載人潛器駕駛艙人機(jī)工效評(píng)估方法研究

陳登凱，王雨倩，葉 聰，何再明

（1. 西北工業(yè)大學(xué) 陜西省工業(yè)設(shè)計(jì)工程實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710072；2. 中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無(wú)錫 214082）

載人潛器駕駛艙人機(jī)工效評(píng)估方法研究

陳登凱1，王雨倩1，葉 聰2，何再明2

（1. 西北工業(yè)大學(xué) 陜西省工業(yè)設(shè)計(jì)工程實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710072；2. 中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無(wú)錫 214082）

為了提高載人潛器駕駛艙人機(jī)工效設(shè)計(jì)的質(zhì)量，有效考慮特殊環(huán)境下人的心理、生理因素的變化對(duì)人操作可靠性的影響，本文基于人機(jī)工程學(xué)構(gòu)建了駕駛艙人機(jī)工效評(píng)估模型，提出作業(yè)績(jī)效指數(shù)概念，并明確其確定方式，利用CREAM預(yù)測(cè)法預(yù)測(cè)人的不可靠性導(dǎo)致的人因失效概率，最終得到了駕駛艙人機(jī)工效評(píng)估值。開(kāi)發(fā)了數(shù)字化評(píng)估軟件，并通過(guò)某載人潛水器駕駛艙人機(jī)工效評(píng)估驗(yàn)證了該方法的有效性。

載人潛器駕駛艙；人機(jī)工效評(píng)估；作業(yè)績(jī)效指數(shù)；人因失效概率

0 引 言

載人潛器駕駛艙是面向特殊使用對(duì)象的產(chǎn)品，是駕駛員執(zhí)行海底任務(wù)的工作休息場(chǎng)所和維系安全的特定保障系統(tǒng)。其設(shè)計(jì)不僅要求能為駕駛員提供清晰全面的信息，準(zhǔn)確判斷并快速執(zhí)行決策的操縱方式，而且還必須考慮人自身的各項(xiàng)因素以及環(huán)境的影響。若缺乏人機(jī)的合理考慮，則會(huì)產(chǎn)生影響駕駛安全、工作狀態(tài)和威脅駕駛員身心健康等重大問(wèn)題。為了提高載人潛水器駕駛艙的設(shè)計(jì)水平、提升駕駛員的工作效率、安全可靠性和舒適性，進(jìn)行駕駛艙人機(jī)工效評(píng)估是設(shè)計(jì)駕駛艙不可缺少的重要環(huán)節(jié)之一。

對(duì)于載人潛器駕駛艙人機(jī)工效評(píng)估，國(guó)內(nèi)外相差不大，其研究起始于航空航天領(lǐng)域，并向其他產(chǎn)品領(lǐng)域迅速擴(kuò)展。Cem Alppay等［1］提出以人為中心，運(yùn)用UCIAM方法解決民用直升飛機(jī)中的飛行儀表版的排列布局問(wèn)題；H. Ciloglu等［2］通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法，研究 3 種飛行環(huán)境下客機(jī)經(jīng)濟(jì)艙座椅的舒適性；李博等［3］提出了基于虛擬人體模型參數(shù)作為人機(jī)工效設(shè)計(jì)解空間的參數(shù)獲取方法；宗立成等［4］提出基于遺傳算法的艙內(nèi)人-機(jī)界面人機(jī)工效設(shè)計(jì)方案計(jì)算智能求解方法；葛哲學(xué)等［5］通過(guò)JACK 軟件進(jìn)行仿真，對(duì)艙內(nèi)人機(jī)工效的舒適性、視域、可達(dá)域等工效進(jìn)行評(píng)價(jià)，并提出修改意見(jiàn)。

由此可見(jiàn)，目前的駕駛艙人機(jī)工效評(píng)估多從人的角度出發(fā)，對(duì)艙內(nèi)設(shè)備還有環(huán)境進(jìn)行評(píng)估，忽略了特殊環(huán)境對(duì)人心理和生理的影響。為盡可能客觀、科學(xué)合理反映設(shè)計(jì)實(shí)際情況，本文在已有研究理論和方法的基礎(chǔ)上，綜合考慮上述兩方面因素，提出新的人機(jī)工效評(píng)估模型，有效考慮到人的身體特征對(duì)艙內(nèi)設(shè)備和環(huán)境的約束以及設(shè)備和環(huán)境對(duì)人的影響，構(gòu)建了比較完整的駕駛艙人機(jī)工效評(píng)估系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了可精確測(cè)量和計(jì)算的數(shù)字化評(píng)估軟件。

1 駕駛艙數(shù)學(xué)評(píng)估模型構(gòu)建

完整的駕駛艙數(shù)學(xué)評(píng)估模型應(yīng)綜合考慮人機(jī)交互性能和人因失效概率，因此，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型如下：

式中：H（x）為駕駛艙人機(jī)工效評(píng)估值；P（x）為作業(yè)績(jī)效指數(shù)，用于衡量艙內(nèi)系統(tǒng)對(duì)人完成任務(wù)的準(zhǔn)確性還有效率的影響大小，主要分析視域、可達(dá)域、舒適性等因素；CFP（Cognitive Failure Probability）為人因失效概率預(yù)測(cè)值，主要研究設(shè)備和環(huán)境對(duì)人生理及心理的影響，以及人自身的各項(xiàng)因素對(duì)其操作準(zhǔn)確性的作用。

1.1 作業(yè)績(jī)效指數(shù)

依據(jù)最終評(píng)價(jià)目標(biāo)和實(shí)際設(shè)計(jì)目標(biāo)，并結(jié)合工業(yè)設(shè)計(jì)理論知識(shí)和已有設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)準(zhǔn)則［7–9］，將影響作業(yè)績(jī)效指數(shù)的因素主要確定為 4 個(gè)方面：整體造型、艙內(nèi)設(shè)備、艙內(nèi)色彩、艙內(nèi)照明。根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)的需求以及設(shè)計(jì)所需考慮的重點(diǎn)因素，將各項(xiàng)指標(biāo)細(xì)化，構(gòu)建載人潛水器駕駛艙作業(yè)績(jī)效指數(shù)確定體系，如圖 1所示。為了平衡不同屬性、不同量綱的評(píng)估指標(biāo)在綜合評(píng)估中的影響，本文根據(jù)駕駛艙的實(shí)際需求，將底層指標(biāo)具體描述，并且從主觀和客觀2個(gè)角度細(xì)化指標(biāo)量化以保證統(tǒng)一性。

圖 1 作業(yè)績(jī)效指數(shù)確定Fig. 1 Job performance index definition

作業(yè)績(jī)效指數(shù) P（x）由主觀評(píng)估φ（x）和客觀評(píng)估ψ（x）構(gòu)成，表達(dá)式為：

式中，α 和 β 分別為主觀和客觀評(píng)估結(jié)果的權(quán)重值。α∈［0，1］，β∈［0，1］，α+β = 1。

1）主觀指標(biāo)量化

依據(jù) G·Miller“7 ± 2”認(rèn)知理論［10］將主觀評(píng)估結(jié)果分成“5 級(jí)”和“2 級(jí)”進(jìn)行描述和量化，由具體評(píng)估指標(biāo)決定采用的評(píng)價(jià)等級(jí)，評(píng)估結(jié)果的具體量化方法如表 1所示。

表 1 主觀評(píng)估指標(biāo)量化Tab. 1 Subjective evaluation index quantification

由于每項(xiàng)指標(biāo)對(duì)總體主觀評(píng)估結(jié)果的貢獻(xiàn)度不一，因此，還需確定每項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重 wi，利用加權(quán)法計(jì)算主觀評(píng)估結(jié)果：

式中，wi（i=1， 2， …， n）為各主觀評(píng)估指標(biāo)量化結(jié)果f（xi）對(duì)應(yīng)的權(quán)重值。

2）客觀指標(biāo)量化

將底層客觀評(píng)估指標(biāo)分為成本型、效益型、固定型、區(qū)間型、偏離型和偏離區(qū)間型 6 種屬性。效益型屬性是指屬性值越大越好的屬性，成本型屬性是指屬性值越小越好的屬性，固定型屬性是指屬性值接近某個(gè)固定值越好的屬性，區(qū)間型屬性是指屬性值越接近某個(gè)固定區(qū)間（包括落入該區(qū)間）越好的屬性，偏離型屬性是指屬性值越偏離某個(gè)固定值越好的屬性，而偏離區(qū)間型屬性是指屬性值越偏離某區(qū)間越好的屬性［11］。依據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)需求以及人體尺寸數(shù)據(jù)等信息對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行細(xì)化，區(qū)分各細(xì)化指標(biāo)的屬性信息如表 2 所示，建立相對(duì)應(yīng)的量化函數(shù)。

表 2 客觀評(píng)估指標(biāo)量化Tab. 2 Objective evaluation index quantification

各屬性的量化方法如下：

在各式中，p和q 分別為取值的上下限，a 為固定型屬性的固定值，b 為偏離型屬性的偏離值，［c，d］為區(qū)間型屬性的區(qū)間大小，［e，f］為偏離區(qū)間型屬性的區(qū)間大小。為保證與主觀量化數(shù)值范圍一致，以 5 作為量化數(shù)值的分界點(diǎn)，最優(yōu)值為 10，最差值為 0。

wj（j=1， 2， …， n）為各客觀評(píng)估指標(biāo)量化結(jié)果f（xj）對(duì)應(yīng)的權(quán)重值，則駕駛艙客觀評(píng)估結(jié)果ψ（x）表達(dá)式為：

式中，wj（j=1， 2， …， n）為各客觀評(píng)估指標(biāo)量化結(jié)果f（xj）對(duì)應(yīng)的權(quán)重值。

3）權(quán)重計(jì)算

運(yùn)用 EM［12］法進(jìn)行每項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重計(jì)算，具體操作步驟如下：

設(shè) n 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo) m 個(gè)方案的決策矩陣為

其中，xij為第 i 個(gè)設(shè)計(jì)方案的第 j 個(gè)指標(biāo)數(shù)值。

計(jì)算出第 j 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)下第 i 個(gè)方案的比重：

計(jì)算出第 j 項(xiàng)指標(biāo)下的熵值：

計(jì)算第 j 項(xiàng)指標(biāo)的差異化系數(shù)：

則第 i 類指標(biāo)權(quán)重值為：

1.2 人因失效概率預(yù)測(cè)模型構(gòu)建

本文擬在 CREAM［13 - 14］方法的基礎(chǔ)上建立人因失效概率預(yù)測(cè)模型。CREAM 方法是第 2 代人因可靠性分析方法中的一種代表性方法，其核心思想是人的行為并不是孤立的、隨機(jī)的，而是在很大程度上由完成任務(wù)時(shí)所處環(huán)境決定的。將環(huán)境因素總結(jié)為共同績(jī)效條件（CPC），給出 CPC 水平對(duì)于績(jī)效可靠性的期望效應(yīng)，由 CPC 因子水平的綜合，確定人完成該任務(wù)的認(rèn)知控制模式，也就基本決定了失效概率［15］。

1）CPC 水平對(duì)績(jī)效可靠性的期望效應(yīng)量化

通過(guò)對(duì) CPC 進(jìn)行評(píng)價(jià)處理來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)情景環(huán)境的量化。記單個(gè) CPC 的分值為 Sk，改進(jìn)作用分值為 1，降低作用分值為 –1，不顯著分值為 0。即

傳統(tǒng)的方法由改進(jìn)因子分?jǐn)?shù)總和及降低因子分?jǐn)?shù)總和確定控制模式［13］，進(jìn)而確定最終失效概率，但是這種方法存在一定缺陷。本文設(shè)定變量 M 為改進(jìn)總分值，N 為降低總分值，同時(shí)根據(jù)情景環(huán)境，由專家或技術(shù)人員對(duì) 9 種 CPC 因子的水平進(jìn)行評(píng)價(jià)，確定每個(gè)CPC 因子的重要程度，記為 wk。則得到：

2）預(yù)測(cè)失效概率

將駕駛員所處任務(wù)環(huán)境因素（CPC）分為對(duì)人因可靠度影響起改進(jìn)作用和起降低作用兩大類，得到對(duì)應(yīng)的 CFP 值。其中，第一類記為 CFPM，只考慮起改進(jìn)作用的環(huán)境因素；第二類記為 CFPN，只考慮其降低作用的環(huán)境因素。另外確定 CFP0，即所有因素的影響都為不顯著。得

則失效概率為：

其中，CFP0為由認(rèn)知功能失效模式與失效概率基本值［13］表格計(jì)算出的失效概率的平均值，即 0.022 7。另外，查詢共同績(jī)效條件和績(jī)效可靠性［13］表格得到 M的最大值為 7/9，N 的最小值為 –1。由控制模式與失效概率區(qū)間［13］表格以及控制模式與 CPC 對(duì)應(yīng)關(guān)系圖［13］可知，M 取最大值時(shí)，CFPM最小值為 0.000 05，N 取最小值時(shí)，C F PN最大值為 1。代入式（1 9）～ 式（20）得：

因此

2 數(shù)字化評(píng)估軟件開(kāi)發(fā)

以 UG8.0 為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，編程環(huán)境采用 Visual C++6.0，數(shù)據(jù)庫(kù)采用 Acess2010，基于 Windows 操作系統(tǒng)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)［16］。

根據(jù)載人潛器駕駛艙評(píng)估模型創(chuàng)建程序菜單，構(gòu)建程序框架，并依據(jù)各項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)建立交互式評(píng)估對(duì)話框。駕駛艙人機(jī)工效評(píng)估系統(tǒng)包括三大功能模塊，即作業(yè)績(jī)效指數(shù)，人因失效概率預(yù)測(cè)以及評(píng)估結(jié)果。為避免由菜單級(jí)數(shù)過(guò)多而造成的操作繁雜，將二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)作為底層菜單，采用交互式對(duì)話框?qū)崿F(xiàn)各細(xì)化指標(biāo)的評(píng)估，該對(duì)話框采用折疊式設(shè)計(jì)，條理清晰，避免了不必要因素的干擾，便于評(píng)估人員高效完成評(píng)估。人機(jī)工效評(píng)估模塊展開(kāi)功能列表如圖 3 所示，設(shè)備布局工效主、客觀評(píng)估以及人因失效概率預(yù)測(cè)對(duì)話框如圖 4 所示。

在 Microsoft Access 中建立數(shù)據(jù)庫(kù)，在 Visual C++中通過(guò) ADO（Active Data Objects）數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)技術(shù)訪問(wèn)數(shù)據(jù)源，定義 Connection 對(duì)象變量建立數(shù)據(jù)庫(kù)鏈接，使用 Recordset 執(zhí)行存儲(chǔ)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)各細(xì)化指標(biāo)的測(cè)量值、評(píng)價(jià)值、量化值以及權(quán)重值的寫(xiě)入，以保證評(píng)估結(jié)果的可追溯性，便于查找設(shè)計(jì)的不足之處以作改進(jìn)。

圖 3 駕駛艙綜合評(píng)估菜單Fig. 3 Cockpit comprehensive evaluation menu

圖 4 交互式對(duì)話框設(shè)計(jì)Fig. 4 Design of interactive dialog boxes

3 實(shí)例驗(yàn)證

本文以某載人潛水器駕駛艙設(shè)計(jì)為例。利用 UG建立該駕駛艙三維模型。圖 5分別為利用 UG軟件測(cè)量座椅距離工作臺(tái)的距離以及顯示面板的角度。通過(guò)測(cè)量，在交互式評(píng)估對(duì)話框中輸入測(cè)量結(jié)果。客觀評(píng)估的其他指標(biāo)測(cè)量值也依此方法獲得。部分測(cè)量值量化結(jié)果如表 3 所示。

圖 5 UG 測(cè)量設(shè)計(jì)值（距離及角度）Fig. 5 UG design value measurements （distance and angle）

表 3 客觀測(cè)量結(jié)果量化值（部分）Tab. 3 Objective measurements quantized value （section）

通過(guò)潛水器設(shè)計(jì)專家，設(shè)計(jì)師及有經(jīng)驗(yàn)的駕駛員或者觀察員根據(jù)駕駛艙的實(shí)際情況，在交互式評(píng)估界面中對(duì)主觀評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行打分（部分結(jié)果見(jiàn)表 4），并且對(duì)人因失效預(yù)測(cè)界面中的九項(xiàng)因素進(jìn)行評(píng)估（見(jiàn)表 5），得到載人潛器駕駛艙的綜合評(píng)估結(jié)果如表 6所示。系統(tǒng)顯示如圖 6 所示。

由綜合評(píng)估公式計(jì)算出綜合評(píng)估結(jié)果是 8.14，得知該潛水器駕駛艙的設(shè)計(jì)達(dá)到良好水平。通過(guò)查詢數(shù)據(jù)表格，可獲得沒(méi)有達(dá)到良好水平的評(píng)估指標(biāo)，以及容易導(dǎo)致失效事件產(chǎn)生的因素，可依此對(duì)艙內(nèi)人機(jī)工效設(shè)計(jì)做出適當(dāng)改進(jìn)。例如在作業(yè)績(jī)效指數(shù)評(píng)估方面，保證顯示面板等其他裝置的合理空間的前提下可以適當(dāng)提高控制臺(tái)的高度，降低地板的高度等；針對(duì)顯示屏幕增多，操作方式向觸屏化發(fā)展等因素，可以將重要的顯示裝置放置在駕駛員的舒適視野范圍內(nèi)，并且對(duì)顯示參數(shù)的數(shù)量進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，同時(shí)，需要對(duì)駕駛員進(jìn)行培訓(xùn)，以適應(yīng)操作方式的變化，減少操作失誤的發(fā)生。

表 4 主觀評(píng)價(jià)結(jié)果量化值（部分）Tab. 4 Subjective measurements quantized value （section）

表 5 CPC 水平評(píng)價(jià)Tab. 5 CPC level evaluation

表 6 駕駛艙綜合評(píng)估值Tab. 6 Cockpit complex evaluation

圖 6 評(píng)估結(jié)果Fig. 6 Evaluation result

4 結(jié) 語(yǔ)

本文從人機(jī)工程學(xué)角度出發(fā)，建立駕駛艙評(píng)估模型。通過(guò)對(duì)影響作業(yè)績(jī)效指數(shù)的因素進(jìn)行分析，將各項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)量化，使得評(píng)價(jià)結(jié)果更加全面和精確；同時(shí)，考慮特殊環(huán)境對(duì)人心理和生理的影響，對(duì)由此可能引發(fā)的操作失效概率進(jìn)行了預(yù)測(cè)，綜合兩方面因素得到駕駛艙的綜合評(píng)估值，從而由評(píng)估結(jié)果對(duì)駕駛艙的人機(jī)工效設(shè)計(jì)進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，對(duì)提升載人潛器駕駛艙人機(jī)工效設(shè)計(jì)效率及提高設(shè)計(jì)水平具有重要意義。本方法還可應(yīng)用于其他載人空間人機(jī)工效評(píng)估實(shí)踐中。但是，由于目前對(duì)載人潛器的失誤事件研究較少，失效數(shù)據(jù)的收集不夠全面，并且因?yàn)槿藱C(jī)界面的變化，利用傳統(tǒng)的人誤模型來(lái)進(jìn)行失效概率預(yù)測(cè)存在一定缺陷，在后續(xù)工作中需要對(duì)此進(jìn)行深入研究。

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Research on the method of ergonomics evaluation in manned submersibles cockpit

CHEN Deng-kai1， WANG Yu-qian1， YE Cong2， HE Zai-ming2
（1. Shaanxi Engineering Laboratory for Industrial Design， Northwestern Polytechnical University， Xi'an 710072， China；2. China Ship Scientific Research Center， Wuxi 214082， China）

So as to improve the quality of the submersible cockpit design， and consider the influences of human psychological and physiological factors' change on people operating reliability in the special circumstances effectively. This article built an ergonomics evaluation system of cockpit based on human factors. Proposed the concept of work performance index and determined its way clearly， predicted the human factors failure probabilities caused by human unreliability according to CREAM， finally got the cockpit ergonomics evaluation value. Then developed a digital evaluation software and verified the validity of the method by evaluating a submersible cockpit.

submersible cockpit；ergonomics evaluation；work performance index；human factors failure probabilities

TP391

A

1672 – 7619（2016）04 – 0105 – 05

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2016.04.021

2015 – 12 – 14；

2016 – 01 – 06

國(guó)家863計(jì)劃資助項(xiàng)目（No.2014AA09A110）；高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計(jì)劃資助項(xiàng)目（No.B13044）

陳登凱（1975 – ），男，副教授，主要從事計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品語(yǔ)義、人機(jī)工效設(shè)計(jì)理論及方法研究等。