船舶操控臺控制界面人機工程設計標準研究

王川，冉令華，徐勝航

（1.海軍特色醫學中心，上海 200433；2.中國標準化研究院，北京 100191；3.海軍裝備部，北京 100089）

船舶顯控臺是一個應用廣泛的航海基礎裝備，主要用于指揮控制信息系統，是與操作人員交互最多的裝備之一[1]。顯控臺的使用過程是一個典型的人-機-環境系統工程過程，其中“人”是指操作人員，“機”是顯控臺本身，“環境”則包括顯控臺所處的艙室環境和船體的搖擺振動環境。目前，船舶裝備逐漸從注重功能實現向注重“適人性”發展，對于船舶的操控臺設計來說，人員的操作空間與人機交互設計是達成“適人性”要求的重要手段。因此，為了提高船舶顯控臺的“適人性”水平與操作效率，需要充分考慮人-機-環境系統工程中的影響因素，指導顯控臺的空間設計與人機交互設計。

技術標準是工程技術發展路徑上的重要里程碑，技術標準是一項工程技術發展成熟的標志，同時，技術標準也能大大推動該項工程技術的推廣應用效率。文中首先分析了操作人員在使用船舶操控臺控制界面時的人機交互過程特點，以及影響人機交互的因素，然后梳理了現有標準，提出存在的不足，為船舶操控臺控制界面人機工程設計標準的發展提出建議。

1 控制臺操作人機交互過程分析

操作人員在使用船舶操控臺時，主要與操控臺的人機界面進行交互。操作者從控制界面獲取必要的信息，分析后進行決策，并執行后續操作。操作人員的整個操作流程都可細分為一系列的決策判定過程，操作者從系統接收信息，分析后根據決策事項的類別，可以分為三類，分別為基于技能、規則和知識的決策過程[2]，如圖1所示?；诩寄芘c規則的決策過程可以通過學習和訓練來使操作者熟練掌握，而基于知識的決策過程通常指操作者遇到異常情況時，需要根據自身掌握的知識和獲取的信息來綜合分析，并作出正確選擇。

圖1 操作臺人機交互過程Fig.1 Human-machine interaction process of the console

2 控制臺操作空間匹配性分析

為提高操控臺的“適人性”，操控臺控制界面的布局需符合操作者的物理測量數據，分析如下。

2.1 人的物理特性測量

人的物理特性是指人體作為運動系統時的尺寸特征，該項特征決定了人體操作設備時的活動范圍，是設備設計時必要的參考依據。對人的物理特性的測量稱之為人體測量學，通過測量人體各部位的尺寸，并確定個體與群體之間在尺寸上的差別。對于產品的設計來說，人體功能尺寸的測量尤為重要，因為這決定了人體的作業空間。如立姿雙手功能上舉高、立姿雙手左右平展寬、坐姿前臂手功能前伸長等。通過測量群體的人體物理特性，并選擇高百分位的人體尺寸參數，作為產品設計的約束，使得設計出的產品適合大部分人使用。

2.2 船員人體測量數據

我國在1992年制定了GB/T 13547—1992《工作空間人體尺寸》[3]，適用于與人體尺寸相關的操作、維修等工作空間的設計和評價。在 2002年發布的GJB/Z 131—2002[4]中，給出了我國船員的人體測量數據，適用于顯控臺操作空間設計，該標準中的人體測量數據滿足著裝成年人群中人體尺寸的第五百分位（P5）至第九十五百分位（P95）的男性范圍。

男性船員人體主要測量數據見表1。其中原始數據是指標準測量過程中得到的裸體數據，即只穿內衣、標準姿勢的尺寸；修正后數據是指在實際操作場景使用中的修正值，因為實際使用中要穿衣、戴帽、穿鞋，需要增加服裝尺寸余量，而且姿勢不會像標準測量那么端正，所以有一定的姿勢修正量。

表1 男性船員人體主要測量數據Tab.1 Measured body data of male crew mm

3 國內外標準現狀

我國在（軍用/民用）船舶設備和系統的工效學方面已經開展了一系列研究，也制定了一系列的標準，涉及船舶人-機和人-環等方面。在人機方面，GJB 300—1987[5]和GJB 301—1987[6]分別給出了飛機平視和下視顯示器字符的設計要求。GJB 878—1990J[7]給出了大屏幕顯示設備的通用規范。HB 20097—2012[8]介紹了航空裝備中視覺信息、聽覺信息和觸覺信息的人機工程設計準則。GJB 1060.1—1991[9]《艦船環境條件要求-機械環境》中給出了民用核動力船舶的沖擊設計值，GJB 4000—2000[10]《艦船通用規范0組-艦船總體與管理》規定了艦船多自由度搖擺和傾斜的參數。在表2中，給出了與操控臺控制界面相關的標準。

表2 船舶操控臺控制界面工效學設計相關標準Tab.2 Standards for ergonomic design of control interface of ship console

GJB 2873—1997《軍事裝備和設施的人機工程設計準則》規定了軍用系統、子系統、裝備和設施的人機工程設計準則，適用于所有軍用系統、子系統、裝備和設施的設計[11]。GJB/Z 131—2002《軍事裝備和設施的人機工程設計手冊》是GJB 2873—1997的配套標準，是為了GJB 2873—1997在軍事裝備和設施研制中的貫徹和實施[12]。這兩個標準中，對于控制器及控制器布局的設計均有一些涉及。除了國軍標中的人機工程通用標準外，我國在航天航空控制器工效學方面也制定了相應的標準和規范。其中GJB 807A—2008《飛機儀表板布局通用要求》[13]、GJB 5918—2007《軍航座艙交通信息顯示及操作要求》[14]、HB 7289—1996《民用運輸機座艙儀表、顯示器及有關控制器》[15]主要針對飛機飛行儀表的操作、發動機儀表的布置、控制器的可靠性、防差錯設計、航空裝備的控制器等方面提出了工效學設計要求。

從國外組織來看，國外涉及船舶駕駛室操控界面的標準主要包括：國際海事組織IMO于2000年制定的標準《船橋設備和布局的工效學指南》（MSC/Circ.982）[16]，內容涉及船橋（包括駕駛室）布置、作業環境、工作站布置、報警、控制界面、信息顯示、交互控制等7個方面的駕駛室人機界面設計要求。國際海上人命安全公約 SOLAS于 2007年制定的標準《船橋設計、設備布局和程序》（SOLAS V/15）[17]，內容涉及駕駛室功能設計、航海系統及設備設計、布置、船橋程序等，其顯著特點是對于駕駛室團隊管理作出相關要求，包括船橋程序、船員培訓等。

從各個國家來看，美、英等西方國家在軍事系統工效學方面的研究已具有較大的規模，也制定了一系列軍用標準。美國軍方軍事系統的人機工程學設計準則包括“人機工程系統的分析數據”（MIL.H.sl444）[118]，“軍事系統人機工程學設計準則”（MIL.STD.1472F）[19]，以及 1999年修訂的“人機工程過程和程序標準”（MIL.STD.46855A）[20]。MIL-STD-1472的第一版發布于20世紀60年代（1968年），在第二次世界大戰期間，當時各交戰國競相發展新的高性能武器裝備，但由于人機界面設計上的不合理，人難以掌握這些新性能的武器，導致發生了許許多多事故。因此，二次大戰結束后，首先美國陸航部隊（以后成為美國空軍）和美國海軍建立了工程心理學實驗室，進行了大量的控制器、顯示器等的人因素研究，獲得了大量的數據，并開始將這些研究成果匯編成手冊或制訂成各種有關人類工程學的標準或規范。MIL-STD-1472就是在這樣的時代背景下產生的。該標準是為軍用系統、子系統、設備和設施制定通用人類工程學設計準則，由美國陸軍、海軍和空軍等多個單位評審，美國國防部批準，并強制性要求美國國防部所有單位和機構使用，具有較廣泛的影響。該標準在控制-顯示綜合和控制器章節有針對控制器通用設計規則的闡述。

美國在船舶人機工程領域的投入力度也較大，不但開展了一系列的船舶人機工程專項試驗，而且頒布了多項船舶人機工程設計標準和文件，主要側重于研究人機環境對船舶的戰斗力的影響。其中，ASTMF 1166—88海軍系統裝備和設施的人因素工程設計標準是一個通用型標準，涵蓋了控制、顯示和告警、樓梯和臺階、標識和計算機、工作空間布局等海軍設計的所有元素[21]。

英國國防部于2005年組織建立的船舶SRDs系統，對船舶人機界面涉及的多方面問題進行梳理和整合，將人機界面研究作為船舶系統設計的一個重要環節，以提高人機界面設計在船舶項目中的優先級別。英國國防部2009年的MARS項目計劃，將早期人機界面設計干預納入到艦艇設計系統中，并委任專業公司進行艦艇人機界面設計評估，并編制了評估報告。

4 標準研制建議

船舶人機系統是由船員、船員裝備和船員環境組成的人-機-環系統，船舶人機工程強調設備、環境如何更好地適應于人。作業人員通過操控臺對全船的指揮系統進行操作和控制。加強船舶人機工程研究，通過制訂相關標準系統落實人機工程設計的原則和要求，可有效提高我國船舶設計的安全性和高效性。

針對當前缺失船舶操控臺控制界面人機工程相關標準的情況，在深入分析船舶操控臺控制界面人機交互特性，借鑒國內外航空航天、核電站等領域相關標準的基礎上，提出了船舶操控臺控制界面人機工程標準框架初步建議。船舶操控臺控制界面人機工程設計標準主要內容包括船舶控制界面布局的基本原則、船舶控制界面功能分組、控制界面上各裝置與操縱員特征耦合、船舶控制界面的一致性和對應關系以及船舶控制界面其他考慮因素等。

5 結語

文中系統分析了當前船舶操控臺控制界面相關標準的國內外現狀，提出了研制船舶操控臺控制界面標準的必要性，并給出了初步的標準框架，可為船舶操控臺控制界面的設計和優化改進提供依據。根據船舶操控臺控制界面人機工程標準進行設計，其界面會更為合理，更加適合操縱人員的生理心理機能，從而會大大減輕船舶作業人員的作業負荷，提高操作效率，降低失誤率，充分發揮裝備的綜合效能。