在反坦克導彈武器操控系統設計中廣泛應用人因工程學理論*

王爽英,蒲小平,魏建峰,黃燕群

(1 中國兵器工業第203研究所,西安 710065;2 空軍裝備部,北京 100843)

在反坦克導彈武器操控系統設計中廣泛應用人因工程學理論*

王爽英1,蒲小平2,魏建峰1,黃燕群1

(1 中國兵器工業第203研究所,西安 710065;2 空軍裝備部,北京 100843)

文中針對近年來發展迅速的人因工程學在反坦克導彈武器操控系統的可行性應用進行分析,提出了在操控系統設計過程中廣泛應用人因學理論的實踐、測試和評估方法,拓寬了武器操控系統的設計思路,對后續產品的研發具有一定的借鑒意義。

反坦克導彈武器;操控系統;人因工程學;人-機-環境

0 引言

人因工程學(human factors engineering)是近些年得到迅速發展和應用的,以人體科學、工程技術、環境科學和社會科學等學科為基礎的一門新興交叉學科。它主要研究“人-機-環境”系統中各種因素的相互關系,以此創建最佳的人-機-環境系統,廣泛應用于藝術設計、工業設計、工業工程、安全工程、航天航空和武器裝備等重要領域[1-2]。人因工程學是一門根據人的各種特性,對與人直接相關的機具、作業、環境等進行設計和改造的學科,因此,人因工程學的研究內容和研究方法主要是對人機系統整體進行優化設計和處理[2],其核心思想是“使機器適應于人”。

作者通過對人因工程學理論學習,結合工作實際,認為現階段武器操控系統設計應更加廣泛應用人因學理論并進行實踐,以此努力將產品設計達到一個更高的技術水平。

1 國內外發展現狀

人因工程學的研究最早可追溯至20世紀50年代,美國國家實驗室進行的一項關于人因失誤度量的實驗。由此在隨后的幾十年間,該研究成果在核工業、航空航天、石油工業、道路交通、武器裝備等行業得到了不同程度的應用。例如:中國航天員科研訓練中心人因工程重點實驗室進行的航天系統人因工程研究,范圍包括航天員作業能力與績效、航天器人機界面和人機交互、航天人誤與人因可靠性[3]。清華大學人因與功效學研究所設立的駕駛安全與人機系統仿真實驗室,進行道路交通事故數據分析與趨勢、駕駛員認知、態度、行為和能力等方面的研究。人因工程學在我國于20世紀90年代起得到較大的發展,雖然已走入世界前列,但與美國相比還存在很大差距[4]。

目前現有的已設計完成的反坦克導彈武器系統人機環設計只限于設計數據分析采納階段,測試和應用數據未有大量的數據依據可循,并沒有真正充分引入人因工程學研究方法。

在操控系統的設計初始階段,采用人因工程理論進行系統的人因要素分析,將會減少設計的反復,提高系統的使用績效,增進系統的安全,提高操作人員的滿意度[1]。

人因工程從保障武器系統任務策劃的科學合理性方面出發,可提升射手信息加工和決策可靠性,減少操作失誤,優化人機功能分配,在人-系統整合協同高效工作以及提高系統安全性等方面將發揮重要作用。

反坦克導彈武器系統發射任務中射手發射操控系統使用環境的相互關系圖見圖1。

圖1 反坦克導彈發射操作控制系統人-機-環境相互關系圖

2 人因工程學在操控系統設計的應用范圍

人因工程學在反坦克導彈發射操作控制系統的設計起著至關重要的作用,概括為以下幾個方面。

2.1 人的因素

操控系統設計者需要了解武器系統使用者的基本生理特征,包括人體尺寸、體重、重心等;并應分析使用者的機能特征,包括分析視覺、聽覺和觸覺;在武器工作站內使用操控系統時的生理變化,包括能量消耗、疲勞機理以及對各項操作的負荷的承受能力。反坦克導彈由于使用范圍環境和制導方式不同,對射手的各項生理特征要求不同。例如:激光半主動制導反坦克導彈,在導彈發射后需要通過瞄準裝置跟蹤目標,射手在幾十秒飛行時間內,需要通過操縱手柄和顯示器完成人在控制回路的作用。因此手柄和顯示器對射手的適應程度將尤為重要。

2.2 產品的因素

在操控系統的設計方案形成初期,似乎處于一個“仁者見仁,智者見智”的過程,每個按鈕位置確定以及畫面顯示文本或圖標的位置都要經過一番推敲論證,不能只與設計人員相關,使用者參與程度和范圍也應是設計過程的重要參考。對于射手直接使用的操控系統設備,比如顯示裝置、操縱裝置、工作臺和控制室等部件的形狀、大小、色彩以及設計基準,應以人因工程提供的參數和要求為設計依據。例如:顯示裝置的大小和安裝位置根據人因數據中人眼的最佳視區,觀察距離不小于人眼最小觀察距離[5]。

2.3 環境的因素

環境因素包括導彈武器系統工作平臺所處的空間環境、電磁兼容環境、使用者所在環境舒適程度,重點考慮射手在這個平臺上使用操控系統的各種物理反應、生理心理反應和適應能力。設計過程中需要考慮發射工作平臺上聲、光、熱、振動等環境變化給射手帶來的各種變化,以及這些變化對其操控武器系統帶來的影響,包括是否產生誤操作、危險操作。因此設計中需要進行人因工程學分析提供環境分析評價的方法和準則。例如:軍用顯示裝置根據使用的環境提出環境照明、防眩光、刷新頻率等指標要求[5]。設計開發的同時可進行反坦克導彈武器系統使用環境的分析調查,從而在設計時提出與使用環境相適應的操控系統設計要求。

3 人因工程學對操控系統設計的影響

雖然關于人-機-環境優化的設計已經進行了很多嘗試,但是我們不得不承認大量的設計成果與實際應用的產品設計之間仍然存在許多差距,仍然導致產品交付部隊后出現與使用者不相容的情況?？蒲性O計工作由于長期固有的思維模式導致存在的問題不能被及時發現。基于上述問題,作者建議結合人因工程學理論操控系統的設計應聚焦在以下幾個方面。

3.1 設計符合使用者的人-機-環境

反坦克導彈武器操控系統的使用者包括射手、設備檢修人員等,有必要分析使用者的生理數據,對武器系統操作和檢修過程中,使用者對產品的生理感覺比如一個按鍵或者一個提拉手柄的舒適程度將關系到對系統的反應和武器命中績效。外觀界面的設計不應只由少數設計者進行主導,應依據以樣機試驗為基礎進行人因測試論證得出改進結論進行。即使不能保證百分之百的使用者對產品的舒適程度滿意,也應提供適合使用操控系統的使用者的生理條件,比如身高、體重、視力范圍等等。

3.2 人機交互信息的優化、測試與判斷

武器系統信息決定出現的事件、信息的變化需要操控系統參與判斷、編碼和傳遞[6],并且射手需要進行反應和判斷。因此對信息的定量化(事件數目、出現概率、順序限制和出現背景)、信息傳遞(優先級、傳遞速度)以及信息展現方式(常態報告、告警方式、人機交互方式)需要進行討論分析,討論分析的范圍包括:減少射手心理操作的數量、圖示編碼信息的一致性、信息提示的閱讀重點、突出在操作流程的重點控制導向,通過上述分析形成設計準則可提高射手對系統狀態的認知、反應力和敏感性,從而減少射手工作心理負荷和誤操作。

3.3 形成符合武器裝備特點的控制系統的設計原則

經過各種長期的設計和使用經驗,結合人因工程設計原則,操控系統的設計應形成下列設計原則。

3.3.1 使用空間原則

考慮射手使用操控系統的最大周圍設備間距、最小的伸及等要求,這些考慮主要應用在機載或車載封閉空間內;考慮維修人員維修空間要求,如拆卸產品后維修需要的最小空間;考慮根據使用者生理條件不同的可調節性需要,如使用者與設備的相對位置調節。

3.3.2 組件設備排列布局原則

操控系統的組件是指控制面板及開關按鍵、顯示器圖標狀態文本信息、狀態儀表等。操控系統的組件由射手直接使用,根據武器系統使用流程,排列布局應依據使用頻率、重要性、使用順序、一致性等人因設計原則,同時還應在顯示器界面中考慮控制?顯示相容性原則。根據組件的功能進行區域劃分,避免操控過程的混亂和誤操作。

3.4 建立人因工程學的有效參與、測試和評估體系

人因學專家的目標是通過提高績效、滿意度和安全性使系統獲得成功。鑒于此目標,在操控系統設計中除了完成基礎的功能性設計,需要把人因學原則、方法和數據應用于產品或系統的設計。在設計流程中先期考慮人因,就不會將追求研制進度和設計完美需求兩者置于矛盾之中。

人因學參與操控系統設計的工作流程圖見圖2。

圖2 人因學在操控系統設計參與的流程框圖

人因鑒定測試工作應包括:測試目標說明、測試實驗方法、測試人員基本信息統計、測試設備統計、任務分析、任務數據梳理分析、分析評估數據。

操控系統評估的結果不僅是對產品的性能負責,更重要的是對使用者負責,通過評估可以對可接受性、可用性和人-機系統的相容性績效方面進行數據積累,直至設計出用戶滿意的產品。

現階段操控產品的設計使用過程缺乏全面的數據支撐。無論是新研產品還是改進改型產品都需要有真實測試數據支持評估結論,使每一次產品的改進具有完全的說服力。通過查閱美軍人因工程學資料[7],在關于某型改進裝備的人因鑒定報告中,對測試的人員信息、測試環境、測試方法等均有詳細的數據描述,對改進系統提出詳盡的分析報告,因此試驗結論有理有據可信。

4 結束語

人因工程的研究體系范圍寬廣,依據文中分析的應用范圍和影響,以及人因工程學實施方案,作者認為在反坦克導彈操控系統設計過程中廣泛應用與實施需要從各個方面開展,包括項目的組織和管理、技術研究廣度和深度拓展以及高層的重視、投入和各項保障。

為了滿足我軍裝備信息化體系化設計要求,在操控系統設計和生產過程中引入人因工程學設計原則和測試,并且有必要開展人因設計測試評估工作,雖然這項工作是一個跨領域跨學科的龐大工程,但是相信經過若干年的工作開展,其過程產生的設計原則和評估方法,必然對產品的安全性和可靠性以及用戶滿意度產生深遠的影響。

[1] WICKENS C D ,LI J D,劉乙力. 人因工程學導論 [M]. 2版. 張侃, 譯. 上海: 華東師范大學出版社, 2007: 4-7.

[2] 馬廣韜. 人因工程學與設計應用 [M]. 北京: 化學工業出版社, 2013: 6-8.

[3] 陳善廣, 姜國華, 王春慧. 航天人因工程研究進展 [J]. 載人航天, 2015, 21(2): 95-105.

[4] 陽富強, 吳起, 汪發松, 等. 1998—2008年人因可靠性研究進展 [J]. 科技導報, 2009, 27(8): 87-94.

[5] 中國人民解放軍總裝備部航天醫學工程研究所編寫. 軍用視覺顯示器人機工程設計通用要求: GJB1062A—2008 [S]. 北京: 總裝備部軍標出版社, 2008: 2, 4-6.

[6] WICKENS C D, HOLLANDS J G,BANBURY S,等. 工程心理學與人的作業 [M].4版. 張侃, 孫向紅, 譯. 機械工業出版社, 2014: 28.

[7] ELLTS P H. Human factors evaluation of the modified AT-4 light antiarmor weapon: ADA 147482 [R]. 1984.

Extensive Use of Human Factor Engineering in Operating System of Anti-tank Missile Weapon Design

WANG Shuangying1,PU Xiaoping2,WEI Jianfeng1,HUANG Yanqun1

(1 No.203 Research Institute of China Ordnance Industries, Xi’an 710065, China; 2 Air Force Armament Division, Beijing 100843, China)

The paper focuses on feasibility analysis on application of recently rapid-developing human factors engineering in operating system of anti-tank missile weapon, providing methods of practice, testing and evaluation of extensive use of human factor engineering in the process of designing system for operation and control devices, laying foundation for R&D of future products.

anti-tank missile weapon; operating system; human factor engineering; human-machine-environment

2016-06-02

王爽英(1974-),女,陜西韓城人,高級工程師,碩士,研究方向:武器裝備操控系統研發。

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