無人機(jī)地面控制站人機(jī)工效靜態(tài)評估

熊端琴，劉慶峰，王嫣嫣，戈含笑，白玉，林榕，杜健，劉娟，賀青，郭小朝

(空軍軍醫(yī)大學(xué)空軍特色醫(yī)學(xué)中心,北京 100142)

1 引言

20世紀(jì)90年代開始，無人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle UAV)進(jìn)入了快速發(fā)展階段[1]，美國開發(fā)使用了“捕食者”以及海軍通用無人機(jī)等地面控制站[2-3]，我國也先后研發(fā)了多款無人機(jī)地面控制站[4]。作為無人機(jī)系統(tǒng)重要組成部分的地面控制站，專門用于對無人機(jī)進(jìn)行地面控制與管理，是操作員操控?zé)o人機(jī)完成各項(xiàng)任務(wù)的重要場所。其人機(jī)工效設(shè)計(jì)合理與否，直接影響到操作員對無人機(jī)的控制效率，進(jìn)而影響整個(gè)無人機(jī)系統(tǒng)的任務(wù)效能[5]。合理的無人機(jī)地面控制站設(shè)計(jì)能夠使操作員更好地對無人機(jī)進(jìn)行控制與監(jiān)視，完成任務(wù)載荷、規(guī)劃任務(wù)航路及通信設(shè)備等工作[6]。地面控制站的作業(yè)環(huán)境和操作席位是無人機(jī)地面控制站人機(jī)工效設(shè)計(jì)的重要部分，需要考慮操作席位的外形尺寸是否能保證人體具有良好舒適的作業(yè)姿勢[7]；操縱機(jī)構(gòu)是否符合人體尺寸要求和肢體用力范圍、是否滿足人手操作的舒適性[8]；方艙布局和位置設(shè)計(jì)是否考慮了操作員視角、視距的合理性[9]等。

本次評估主要針對某無人機(jī)地面控制站的空間布局、席位布置、操縱裝置和腳蹬等靜態(tài)設(shè)計(jì)狀態(tài)，目的在于考察無人機(jī)地面控制站人機(jī)工效靜態(tài)設(shè)計(jì)的合理性，提出主要設(shè)計(jì)點(diǎn)的調(diào)整改進(jìn)量及意見建議，為地面控制站的人機(jī)工效優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2 對象與方法

2.1 對象

為保證評估操作員身材的代表性，按照身材大小選取有操作經(jīng)驗(yàn)的男性無人機(jī)操作員14人參加評估實(shí)驗(yàn)，年齡26-58歲。操作員分為3組：小身材組即第5百分位操作員4人，中等身材組即第50百分位操作員9人，大身材組即第95百分位操作員1人。

2.2 方法

三維坐標(biāo)測量機(jī)(含測量軟件、計(jì)算機(jī))：用于測量操作員眼位，操縱桿、油門臺和腳蹬的可達(dá)性指標(biāo)。

操作員主觀評估記錄表：用于記錄操作員對于控制站方艙環(huán)境的主觀感受、改進(jìn)意見與建議。針對各項(xiàng)評估內(nèi)容，采用Q-Q 測試法(Qualitative and Quantitative test)[10-11]，操作員主觀感受設(shè)置為3個(gè)評估等級：①不接受，②勉強(qiáng)接受，③接受。

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

評估實(shí)驗(yàn)前，首先依據(jù)地面控制站的人機(jī)工效靜態(tài)設(shè)計(jì)狀態(tài)，制定評估方案，內(nèi)容包括評估目的、設(shè)備狀態(tài)、評估內(nèi)容、評估指標(biāo)、評估方法、評估人員、評估條件與環(huán)境、實(shí)驗(yàn)步驟、數(shù)據(jù)處理等。待評估方案評審確認(rèn)后，作為評估實(shí)驗(yàn)的直接依據(jù)。

其次對參試操作員進(jìn)行崗前培訓(xùn)，內(nèi)容主要為：(1)評估的目的和意義；(2)評估的內(nèi)容和方法；(3)評估對象的技術(shù)狀態(tài)；(4)評估的注意事項(xiàng)和相關(guān)要求。操作員按分組順序?qū)υu估內(nèi)容逐項(xiàng)進(jìn)行現(xiàn)場評估。

第三，開展現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，采取客觀和主觀相結(jié)合的方法對地面控制站進(jìn)行人機(jī)工效靜態(tài)評估。客觀評估以三維坐標(biāo)測量機(jī)作為測試設(shè)備，針對操作員眼位和操縱桿、油門臺和腳蹬的可達(dá)性指標(biāo)，對操作員理想工作坐姿眼位、雙手握桿操作坐姿眼位、飛行操縱桿中間位置、油門臺固定位置、腳蹬固定位置的三維數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行測量，分別獲得各個(gè)測點(diǎn)的三維坐標(biāo)值(x、y、z)，其中x為空間直角坐標(biāo)系(O-xyz)中橫軸方向?qū)?yīng)數(shù)值、y為縱軸方向?qū)?yīng)數(shù)值、z為豎軸方向?qū)?yīng)數(shù)值，將其與設(shè)計(jì)值進(jìn)行差值計(jì)算，獲得各測試點(diǎn)實(shí)際測值與設(shè)計(jì)值之間的平均差值(Δx、Δy、Δz)，作為各設(shè)計(jì)點(diǎn)相應(yīng)改進(jìn)量的數(shù)據(jù)依據(jù)；主觀評估則針對所要評估的項(xiàng)目內(nèi)容，請操作員對其人機(jī)工效設(shè)計(jì)合理性進(jìn)行評定并提出自己的改進(jìn)意見和建議。評估內(nèi)容包括：方艙布局中的席位布局和進(jìn)出通道，操作員席位中的臺架尺寸、臺架顏色、座椅、主顯示器、輔助顯示器、操縱桿、油門臺、腳蹬、鍵盤鼠標(biāo)和硬按鍵。

2.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 16.0統(tǒng)計(jì)軟件對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分組統(tǒng)計(jì)第5百分位、第50百分位、第95百分位三個(gè)樣本組的實(shí)測值與設(shè)計(jì)初值(x0艙,y0艙,z0艙)之間的平均差值；對主觀評估記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、歸類整理和分析。

3 結(jié)果

通過客觀評估，獲得了56個(gè)三維數(shù)據(jù)點(diǎn)共計(jì)168個(gè)客觀數(shù)據(jù)，分別計(jì)算第5、第50和第95百分位操作員的理想工作坐姿眼位、雙手握桿操作坐姿眼位、飛行操縱桿中間位置、油門臺固定位置、腳蹬固定位置的實(shí)測數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)值之間的平均差值，推算出了地面控制站方艙設(shè)計(jì)眼位高度下調(diào)量、飛行操縱桿前后調(diào)節(jié)量和高度下調(diào)量、腳蹬前后調(diào)節(jié)量等量化指標(biāo)(結(jié)果見表1)。

表1 無人機(jī)地面控制站工效學(xué)指標(biāo)實(shí)測值與設(shè)計(jì)值之間的平均差值 (單位：mm)

通過對操作員主觀評估記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總處理，分別得到了各項(xiàng)評估內(nèi)容不同接受度的操作員人數(shù)和419條意見建議(見表2)，通過評估組、工效專家和專業(yè)設(shè)計(jì)人員共同合議，形成共識性意見37條，其中18項(xiàng)內(nèi)容必須改進(jìn)，19項(xiàng)內(nèi)容視情改進(jìn)。必須改進(jìn)的主要是設(shè)計(jì)眼位、飛行操縱桿安裝高度、飛行操縱桿啟動力和桿力、腳蹬安裝位置(可調(diào)性)、腳蹬踏板安裝角度、腳蹬行程、鍵盤鼠標(biāo)設(shè)計(jì)、座椅設(shè)計(jì)等方面；視情改進(jìn)的主要是主屏邊框、輔屏安裝角度、輔屏敏感性、硬按鍵顏色和防護(hù)設(shè)計(jì)、座椅寬度、飛行操縱桿握徑和桿頭、飛行操縱桿按鍵設(shè)計(jì)、油門臺手柄尺寸、油門臺檔位設(shè)計(jì)、油門臺阻尼和摩擦阻力、油門臺按鍵和防護(hù)設(shè)計(jì)等方面。

表2 無人機(jī)地面控制站操作員主觀評估結(jié)果(示例)

4 討論

設(shè)計(jì)眼位是地面控制站整個(gè)方艙席位的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)位，其設(shè)計(jì)合理與否，直接影響操作員的信息觀察和操作效率[12]。實(shí)際評估中經(jīng)由設(shè)計(jì)方確認(rèn)，理想工作坐姿眼位和握桿操作坐姿眼位均沒有Y軸方向的設(shè)計(jì)值，故表1中這兩個(gè)指標(biāo)的平均差值Δy均為“無”。將實(shí)測結(jié)果與設(shè)計(jì)值比較，需將設(shè)計(jì)眼位的高度再下降(Δz)63 mm-87 mm，才能滿足95%以上操作員理想工作坐姿條件下的眼位要求。設(shè)計(jì)眼位作為整個(gè)方艙席位的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)位，建議設(shè)計(jì)上增加Y軸的設(shè)計(jì)值。

關(guān)于飛行操縱桿前后調(diào)節(jié)量：由于飛行操縱桿在設(shè)計(jì)初始位置能夠向后調(diào)節(jié)(-Y方向)150 mm，在進(jìn)行迭代改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)以滿足95%操作員使用為宜，取Δy差值的第95百分位值，飛行操縱桿的可調(diào)節(jié)范圍應(yīng)該加大至(Δy)203 mm。由于飛行操縱桿的理想位置均比初始位置靠后，最小距離為55 mm，因此也可考慮將初始位置向后移，而不加大調(diào)節(jié)量；關(guān)于飛行操縱桿安裝高度：經(jīng)三維坐標(biāo)測試，測出操作員認(rèn)為飛行操縱桿的理想高度位置(Δz)，計(jì)算出飛行操縱桿理想安裝高度應(yīng)再降低41 mm-52 mm。

對于油門臺設(shè)計(jì)，僅有1名操作員對油門臺安裝位置和調(diào)節(jié)量提出了意見，可考慮保持原設(shè)計(jì)。但由于上述飛行操縱桿位置必須進(jìn)行調(diào)整，因此必須考慮油門臺和飛行操縱桿二者位置的協(xié)調(diào)性。

關(guān)于腳蹬設(shè)計(jì)，小身材、中等身材組所有參試操作員對腳蹬的安裝位置和調(diào)節(jié)量都提出了意見，只有大身材組未提意見，因此建議腳蹬可保持現(xiàn)有安裝位置，向后可調(diào)節(jié)。如果調(diào)整現(xiàn)有安裝位置，則應(yīng)保證調(diào)節(jié)能覆蓋現(xiàn)有安裝位置到(Δy)209 mm的范圍。

在主觀評估方面，獲得各參試操作員的評估意見和改進(jìn)建議后，首先分別由小身材組、中等身材組和大身材組進(jìn)行了小組合議，對各人的意見進(jìn)行充分討論，形成小組意見提交評估大會；評估大會再針對各小組提交的意見，集合評估組、工效專家和專業(yè)設(shè)計(jì)人員共同合議，對各組的意見及重點(diǎn)問題進(jìn)行重點(diǎn)討論，最終形成了37條共識性意見，這些意見再反饋進(jìn)入到控制站的人機(jī)工效優(yōu)化設(shè)計(jì)過程。

5 結(jié)論

本研究針對某無人機(jī)地面控制站的方艙布局、席位設(shè)置、桿舵設(shè)計(jì)和座椅設(shè)計(jì)等，對其人機(jī)工效設(shè)計(jì)合理性開展了靜態(tài)實(shí)驗(yàn)評估。通過客觀測試，獲得了第5、第50和第95百分位操作員共5個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)的實(shí)測值與設(shè)計(jì)值之間的平均差值，推算出了地面控制站方艙設(shè)計(jì)眼位高度下調(diào)量、飛行操縱桿前后和高度下調(diào)量、腳蹬前后調(diào)節(jié)量等量化指標(biāo)數(shù)據(jù)；主觀評估獲得了操作員對于各項(xiàng)設(shè)計(jì)內(nèi)容的改進(jìn)意見和建議，18項(xiàng)內(nèi)容必須改進(jìn)，19項(xiàng)內(nèi)容視情改進(jìn)。評估結(jié)果反饋進(jìn)入到設(shè)計(jì)過程，為無人機(jī)地面控制站的人機(jī)工效優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。