艦船人—機—環系統工程研究綜述

張玉梅

中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

艦船人—機—環系統工程研究綜述

張玉梅

中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

艦船人—機—環系統工程是艦船總體設計中不可或缺的組成部分，其設計原則為安全、高效、舒適、愉悅。首先，總結艦船人—機—環系統的典型特征：長期航行條件下作業環境惡劣；任務復雜、種類多、人力需求量大，對人員協作程度要求高；人機界面信息繁多，艦員的腦力認知負荷高。然后，將艦船人—機—環系統工程的技術體系劃分為人機協同、人環協同、人—機—環特征評價和人機工程仿真4個部分，按照艦船人—機—環系統工程的技術發展脈絡，即在艦員人體基礎特性研究、艦船人—機—環系統工程總體設計應用、艦船人—機—環標準和規范的制訂等相互迭代優化的基礎上，通過引入海軍人力系統集成（HSI）專業工程實現全艦系統的最優化，分別闡述國內外的研究現狀。最后，根據技術體系劃分，對我國艦船人—機—環系統工程未來的發展趨勢予以分析。

艦船；人—機—環系統工程；人機工程；人因工程；工效學；技術體系

0 引 言

現代艦船是一個典型的、龐大的、復雜的人—機—環系統，艦員擔負著直接使用、操縱該系統，保證艦船圓滿完成其預定使命任務的重任。艦員的工作質量、操縱效能和生活條件將直接影響艦船作戰能力、航行安全和各項戰術技術指標的完成，是決定作戰使用可靠性的重要環節［1］。

艦船人—機—環系統工程（Man-Machine-Environment System Engineering，MMESE）是總體設計中不可或缺的組成部分，是裝備是否適合海軍用戶的關鍵紐帶。設計人員需要根據艦員在艦船環境中作戰、訓練和長期居住的特點，通過研究人、機器和環境之間的相互作用，使機械設備和環境設計最大限度地符合艦員的形體、生理和心理特征［2］。因此，針對艦船MMESE，提出“安全、高效、舒適、愉悅”的總體設計原則。其中：安全是對艦員生命和健康的保障；高效則是以優化作戰使用流程，提高全艦任務效率及減員增效為目標；舒適體現在提高居住性設計水平，通過創造良好的生活保障環境來彌補艦員在工作中損失的體能，并舒緩精神壓力；愉悅融入了藝術設計理念，例如，追求情感附加值、注重用戶體驗等。

基于任務需求、作業環境和人員特征的差異性，導致不同行業裝備MMESE的特點、研究重點和發展趨勢也有所區別。在航天、航空、兵器與核能工業中，人—機—環系統中的“人”是指特定的單個人或幾個人，人的因素研究逐步趨向于精細化。以目前代表國內工效學最高、最新水平的航天為例，根據其面對的長期空間飛行和載人深空探測任務需求，研究范疇涵蓋了月球與火星探測等變重力環境下人的能力與績效、星球表面艙外活動、人—機與人—人團隊協作、航天人誤預防和人因可靠性等各個方面［3］。而艦船作為一個由多人員、多部門共同操控，并且系統更加龐大、復雜的武器平臺［4］，人員編制動輒成百上千，在這里，人—機—環系統中的“人”指的是一個社會群體，因此在系統研制過程中往往會產生很多不同方面、不同層次的方案。為了解決艦船系統最優化的問題，需要根據海軍的需求和相關規則對這些方案進行模型化［5］。艦船的行業特點鮮明，基于MMESE專業自身的技術發展水平以及其多學科交叉的性質，導致將MMESE應用于艦船還有許多可以深化挖掘的空間，而不能簡單照搬或是生硬移植其他成熟行業的研究成果。

本文首先將總結艦船人—機—環系統的典型特征，即MMESE研究關注的重點和難點；然后將MMESE技術體系劃分為人機協同設計、人環協同設計、人—機—環特征評價和人機工程仿真4個部分，覆蓋設計、評價和工具手段等各個方面；之后，基于艦員人體基礎特征研究、艦船MMESE總體設計應用、人—機—環標準和規范的制訂等的相互迭代優化，引入海軍人力系統集成（Human Systems Integration，HSI）專業工程，實現全艦系統最優化的技術發展脈絡，闡述國內外相關研究工作；最后，與歐美等發達國家進行差距分析，在此基礎上根據技術體系劃分對我國艦船MMESE未來的發展趨勢予以分析。

1 艦船人—機—環系統的特點

艦船人—機—環系統的典型特征主要體現在以下幾個方面。

1）長期航行條件下作業環境惡劣。

艦船在海上執行任務的時間長，機動能力強，常經歷鹽霧、高海況等惡劣的自然環境。為了應對陸、海、空、天、潛全方位的立體戰場環境威脅，艦船功能和結構的復雜程度日益增加，呈現出“多元化、集成化”的特點，空間資源極為緊張［6］。而艦員長期工作、生活在這種密閉的艙室內，活動空間狹小、空氣混濁，再加上高溫與潮濕、噪聲與振動、生物時鐘的不規律，極易出現疲勞、淺眠、免疫力下降等癥狀，導致心理障礙，工作效率降低［7］。據有關報告記載，潛艇航行70天以后，絕大多數艇員會出現夢多易醒、失眠煩躁、反應遲鈍等癥狀，80%以上的艇員食欲明顯減退，記憶力明顯減退的占56%，近一半的艇員還出現了牙出血、血壓降低、腹脹脈緩等現象，致使潛艇的整體作戰能力大打折扣［8］。

2）任務復雜，種類多，人力需求量大，對艇員的協作程度要求高。

艦船裝備規模巨大，系統設備繁多，操作使用復雜，導致不同等級戰備狀態下涉及的任務種類多，因而對人力的需求量也大。其中，驅護艦的人員編制一般達數百人，而航空母艦的人員編制則高達數千人。在艦船上，人員的組織結構是根據全艦的指揮和管理需求，依照職能、區域、技術等分類形式來進行混合設置［9］，由多個工種共同協作完成大量繁雜的作業。全艦系統的整體效能取決于各項任務的綜合執行情況［10］，例如，在高海況下，艦面補給接收任務工作環境惡劣，作業流程復雜，包括索道牽引、設備對接、物資轉運等［11］，稍有不慎就會發生機毀人亡的悲劇，故在時間、空間有限，以及人流、物流和信息流高度密集的情況下［12］，對艦員的協作程度提出了更高的要求。

3）人機界面信息繁多，艦員腦力認知負荷高。

隨著設備自動化水平和智能化水平的不斷提高，電子綜合顯示器和多功能鍵盤逐漸取代機電式儀表與傳統控制器，艦員的作用由操作向監控轉移［13-14］，導致人機之間的信息交流量呈爆炸式增長，易造成艦員心理負擔重、警覺水平過高等現象，甚至是超出人的精神負擔和工作能力的限制。例如，在艦用核動力控制室這種有限的空間內，監控設備集成度高，信息來源分布廣，結構關系錯綜復雜［15］，艦員需面對人機界面呈現出的海量信息進行判斷和決策，否則將直接影響戰爭的勝負和人員的生命安全，進而成為誘發核動力系統故障的潛在危險因素［16］。

2 艦船人—機—環系統工程的技術體系

艦船MMESE的技術體系由人機協同設計、人環協同設計、人—機—環特征評價和人機工程仿真4部分組成。

人機協同設計技術是指針對艦船復雜的人機系統，基于人體測量、認知技術等基礎科學知識范疇，通過協調人機之間作業交互、信息交互關系，使人機界面作業域設計與集成、信息顯示與控制符合艦員的生理和心理特點，從而達到改善勞動條件、減少能量消耗、減輕疲勞、降低事故發生率和提高工作效率目的的設計技術［17］，包括視覺、聽覺、語音等信息交互界面設計技術以及體能作業的操縱器和控制器等作業交互界面設計技術。本技術在不增加設備數量和系統復雜程度的前提下，用于協調人機關系，簡化工作流程，降低勞動負荷，提高工作效率，實現全艦人機界面集成優化和人員配備優化，有效控制艦體容量和排水量，從而降低全壽期費用。

人環協同設計技術是指根據艦船物理、化學環境特征以及運動環境特征，基于心理學、醫學、工效學、環境科學等原理，通過人與環境共處作用中兩者的適配關系建模和綜合平衡分析，為艦船艙室環境（包括空氣品質［18］、熱舒適性［19］、振動［20］、噪聲［21］、電磁輻射［22］、照明［23］、色彩［24］、材料［25］等）、船舶垂向運動［26］的控制以及艦員的防護設計提供設計輸入的技術，包括艦員的工作和生活特征建模技術、人機相互作用表征的分析技術以及環境設計要素的綜合平衡技術。本技術用于為艙室、運動等環境條件設計及評價標準的制定提供依據，從而實現在有限的條件下控制環境條件以適應艦員工作及生活的不同需求，進而提高工作效率及安全性，改善生活條件。

人—機—環特征評價技術是指針對艦船人—機—環系統工程，主要圍繞標準、規范開展應用設計（其總體性能分析和評價依賴于專家的主觀意見及設計經驗），基于人的控制與決策模型、人的可靠性等人體基礎科學范疇知識，通過語言描述、圖形描述、數學建模、實物模擬、虛擬仿真等技術手段制定評價人—機—環系統效率的途徑、方法和標準，實現定性+定量評價的技術［27］，包括評價人—機—環系統總體性能的途徑及方法、人—機—環之間相互關系的評價標準等。本技術用于為實現人—機—環系統多方案評價和優選，提出最適宜艦員工作、生活的機器和環境條件而提供判斷依據及實施途徑。

人機工程仿真技術是指針對艦船人—機—環系統在總體設計階段仿真、測試、試驗和演示驗證手段的不足，通過CAE技術或陸上實物模擬的方式，對已有或預設方案進行人—機—環系統的仿真與分析評價，解決因其性能指標滯后于檢驗而對產品設計質量帶來不利影響的問題，實現方案評估與優化的技術［28］，包括虛擬人建模及運動控制仿真技術、人—機—環特征數據采集及建模技術、數字樣船和環境建模技術、系統信息集成及管控技術、基于虛擬現實的人體運動擴展技術，以及人機工程仿真分析評估技術。本技術可以以較少的投入、較低的經費和較短的周期，完成對已有或預設方案人—機—環特征的評價，并提出改進意見或推薦方案，從而為輔助完成人—機—環系統多方案評估和優化提供先進的技術手段。

3 艦船人—機—環系統工程的研究現狀

在艦船MMESE研究方面，歐美等發達國家的技術較為成熟，并且有相關的標準指導艦船設計、試驗及評價［29］。艦船MMESE的發展主要遵循“艦員人體基礎特性研究”、“艦船MMESE總體設計應用”、“艦船人—機—環標準和規范的制訂”三者相互滲透，并隨著裝備的升級換代和作戰使用需求的變化不斷迭代優化的發展規律，開展艦船MMESE的整合分析及評價工作，然后在此基礎上通過引入“HSI專業工程”實現艦船系統的最優化，如圖1所示。

1）艦員人體基礎特性研究。

1995年，美國針對“尼米茲”級核動力航空母艦的設計，對1 017名艦員進行測定（包括10項人體動、靜態數據測量指標），提出了改進武器裝備設計最新參數依據和指標的要求。2003～2009年，美國開發了Mr.vivid人體模型用于檢驗航空母艦三維設計操縱空間。該人體模型可以模擬站立、坐、蹲、爬等姿態，可伸展手臂操縱設備，關節可旋轉并具彎曲自由度限制，主要用于輔助測量作業空間能否順利進入，各種設備是否可達和便于操控［30］。2009年，德國Jena大學建立了基于體力、智力及情緒周期性波動節律（Physical Sensitive Intellectual，PSI）理論的簡易虛擬艦員模型，旨在解釋和描述艦員的心理過程和行為特點，以作為虛擬船橋測試工具［31］。

2）艦船MMESE總體設計應用。

使用與維修作為裝備全壽命周期中的關鍵環節，是艦船MMESE關注的重要領域。在技戰指標要求不斷提高的情況下，開始越來越多地考慮產品的費效比、使用與維修問題。為了在總體設計階段就能充分評估艦船后續過程中的問題，并盡可能提前暴露和解決，進而促進設計的改進，提出了利用計算機仿真與可視化技術，在虛擬環境中開展設計方案驗證和優化的解決方案［32］。

2005年，Dalpiaz等［33］采用CAD技術，結合人—機—環設計綱領性要求與導則，針對美海軍干貨彈藥補給船進行了工效評估。2007年，洛克希德·馬丁公司海空集成實驗室的著陸和艦載適應性研究小組在F35戰斗機項目中，利用全尺寸沉浸式投影系統、人體實時動作捕捉系統和力反饋裝置等虛擬現實（Virtual Reality，VR）設施，通過3D激光掃描儀快速捕捉和創建3D模型，綜合考慮基地和艦船適用性、人機工程、維修性和可靠性等因素，完成了內部武器裝載、緊急捕捉鉤操作、聯合發電裝置維護、加油裝置降落檢查保護、發動機拆卸、升力風扇拆卸、捆綁裝置操作、水上維護時的飛機尾翼操作、噪音控制、外部武器裝載、飛機清洗、分布式孔徑有效區檢查等裝備在使用、維修和技術保養等過程中的虛擬仿真模擬分析，其通過在早期發現和解決問題，積極有效地改善了飛機設計，解決了多個核心領域的整合問題，為設計變更節省了7.5億美元［34］。

3）艦船人—機—環標準和規范的制訂。

《軍事系統、裝備和設備的人機工程要求》與《軍事系統、裝備和設備的人機工程設計標準》是美軍人機工程設計的總標準，其中詳細敘述了各項設計的要求，包括許多重要的研究成果和在武器發展中積累的寶貴經驗［35］。另外，對于水面艦船和潛艇，也有專門的人—機—環標準和規范。我國有關艦船人—機—環方面的標準和規范主要包括《軍事裝備和設施的人機工程設計準則》、《軍用視覺顯示器的人機工程設計通用要求》和《艦船人機工程要求》等［36］，其中針對設備的人機界面要求、艙室工作環境、居住環境要求［37］以及操作性、維修性、安全性要求等具體的工程問題進行了規定。

4）全面引入HSI專業工程學科。

根據美國海軍研究咨詢委員會（Naval Research Advisory Committee，NRAC）的統計，在一艘艦船的總保有費用（Total Ownership Cost，TOC）中，使用和保障費用占70%，而其中艦員及服務保障費用就占據了近60%［38］。美國海軍成立了HSI辦公室，對過去艦船設計中因忽略系統工程中由人員因素引起的弊端進行了分析，提出了HSI設計方法，在綜合考慮人因工程、人力、人事、訓練、居住性、艦員生存能力以及環境、安全和職業健康等因素的基礎上，力求在提高艦船性能的同時以最少的艦員來最有效地操縱艦船，從而在不影響作戰效能的前提下減少艦員配置要求，降低全壽期費用［39］。

DDG-1000非首艘采用HSI設計方法的艦船，但HSI的功能和作用卻在其研制過程中得到了充分體現，被美海軍譽為HSI設計方法的“最佳實踐應用案例”。DDG-1000首次將艦員（148人）作為關鍵的性能參數（Key Performance Parameter，KPP）融入到了早期的設計決策中，這就意味著與DDG-51ⅡA型艦船相比，DDG-1000這艘排水量比其重5 000多噸的艦艇將實現52.8%的減員率，同時還將實現比其更高、更復雜的性能要求。為了實現這一高難度的減員目標，DDG-1000以“零基礎人員配備”概念為開端采用了HSI設計理念，并將其貫穿于系統設計的全過程。在具體的研制過程中，HSI設計遵循了一種各系統相互關聯的重復性、螺旋型設計流程，始終圍繞“以艦員為中心”的核心思想來實現148名艦員的優化配置。例如：分析和明確了艦員的數千個任務及相應的特征，并將其繪制成了任務線索活動表；將任務分析結果輸入到了HSI任務數據庫以供重復利用，包括各個任務的操作人員、操作人員的知識技能要求、所需工具、優先權、重要性、持續時間、特征等信息；分析并對比了各個崗位每分鐘的工作量以及嵌入自動化技術之后的工作量變化情況，以尋找減員的空間；利用艦員模型進一步細化艦員設計；利用工程設計模型（Engineering Design Model，EDM）和相關技術進行適用性測試，驗證艦員編制規模和工作量等。基于HSI設計方法的應用，DDG-1000最終實現了預期的性能提高、風險控制、費用降低、人員編制規模縮減等目標［40］。

4 艦船人—機—環系統工程的發展趨勢

艦船MMESE的發展呈現多學科交叉和逐步實現模型量化分析的態勢，注重人體基礎科學與工程技術的有機結合［41］，并廣泛應用于艦船總體研制全過程。相比歐美等發達國家，由于缺乏完善的理論體系和模型化方法，以及技術手段的不足，我國艦船MMESE目前仍處于分散和孤立研究的階段。在分別滿足艦船人、機、環境工程設計要求的前提下，如何在總體上進行集成優化設計，從系統的高度來考慮人—機—環的關系問題，使艦船這個巨系統最優化，在我國艦船設計中尚未得到很好的體現。

基于MMESE技術體系，將分別從人機協同設計、人環協同設計、人—機—環特征評價和人機工程仿真4個方面，對我國艦船MMESE的未來發展趨勢進行闡述。

1）應用HSI設計方法開展艦船設計是當今艦船行業最為熱門的技術。以“零基礎人員配備”概念為開端，人機功能分配側重于最大化機器的角色、最小化艦員的角色，在實現減員的同時提高系統性能，始終圍繞“以艦員為中心”的核心設計思想［42］開展裝備研制并優化人員編制方案，將成為艦船總體設計的重要發展方向。

2）傳統的設計思想往往局限于經典工效學，著眼于人機界面、人機交互的優化設計，而忽略了艦船社會環境的特點：艦上人員編制復雜；艦員長期處住在密閉、狹窄、獨立的空間中，遠離家庭和陸地［43］。可通過引入美學設計方法［44］，將船舶科學與設計藝術學融會貫通，追求艦船作戰使用特征與審美價值的統一，滿足艦員的情感需求［45］，從而實現“從單純的功能實現到注重用戶的整體體驗”設計理念的轉變。

3）在裝備研制過程中，利用生物醫學技術客觀判斷艦船的物理、化學和運動環境對人的影響。采取新材料、新產品和特殊結構的形式來改善艦船艙室溫度、濕度、空氣品質，以及振動、噪聲、電磁輻射、照明和色彩等微環境條件［25，46］，或者根據艦員的耐受特征，在特定環境下提出新的管理手段以適應該環境的特點，將成為未來人環協同技術的研究重點。

4）結合生理參數測評、訪談法、觀察法、量表調查法和仿真技術等手段，在主觀評價方法的基礎上逐步引入客觀評價方法，并建立結合主、客觀評價結果的艦船人—機—環特征評價標準［47-48］。在客觀評價方法成熟以后，將形成多層次、多維度、定量的人—機—環特征評價體系，進而牽引實現艦員作為一個有機和主體部分被設計于艦系統中［49］。由于充分考慮了人的能力和局限性對于艦船綜合效能的影響，因此可以自上而下地優化人機功能分配，系統地開展艦員工作負荷量化分析評價和總體設計改進。

5）隨著計算機仿真技術的不斷發展，采用CAE技術進行人—機—環特征評價將成為未來的主流趨勢。將利用立體眼睛、數據手套、全人體動作捕捉系統等VR工具實現人體運動的擴展［50］，人機工程仿真將大量應用于艦船空間布局和作業環境中，以進行人體動作的接觸可達性和視覺可達性檢查以及姿態評估、生物力學分析等。可通過采集艦員生理尺寸、骨肌生物力學和認知功能等基礎數據，構建數字人仿真推演平臺，開展作業流程仿真，評估艦船人—機—環系統的綜合效能，驗證全艦人員編制是否能夠保障作戰使用效能和系統任務的充分發揮以及滿足多任務剖面及工況的系統人力需求［51］。

5 結 語

“以人為本”和“減員增效”是現代艦船設計發展的主旋律。艦船作為復雜的社會技術系統，單純地依靠技術系統性能的提升來實現其整體性能的最優化和高績效，實際上已到了瓶頸階段。如何利用MMESE原理，實現從強調事后把關，到逐步轉變為將人的因素設計特征提前介入到艦船總體設計全過程，是當前面臨的難題。本文提出了艦船MMESE設計原則，針對其特點、技術體系、發展脈絡和未來趨勢等進行了系統的梳理和總結，對指導艦船總體集成優化、提高艦船綜合效能、縮減人員編制、節省全壽期費用等，實現從“人適應機”到“人—機—環協同”艦船總體設計理念的更新具有一定的參考意義。

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A review of warship man-machine-environment system engineering

ZHANG Yumei
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

Warship Man-Machine-Environment System Engineering(MMESE)is an integral part of the overall design,and its design principles were proposed according to safety,efficiency,comfort and pleasure.The typical characteristics of MMESE are summarized.The operating environment is extremely terrible on long voyages.High level collaboration is required due to the complex task system and large manpower demand.Owing to the dense computer interface information,the mental cognitive burden on the crew is heavy.The MMESE technology system is divided into four parts:man-machine coordinated, man-environment coordinated,the evaluation of man-machine-environment characteristics and the ergonomic simulation.Based on the MMESE development venation in this paper,the overseas and domestic research statuses are expounded.Interactive optimization can be realized according to the following aspects:researching the basic human characteristics of the crew,applying this to the warship's overall design,and formulating relevant ergonomic standards and norms.Next,Human System Integration(HSI) professional engineering was introduced comprehensively into the marines in order to achieve an optimal system.On this basis,we completed the future development trend analysis.All these studies and results have some reference meaning for guiding the integrated optimization of warships as a whole,downsizing the manpower and improving efficiency.

warship；Man-Machine-EnvironmentSystem Engineering(MMESE)；man-machine engineering；human factors engineering；ergonomics；technology system

U662.2

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2017.02.005

http://kns.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20170313.1612.028.html

張玉梅.艦船人—機—環系統工程研究綜述［J］.中國艦船研究，2017，12（2）：41-48. ZHANG Y M.A review of warship man-machine-environment system engineering［J］.Chinese Journal of Ship Research，2017，12（2）：41-48.

2016-08-26 < class="emphasis_bold"> 網絡出版時間：

時間：2017-3-13 16:12

國家部委基金資助項目

張玉梅（通信作者），女，1981年生，碩士，工程師。研究方向：艦船人—機—環協同技術。

E-mail：zhangyumei821202@sina.com

期刊網址：www.ship-research.com