裝甲車輛人機工效一體化仿真方法研究

劉維平，聶俊峰，劉西俠，金 毅，傅斌賀

（陸軍裝甲兵學院，北京 100072）

0 引言

隨著裝備信息化建設的快速推進，裝甲車輛高新技術應用廣泛，信息化水平不斷提高，對乘員作業能力提出了更高要求，隨之也會引發嚴重的人機工效問題。長期以來，對于裝甲車輛人機工效的研究，基本以系統設計完成之后的功能評價為主，缺乏針對人機工效進行的預先研究［1］。大量調查實例表明，裝甲裝備系統中由于人機工效不適合或不匹配進而需要修改人機系統時，不僅難以實現，也必將耗費大量成本［2］。因此，亟需一種在方案設計階段對裝甲車輛人機工效進行預先研究的方法。

美軍在裝備發展中，十分重視人機工效建模與仿真的研究，認為人機工效仿真對未來裝備設計發展具有舉足輕重的作用。自20世紀80年代以來，投入了大量經費用于人機工效仿真的研究，基本實現了從方案論證、系統評估到裝備改造全過程的人機工效一體化仿真。美國陸軍研究實驗室（U.S.Army Research Laboratory）基于裝甲車輛乘員能力特性開發了性能仿真分析軟件（Improved Performance Research Integration Tool，IMPRINT），從根本上實現了基于人的特性對系統人機工效進行仿真研究，并成功對美軍未來戰斗系統的人機工效進行了分析預測［3-4］。美國國際技術公司（Technology International Incorporated）針對艙室乘員人數對裝甲車輛人機工效的影響進行了仿真分析，并通過仿真預測了艙室乘員人數由3人減少為兩人后系統人機工效的變化情況［5］。坦克機動車輛司令部（Tank Automotive Command）基于人機工效仿真方法對乘員作業績效與先進技術之間的關系進行了研究，研究結果驗證了人機工效仿真方法的必要性和有效性［6］。我軍在裝甲車輛人機工效一體化仿真的研究主要集中在乘員訓練仿真系統的研制方面，多側重于仿真手段的研究，缺少面向實際作戰環境的人機工效一體化仿真理論和應用的研究，難以準確深入地描述裝甲車輛人機系統的運行機理，導致系統仿真與作戰仿真脫節，嚴重影響了仿真的可信性［7-8］。

1 人機工效一體化仿真需求分析

裝甲車輛人機系統是指由乘員、作業艙室以及艙室內為完成作戰任務所要觀察、操控的所有設備構成的一個有機整體［9］。裝甲車輛人機系統屬于復雜人機系統，隨著相關技術的迅猛發展以及戰場環境的不斷變化，這種復雜性具有其特殊性。

1）技術密集度高，系統構成復雜化。裝甲車輛自動化、智能化水平明顯提高，新型附加裝備日益增多，功能不斷完善，武器系統、通信系統、防護系統、電氣設備不斷更新，各類輔助系統層出不窮，人機系統構成愈加復雜。

2）信息化程度高，作業模式智力化。車載信息系統已成為裝甲車輛重要組成部分，極大地改變了乘員的作業模式和工作負荷模式，以智力型為主的信息處理作業已逐漸成為乘員的主要作業模式，腦力負荷所占比重逐漸增大，對乘員的作業能力提出了新的要求。

3）作業環境復雜，任務職責多元化。一方面，戰場環境日益復雜，突然性、緊張性空前提高，戰場態勢瞬息萬變；另一方面，裝甲車輛外型限制嚴格，作業空間狹小，對外觀察困難。作業環境復雜，乘員任務職責呈現多元化，系統功能分配問題突出。

因此，裝甲車輛在發展過程中面臨的人機工效問題并未減少，反而在一定程度上愈加復雜和嚴峻，迫切需要突破傳統的研究模式，探索和發展新的理論和方法。

2 人機工效一體化仿真基本內涵

2.1 人機工效一體化仿真概念

裝甲車輛人機工效一體化仿真主要是面向裝甲車輛系統設計的方案論證階段，在充分考慮乘員作業能力的基礎上，在系統設計中，采用計算機輔助人機工程的方法建立乘員作業仿真模型［10］，將乘員、裝甲車輛和作業環境作為一個有機整體進行人機工效分析預測的過程［11］。

裝甲車輛人機工效一體化仿真利用虛擬現實手段將乘員完全嵌入到計算機生成的虛擬艙室環境中，模擬乘員在實車條件下的作業，通過嵌入式軟件以及生理設備等人機交互測試手段，對乘員在虛擬艙室環境中的操作狀態和作業績效進行動態測試，并對數據進行分析評估，實現了方案設計階段基于任務操作的人機工效仿真分析與預測研究。可以明顯縮短系統研制周期，提高研究效率，為產品的安全性和可靠性提供保障；同時，也可以有效替代實車試驗，減少研究風險，提高測試的全面性和完備性［12］。

2.2 人機工效一體化仿真框架

裝甲車輛人機工效仿真分析的對象是艙室人機耦合接口，研究手段為人機工效仿真技術，評估依據是艙室乘員的工作狀態。因此，人機工效一體化仿真框架為：首先，基于信息處理模型對乘員作業過程進行分析；然后，基于網絡建模方法構建乘員作業仿真模型；進而對裝甲車輛人機工效進行一體化仿真研究，確定任務條件下乘員的作業狀態；最后，通過人機工效試驗對仿真結果進行正確性驗證。裝甲車輛人機工效一體化仿真框架如圖1所示。

圖1 裝甲車輛人機工效一體化仿真框架

3 人機工效一體化仿真關鍵技術

3.1 信息處理作業過程分析

信息處理作業是裝甲車輛乘員作業的主要形式，其貫穿于裝甲車輛作戰任務的始終。信息處理作業是指乘員通過各種感覺器官（視覺、聽覺）從外界搜集戰場目標信息、顯示終端信息及電臺信息等，進而調用長時記憶和工作記憶對搜索到的信息進行感知和理解，經大腦迅速形成指令，精確地操作按鈕、開關、按鍵或旋鈕等進行反應執行來完成特定任務的作業。乘員信息處理過程是一個涉及注意、識別、記憶以及情緒動機等多方面要素的復雜心理過程［13］。圖2為乘員的信息處理模型，其中：每個方框代表信息處理的各個階段或元素，箭頭表示信息流通方向。

圖2 乘員的信息處理模型

3.2 構建乘員作業仿真模型

依據裝甲車輛乘員信息處理作業過程分析結果，針對實際任務需求，采用任務-網絡建模技術構建乘員作業仿真模型［14］。

任務-網絡建模技術是一種對乘員作業過程進行時間序列建模，并加以控制的計劃管理技術。無論作戰任務有多大、作業操作之間的關系有多復雜，都可以將其逐級分解［15］。筆者基于多資源理論［13］對任務-網絡建模方法進行擴展，建立了融合通道維度的任務-網絡模型。該方法將作業操作與信息通道有機結合，可以清楚表達各操作之間的相互關系，直觀體現各通道的資源占用情況，有利于提高各通道之間的協同配合，共同保證任務的順利完成。

任務-網絡模型建模方法有直接法和間接法兩種：直接法即通過一邊分解一邊確定工作項目及其關系的方式直接構建，一般針對簡單系統；間接法即依據前期編制好的工作項目明細表間接構建，主要針對相對復雜系統。裝甲車輛乘員作業屬復雜系統，故選用間接法構建模型。

任務-網絡建模技術的基本表達形式為任務-網絡圖，是一種由箭線和節點組成的有向、有序的網狀圖形。任務-網絡示意圖如圖3所示。可以看出，節點1、節點8分別為起始節點和結束節點，其他節點均為中間節點；A、B、C分別表示各信息執行通道；A1、A2、A3、B1、B2、B3、C1、C2、C3為乘員工作項目代號［16］。

3.3 一體化仿真技術研究

裝甲車輛人機工效影響因素眾多，具有隨機性和復雜性，因此，其一體化仿真技術主要包括3個方面的研究：

圖3 信息執行通道任務-網絡示意圖

1）任務驅動條件研究，即解決人機系統仿真的輸入問題。主要是指規范作業情景環境，明確作業初始參數設置。

2）模型工作參數研究，即實現工作參數的量化。模型工作參數包括時間參數和資源參數：時間參數主要包括反應時間和運動時間，可分別采用Hick-Hyman定律和Fittts定律計算得到［17］；資源參數一般指腦力資源參數，主要包括腦力負荷值及其分布函數，腦力負荷值常用的確定方法有Siegel和Wolf的腦力負荷評級標準、波音公司的方法以及Aldrich的7分制評級標準等［18］，腦力負荷分布函數基于先驗模型［3-4］采用數據擬合與模擬試驗相結合的方法確定。

3）一體化仿真模型預測，即通過執行量化的一體化仿真模型，根據模型運行結果對人機工效進行預測。

3.4 人機工效驗證技術研究

采用主、客觀相結合的分層驗證方法對乘員仿真模型進行有效性驗證，一般包括基本操作過程分析、典型任務結果對比以及隨機任務結果對比3個層次，主觀評價方法一般采用評價量表或調查問卷的形式進行，比如NASA-TLX（National Aeronautics and Space Administration-task load index） 量表、CH（Cooper-Harper Rating Scale）量表、SWAT（Subjective Workload Assessment Technique）量表等［19］。

4 應用實例

炮長應急作業下的人機工效是影響裝甲車輛作戰效能的關鍵因素。筆者以我軍某型主戰坦克炮長發現目標并進行射擊作業過程中的人機工效為例，結合裝甲車輛人機工效一體化仿真框架，驗證方法的有效性。

4.1 仿真模型構建

根據炮長的基本職責和作戰任務條件下的具體操作流程，對作業進行分解，列出基于執行通道的炮長工作項目及相互關系明細表，如下頁表1所示。

表1 炮長工作項目及相互關系明細表

根據表1，采用間接法構建基于任務-網絡建模技術的炮長作業仿真模型，如圖4所示。

圖4 乘員作業仿真模型

4.2 模型參數確定

時間參數采用Hick-Hyman定律和Fitts定律計算。各執行通道腦力負荷參數采用Aldrich 7分制評級標準進行評定。時間參數值和各通道腦力負荷值如表1所示。

針對應急作業條件，參考先驗模型確定腦力負荷分布模型，將乘員某一時刻工作狀態測量100次，對數據進行曲線擬合，得到各工作項目負荷分布函數如表2所示。

表2 各工作項目負荷分布函數表

4.3 模型一體化仿真

模型一體化仿真選用Monte Carlo仿真方法，執行平臺為Matlab仿真平臺。為保證仿真模型按照相似路徑運行，確定了一個共用隨機起始數字，規定每個模型隨機數目為100。圖5為模型仿真執行一次炮長總腦力負荷變化情況。

圖5 模型仿真執行一次炮長總腦力負荷變化情況

對仿真結果進行統計，得到炮長各執行通道腦力負荷和總腦力負荷情況，如表3所示。

表3 炮長各執行通道腦力負荷和總腦力負荷情況

由表3可知，炮長最高腦力負荷值為36.1，這一數值已超出了腦力負荷限值（35.0）。同樣，炮長的認知通道和視覺通道也始終處于高腦力負荷狀態，說明該通道運行繁忙。因此，這就需要對炮長艙室人機界面做進一步的優化設計，并有針對性地調整炮長完成發現目標并射擊作業任務的方式和順序。

4.4 仿真結果檢驗

為驗證人機工效一體化仿真方法的有效性，選取10名具有專業等級的某型主戰坦克炮長在射擊模擬器上進行發現目標并射擊作業模擬實驗，每次實驗重復5次，每名被試完成實驗后分別對NASA-TLX腦力負荷量表進行主觀打分。被試的NASA-TLX量表各指標平均值情況如圖6所示。

圖6 NASA-TLX量表各指標平均值

由圖6可以看出，10名被試完成發現目標并射擊作業的腦力需求平均分值為65.2，努力程度平均分值為66.3，操作績效平均分值為63.4，均超過60，即可認為炮長在作業過程中一直處于高腦力負荷狀態，這與一體化仿真模型預測的結果相符，說明仿真模型是有效的。而體力需求平均分值為45.6，這與腦力需求平均分值65.2相差很大，也從側面說明了炮長發現目標并射擊作業屬于智力型作業。

5 仿真研究中應注意的問題

近年來，根據武器裝備的發展需要，裝甲車輛人機系統智能化、信息化程度明顯提高，也為系統人機工效的研究帶來了諸多改變：一方面，人機交互方式發生變化，系統人機交互除了傳統生理層面的視覺觀察、觸覺操縱外，還增加了心理層面的認知行為，人機交互方式呈現多維化；另一方面，作業區域界限發生變化，人機系統中乘員、艙室、作業環境互相融合，系統功能分配根據任務動態調整，各要素之間界線逐漸淡化。因此，裝甲車輛人機工效仿真研究不僅應考慮各構成要素自身的性質，更要注重各要素之間的交互研究，實現人機工效的一體化仿真［20］。

1）注意分析系統人、機特性，明確人機工效仿真影響因素。對于裝甲車輛人機系統，需要基于實際作戰條件對艙室構成要素進行梳理，并對各要素之間的相互關系進行分析［21］。系統中的“人”即為乘員，需要結合裝甲車輛作業特點對乘員的幾何特性、運動學特性、動力學特性進行分析，更要著重對操縱特性、反應特性和可靠性進行分析，構建乘員認知和反應能力特性仿真模型，為分析和預測乘員心理因素和認知水平對人機工效的影響提供理論和方法。

2）注意將人機工效仿真與作戰仿真有機結合，實現基于任務的人機工效一體化仿真分析方法。裝甲車輛人機工效仿真包含對艙室人機界面、作業空間等的靜態仿真，但更重要的是要在作戰任務條件下進行人機工效動態仿真。因此需要構建基于實際作戰背景的人機交互場景，建立任務驅動模型，將裝甲車輛人機工效仿真分析的理論和方法從傳統的靜態簡單環境下的舒適性分析向動態復雜環境下的基于作戰任務的人機協同效能分析擴展。

3）注意明確人機工效仿真的評價標準，并對仿真結果進行正確性驗證。仿真的評價標準決定了仿真的基本方向，裝甲車輛作為復雜人機系統，其系統輸入為任務驅動模型，系統輸出即為乘員的作業績效，而作業績效的基本評價指標即為乘員的作業狀態。因此，需對人機工效仿真模型進行驗證，將通過正確性驗證的裝甲車輛人機工效仿真模型與人機工效仿真試驗平臺對接，建立一體化的人機工效仿真系統。

6 結論

隨著裝甲車輛艙室技術密集度和信息化程度的不斷提升，作戰需求和戰場生存條件的不斷變化，對人機系統的總體設計和乘員的作業能力提出了更高的要求，尤其是對艙室人機工效分析提出了新的挑戰。因此，必須從系統論的角度出發，充分運用系統工程方法、數學分析方法、建模仿真理論以及計算機技術對包含乘員在內的裝甲車輛人機系統進行設計、分析、建模和優化，從而實現對裝甲車輛人機工效更科學、更準確的仿真分析和預測。