基于bp神经网络的测井仪绞车主控台操纵装置优化布局

基于bp神经网络的测井仪绞车主控台操纵装置优化布局

仪表绞式车床是装载仪表和电缆绞式压力车的专用石油工程车辆，由两部分组成：操作室和绞车室。操作室是整辆车的核心,用于作业中对绞车的操纵及控制。受作业环境限制,室内控制箱体大多集中在主控台周围,控制箱体数量较多(充电箱体、下井电源箱体、直/交流电控制箱等)同时受箱体自身尺寸限制,导致主控台空间尺寸较小,而室内控制箱体和控制台的准确操作直接影响探井设备的正常使用。传统的测井控制台布局采用矩阵式排布,操纵装置摆放相对集中,如图1所示,缺乏对操纵装置使用频率、重要性程度、操纵者人机尺寸、人体生物力学特性等因素的分析。对测井仪绞车主控台操纵装置的设计,目的是通过交互操作界面的合理化布局,建立宜人的人机操作通道,提高测井作业的效率。文中首先对操纵装置的重要性进行综合排序,为合理化布局提够依据,再利用CATIA对模拟操作者的视域和双手展域进行参数分析,最后以操作者和控制台构成的人机系统为对象,以操纵动力学模型建立的人体上肢关节变量和设计参数的关系为依据,对控制台布局合理性进行仿真分析,进一步验证布局方案的合理性。由于驾驶室空间关联物变量较多,定性分析相互联系难度较大,所以此次设计遵循从下至上的逆向工程设计法则,以箱体和座椅的简化布局结果作为控制台布局设计的初始依据。1干预设备的综合重要性分类1.1操纵装置使用频次操纵装置布局可以按照以下人机工程学原则进行:功能分组原则、操作次序原则、使用频率原则、重要性原则。由于测井仪操作室主控台的操纵装置没有明显的操作次序之分,所以根据使用频率和重要度原则进行综合重要性评定。首先以测井仪绞车的主控台操纵装置(键盘除外)为评定对象,包括按钮(带自锁电气按钮、自复位电气按钮)、手柄(四向手柄、霍尔手柄、气刹车手柄)、转矩阀(电位计)3类(信息显示器面板除外),以操纵装置重要程度和使用频次构成评价目标。利用多因素统计方法将操纵装置的调查问卷让5名现场操作者以最重要、重要、次重要的等级打勾,再将调查的结果进行统计计算,以计算出来的排序指数的大小来确定权重系数的大小,给出重要程度和使用频次的权重系数。如表1所示(注:手动和自动测井结合分析)。由表1的数据分析可以得出,操纵装置的使用频次和重要度并不存在绝对关系。为了更好地综合评定权重值,文中采用BP神经网络算法计算两者的排序关系及重要性程度之比,得出综合的布局影响参数。1.2操纵机构网络状态的调整由于人工神经网络具有自适应性、自学习性和巨量并行性的特点,可不受操纵装置评价信息不完全可知性的限制,能够较好地吸收专家的经验并具备较强的抗干扰能力,所以文中利用BP神经网络对各操纵装置按综合分值的大小进行评价和排序。将测井仪绞车主控台的6种操纵装置的评价指标分值作为BP网络的输入,网络的期望输出只有一项,即操纵装置对操纵者影响度的综合评价分值。结构流程如图2所示。(1)网络状态初始化:给各加权值wij,vj和θj阈值θj赋值,一般取0~1随机数。(2)提供训练样本:输入经预处理的训练样本x和对应的期望输出m。(3)计算信号的输出:式中:mi———隐含层节点的输出;hj———输出层节点的输出;F(x)———采用对数(sigmoid)型函数。(4)计算输出层权值误差:(5)计算隐含层的权值误差:(6)修正权值和阈值(输入层):式中:η———学习速度,取0.01~1。(7)进行下一个样本的学习训练,返回步骤3,使整个样本训练结束。针对BP算法存在收敛速度慢、容易陷入局部极小点的缺点,文中采用附加动量项的方法解决此问题。即在权值调整算式中加入动量项:式中:鄣———调节因子,0<鄣<1。如果相邻两次迭代点的梯度方向是相同的,加入动量项可使权值的调整量增大,加快收敛速度;如果相邻两次迭代点的梯度方向相反,加入动量项可使权值的调整量减小,防止来回振荡,同时加快收敛速度。1.3神经网络模型的建立文中采用的训练样本来自XS142J型振动压路机、QY8B.5型汽车起重机和LW600K装载机操纵台操纵装置的频度和重要度,对5名有经验的司机进行问卷调查,求解平均值,结果如表2所示。由于此评价指标以使用频次权值数和重要性权值数体现,两者均是定性指标,故不需再进行归一化处理。文中BP算法用Matlab语言实现。抽取其中8组训练,剩余2组用于检测,可以得到输入层与隐含层、隐含层与输出层之间的权值和阈值。当训练到97步之后,网络误差达到了设定的误差要求。网络训练完成后,将仪表2和仪表5作为验证样本,输入验证样本以验证网络的适应性,网络评价结果和预期评价结果比较如表3所示。从验证结果可看出,网络评价结果和实际评价结果基本上是一致的,由此可见,文中所构建的BP神经网络评价模型可以用于测井仪绞车主控台操纵装置的综合评价。由此神经网络模型得出文中测井仪绞车主控台操纵装置的综合评价值,如表4所示。由表4所知:放置在一级重要范围的是排绳控制按钮和滚筒控制器(操纵手柄),放置在二级重要范围的是转矩阀、紧急停车按钮和按下喷油按钮(操纵按钮和电位计),放置在三级重要范围的是滚筒手刹(气刹车手柄),由以上分级为操纵装置的优化布局提供了参考依据。2主控台宽度控制由于测井仪绞车主控台主要由操纵装置和信息显示器面板组成。根据人机工程学原理,信息显示器面板主要布局在视域中心位置,以防对操纵装置产生作业干涉。操纵装置主要由手柄、电位计和按钮组成,由重要性分级评定,作业人员能够在视域和双手域的范围内控制装置是布局的先决条件,能够在安全性、宜人性的控制范围内是布局的必要结果。测井仪绞车主控台的长宽受车身和控制箱体的大小控制,根据调研得知,市面上测井仪绞车主要用在2429.13mm×2747.37mm的底盘上,已有的控制箱体在(375~485mm)×(375~575mm)的长宽范围内,综合数据分析,主控台长宽控制在1141mm×924mm为宜。在CATIA中导入以上尺寸的主控台,结合人体模型姿态分析模块,使用HumanBuilder构建中国台湾第50百分位数的男性人体模型,以此人体尺寸模型作为操纵装置布局优化评定的对象。2.1主控台区域位置优化视野清晰范围可以分为3部分:中心焦点视野区、中部视野区和边缘视野区,越接近中心焦点位置眼睛看到的越清晰。将人体模型放置在相对座椅舒适的中立位置参考点H(0,0,0),距离主控台18mm的位置,依据GB/T14779—1993《坐姿人体模板功能设计要求》的人体测量数据,设定坐姿眼高837mm,坐姿颈椎点高689mm,通过对CATIA人体模型视野属性的设置和编辑,设定Focusdistance为302.04mm,Horizontalambinocular(左右眼合一水平方向)视野范围为150°,确定人眼最佳视域范围,如图3所示,为了减少由于在焦点处矩阵式排布带来的误操作,结合视域分析和对操纵装置的重要性测定,分别在不同的视野区域按重要性综合评定结果优化布局。2.2人体中心范围双手伸展域是身体下肢保持静止时手部可触的空间范围,手部伸展域直接影响操纵装置的放置,上肢长由于受到人体条件限制,形成的双手伸展域范围是个近似值,文中根据人机工程学原理,确定人体中心3个范围,如图4所示(人眼位置O,人体中立位置H,主控台L=1144mm,W=924mm,中立位置距主控台AH=18mm)。用人体双手操作的最大区域、最小区域及最佳区域的计算数据建立操纵装置布局最优解。2.3重要操纵装置的布置结合操纵装置的重要性排序与对主控台视域和双手伸展域数据分析可知,在离人眼中心位27°~45°(近似值)范围,双手伸展域在以两个肩膀为圆心,以238~260mm为半径的两个半圆内布置一级重要操纵装置,以260~298mm为半径的两个半圆内布置二级重要操纵装置,以298~411mm为半径的两个半圆内布置三级重要操纵装置,如图5所示。以下结合人体动力学模型,通过对操纵动力学分析,重点分析一级操纵装置的最优摆放位置。3操纵动力学模型建立一级操纵装置的布局主要是针对四象排绳控制手柄和滚筒控制器的位置分析。为避免任意方向上同时出现较大的手腕转动力和最大的把握力量,要求手柄的位置和形状满足操纵者生理需求。以下从位置角度出发,忽略形状影响因素,以作业者右肢和操纵手柄构成的人机系统为分析对象,通过建立操纵动力学模型,对作业进行仿真分析。以上肢各关节的受力情况为依据,建立合理性的操控布局方式。3.1建立动力学模型人体上肢是由肩、肘、腕3个关节连接。将其看作一个刚体杆的形式,建立上肢3刚体7自由度的动力学模型,如图6所示。杆的长度由CATIA中的50百分位数男性上肢尺寸决定,质量、转动惯量由运动生物力学确定,如表5所示。3.2推拉机构动力学建模利用拉格朗日法建立上肢动力学方程,并利用Matlab软件编程对操纵手柄推拉运动进行仿真分析,将表4中各参数带入运算程序使其可视化,进而得出力矩和时间的关系,并根据图6所示的运动模型转化成力矩和位置的关系,如图7所示。动力学模型建立步骤如下:拉格朗日函数:L=K-P(8)式中:K———系统的总动能;P———系统的总位能。系统的动力学状态用拉格朗日函数L描述为:式中:n———连杆数量;qi———广义坐标,文中取转角坐标,rad;q觶i———广义速度,rad/s;Fi———作用在第i个坐标上的广义力,N·m。系统动能描述为:式中:H(q)———系统的惯性矩阵;Ia———手臂的等效转动惯量,kg·m2。总位能描述为:式中:mi———连杆i的质量;ri———连杆相对前端关节坐标系的重心位置矢量;g———重力加速度。从图7可以看出距离和力矩的线性关系,当距离为0.43m时,推拉运动中平均力矩最大,由于座椅中心位置离主控台设定为0.18m,所以操纵手柄的安放位置为离主控台正边缘0.25m。通过以上分析所示改进后操纵台布局方案如图8所示。4主控台装置布局优化设计方案测井仪绞车的主控台操纵装置是作业人员进行油田测井任务的专用平台。操纵装置的合理布局对作业者获取信息反馈起到至关重要的作用。文中采用BP神经网络算法对操纵装置的重要性进行排序和CATIA软件的人机分析模块为优化布局提够了参考性依据。通过人因工程学的基本原理和方案,结合生物动力学分析,进一步优化操作装置的布局方案。但是,基于软件和力学分析的方式并不能完全对操作姿态和设备布局提出全面的解决方