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

基于bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的測井儀絞車主控臺操縱裝置優(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)同時受箱體自身尺寸限制,導致主控臺空間尺寸較小,而室內(nèi)控制箱體和控制臺的準確操作直接影響探井設(shè)備的正常使用。傳統(tǒng)的測井控制臺布局采用矩陣式排布,操縱裝置擺放相對集中,如圖1所示,缺乏對操縱裝置使用頻率、重要性程度、操縱者人機尺寸、人體生物力學特性等因素的分析。對測井儀絞車主控臺操縱裝置的設(shè)計,目的是通過交互操作界面的合理化布局,建立宜人的人機操作通道,提高測井作業(yè)的效率。文中首先對操縱裝置的重要性進行綜合排序,為合理化布局提夠依據(jù),再利用CATIA對模擬操作者的視域和雙手展域進行參數(shù)分析,最后以操作者和控制臺構(gòu)成的人機系統(tǒng)為對象,以操縱動力學模型建立的人體上肢關(guān)節(jié)變量和設(shè)計參數(shù)的關(guān)系為依據(jù),對控制臺布局合理性進行仿真分析,進一步驗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)計遵循從下至上的逆向工程設(shè)計法則,以箱體和座椅的簡化布局結(jié)果作為控制臺布局設(shè)計的初始依據(jù)。1干預設(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工程學原則進行:功能分組原則、操作次序原則、使用頻率原則、重要性原則。由于測井儀操作室主控臺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行綜合重要性評定。首先以測井儀絞車的主控臺操縱裝置(鍵盤除外)為評定對象,包括按鈕(帶自鎖電氣按鈕、自復位電氣按鈕)、手柄(四向手柄、霍爾手柄、氣剎車手柄)、轉(zhuǎn)矩閥(電位計)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)成評價目標。利用多因素統(tǒng)計方法將操縱裝置的調(diào)查問卷讓5名現(xiàn)場操作者以最重要、重要、次重要的等級打勾,再將調(diào)查的結(jié)果進行統(tǒng)計計算,以計算出來的排序指數(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:手動和自動測井結(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關(guān)系。為了更好地綜合評定權(quán)重值,文中采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法計算兩者的排序關(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、自學習性和巨量并行性的特點,可不受操縱裝置評價信息不完全可知性的限制,能夠較好地吸收專家的經(jīng)驗并具備較強的抗干擾能力,所以文中利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對各操縱裝置按綜合分值的大小進行評價和排序。將測井儀絞車主控臺的6種操縱裝置的評價指標分值作為BP網(wǎng)絡(luò)的輸入,網(wǎng)絡(luò)的期望輸出只有一項,即操縱裝置對操縱者影響度的綜合評價分值。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隨機數(shù)。(2)提供訓練樣本:輸入經(jīng)預處理的訓練樣本x和對應(yīng)的期望輸出m。(3)計算信號的輸出:式中:mi———隱含層節(jié)點的輸出;hj———輸出層節(jié)點的輸出;F(x)———采用對數(shù)(sigmoid)型函數(shù)。(4)計算輸出層權(quán)值誤差:(5)計算隱含層的權(quán)值誤差:(6)修正權(quán)值和閾值(輸入層):式中:η———學習速度,取0.01~1。(7)進行下一個樣本的學習訓練,返回步驟3,使整個樣本訓練結(jié)束。針對BP算法存在收斂速度慢、容易陷入局部極小點的缺點,文中采用附加動量項的方法解決此問題。即在權(quán)值調(diào)整算式中加入動量項:式中:鄣———調(diào)節(jié)因子,0<鄣<1。如果相鄰兩次迭代點的梯度方向是相同的,加入動量項可使權(quán)值的調(diào)整量增大,加快收斂速度;如果相鄰兩次迭代點的梯度方向相反,加入動量項可使權(quán)值的調(diào)整量減小,防止來回振蕩,同時加快收斂速度。1.3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的建立文中采用的訓練樣本來自XS142J型振動壓路機、QY8B.5型汽車起重機和LW600K裝載機操縱臺操縱裝置的頻度和重要度,對5名有經(jīng)驗的司機進行問卷調(diào)查,求解平均值,結(jié)果如表2所示。由于此評價指標以使用頻次權(quán)值數(shù)和重要性權(quán)值數(shù)體現(xiàn),兩者均是定性指標,故不需再進行歸一化處理。文中BP算法用Matlab語言實現(xiàn)。抽取其中8組訓練,剩余2組用于檢測,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。當訓練到97步之后,網(wǎng)絡(luò)誤差達到了設(shè)定的誤差要求。網(wǎng)絡(luò)訓練完成后,將儀表2和儀表5作為驗證樣本,輸入驗證樣本以驗證網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性,網(wǎng)絡(luò)評價結(jié)果和預期評價結(jié)果比較如表3所示。從驗證結(jié)果可看出,網(wǎng)絡(luò)評價結(jié)果和實際評價結(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)評價模型可以用于測井儀絞車主控臺操縱裝置的綜合評價。由此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型得出文中測井儀絞車主控臺操縱裝置的綜合評價值,如表4所示。由表4所知:放置在一級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),放置在三級重要范圍的是滾筒手剎(氣剎車手柄),由以上分級為操縱裝置的優(yōu)化布局提供了參考依據(jù)。2主控臺寬度控制由于測井儀絞車主控臺主要由操縱裝置和信息顯示器面板組成。根據(jù)人機工程學原理,信息顯示器面板主要布局在視域中心位置,以防對操縱裝置產(chǎn)生作業(yè)干涉。操縱裝置主要由手柄、電位計和按鈕組成,由重要性分級評定,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。測井儀絞車主控臺的長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)的長寬范圍內(nèi),綜合數(shù)據(jù)分析,主控臺長寬控制在1141mm×924mm為宜。在CATIA中導入以上尺寸的主控臺,結(jié)合人體模型姿態(tài)分析模塊,使用HumanBuilder構(gòu)建中國臺灣第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)化評定的對象。2.1主控臺區(qū)域位置優(yōu)化視野清晰范圍可以分為3部分:中心焦點視野區(qū)、中部視野區(qū)和邊緣視野區(qū),越接近中心焦點位置眼睛看到的越清晰。將人體模型放置在相對座椅舒適的中立位置參考點H(0,0,0),距離主控臺18mm的位置,依據(jù)GB/T14779—1993《坐姿人體模板功能設(shè)計要求》的人體測量數(shù)據(jù),設(shè)定坐姿眼高837mm,坐姿頸椎點高689mm,通過對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處矩陣式排布帶來的誤操作,結(jié)合視域分析和對操縱裝置的重要性測定,分別在不同的視野區(qū)域按重要性綜合評定結(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,上肢長由于受到人體條件限制,形成的雙手伸展域范圍是個近似值,文中根據(jù)人機工程學原理,確定人體中心3個范圍,如圖4所示(人眼位置O,人體中立位置H,主控臺L=1144mm,W=924mm,中立位置距主控臺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主控臺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肩膀為圓心,以238~260mm為半徑的兩個半圓內(nèi)布置一級重要操縱裝置,以260~298mm為半徑的兩個半圓內(nèi)布置二級重要操縱裝置,以298~411mm為半徑的兩個半圓內(nèi)布置三級重要操縱裝置,如圖5所示。以下結(jié)合人體動力學模型,通過對操縱動力學分析,重點分析一級操縱裝置的最優(yōu)擺放位置。3操縱動力學模型建立一級操縱裝置的布局主要是針對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出現(xiàn)較大的手腕轉(zhuǎn)動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)成的人機系統(tǒng)為分析對象,通過建立操縱動力學模型,對作業(yè)進行仿真分析。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建立動力學模型人體上肢是由肩、肘、腕3個關(guān)節(jié)連接。將其看作一個剛體桿的形式,建立上肢3剛體7自由度的動力學模型,如圖6所示。桿的長度由CATIA中的50百分位數(shù)男性上肢尺寸決定,質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量由運動生物力學確定,如表5所示。3.2推拉機構(gòu)動力學建模利用拉格朗日法建立上肢動力學方程,并利用Matlab軟件編程對操縱手柄推拉運動進行仿真分析,將表4中各參數(shù)帶入運算程序使其可視化,進而得出力矩和時間的關(guān)系,并根據(jù)圖6所示的運動模型轉(zhuǎn)化成力矩和位置的關(guān)系,如圖7所示。動力學模型建立步驟如下:拉格朗日函數(shù):L=K-P(8)式中:K———系統(tǒng)的總動能;P———系統(tǒng)的總位能。系統(tǒng)的動力學狀態(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,文中取轉(zhuǎn)角坐標,rad;q觶i———廣義速度,rad/s;Fi———作用在第i個坐標上的廣義力,N·m。系統(tǒng)動能描述為:式中:H(q)———系統(tǒng)的慣性矩陣;Ia———手臂的等效轉(zhuǎn)動慣量,kg·m2?？偽荒苊枋鰹?式中:mi———連桿i的質(zhì)量;ri———連桿相對前端關(guān)節(jié)坐標系的重心位置矢量;g———重力加速度。從圖7可以看出距離和力矩的線性關(guān)系,當距離為0.43m時,推拉運動中平均力矩最大,由于座椅中心位置離主控臺設(shè)定為0.18m,所以操縱手柄的安放位置為離主控臺正邊緣0.25m。通過以上分析所示改進后操縱臺布局方案如圖8所示。4主控臺裝置布局優(yōu)化設(shè)計方案測井儀絞車的主控臺操縱裝置是作業(yè)人員進行油田測井任務(wù)的專用平臺。操縱裝置的合理布局對作業(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)算法對操縱裝置的重要性進行排序和CATIA軟件的人機分析模塊為優(yōu)化布局提夠了參考性依據(jù)。通過人因工程學的基本原理和方案,結(jié)合生物動力學分析,進一步優(yōu)化操作裝置的布局方案。但是,基于軟件和力學分析的方式并不能完全對操作姿態(tài)和設(shè)備布局提出全面的解決方