發射裝置控制臺人機工程設計＊

姬鐘景 盧 輝

（海軍駐昆明地區代表室 昆明 650118）

1 引言

武器發射控制臺是發射系統的控制核心。武器發射控制臺與武器發射系統的機械和液壓分系統、氣動分系統等構成一套完整的機電一體化自動控制大型設備。武器發射系統通過控制臺與作戰系統以及其它設備進行各種指令信號的交互，完成各種管裝武器的發射任務。隨著國防技術的發展，武器發射控制臺的功能也越來越復雜。

人機工程學是運用人體測量學、心理學、生理學、生物力學以及工程學學科的研究方法和手段，綜合地進行人體結構、功能、心理以及力學等問題研究的學科，設計出使操作者能發揮最大效能的機械、儀器和控制裝置，并研究控制臺上各個儀表界面的最合適位置等。通過揭示人-機-環境之間相互關系的規律，以達到確保人、機、環境系統總體性能的最優化。人機工程學的應用越來越廣泛，已普遍應用于民用領域，在軍用設備領域相對比較落后，發展較為緩慢，在近幾年開始引起關注。

控制臺人機工程設計的基本要求為：人的舒適性（按人體尺寸設計）、顯示裝置的可見度（考慮視覺幾何參數）、控制元件的易操作性（考慮人的手功能可及范圍）人的動作特性。軍用設備相對于民用設備良好的人機工程設計，有助于提高發射裝置操作人員的工作效率和降低誤操作的概率，進而提高作戰效能，避免由于操作不當或者操作繁雜而延誤戰機。本文對控制臺形式的選擇，結構的設計，操作裝置、顯示模塊安裝等幾個方面進行人機工程學分析、設計。以設計操作方便、使用高效的武器發射控制臺。

2 武器發射控制臺形式結構確定

2.1 武器發射控制臺形式選擇

控制臺形式一般分為：桌式、直柜式、組合式。由于目前武器種類的增加以及系統自動化程度的提高，武器發射控制臺的功能也變得復雜，集合到控制臺中的各自電子設備相應增加。控制臺主要由主控機系統、測控箱組成。主控機系統由軍用加固計算機、軍用加固顯示器、可編程觸摸屏、跟蹤球、操作指示面板（含開關及指示燈）、接入組件、電源控制盒組件等組成。雖然結構比較復雜，但它除了布置顯示裝置和操縱裝置外（鍵盤、鼠標、按鈕等），還可以將其它的設備配置在下面的柜中。因此武器發射控制臺基本組成有：顯示設備、按鈕面板、鍵盤和鼠標、機柜等。

圖1 控制臺形式

由于武器發射控制臺的使用環境不像工業控制臺，在形式設計和選擇時會受到限制。特別由于艦艇中的空間有限，一般對控制臺的外形尺寸有嚴格的限制，如標準控制臺最大外形尺寸（寬×厚×高）：600mm×500mm×1600mm；操作方式為站式。本文以此基本要求為基礎進行武器發射控制臺的分析與設計。初始設計方案采用直柜式，可以選擇的方案有抽拉式鍵盤和翻蓋式鍵盤方案。具體形式方案如圖1所示。

由圖1可以看出，在抽拉式鍵盤的設計方案中，下面機柜的空間相對于翻蓋式鍵盤設計方案較大，意味著可以布置更多的功能模塊，像加固主機、測控箱等。而且由于各個功能模塊布置在機柜中，減少外部安裝功能模塊，最終使武器發射控制臺的功能更加多樣化。因此在方案設計中考慮到功能模塊的組裝，及為了保證足夠的內部空間進行內部線纜布置，選擇抽拉式鍵盤的控制臺方案。

2.2 武器發射控制臺結構設計

控制臺的設計，關鍵是控制器與顯示器的布置必須位于作業者正常的作業范圍內，保證作業者能很好地觀看顯示器，操作所有的控制按鍵。

1）顯示屏安裝位置及界面色彩選擇

顯示屏是用來顯示各種信息的主要設備，顯示屏的安裝位置十分重要，如果安裝位置不合理就可能會造成觀察失誤或者顯示屏存在盲區，操作人員觀察信息時十分不方便，延誤操作時間或造成信息觀察錯誤，帶來嚴重的后果。在視野范圍內，人眼對不同的角度情況下的各種顏色的敏感度也是不一樣的，因此在設計顯示屏顯示界面的時候應根據人機工程學設計顯示色彩。在人的頭部不活動的情況下，人眼觀察范圍上90°、下60°、左右各95°。而人體觀察視野最佳范圍為上40°到下20°，左右各30°的區域，具體如圖2所示。操作者水平視線以下10°～15°，這是操作者坐著或站著時的自然視線區域，顯示器的中心應在這個區域內，界面色彩應以人眼最佳敏感色彩為主。

圖2 人的視野特性與視野界限

2）操作裝置的安裝范圍

操作裝置主要包括鍵盤、鼠標、按鈕以及接口等，它們是人機交互中人向機器發送命令的設備，應布置在人手最方便的操作區域內。根據人機工程學的原理，人手在不同的運動區域內運動速度是不同的，左右手運動最快區域如圖3所示。

由圖3可以看出在±30°～±60°區域內，人的出手速度最快、最方便，所以在控制臺的設計中需要人手操作的設備安裝在此范圍區域內。根據多數人的使用習慣，外部接口安裝范圍一般是布置在發控臺靠右地方。

圖3 手部運動速度最快區域示意圖

根據人機工程學原理，初步布置發射系統控制臺的顯示屏以及鼠標鍵盤的安裝位置。其他的設備像軍用加固計算機，電源控制模塊、測控模塊等設備放置到機柜中。

3 發射系統控制臺主要尺寸的設計

根據總體使用環境的要求，武器發射控制臺為站位操作，因此需要根據人站姿操作確定的主要尺寸有鍵盤高度，操作面板高度及顯示屏高度。武器發射控制臺形式選擇的是直柜抽拉式鍵盤的方案，根據人體高度初步確定顯示屏在控制臺最上方，按鈕面板一般放置在顯示屏右側或者下方。

3.1 鍵盤高度設計

鍵盤是武器發射控制臺主要的操控裝置，在操作控制臺的過程中，會較多的使用鍵盤。站姿工作條件下，如果鍵盤的高度太低或者太高都會造成操作不便，降低工作效率。人機工程學要求工作平面設置在最佳的高度，設計人性化的工作平面。根據人機工程學統計數據，體力勞動適宜的站姿工作平面高度如表1所示，表中參考的人體模板高度為男1686mm，女1580mm。

表1 站姿體力勞動最佳工作平面高度（單位mm）

由于武器發射控制臺的鍵盤操作屬于較低強度工作，且武器發射控制臺的操作人員以男兵為主，根據表1中的數據，鍵盤操作面高度應在950～1100mm 高度范圍內。在設計中由于控制臺高度已經固定，考慮到下方機柜的容量，以及上部操作面板和顯示屏的布置，鍵盤操作面的設計高度為1015mm。

由于武器發射控制臺的外形總體寬度已經固定為600mm，鍵盤為抽拉式，因此布置鍵盤和鼠標位置的寬度不能大于550mm。多數人用右手操作鼠標，鼠標布置在工作平面的右側。在鼠標和鍵盤選型的時候應選擇寬度較小的鍵盤和鼠標。

3.2 顯示屏高度和角度

顯示屏面的大小和位置是顯示裝置設計中的重要問題，因為它直接影響人的識別，不能忽視。為了保護人眼不受電子射線的傷害，從人體軸線到視屏中心的最大閱讀距離為710mm 左右。在視距710mm 左右的情況下，屏幕面積較小時，外圈目標的辨別效率較高；而屏幕面積較大時，則內圈目標的辨別效率較高。在武器發射控制臺工作時，考慮到顯示器用于顯示武器的操作信息和狀態信息，功能較為復雜，太小無法在界面上清晰顯示各種信息，因此一般選用17寸軍用液晶加固顯示屏。

顯示屏的布置在控制臺的最上端，顯示屏中心點離地的高度為1380mm。而人眼的高度一般高于該高度，人體模板高度為男1686mm 時，人眼的統計高度為1576mm。軍用液晶顯示屏視角一般在170°左右。屏幕一般在與人眼垂直的情況下清晰度最高，觀察最為舒適。因此顯示屏應設計與垂直方向的角度。角度的確定主要是由視距即人眼與顯示屏的距離L，人眼高度與顯示屏高度的差h，來確定顯示屏與的傾斜角度。角度β的大小與L、h的關系如圖4所示。具體的計算方法如式（1）所示

根據式（1）可以計算出顯示屏的傾角，計算得到角度β＝72.7°，考慮到安裝與工藝問題，顯示屏的傾角取75°。

圖4 顯示屏角度示意圖

3.3 按鈕面板設計

控制臺的手動操縱裝置一般分為三種類型：旋轉式、移動式和按壓式［3］，由于按壓式操縱具有占地小，排列緊湊等特點，而且武器發射控制臺操縱裝置主要有兩個工作位置：接通和斷開，所以選擇的操縱裝置為按鍵形式。

武器發射控制臺的按鈕功能主要分為以下幾個部分：電源開關按鈕、主機開關按鈕、發射按鈕以及系統復位按鈕。根據需要，電源類按鈕可以是多個，用于控制不同的分系統。在這些按鈕中發射按鈕非常重要，是用于武器發射的功能按鈕，按鈕顏色應為醒目的紅色，避免不需要發射時誤發射或者在需要發射時無法及時完成操作。

4 安全性設計

安全性設計是武器發射控制臺人機工程設計的一個重要方面，人機系統的安全性指能夠排除構成系統的各要素導致災害事故的潛在因素，保證系統全部處于正常狀態下工作的性能。安全性能是其非常重要的一個指標［4］，直接影響著武器發射控制臺的性能以及操作人員的人身安全，因此必須對控制臺結構進行安全人機工程設計。

·導軌：由于部分上柜設備自身比較重，且考慮到要便于維修的問題，機柜為上柜設備的安裝提供了能承受五十公斤以上重量的伸縮式三節導軌，該導軌可以防止設備自行滑落，既保證了設備不會掉下來砸傷操作者，又保證了當設備拉出后有足夠的空間便于維修。

·安裝底板：由于武器發射控制臺安裝內部設備模塊后，整體比較重，為了避免發生傾倒之類的意外，在機柜底部設計了安裝底板，用螺栓固定在船體地板上。

·減震器：由于工作環境特殊，顛簸厲害，為保護設備，在武器發射控制臺底部和背部都安裝了減震器，以減輕船體顛簸對設備的沖擊。

·排風扇：由于發射裝置控制臺內安裝的設備比較多，所以在武器發射控制臺的背部安裝了兩臺風扇，用于散熱，改善設備工作環境，提高設備使用壽命。

5 色彩設計

根據人機工程學原理，人在長時間注視設備的時候，色彩會影響到人的情緒，較好的色彩設計能夠減輕人們的心理壓力。相反，不好的色彩設計會使人容易煩躁，因此武器發射控制臺要有較好的外觀色彩，避免戰時給操作人員帶來負面影響。色彩在產品造型效果中有先聲奪人的藝術魅力，對人的生理和心理會產生重要影響。發射裝置控制臺為金屬制造的產品，技術含量高，容易使操作者感覺缺乏人情味，從而增加心理壓力。良好的色彩的設計能在很大程度上緩解這種壓力。對于發射裝置控制臺來說，其色彩要給人以舒適、高雅、清新的感覺，讓操作者在工作時心情愉快。不宜過分灰暗與單調，也不宜過分艷麗與凌亂，顏色搭配采用3～5種即可。一般采用大面積低純度的色彩統一全局，體現結構的整體感，再采用裝飾色帶、面板色以及警惕色等與主體形成適當的對比效果，從而達到調和統一的目的。因此在本設計中，柜體選用給人以清新，舒適感覺的軍綠灰色；所有上柜設備面板統一采用軍綠灰色為主色調，可在顯示屏、鍵盤等位置適當搭配其他顏色（如白色、黑色）；而對于電源指示燈選用比較醒目的紅、綠、黃色；把手采用銀色。這樣的色彩搭配整體比較協調，可以降低操作者長時間面對的疲勞程度。

6 結語

武器發射控制臺是復雜的機電產品，是戰士與武器系統交互的接口，因此設計應以人為本，要充分運用人機工程學理論，結合產品實際使用環境，設計出真正實用、可靠、宜人的產品。

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