面向任務的殲擊機座艙工效評價指標體系

劉瀟

（中國飛行試驗研究院航電所，西安710089）

0 引言

科技的發展使得兵器裝備的性能不斷提高，但裝備的使用者終究是人，在戰場上發揮作用的不單是裝備本身，而是人機系統[1]。只有重視兵器裝備的人機工程問題，使作業人員與裝備形成良好的交互，才能充分發揮系統的作戰效能[2]。因此武器裝備的人為因素越來越受到研制單位、鑒定部門和用戶的重視。對武器裝備進行人機工效測評不是新鮮事物，國內很多設計單位、科研院所和高校開展過相關工作[3]。

傳統的座艙人機工效評估方法，通常把“人-機-環”當作研究對象，以評價對象的系統或屬性構成作為組織結構建立評價指標系統[4-6]，目前多數工效評價工作均采用類似的思路，如圖1所示。

圖1 傳統的殲擊機座艙人機工效評估指標體系

這種方法將評估的層次從單個部件提升到系統綜合的高度，在一定程度上滿足了產品研制的需求。但隨著武器裝備復雜程度的提高和評價工作的深入發展，我們發現這種架構已經不能滿足先進裝備的評價需求。從評價對象的系統構成和屬性出發分解評價項目，常常脫離系統的實際作戰使用，忽視人機交互的動態特性，局限于字符、圖形、亮度、可達性等靜態評價。然而當前在研的武器裝備，航電系統高度集成化綜合化，先進座艙技術的應用使得人機交互的方式和內容都產生了巨大的變化[7]。顯控設備工效相關的標準規范逐漸完善，并在研制過程中得到貫徹執行，使得硬指標層面的人機工程問題大為減少。在工程實踐中，絕大多數工效問題跟操作程序相關。傳統的座艙人機工程評價無法應對這樣的變革，往往難以達到預期的效果。

工效評估實質上是對人機交互的過程進行評價，而人機交互必然是在一定的任務場景下進行的。同一人機系統在不同的任務場景下發生的交互行為會存在差異，操作人員對系統屬性的要求也可能發生相應的變化。現代飛機，尤其是先進殲擊機，是工業技術的集大成者，任務使命多樣，作業環境多變，作戰任務復雜。對飛機駕駛艙這種復雜系統進行評估，如果忽略任務場景，就無法理解飛行員的實際需求，難以建立完善合理的評價指標系統，最后也就不可能得到真實的評價結果，發現座艙的人為因素設計缺陷。

1 面向任務的人-機-環評價模型

根據實際工作中遇到的問題，基于以上分析，有必要把任務場景引入座艙人機工效評價模型中，以任務作為輸入，牽引評價的進行，因此我們提出了“面向任務的人-機-環評價模型”，如圖2所示。

該模型以任務場景作為輸入條件。任務場景是評價對象使命任務的集合，涵蓋了評價對象所有可能的任務樣式。根據評價目的的差異，選取不同規模的任務場景，可以是一項使命任務或其中部分任務片段，也可以是多個使命任務的集合。

圖2 面向任務的人-機-環評價模型

交互過程在任務場景中發生和發展，包括機-環交互、人-環交互、人-機交互3個環節，并互相滲透，互相影響。

1）機-環交互：在任務場景中的任一時刻，飛機總處在一定的環境條件中，外界環境由飛機位置（地面、低空、中空、高空），光照（白晝、黃昏、月夜、暗夜），大氣環境（高溫、高濕、高寒、降雨、低能見度）等因素組成。

2）人-環交互：外界環境使座艙環境處于某種狀態，與飛行員的體感和表現產生一定的關聯。飛行員同時與外界環境和駕駛艙環境進行交互。外界環境指外部光照、能見度、飛機位置等，駕駛艙環境指艙內照明、艙壓、艙溫、振動、噪聲、過載等。

3）人-機交互：飛行員經眼、耳、觸覺等通道，從外視野、顯示設備、告警系統和操縱裝置獲取當前狀態，結合長時記憶中的知識，做出分析決策，然后通過動作和語言做出操縱響應，同時駕駛艙為飛行員提供必要的安全防護。

在整個交互過程中，對于每一個交互環節，如果駕駛艙相應的設計不能滿足飛行員高效完成任務的需求，矛盾就產生了，這些矛盾反映了駕駛艙的工效設計缺陷，而可能產生這種矛盾的環節按一定的邏輯結構集合在一起，就構成了座艙人機工效評估指標系統。

2 指標體系的建立過程

按照新的評價模型，建立座艙人機工效評估指標系統需要從任務場景入手，將其分解為底層的人機交互環節。感知控制理論認為人機系統可以使用層級控制模型來進行描述，而在所有的抽象層次上，人機系統的行為都以滿足該層對應目標為導向，因此HENDY等[8]建議以目標層級為邏輯結構來分析系統任務，即層級目標分析法（Hierarchical Goal Analysis，簡稱HGA）。我們采用層級目標分析法對構成任務場景的使命任務進行逐層分解，把使命任務按階段目標分解為任務片段，再將任務片段分解為一系列可執行的任務元素，這些任務元素涉及的底層交互環節就蘊含了我們期望得到的評價項。

2.1 明確使命任務

使命任務是研制和生產一型殲擊機的意義，描述了其入役后的使用方式[9]，是對一型殲擊機戰術技術指標的頂層要求。工效評估工程師可依據相應機型的《研制總要求》確定其使命任務。

一般而言，殲擊機的主要使命任務包括對空作戰和空面攻擊兩種類型，具體機型可能有不同的側重[10]。

2.2 使命任務分解

以下按照層級目標分析法，以典型的對空作戰任務空中優勢使命任務為例進行第1層級使命任務分解。

根據表1空中優勢使命任務層級目標分析，可將空中優勢使命任務分解為若干個對應的任務片段，將這些片段按時序排列進行表述，即構成了相應的任務剖面[11]。

2.3 任務片段分解

按照層級目標分析法對任務片段繼續進行分析，可將任務片段分解為一系列可執行的任務元素。以下以地面準備任務片段為例進行第2層級任務片段分解，如表2所示。

至此，地面準備片段被解構為一系列可執行的元素。

表1 空中優勢使命任務層級目標分析

圖3 剖面方式表述的空中優勢使命任務

2.4 解析交互環節提取評價項

任務元素包含了一系列底層交互環節，產品工效設計不合理，會影響交互的順暢程度，提高交互環節的時間成本，增加完成交互動作的難度，宏觀上表現為操作難度大、工作負荷高、任務績效低等現象。因此，任務元素包含的交互環節往往蘊含著我們期望得到的評價指標項。我們通過解析交互環節涉及的人的需求、機環屬性以及人機關系等因素，提取相應的座艙人機工效評價項。以下以“進入座艙”任務元素為例進行交互環節分析。

以表3的交互環節分析為基礎，提取“進入座艙”任務元素對應的座艙人機工程評價項如為：抗荷褲的易穿性、代償背心的易穿性、登機梯的位置、座艙蓋開口的尺寸和角度、輔助握、踏裝置的合理性、座艙結構與身體的干涉、座椅的調節方式、座椅的調節范圍、腳蹬的調節方式、腳蹬的調節范圍、連接背帶系統的易操作性、連接通訊線纜的易操作性、連接氧氣管路的易操作性、連接抗荷管路的易操作性、佩戴頭盔的易操作性。

表2 地面準備任務片段層級目標分析

表3 進入座艙任務元素交互環節分析

圖4 地面準備任務片段可執行元素

2.5 構建指標體系

使用上述方法，將預定義的場景庫中所含使命任務逐步解析，將提取的評價指標按照“使命任務-任務片段-任務元素-評價指標”的層級結構進行組合，建立面向任務的座艙人機工效評估指標體系。

3 應 用

針對某型空優殲擊機，以空中優勢和防空攔截使命任務組成的任務場景為基礎，建立了面向任務的座艙人機工效評估指標系統如圖5所示。該指標體系包含數百條評價項目，基本涵蓋了該型機在其主要作戰使用模式中涉及的人機交互問題和任務操作程序，在該型殲擊機研制過程中得到運用，發現了為數眾多的人因設計缺陷，通過設計改進提高了該型戰機的工效水平。

4 結論

以評價對象系統構成為基礎的評價指標系統難以滿足當前先進殲擊機駕駛艙評估的實際需求，因此提出了“面向任務的人-機-環評價模型”，對評價對象的使命任務進行了層級目標分析，建立了面向任務的4層次殲擊機座艙人機工效評估指標體系，并在型號研制工作中得到運用，豐富和發展了飛機座艙人因評估技術。

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