新型工业操作员键盘的研究与设计_孔宁.pdf

在工业领域日常作业监控中，专用工业操作员键盘在操作员完成操作站日常工作与任务中有着不可或缺的作用。工业操作员键盘的使用环境以及特定交互功能和常规计算机键盘有很大的不同，它需要满足多机连接、操作高效、具备安全性的需求。伴随着5G、AI以及电子芯片等技术发展，人机交互的输入形式也在不断地更新换代。工业操作员键盘也应结合新的技术发展进行革新。本文介绍了一款加入语音识别、功能集成等新技术的工业操作员键盘设计方案，描述了其中设计思想和结合手段。本研究设计是“智慧工厂”中所包含的重要一部分，可以进一步促进工厂自动化、信息化进程。以往研究指出，智慧工厂关注机器智能与人类智能的耦合、机器特性和人类自然习性在生产过程中的配合，旨在使机器具备高级别分析、推理、判断、构思和决策等能力，因此需要进一步对智慧工厂的设计、管理及运行进行深入研究1。人机交互系统中交互意图的准确传递与理解，对用户意图的准确判断至关重要2。新型工业操作员键盘相较于传统、单一的输入方式更加突出多通道输入（语音识别）与电子信息互联（操作任务执行），使得人机交互整个过程更加自然高效。从国家战略角度来看，党的十六大报告也指出，坚持以信息化带动工业化，以工业化促进信息化，走出一条科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少、人力资源优势得到充分发挥的新型工业化路子。本文旨在对新型工业操作员键盘进行设计描述与价值分析，为新型工业化发展提供相关补充与丰富，并对工业操作员键盘在工业元宇宙下的应用进行了探讨。1工业键盘研究现状与方向探索当前的工业键盘设计主要是围绕着环境或者特殊使用场景的适应性方面设计开发的，文献3基于STM32的全加固键盘技术提升了抗恶劣环境性以及故障定位的性能；文献4基于C8051F系列单片设计的工业键盘可配合中控VF实现用户登录与锁定、特定动画调出等功能。本研究主要在原有基础工业键盘基础上加入两项新功能设置，分别是语音识别系统和信息互联模块，两种功能都是通过在键盘右侧屏幕区域接入软硬件实现。另外，基于工业领域的特殊性，我们还加入了针对特定场景的一些快捷键，可以有效提高操作员的操作效率。语音交互突破原有固定界面限制，通过传感器实时将系统中的核心数据、信息和知识，以更智能、更敏捷、更高效的方式传递给用户，同时能够以更加自然的情感化交流提升用户体验5。首先，语音交互的实现让工厂检测中的外操人员可以脱离双手。另外，语音输入相对于键盘按键输入而言，输入速度提高很多，减少了交互步骤。实现信息互联指键盘接入的信息屏模块接通设备管理系统，可以实现操作员以最简动作观察到实时数据以及操作。此外，由于键盘是相对独立的功能操作工具，具有较好的便携性，通过系统的打通可以实现操作人员随时随地开展工作而不依赖于场地限制。快捷键包括基础快捷键与针对工业软件定制化快捷键，我们将绝大部分的快捷键其设计到软件信息面板模块中，满足了功能使用快捷调取的同时，节省了较大的操作空间。2新型工业键盘交互设计框架2.1语音识别交互框架语音识别即为将通过降噪处理的语音进行特征提取，之后对语音信号特征进行处理并输出识别结果6。如图1所示：图1语音识别路径根据工业设备管理系统的语音交互功能以及用户的需求反馈，梳理出键盘语音输出的五项主要功能模块，分别为参数调整、基础操作、功能调取、任务类和数据读取。如图2所示：图2语音交互功能模块新型工业操作员键盘的研究与设计孔宁汤香楠姚罕琦（浙江中控技术股份有限公司，浙江 杭州310053）Research and Design of New Industrial Operator Keyboard摘要：随着无线网络以及芯片等各项新技术的发展，工业控制中键盘的功能定位以及设计方向被赋予了新的定义。详细描述了高自动化与信息化理念下，新型操作员键盘设计方案，同时充分体现了语音、数据分析等技术在工业领域中的创新性应用。关键词：新型工业；操作员；键盘Abstract:With the development of wireless network,chip and other new technologies,the function positioning and de-sign direction of industrial security keyboard have been given a new definition.This paper describes in detail the new secu-rity operator keyboard design scheme under the concept of high automation and information technology,and fully embodiesthe innovative application of voice,data analysis and other technologies in the industrial field.Keywords:new industrial,operator,keyboard新型工业操作员键盘的研究与设计22工业控制计算机2023年第36卷第2期2.2信息互联模块设计通过在键盘内设置信息处理模块（键盘液晶屏底部软硬件部分与液晶屏组成），实现定制化系统配置系统。具体功能包括快捷键功能、语音功能设置、外操任务和设置功能。如图3所示：图3信息互联模块功能展示2.3键盘布局整体设计2.3.1工业设备管理系统快捷键设置设置工业设备管理系统快捷键，可根据具体工业领域操作员需求与场景支持定制化的需求，按键布局根据用户使用习惯由高频到低频排列。工业键盘与操组员系统的定制化设计可以保证操作系统的快速响应与反馈，从而提升整体工作效率。如图4所示：图4工业设备管理系统快捷键2.3.2基础按键重设快捷键按钮重置，节省整体键盘空间的同时支持更多的快捷键使用，按住Alt键同时点击对应的按键后可以调取快捷键的功能。如图5所示：图5基础按键设计2.3.3键盘界面整体按键设计各个键盘设计如图6所示，同市面常见键盘相比，新型工业键盘主要是对键盘右侧区域做了改造与创新。在日常操作中，操作员可以通过参数调整的快捷键实现参数快捷调整，在其右侧的触控板可以很好地模拟鼠标的功能。同时，顶部的液晶屏区域是实现多种应用功能的集合，可以实现快速调取快捷键、语音交互以及完成内外操任务等多种工作场景，提升了键盘应用的广度。图6键盘整体按键设计3工业元宇宙下新型键盘的应用拓展关于元宇宙的概念，2020-2021年元宇宙发展研究报告定义为：“元宇宙是整合多种新技术而产生的新型虚实相融的互联网应用和社会形态，它基于扩展显示技术提供沉浸式体验，基于数字孪生技术生成现实世界的镜像，基于区块链技术搭建经济体系，将虚拟世界与现实世界在经济系统、社交系统、身份系统上密切融合，并且允许每个用户进行内容生产和世界编辑”7；在当今科学技术快速发展背景下，虚拟现实、增强现实等新的技术同样给工业领域的各个场景带来了新的可能性与冲击。元宇宙在工业领域应用的可行性也成为越来越多相关领域人员关注的热点。落实到当前实际工业生产中，可以衍生的全新的工业监控交互模式，新型工业键盘的设计亦是构成元宇宙大生态中的组成部分。虚拟现实是元宇宙时代的核心特征之一，在未来诸多工业应用场景中可以预见到其巨大的应用潜力与变革性的实践。基于目前工厂过程控制层中存在诸多安全性的危险因素，未来可以设置为由外操虚拟人代替实体外操工作人员来完成有潜在危险性的操作。在全场景的内外操交互过程中，新型工业键盘可以作为物理引擎的载体实现与虚拟外操人员的开放式互动，人机交互更加自然的同时提升了安全度。相信随着信息技术的不断进步与突破，内操人员甚至可以通过视觉与虚拟的触摸，能够真实体验到温度及光线强度等方面的体感。例如，当内操人员在操作实体工业键盘时，可以将虚拟人传回的信息进行真实的传导，内操人员在根据传导的数据与真实体感做出处理决策后，以语音的方式发出对应指令来遥控外操虚拟人员进行对应的操作任务。在这种全新的交互模式下，数字孪生技术无缝联结虚拟和现实，可以无延迟、高融合地优化操作员的日常工作。4结束语日常生活工作中，依靠的主要是听觉和视觉两种方式。本研究摒除了人们对键盘的刻板印象，通过加入听觉通道的语音识别，突破了固有信息输出通道模式。声音的传播也是简单、自然、高效的，这使得人与机器进行交流变得更为方便、快捷。电子触摸屏的加入进一步扩充了键盘的使用领域，在类似于将电脑软件程序加入，可以更快速直接地进行一部分在电脑的操作，是当代信息化发展产生出的又一衍生产品。另外，通过键盘按键布局的重新设计，使人们对信息的处理和获取更加便捷，从而提高操作员的工作效率。通过对新型工业键盘在工业元宇宙应用中的假设与探索，提供了一种工业场景化设计落地的新思路。相信随着技术与实践的不断发展，最终将实现工业元宇宙的全场景生态建构。参考文献1张益，冯毅萍，荣冈.智慧工厂的参考模型与关键技术J.计算机集成制造系统，2016，22（1）：1-122赵其杰，邵辉，卢建霞.基于头眼行为的交互意图检测方法J.仪器仪表学报，2014，35（10）：2313-23203冯宇翔.基于STM32的全加固键盘设计J.现代工业经济和信息化，2020，10（12）：57-584赖晓健，杨汶佼，林嵩松，等.基于C8051F系列单片机的工业键盘设计J.工业控制计算机，2015，28（10）：139-140，1425桂宇晖，刘婧，刘军，等，基于智慧工厂的语音交互设计研究J.包装工程，2020，41（6）：26-316陈蕾，郑伟彦，余慧华，等.基于BERT的电网调度语音识别语言模型研究J.电网技术，2021，45（8）：295529617清华大学新媒体研究中心.2020-2021年元宇宙发展研究报告R.北京：清华大学，2021收稿日期：2022-07-1323