基于遗传算法的人机界面布局优化-研究

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1、哈尔滨工程大学硕士学位论文第1章绪论1．{概述人机界面是用户与机器进行传递信息的媒介，它包括硬件界面和软传界面。英国学者Edwards提出的SHEL(Software，Hardware，Environment,Liveware)模型对人机赛面的研究范围做了全瑟概括。SHEL模型所概括的人机界面包括：人．硬件界藤、人．软件界面、人．环境界面和人．人界面[IJ。人枫赛面在系统运行安全方嚣起着极其重要的作用。在军事装备和其它复杂的控制系统中很多重大事故和人机界面设计不当有关。如在二战期间战斗机意外失事的主要原因之一就是控制仪器的

2、设计没有充分考虑人的心理和生理特性，致使设计不当，机器不适应人的操作要求；同时飞行人员缺乏训练致使飞行员不适应复杂操作系统的要求，从而导致意外事故的频繁发生。1979年三里岛核电站发生事故，1984年12羹4匿印度博帕尔德的一家纯物农药厂发生有毒化学物质泄漏，1986年前苏联切尔诺贝利核电站发生爆炸，这些事故的发生大都和操作系统人机界面设计不当有关翻。而且入机界面设计质量直接影响操作人员的工作效率和疲劳程度。因此在提高系统安全性和人的工作效率方面人机界面显得尤为重要。圭控室是运行人员监测和控制系统运行安全的主要场所，酃主工

3、艺过程和安全支持系统的总监督控制中心。主控室人机界面是操作系统中人和机器交互的直接平台，人通过人机界面获取系统运行信患，并且通过入机交互将操纵信号传送给运行系统以实现人对系统的控制。控制系统人机界面设计中元件之间的相对位置关系作为影响系统人机界面的视域、触及域及操作顺序等的关键嚣素，是入机界面设计的重要组成部分。人机乔面布局是指根据一定的指标或者标准将界面上的显示或操纵装置合理地摆放在一个空间范围蠹，使得这种布是能尽量符合入祝工程学的要求，以使设诗的入机界面能够发挥最大的功效例。人机界面布局是影响人机界面设计质量的一个主要

4、因素，溺时也是人机界面设计中比较复杂的部分，因为在控制系统中设计元件数量庞大，所以很难确定元件的空间位置关系，如图1．1所示。哈尔滨工程大学硕士学位论文倒11某电厂控制室目前求解布局问题的主要方法有数学方法、图论方法、专家系统技术、人工神经网络技术及启发式方法等H。布局问题被广泛地应用于服装的面料裁剪、运输中货箱的摆放、机械行业中零件的布局、航空航天的驾驶舱布局以及建筑和电路板的元件布局问题中。在布局问题上的研究很大一部分论文是针对电路板的布局设计，优化目标是在完成系统功能的前提下实现布局空间最小和布局元件距离最短。按照布

5、局物体的形状对布局问题进行分类，可将其分为规则物体的布局和不规则物体的布局。规则物体布局是指具有规则外形物体的布局问题。不规则物体的布局指具有任意形状物体的布局问题。在实际的布局问题中不规则布局很普遍，由于不规则元件的形状复杂，因此在具体处理上比较困难，所以在布局过程中往往将不规则布局问题简化为规则物体布局问题。主控室人机界面布局将各种不规则形状布局元件转化为矩形来表示元件外形，以方便元件基本尺寸信息的描述。布局问题是一个比较复杂的工程问题，人工布局因为受到主观困素和考虑因素数量的影响，一般很难达到满意的效果。现阶段随着计

6、算机技术的发展，数据计算能力的提高，很多工程布局问题都通过建立数学模型，然后借助计算机对数学模型进行搜索优化，以获得较满意的布局方案，最终实现布局优化。布局问题已经成为优化方法的一个重要研究对象，各种优化计算方法也迅速产生并发展起来。优化方法是20世纪60年代随着计算机的应用而迅速发展起来的，并较早地应用于机械工程领域的设计。20世纪80年代以来在工程设计中，罚函哈尔滨工程大学硕士学位论文数法、复合形法、约束尺度法、随机方向法、简约梯度法、可行方向法等优化方法被大量使用[51。随着优化对象的规模和复杂程度的逐渐增大，同时由

7、于传统优化方法容易出现局部最优解；在解决组合、布局和离散型优化问题时比较困难等方面的局限性，产生了一些新的优化方法如人工神经网络算法、遗传算法、模糊优化法和模拟退火法等，并被广泛应用到工程优化计算中。这些优化算法不需要构造精确的数学搜索方向，不需要进行繁杂的一维搜索，而是通过大量简单的信息传播和演变方法来得到问题的最优解。这些方法解决了具有全局性、自适应、离散化等特点的问题，而传统优化方法在解决这些问题时受到限制[6】。人机界面设计大多采用人体测量数据作为辅助参考，或者利用三维人体模型检验设计的可行性。人机界面评价大都集中

8、在对样机或者产品实物的主、客观评价上，通过评价分析得出改进的意见和建议，从而提高人机界面设计的质量。在人机界面布局领域，手工布局的方式不仅周期长而且效率低、容易受到主观判断性因素的影响，难以满足实际工程设计过程中快速布局的要求。通过量化各种布局原则建立数学模型从而判断布局质量的优劣，然后利用计算机技术对