郝永志， 鄭彭軍

(1.上海海事大學 商船學院， 上海 201306； 2.浙江國際海運職業(yè)技術學院， 浙江 舟山 316021；3.寧波大學 海運學院， 浙江 寧波 315000)

2017-04-15

浙江省教育廳一般科研項目(Y201738617);浙江省教育廳訪問工程師校企合作項目(FG201792)

郝永志(1981—)，男，內(nèi)蒙古赤峰人，講師，博士生，從事交通信息工程及控制和航海技術研究。E-mail：haozimc@sina.com

1000-4653(2017)03-0004-05

基于粒子群算法的航海雷達面板控鈕布局優(yōu)化

郝永志1,2， 鄭彭軍3

(1.上海海事大學 商船學院， 上海 201306； 2.浙江國際海運職業(yè)技術學院， 浙江 舟山 316021；3.寧波大學 海運學院， 浙江 寧波 315000)

以增進人機結合、提高系統(tǒng)績效和增強系統(tǒng)安全性為目標，遵循人類工效學的原理，對當前以經(jīng)驗性和隨意性為主的航海雷達面板控鈕布局設計進行優(yōu)化。在考慮控鈕的重要性、操作頻率、操作順序和相關性等因素的基礎上建立綜合評價指標，以該綜合評價指標為依據(jù)，結合層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)和粒子群算法(Particle Swarm Optimization，PSO)進行優(yōu)化。按照操作習慣，以從左到右、從上到下的順序排列控鈕。通過實例對航海雷達面板控鈕的布局進行優(yōu)化，并給出最優(yōu)的控鈕布局方案。

船舶工程;航海雷達；面板控鈕優(yōu)化；粒子群算法；布局方案

航海事故中有80%以上都是由人為因素引起的，其中由于值班駕駛員未充分利用助航設備瞭望而發(fā)生的事故較為常見。[1-3]航海雷達是船舶航行時必不可少的助航儀器，與駕駛臺的其他助航儀器相比使用頻率非常高。[4-6]舒適、合理的雷達面板布局會改善人機匹配關系，使“機”更好地服務于“人”，從而使航海人員更加安全、高效地使用航海雷達進行瞭望、助航及避碰等工作，進而減少海上事故的發(fā)生。[7]目前大部分雷達雖擁有強大的助航功能，但沒有很好地按照人類工效學的原理對雷達控制面板進行優(yōu)化設計，往往存在一定的經(jīng)驗性、盲目性和隨意性。[8-9]此外，不同型號雷達的控制面板的設計也各不相同。大多數(shù)雷達控制面板的控鈕密集地排列在一起，加上不合理的布局，經(jīng)常會使駕駛員在使用雷達時產(chǎn)生壓力感。船舶在避碰時要求駕駛員能迅速對當時的局面作出判斷，這就使得駕駛員的精神變得緊張，疲勞程度迅速升高。此時，人的耐受能力會下降,有效工作時間會縮短，不利于連續(xù)工作。[10]此外，對于初學者來說，合理、舒適、符合人類工效學的設計會更容易被接受和掌握。因此，合理的面板布局非常重要，可將功能重要、使用頻率高、符合人們操作習慣的控鈕放在合理的位置上，這樣有利于使人、機之間的結合達到最優(yōu)，提高系統(tǒng)績效，增進系統(tǒng)安全，從而減少不利于人員工作的因素。[11]這里以某型號的航海雷達為例，基于粒子群算法對其面板布局進行優(yōu)化。

1 粒子群算法

粒子群(Particle Swarm Optimization,PSO)算法是受鳥群捕食行為的啟發(fā)而提出的，鳥群在捕食時，種群之間會進行信息共享和信息傳遞優(yōu)化，個體向著最優(yōu)目標移動。[12]航海雷達面板布局優(yōu)化問題是典型的組合優(yōu)化問題，為解決該問題，可建立合理的數(shù)學模型和目標函數(shù)，應用粒子群算法進行計算。

1.1PSO算法經(jīng)典的粒子速度更新公式

PSO算法經(jīng)典的粒子速度更新公式為

v=viw(t)+c1r1(Plocal-xi)+c2r2(Pglobal-xi)

(1)

式(1)中：v為粒子的速度；w(t)為慣性系數(shù)；t為迭代次數(shù)；c1和c2為加速系數(shù)；r1和r2為[0,1]的均布隨機數(shù)。慣性系數(shù)w(t)和加速系數(shù)(c1，c2)是粒子群算法尋優(yōu)結果的2個重要因素。

1.2慣性系數(shù)的選取

慣性系數(shù)的大小與過程的尋優(yōu)有關,權重大利于全局尋優(yōu)，權重小利于局部尋優(yōu)。慣性系數(shù)策略通?？煞譃榫€性策略和非線性策略2種。最常見的是郭源源等[12]提出的典型線性遞減策略，該策略的最大優(yōu)點是使PSO算法前期具有較好的全局搜索能力，后期具有較好的局部搜索能力。典型的線性遞減策略公式為

(2)

1.3加速系數(shù)的選取

加速系數(shù)(c1，c2)是PSO算法中最重要的參數(shù)之一，反映粒子在尋優(yōu)過程中受個體和全局信息影響的程度。

加速系數(shù)c1的作用是調(diào)節(jié)粒子本身的經(jīng)驗積累；加速系數(shù)c2的作用是調(diào)節(jié)粒子群體的交流經(jīng)驗。在采用粒子群算法計算時，前期粒子能很好地進行全方位的搜索，但后期粒子的運動能力開始下降，主要表現(xiàn)為局部進行精細搜索。因此，加速系數(shù)選取在整個粒子群計算過程中起著非常重要的作用。通常粒子群計算時，c1=c2=[1.0，2.5]。但是，大多數(shù)加速系數(shù)進化策略在特征區(qū)間停留的時間很短，且在c1=c2=[1.0，2.5]時進行雷達面板布局優(yōu)化并不是最佳的設置方式。文獻[13]對加速系數(shù)進行改進，提出循環(huán)變化策略，能很好地解決布局加速系數(shù)設置問題。循環(huán)變化策略形式為

(3)

(4)

式(3)和式(4)中:tperiod為完成每個周期所需的迭代步。

2 布局優(yōu)化數(shù)學模型的建立

雷達控制面板布局的優(yōu)化與控鈕的重要性、操作頻率、操作順序及相關性有關。[14]

2.1重要性數(shù)學模型

重要性是指控鈕的重要程度。根據(jù)人們學習和工作的習慣，將重要的控鈕放在面板上便于操作的位置，以發(fā)揮控鈕在系統(tǒng)中的作用。通常，將重要的控鈕放在人的手部和視野最容易觸及到的位置，并遵循人們的使用習慣(如從左到右、從上到下等)。控鈕重要度的高低由系統(tǒng)使用方面的專家和對系統(tǒng)有豐富操作經(jīng)驗的人員來確定。根據(jù)控鈕重要度的不同，確定重要度矩陣為

(5)

式(5)中：Iij=[0,1]為i控鈕由j專家評估重要度。

專家和操作人員存在著個體差異，因此采用層次分析法確定專家的權重，專家權重矩陣表達式為

qe=[qej]=[qe1qe2qe3…qe5]T

(6)

控鈕i加權重要度計算式為

Mi=Iijqej,i,j∈N

(7)

2.2操作頻率數(shù)學模型

操作頻率是指完成單位次數(shù)功能時控鈕的使用量。使用頻率大的控鈕應設置在便于操作的位置，以提高系統(tǒng)的功效和減輕使用者的工作壓力。不同控鈕在完成不同功能時的操作頻率是不同的，因此操作頻率應根據(jù)具體參數(shù)來量化，該參數(shù)為控鈕的固有值。操作頻率的矩陣為

(8)

式(8)中：fij為在i控鈕、j功能下的操作頻率。實現(xiàn)功能權重的矩陣為

qf=[qfj]=[qf1qf2qf3…qfn]T

(9)

式(9)中：qfj為功能權重矩陣中每個功能發(fā)生的概率。由此求取控鈕i加權操作頻率的計算式為

Fi=fijqij,i,j∈N

(10)

2.3操作順序數(shù)學模型

操作順序是控鈕為完成相關功能而進行的操作，包含2個重要的子參數(shù),即控鈕固有的順序參數(shù)Lbase-i和當前操作順序參數(shù)Lnow-i。當前操作順序參數(shù)Lnow-i是確定控鈕位置初始化更新后處在面板上的順序序號的標準。參數(shù)值越大，排列越靠前。用Mi作為權重Lbase-i-Lnow-i的加權平均值，則控鈕操作順序表達式為

(11)

2.4相關性數(shù)學模型

這里用控鈕之間的位置差異作為建立相關性數(shù)學模型的依據(jù)，表達式為

(12)

這種構建模型的方法是使用位置的序號而不涉及操作的距離，只對現(xiàn)有布局和固有順序進行處理，因此可避免由于換行而引起的手部距離變化產(chǎn)生的影響。這種做法使優(yōu)化的結果更加準確、可靠。

2.5面板控鈕布局優(yōu)化的目標函數(shù)

為實現(xiàn)控鈕的最佳功效，最理想的優(yōu)化結果是將每個控鈕都放在最優(yōu)的位置上。但是，在實現(xiàn)某些功能時，優(yōu)化的原則可能存在沖突。因此,在考慮上述重要性、操作頻率、操作順序及相關性等主要因素之后，盡可能地實現(xiàn)功能的最優(yōu)化。據(jù)此，構建面板布局優(yōu)化的目標函數(shù)為

(13)

式(13)中：K1用于調(diào)節(jié)重要度和操作順序的分配;

K2用于調(diào)節(jié)操作順序和相關性的分配;C為常數(shù);Ei為便利度參數(shù)。

3 優(yōu)化實例

現(xiàn)以某型號航海雷達控制面板為例，對其進行布局的優(yōu)化。該雷達控鈕區(qū)結構為：控制面板長500 mm,寬300 mm,控鈕左右間距15 mm,上下間距20 mm?？剽o分3行排列，第1行10個、第2行9個、第3行11個。有些雷達的操作控鈕(如開機控鈕、關機控鈕等)為習慣性的功能分組，不宜隨便破壞，因此不在優(yōu)化范圍內(nèi)。為便于敘述，現(xiàn)將面板30個控鈕(分為3行排列，每行10個，對開關機控鈕不作考慮)從左到右、從上到下依次用序號標出。優(yōu)化前的航海雷達面板控鈕布局見圖1。

圖1 優(yōu)化前的航海雷達面板控鈕布局

3.130個控鈕的重要性

控鈕的重要性利用層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)來判斷。為構造判斷矩陣，向5名專家(2名海齡均超過10 a的甲類船長、2名從事航海教育的專業(yè)教師、1名航海技術專業(yè)研究生)咨詢，根據(jù)專家的判斷，對30個控鈕的重要度(取值在0～1)進行打分。

(14)

式(14)中：

3.25名專家對控鈕進行判斷時所占的權重矩陣

5名專家對控鈕進行判斷時所占的權重矩陣為

(15)

根據(jù)AHP，5名專家的權重為

(16)

判斷矩陣一致性指標檢驗，CR<0.1。

30個控鈕加權的重要度為

(17)

3.3控鈕的功能

根據(jù)《中華人民共和國海事局海船船員適任評估規(guī)范》[15]對航海雷達的評估要求，列出航海雷達的14種常用工況下的控鈕操作順序(見表1)。

表1 控鈕操作順序

在上述14種工況中，每種工況的控鈕操作次數(shù)都是1。14種功能的重要性對比矩陣A滿足

(18)

根據(jù)AHP，14種工況的權重為

(19)

4 布局優(yōu)化結果

針對該型號雷達面板的布局，采用PSO算法和Visual Studio 2010軟件進行編程優(yōu)化計算，利用典型的線性遞減策略公式，最大迭代次數(shù)為10 000次，得到控鈕排列順序Lnow-i計算值見表2。

根據(jù)人機工效學設計原則，重要的和使用頻率高的控鈕應布置在人機界面中易觸及到的位置，相關性大的控鈕彼此應盡量相鄰布置，應按從左到右、從上到下的順序進行重新排列。[14]優(yōu)化后的航海雷達面板控鈕布局見圖2。

由圖2可知，布局優(yōu)化的最終排列順序并不單純地取決于控鈕的重要性、操作頻率、操作順序和相關性中的某個因素，而是在綜合考慮各因素之間的相互關系之后得出的最終優(yōu)化結果。同時，有些控鈕的操作要與面板的其他部分或其他控鈕相配合，如控鈕2和控鈕3，在優(yōu)化前和優(yōu)化后均處于相鄰的位置，說明優(yōu)化的結果是合理的。

表2 排列順序Lnow-i計算值

圖2 優(yōu)化后的航海雷達面板控鈕布局

通過以上分析，該型號的雷達控制面板控鈕可根據(jù)圖2進行改進。

5 結束語

本文將經(jīng)典的AHP和PSO算法相結合，對某型號的航海雷達控制面板布局進行優(yōu)化。優(yōu)化方法以增進人機結合、提高系統(tǒng)績效、增強系統(tǒng)安全及避免或減少因使用儀器而導致的人因事故為目標，通過咨詢專家、建立數(shù)學模型和目標函數(shù)，代入算法程序進行優(yōu)化。根據(jù)優(yōu)化的結果，給出最優(yōu)的改進設計方案。該優(yōu)化方法可為相關的造船和儀器生產(chǎn)企業(yè)提供一定的設計依據(jù)。本文只將AHP和PSO算法相結合進行布局優(yōu)化，今后可與蟻群算法、遺傳算法等經(jīng)典算法相結合，對不同算法給出的優(yōu)化結果進行對比分析，找到一種更好的面板控鈕布局優(yōu)化方法。

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NavigationRadarPanelIayoutOptimizationBasedonParticleSwarmOptimization

HAOYongzhi1，2，ZHENGPengjun3

(1. Merchant Marine College, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306， China; 2. Zhejiang International Maritime College, Zhoushan 316021, China; 3. Faculty of Maritime and Transportation, Ningbo University, Ningbo 315000, China)

For improving the man-machine interaction, following the principle of ergonomics, the layout of the radar control panel is optimized which has been planed normally on experience with some sort of arbitrariness. A comprehensive evaluation index is established reflecting the importance and operating frequency of each button, and the operational association between buttons. The layout is optimized with Analytic Hierarchy Process (AHP) and particle swarm algorithm. The principle of “from left to right and from top to bottom” according to the importance-operating frequency index of each button is adopted in the process to ensure the resultant layout suitable to most operators.

ship engineering; navigation radar; panel layout optimization; particle swarm optimization; layout scheme

U666.1

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