無人機(jī)地面控制站人機(jī)工效研究

湯易　金穎　周英博

摘要：文章針對(duì)長(zhǎng)航時(shí)中、大型無人機(jī)地面站的人機(jī)工效進(jìn)行了研究，首先介紹了無人機(jī)地面站的人機(jī)工效設(shè)計(jì)要求，然后根據(jù)各個(gè)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)出無人機(jī)地面站相應(yīng)的各個(gè)部分。結(jié)果證明：考慮了人機(jī)功效因素的無人機(jī)地面站系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠，且人機(jī)界面設(shè)計(jì)良好，地面站操作員對(duì)該地面站系統(tǒng)的評(píng)價(jià)非常高。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；地面控制站；人機(jī)工效；長(zhǎng)航時(shí)；地面站；人在回路 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：V279 文章編號(hào)：1009-2374（2016）01-0006-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.01.004

人機(jī)工效是指人與設(shè)備的合理匹配，從而使得設(shè)備產(chǎn)生最大的效益。對(duì)于地面站操作員來說，心理滿意度是指對(duì)工作和工作環(huán)境等一種內(nèi)在的感受和態(tài)度，即對(duì)工作滿意狀況的主觀反映。人機(jī)工效的重要性主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：（1）高空長(zhǎng)航時(shí)中、大型的無人機(jī)的戰(zhàn)爭(zhēng)目標(biāo)是“零傷亡”，而目前的無人機(jī)系統(tǒng)仍屬于“人在回路”的系統(tǒng)，即地面站操作人員擁有控制無人機(jī)的最終決定權(quán)；（2）地面站自身的局限性，例如監(jiān)視信息量大、工作時(shí)間長(zhǎng)、空間狹小等會(huì)增加地面站操作員的工作負(fù)荷和操作難度，使得操作員極易產(chǎn)生心理、生理疲勞，甚至導(dǎo)致操作員誤判或誤操作。因此，在無人機(jī)地面站設(shè)計(jì)中，需要綜合考慮人機(jī)工效這一重要因素。

1 無人機(jī)地面控制站的系統(tǒng)組成

目前國內(nèi)外常見的無人機(jī)地面控制站均具有飛行監(jiān)控、任務(wù)規(guī)劃、鏈路監(jiān)控、任務(wù)載荷監(jiān)控、情報(bào)數(shù)據(jù)分析、通信指揮控制等綜合能力。按使用功能和部署情況可將地面控制站分為基地級(jí)、移動(dòng)方艙式及便攜式三種，本文將著重對(duì)移動(dòng)方艙式地面控制站進(jìn)行人機(jī)工效設(shè)計(jì)。

2 人機(jī)工效設(shè)計(jì)要求

地面站人機(jī)工效的設(shè)計(jì)要求主要包括以下方面：作業(yè)環(huán)境、操作席位、人機(jī)界面、人機(jī)功能分配、防錯(cuò)措施和應(yīng)急措施。

2.1 作業(yè)環(huán)境

由于地面站是密閉的方艙，空間狹小，空氣流通性差，大量的艙內(nèi)任務(wù)設(shè)備，尤其是顯示器計(jì)算機(jī)等設(shè)備的發(fā)熱量很大，所以，艙內(nèi)的通風(fēng)散熱能力成為工作環(huán)境的人機(jī)工效設(shè)計(jì)要求的研究重點(diǎn)。除此之外，地面站艙內(nèi)的環(huán)境溫度、照明、色彩和噪聲將會(huì)影響操作員的工作效能、身體健康以及人體舒適度。

2.2 操作席位

地面站操作席位主要包括座椅、控制臺(tái)架及臺(tái)架上的顯示器、操作機(jī)構(gòu)、按鍵、開關(guān)等設(shè)備。具體來說，操作席位的人機(jī)工效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(shì)；顯示器安裝角度是否考慮人的視角、視距的合理性；操縱機(jī)構(gòu)的外形是否滿足人手操作的舒適性，位置是否符合人體尺寸要求和肢體用力范圍等。

2.3 人機(jī)界面

地面站的人機(jī)界面設(shè)計(jì)要求是，操作員能夠?qū)o人機(jī)平臺(tái)、任務(wù)載荷、數(shù)據(jù)鏈終端進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并進(jìn)行航路規(guī)劃和情報(bào)信息處理。因此，根據(jù)相關(guān)人機(jī)界面的設(shè)計(jì)要求，應(yīng)先按功能劃分席位，然后設(shè)計(jì)與各席位相對(duì)應(yīng)的人機(jī)界面。

2.4 人機(jī)功能分配

人機(jī)功能分配的設(shè)計(jì)要求需要考慮以下因素：（1）人和機(jī)器的性能、特點(diǎn)、負(fù)荷能力、潛在能力以及各種限度；（2）人適應(yīng)機(jī)器所需的選拔條件和培訓(xùn)時(shí)間；（3）人的個(gè)體差異和全體差異；（4）人和機(jī)器對(duì)突然時(shí)間應(yīng)激反應(yīng)能力的差異和對(duì)比；（5）機(jī)器替代人的效果以及可行性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等方面的對(duì)比分析。

2.5 防錯(cuò)措施

由于地面站操作員擁有對(duì)飛機(jī)、載荷、鏈路、地面站的最終控制權(quán)，因此研究直接影響飛行安全和任務(wù)執(zhí)行操作的防錯(cuò)措施具有十分重要的意義。無人機(jī)地面站的防錯(cuò)措施有兩點(diǎn)設(shè)計(jì)要求：（1）在人機(jī)交互界面上防止操作員的誤碰導(dǎo)致的指令發(fā)出；（2）在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)防止與飛行狀態(tài)不匹配的操作指令執(zhí)行。

2.6 應(yīng)急措施

地面站的相關(guān)應(yīng)急措施可以有效保證操作員在各種緊急情況下仍能完成任務(wù)。應(yīng)急措施的設(shè)計(jì)要求有以下兩點(diǎn)：當(dāng)故障發(fā)生后，能夠快速、準(zhǔn)確地定位故障并及時(shí)地向操作員告警；保證在數(shù)據(jù)鏈或地面站內(nèi)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，操作員仍能持續(xù)地對(duì)無人機(jī)飛行進(jìn)行監(jiān)控。

3 無人機(jī)地面控制站人機(jī)功效設(shè)計(jì)

3.1 作業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)

3.1.1 空間布局。本設(shè)計(jì)采用分艙設(shè)計(jì)：工作艙、機(jī)柜艙和附件艙。工作艙放置的是控制臺(tái)，這樣不僅能讓作業(yè)空間變得更加寬敞、整潔，還可以隔離設(shè)備工作時(shí)產(chǎn)生的噪聲；機(jī)柜艙用來放置計(jì)算機(jī)等設(shè)備；附件艙用來存放電纜、工具包等。

3.1.2 通風(fēng)散熱。工作艙內(nèi)左右壁各安裝1個(gè)換氣扇，進(jìn)氣扇置于左側(cè)底部、排氣扇置于右側(cè)頂部。工作艙及機(jī)柜艙頂部?jī)蓚?cè)均設(shè)置有多個(gè)空調(diào)出風(fēng)口，其中工作艙的空調(diào)出風(fēng)口可獨(dú)立進(jìn)行風(fēng)量大小控制，操作員可以根據(jù)自身身體條件調(diào)節(jié)所在區(qū)域的溫度，營(yíng)造舒適的溫?zé)岘h(huán)境。

3.1.3 噪聲控制。降噪措施可以從兩個(gè)方面入手：（1）控制噪聲源；（2）避免產(chǎn)生振動(dòng)。設(shè)計(jì)時(shí)，選用低噪聲軸流風(fēng)機(jī)以減小噪聲，并將空調(diào)機(jī)架與方艙包邊連接，這種整體式框架結(jié)構(gòu)在最大程度上減小了空調(diào)的振動(dòng)噪聲向艙內(nèi)的傳播。

3.1.4 采光照明。在方艙的左壁板上共設(shè)有2個(gè)采光窗，并沿方艙頂部縱向設(shè)置6盞8W LED照明燈。在實(shí)際使用過程中，通過照明燈照度調(diào)節(jié)旋鈕適量調(diào)節(jié)工作艙照度，為工作人員提供舒適的工作環(huán)境。

3.1.5 顏色配置。為了使操作員長(zhǎng)期在艙內(nèi)工作創(chuàng)造柔和的視覺環(huán)境，避免視覺疲勞，同時(shí)凸顯操作功能區(qū)域，艙內(nèi)墻面顏色為乳白色，設(shè)備顏色為玉白色、控制臺(tái)架為黑色。

3.2 操作席位設(shè)計(jì)

3.2.1 席位的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。地面站操作席位控制臺(tái)按亞洲人體標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合具體設(shè)備進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)新穎，體現(xiàn)人性化理念，具有時(shí)代感，外觀呈流線型，按亞洲人體工程學(xué)，靈活性及穩(wěn)定性設(shè)計(jì)考慮。滿足人體工程學(xué)及人體操作視線要求，布局整齊美觀、舒適、實(shí)用。控制臺(tái)的機(jī)構(gòu)圖見圖1。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，控制臺(tái)尺寸有如表1所示。