(shí),推拉運(yùn)動(dòng)中平均力矩最大,由于座椅中心位置離主控臺(tái)設(shè)定為0.18m,所以操縱手柄的安放位置為離主控臺(tái)正邊緣0.25m。通過以上分析所示改進(jìn)后操縱臺(tái)布局方案如圖8所示。4主控臺(tái)裝置布局優(yōu)化設(shè)計(jì)方案測(cè)井儀絞車的主控臺(tái)操縱裝置是作業(yè)人員進(jìn)行油田測(cè)井任務(wù)的專用平臺(tái)。操縱裝置的合理布局對(duì)作業(yè)者獲取信息反饋起到至關(guān)重要的作用。文中采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)操縱裝置的重要性進(jìn)行排序和CATIA軟件的人機(jī)分析模塊為優(yōu)化布局提夠了參考性依據(jù)。通過人因工程學(xué)的基本原理和方案,結(jié)合生物動(dòng)力學(xué)分析,進(jìn)一步優(yōu)化操作裝置的布局方案。但是,基于軟件和力學(xué)分析的方式并不能完全對(duì)操作姿態(tài)和設(shè)備布局提出全面的解決方