在反坦克導(dǎo)彈武器操控系統(tǒng)設(shè)計中廣泛應(yīng)用人因工程學(xué)理論*

王爽英,蒲小平,魏建峰,黃燕群

(1 中國兵器工業(yè)第203研究所,西安 710065;2 空軍裝備部,北京 100843)

在反坦克導(dǎo)彈武器操控系統(tǒng)設(shè)計中廣泛應(yīng)用人因工程學(xué)理論*

王爽英1,蒲小平2,魏建峰1,黃燕群1

(1 中國兵器工業(yè)第203研究所,西安 710065;2 空軍裝備部,北京 100843)

文中針對近年來發(fā)展迅速的人因工程學(xué)在反坦克導(dǎo)彈武器操控系統(tǒng)的可行性應(yīng)用進(jìn)行分析,提出了在操控系統(tǒng)設(shè)計過程中廣泛應(yīng)用人因?qū)W理論的實踐、測試和評估方法,拓寬了武器操控系統(tǒng)的設(shè)計思路,對后續(xù)產(chǎn)品的研發(fā)具有一定的借鑒意義。

反坦克導(dǎo)彈武器;操控系統(tǒng);人因工程學(xué);人-機(jī)-環(huán)境

0 引言

人因工程學(xué)(human factors engineering)是近些年得到迅速發(fā)展和應(yīng)用的,以人體科學(xué)、工程技術(shù)、環(huán)境科學(xué)和社會科學(xué)等學(xué)科為基礎(chǔ)的一門新興交叉學(xué)科。它主要研究“人-機(jī)-環(huán)境”系統(tǒng)中各種因素的相互關(guān)系,以此創(chuàng)建最佳的人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng),廣泛應(yīng)用于藝術(shù)設(shè)計、工業(yè)設(shè)計、工業(yè)工程、安全工程、航天航空和武器裝備等重要領(lǐng)域[1-2]。人因工程學(xué)是一門根據(jù)人的各種特性,對與人直接相關(guān)的機(jī)具、作業(yè)、環(huán)境等進(jìn)行設(shè)計和改造的學(xué)科,因此,人因工程學(xué)的研究內(nèi)容和研究方法主要是對人機(jī)系統(tǒng)整體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計和處理[2],其核心思想是“使機(jī)器適應(yīng)于人”。

作者通過對人因工程學(xué)理論學(xué)習(xí),結(jié)合工作實際,認(rèn)為現(xiàn)階段武器操控系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)更加廣泛應(yīng)用人因?qū)W理論并進(jìn)行實踐,以此努力將產(chǎn)品設(shè)計達(dá)到一個更高的技術(shù)水平。

1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

人因工程學(xué)的研究最早可追溯至20世紀(jì)50年代,美國國家實驗室進(jìn)行的一項關(guān)于人因失誤度量的實驗。由此在隨后的幾十年間,該研究成果在核工業(yè)、航空航天、石油工業(yè)、道路交通、武器裝備等行業(yè)得到了不同程度的應(yīng)用。例如:中國航天員科研訓(xùn)練中心人因工程重點(diǎn)實驗室進(jìn)行的航天系統(tǒng)人因工程研究,范圍包括航天員作業(yè)能力與績效、航天器人機(jī)界面和人機(jī)交互、航天人誤與人因可靠性[3]。清華大學(xué)人因與功效學(xué)研究所設(shè)立的駕駛安全與人機(jī)系統(tǒng)仿真實驗室,進(jìn)行道路交通事故數(shù)據(jù)分析與趨勢、駕駛員認(rèn)知、態(tài)度、行為和能力等方面的研究。人因工程學(xué)在我國于20世紀(jì)90年代起得到較大的發(fā)展,雖然已走入世界前列,但與美國相比還存在很大差距[4]。

目前現(xiàn)有的已設(shè)計完成的反坦克導(dǎo)彈武器系統(tǒng)人機(jī)環(huán)設(shè)計只限于設(shè)計數(shù)據(jù)分析采納階段,測試和應(yīng)用數(shù)據(jù)未有大量的數(shù)據(jù)依據(jù)可循,并沒有真正充分引入人因工程學(xué)研究方法。

在操控系統(tǒng)的設(shè)計初始階段,采用人因工程理論進(jìn)行系統(tǒng)的人因要素分析,將會減少設(shè)計的反復(fù),提高系統(tǒng)的使用績效,增進(jìn)系統(tǒng)的安全,提高操作人員的滿意度[1]。

人因工程從保障武器系統(tǒng)任務(wù)策劃的科學(xué)合理性方面出發(fā),可提升射手信息加工和決策可靠性,減少操作失誤,優(yōu)化人機(jī)功能分配,在人-系統(tǒng)整合協(xié)同高效工作以及提高系統(tǒng)安全性等方面將發(fā)揮重要作用。

反坦克導(dǎo)彈武器系統(tǒng)發(fā)射任務(wù)中射手發(fā)射操控系統(tǒng)使用環(huán)境的相互關(guān)系圖見圖1。

圖1 反坦克導(dǎo)彈發(fā)射操作控制系統(tǒng)人-機(jī)-環(huán)境相互關(guān)系圖

2 人因工程學(xué)在操控系統(tǒng)設(shè)計的應(yīng)用范圍

人因工程學(xué)在反坦克導(dǎo)彈發(fā)射操作控制系統(tǒng)的設(shè)計起著至關(guān)重要的作用,概括為以下幾個方面。

2.1 人的因素

操控系統(tǒng)設(shè)計者需要了解武器系統(tǒng)使用者的基本生理特征,包括人體尺寸、體重、重心等;并應(yīng)分析使用者的機(jī)能特征,包括分析視覺、聽覺和觸覺;在武器工作站內(nèi)使用操控系統(tǒng)時的生理變化,包括能量消耗、疲勞機(jī)理以及對各項操作的負(fù)荷的承受能力。反坦克導(dǎo)彈由于使用范圍環(huán)境和制導(dǎo)方式不同,對射手的各項生理特征要求不同。例如:激光半主動制導(dǎo)反坦克導(dǎo)彈,在導(dǎo)彈發(fā)射后需要通過瞄準(zhǔn)裝置跟蹤目標(biāo),射手在幾十秒飛行時間內(nèi),需要通過操縱手柄和顯示器完成人在控制回路的作用。因此手柄和顯示器對射手的適應(yīng)程度將尤為重要。

2.2 產(chǎn)品的因素

在操控系統(tǒng)的設(shè)計方案形成初期,似乎處于一個“仁者見仁,智者見智”的過程,每個按鈕位置確定以及畫面顯示文本或圖標(biāo)的位置都要經(jīng)過一番推敲論證,不能只與設(shè)計人員相關(guān),使用者參與程度和范圍也應(yīng)是設(shè)計過程的重要參考。對于射手直接使用的操控系統(tǒng)設(shè)備,比如顯示裝置、操縱裝置、工作臺和控制室等部件的形狀、大小、色彩以及設(shè)計基準(zhǔn),應(yīng)以人因工程提供的參數(shù)和要求為設(shè)計依據(jù)。例如:顯示裝置的大小和安裝位置根據(jù)人因數(shù)據(jù)中人眼的最佳視區(qū),觀察距離不小于人眼最小觀察距離[5]。

2.3 環(huán)境的因素

環(huán)境因素包括導(dǎo)彈武器系統(tǒng)工作平臺所處的空間環(huán)境、電磁兼容環(huán)境、使用者所在環(huán)境舒適程度,重點(diǎn)考慮射手在這個平臺上使用操控系統(tǒng)的各種物理反應(yīng)、生理心理反應(yīng)和適應(yīng)能力。設(shè)計過程中需要考慮發(fā)射工作平臺上聲、光、熱、振動等環(huán)境變化給射手帶來的各種變化,以及這些變化對其操控武器系統(tǒng)帶來的影響,包括是否產(chǎn)生誤操作、危險操作。因此設(shè)計中需要進(jìn)行人因工程學(xué)分析提供環(huán)境分析評價的方法和準(zhǔn)則。例如:軍用顯示裝置根據(jù)使用的環(huán)境提出環(huán)境照明、防眩光、刷新頻率等指標(biāo)要求[5]。設(shè)計開發(fā)的同時可進(jìn)行反坦克導(dǎo)彈武器系統(tǒng)使用環(huán)境的分析調(diào)查,從而在設(shè)計時提出與使用環(huán)境相適應(yīng)的操控系統(tǒng)設(shè)計要求。

3 人因工程學(xué)對操控系統(tǒng)設(shè)計的影響

雖然關(guān)于人-機(jī)-環(huán)境優(yōu)化的設(shè)計已經(jīng)進(jìn)行了很多嘗試,但是我們不得不承認(rèn)大量的設(shè)計成果與實際應(yīng)用的產(chǎn)品設(shè)計之間仍然存在許多差距,仍然導(dǎo)致產(chǎn)品交付部隊后出現(xiàn)與使用者不相容的情況。科研設(shè)計工作由于長期固有的思維模式導(dǎo)致存在的問題不能被及時發(fā)現(xiàn)。基于上述問題,作者建議結(jié)合人因工程學(xué)理論操控系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)聚焦在以下幾個方面。

3.1 設(shè)計符合使用者的人-機(jī)-環(huán)境

反坦克導(dǎo)彈武器操控系統(tǒng)的使用者包括射手、設(shè)備檢修人員等,有必要分析使用者的生理數(shù)據(jù),對武器系統(tǒng)操作和檢修過程中,使用者對產(chǎn)品的生理感覺比如一個按鍵或者一個提拉手柄的舒適程度將關(guān)系到對系統(tǒng)的反應(yīng)和武器命中績效。外觀界面的設(shè)計不應(yīng)只由少數(shù)設(shè)計者進(jìn)行主導(dǎo),應(yīng)依據(jù)以樣機(jī)試驗為基礎(chǔ)進(jìn)行人因測試論證得出改進(jìn)結(jié)論進(jìn)行。即使不能保證百分之百的使用者對產(chǎn)品的舒適程度滿意,也應(yīng)提供適合使用操控系統(tǒng)的使用者的生理條件,比如身高、體重、視力范圍等等。

3.2 人機(jī)交互信息的優(yōu)化、測試與判斷

武器系統(tǒng)信息決定出現(xiàn)的事件、信息的變化需要操控系統(tǒng)參與判斷、編碼和傳遞[6],并且射手需要進(jìn)行反應(yīng)和判斷。因此對信息的定量化(事件數(shù)目、出現(xiàn)概率、順序限制和出現(xiàn)背景)、信息傳遞(優(yōu)先級、傳遞速度)以及信息展現(xiàn)方式(常態(tài)報告、告警方式、人機(jī)交互方式)需要進(jìn)行討論分析,討論分析的范圍包括:減少射手心理操作的數(shù)量、圖示編碼信息的一致性、信息提示的閱讀重點(diǎn)、突出在操作流程的重點(diǎn)控制導(dǎo)向,通過上述分析形成設(shè)計準(zhǔn)則可提高射手對系統(tǒng)狀態(tài)的認(rèn)知、反應(yīng)力和敏感性,從而減少射手工作心理負(fù)荷和誤操作。

3.3 形成符合武器裝備特點(diǎn)的控制系統(tǒng)的設(shè)計原則

經(jīng)過各種長期的設(shè)計和使用經(jīng)驗,結(jié)合人因工程設(shè)計原則,操控系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)形成下列設(shè)計原則。

3.3.1 使用空間原則

考慮射手使用操控系統(tǒng)的最大周圍設(shè)備間距、最小的伸及等要求,這些考慮主要應(yīng)用在機(jī)載或車載封閉空間內(nèi);考慮維修人員維修空間要求,如拆卸產(chǎn)品后維修需要的最小空間;考慮根據(jù)使用者生理條件不同的可調(diào)節(jié)性需要,如使用者與設(shè)備的相對位置調(diào)節(jié)。

3.3.2 組件設(shè)備排列布局原則

操控系統(tǒng)的組件是指控制面板及開關(guān)按鍵、顯示器圖標(biāo)狀態(tài)文本信息、狀態(tài)儀表等。操控系統(tǒng)的組件由射手直接使用,根據(jù)武器系統(tǒng)使用流程,排列布局應(yīng)依據(jù)使用頻率、重要性、使用順序、一致性等人因設(shè)計原則,同時還應(yīng)在顯示器界面中考慮控制?顯示相容性原則。根據(jù)組件的功能進(jìn)行區(qū)域劃分,避免操控過程的混亂和誤操作。

3.4 建立人因工程學(xué)的有效參與、測試和評估體系

人因?qū)W專家的目標(biāo)是通過提高績效、滿意度和安全性使系統(tǒng)獲得成功。鑒于此目標(biāo),在操控系統(tǒng)設(shè)計中除了完成基礎(chǔ)的功能性設(shè)計,需要把人因?qū)W原則、方法和數(shù)據(jù)應(yīng)用于產(chǎn)品或系統(tǒng)的設(shè)計。在設(shè)計流程中先期考慮人因,就不會將追求研制進(jìn)度和設(shè)計完美需求兩者置于矛盾之中。

人因?qū)W參與操控系統(tǒng)設(shè)計的工作流程圖見圖2。

圖2 人因?qū)W在操控系統(tǒng)設(shè)計參與的流程框圖

人因鑒定測試工作應(yīng)包括:測試目標(biāo)說明、測試實驗方法、測試人員基本信息統(tǒng)計、測試設(shè)備統(tǒng)計、任務(wù)分析、任務(wù)數(shù)據(jù)梳理分析、分析評估數(shù)據(jù)。

操控系統(tǒng)評估的結(jié)果不僅是對產(chǎn)品的性能負(fù)責(zé),更重要的是對使用者負(fù)責(zé),通過評估可以對可接受性、可用性和人-機(jī)系統(tǒng)的相容性績效方面進(jìn)行數(shù)據(jù)積累,直至設(shè)計出用戶滿意的產(chǎn)品。

現(xiàn)階段操控產(chǎn)品的設(shè)計使用過程缺乏全面的數(shù)據(jù)支撐。無論是新研產(chǎn)品還是改進(jìn)改型產(chǎn)品都需要有真實測試數(shù)據(jù)支持評估結(jié)論,使每一次產(chǎn)品的改進(jìn)具有完全的說服力。通過查閱美軍人因工程學(xué)資料[7],在關(guān)于某型改進(jìn)裝備的人因鑒定報告中,對測試的人員信息、測試環(huán)境、測試方法等均有詳細(xì)的數(shù)據(jù)描述,對改進(jìn)系統(tǒng)提出詳盡的分析報告,因此試驗結(jié)論有理有據(jù)可信。

4 結(jié)束語

人因工程的研究體系范圍寬廣,依據(jù)文中分析的應(yīng)用范圍和影響,以及人因工程學(xué)實施方案,作者認(rèn)為在反坦克導(dǎo)彈操控系統(tǒng)設(shè)計過程中廣泛應(yīng)用與實施需要從各個方面開展,包括項目的組織和管理、技術(shù)研究廣度和深度拓展以及高層的重視、投入和各項保障。

為了滿足我軍裝備信息化體系化設(shè)計要求,在操控系統(tǒng)設(shè)計和生產(chǎn)過程中引入人因工程學(xué)設(shè)計原則和測試,并且有必要開展人因設(shè)計測試評估工作,雖然這項工作是一個跨領(lǐng)域跨學(xué)科的龐大工程,但是相信經(jīng)過若干年的工作開展,其過程產(chǎn)生的設(shè)計原則和評估方法,必然對產(chǎn)品的安全性和可靠性以及用戶滿意度產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

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[3] 陳善廣, 姜國華, 王春慧. 航天人因工程研究進(jìn)展 [J]. 載人航天, 2015, 21(2): 95-105.

[4] 陽富強(qiáng), 吳起, 汪發(fā)松, 等. 1998—2008年人因可靠性研究進(jìn)展 [J]. 科技導(dǎo)報, 2009, 27(8): 87-94.

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[7] ELLTS P H. Human factors evaluation of the modified AT-4 light antiarmor weapon: ADA 147482 [R]. 1984.

Extensive Use of Human Factor Engineering in Operating System of Anti-tank Missile Weapon Design

WANG Shuangying1,PU Xiaoping2,WEI Jianfeng1,HUANG Yanqun1

(1 No.203 Research Institute of China Ordnance Industries, Xi’an 710065, China; 2 Air Force Armament Division, Beijing 100843, China)

The paper focuses on feasibility analysis on application of recently rapid-developing human factors engineering in operating system of anti-tank missile weapon, providing methods of practice, testing and evaluation of extensive use of human factor engineering in the process of designing system for operation and control devices, laying foundation for R&D of future products.

anti-tank missile weapon; operating system; human factor engineering; human-machine-environment

2016-06-02

王爽英(1974-),女,陜西韓城人,高級工程師,碩士,研究方向:武器裝備操控系統(tǒng)研發(fā)。

TJ768

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