潛水員水下操控作業(yè)多用途工效測(cè)試系統(tǒng)研制

范維，盛立，方以群

(1.上海杉達(dá)學(xué)院，上海 201209;2.海軍研究院，北京 100094;3.海軍特色醫(yī)學(xué)中心，上海 200003)

1 引言

潛水員在水下操控作業(yè)時(shí)的作業(yè)工效問(wèn)題是直接影響到其水下工作效率、安全性及能否正常完成任務(wù)的重要因素，因而在水下進(jìn)行實(shí)時(shí)的工效學(xué)指標(biāo)測(cè)試十分重要[1]。現(xiàn)有的一些測(cè)試工效學(xué)系統(tǒng)，只能在常壓空氣中使用，要等潛水員出水后進(jìn)行補(bǔ)測(cè)，這種方法已經(jīng)無(wú)法對(duì)其水下工效學(xué)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地測(cè)量。現(xiàn)階段高壓水下環(huán)境主要通過(guò)兩種手段模擬，一種是開放式水池，另一種是封閉式加壓艙[2]。開放式水池缺點(diǎn)是深度有限，只能在一定深度范圍內(nèi)進(jìn)行潛水作業(yè)，但其在淺深度下的操作使用較為方便；封閉式加壓艙可以通過(guò)注水、加壓實(shí)現(xiàn)較大深度的潛水作業(yè)，但其艙體容積有限，無(wú)法實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的潛水作業(yè)訓(xùn)練。因而，本文為了滿足潛水員水下作業(yè)多功能工效測(cè)試系統(tǒng)，合理地優(yōu)化兩種高壓水環(huán)境下潛水員工效學(xué)測(cè)試裝備的使用需求，建立了一套可兩種環(huán)境使用的多用途測(cè)試裝置，旨在解決各種深度下潛水員操控作業(yè)工效學(xué)指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)問(wèn)題。

2 測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)建

本系統(tǒng)可對(duì)潛水員進(jìn)行水下操控作業(yè)的仿真模擬訓(xùn)練，并在一定時(shí)間的水下操控作業(yè)后對(duì)其進(jìn)行工效學(xué)指標(biāo)測(cè)試，主要通過(guò)水下模擬器對(duì)其進(jìn)行反應(yīng)能力的各種不同類型測(cè)試，然后通過(guò)網(wǎng)線通訊將其測(cè)試畫面同步顯示于外界操控臺(tái)處，使操作臺(tái)處的人員能實(shí)時(shí)監(jiān)控潛水員水下作業(yè)工效。同時(shí)，通過(guò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)和語(yǔ)音通訊系統(tǒng)將潛水員水下作業(yè)的視頻情況、對(duì)話內(nèi)容實(shí)時(shí)傳輸至水面控制臺(tái)，實(shí)現(xiàn)水面對(duì)水下的全方位的監(jiān)控[3]。

潛水員水下作業(yè)工效多用途測(cè)試系統(tǒng)由水下工效模擬器、水面控制臺(tái)、視頻監(jiān)控與通訊系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總圖

水下模擬器是將工控機(jī)密封于水密外殼內(nèi)，仿真操作軟件與人員反應(yīng)能力測(cè)試軟件安裝于工控機(jī)內(nèi)，在水密外殼上加裝防水按鍵可對(duì)外殼內(nèi)的工控機(jī)進(jìn)行水下操控作業(yè)，同時(shí)也可進(jìn)行反應(yīng)能力測(cè)試的操作，其整體外形圖如圖2所示。

圖2 水下模擬器外形視圖

水下模擬器是水下作業(yè)工效測(cè)試的核心部分，內(nèi)置了仿真操作軟件與反應(yīng)能力測(cè)試軟件[4]。仿真操作軟件通過(guò)潛水員模擬操控潛水器前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、上浮、下潛等動(dòng)作來(lái)進(jìn)行水下潛水器的模擬操控，畫面顯示包含航行頁(yè)、避碰頁(yè)、航跡頁(yè)、觀察頁(yè)面四大類，分別代表在水下操控潛水器時(shí)需要用到的四種界面，如圖3所示，仿真操作軟件構(gòu)架如圖4所示。

圖3 仿真操作軟件的4種界面

圖4 仿真操作軟件構(gòu)架

反應(yīng)能力測(cè)試軟件通過(guò)將專用的心理學(xué)測(cè)試軟件植入到模擬器工控機(jī)中，在潛水員進(jìn)行一段時(shí)間水下操作后由水面控制臺(tái)切換界面至反應(yīng)能力測(cè)試軟件，并通過(guò)語(yǔ)音通知潛水員進(jìn)行反應(yīng)能力測(cè)試。測(cè)試部分主要通過(guò)視覺(jué)、聽覺(jué)、記憶、學(xué)習(xí)、顏色、錯(cuò)覺(jué)、旋轉(zhuǎn)等方面對(duì)潛水員的反應(yīng)能力進(jìn)行綜合測(cè)試[5]。

水面控制臺(tái)為置于水面的控制設(shè)備，用于實(shí)驗(yàn)保障人員對(duì)水下作業(yè)人員的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制[6]。水面控制臺(tái)中一臺(tái)電腦用于對(duì)水下模擬器工控機(jī)進(jìn)行控制操作，作為主控計(jì)算機(jī)，另外兩臺(tái)用于同步顯示水下模擬器畫面。水面與水下信號(hào)的傳輸通過(guò)以太網(wǎng)相連接，實(shí)現(xiàn)水面對(duì)水下的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

本裝置的視頻監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)位于每個(gè)潛水員的側(cè)后方的有防水?dāng)z像頭來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)此攝像頭可以清晰地看到測(cè)試者處理控制臺(tái)所發(fā)布的指令的情況，防止誤操作，并可對(duì)人員坐姿、操作動(dòng)作、呼吸裝置佩戴情況以及水下環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控。在每個(gè)水下模擬器的上部，嵌入式安裝有人員面部監(jiān)控?cái)z像頭。通過(guò)此攝像頭可以清晰地看到測(cè)試者的面部及全身狀態(tài)，若發(fā)現(xiàn)極度疲勞的情況控制臺(tái)可以進(jìn)行應(yīng)急處理。

為保證水下測(cè)試者的安全，本裝置設(shè)置了通訊系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要為水面與水下、艙外與艙內(nèi)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音通訊。通訊系統(tǒng)由電話機(jī)、水下對(duì)講系統(tǒng)、連接電纜構(gòu)成。當(dāng)進(jìn)行開放水池實(shí)驗(yàn)時(shí)，電話機(jī)放置于水面控制臺(tái)，水下對(duì)講系統(tǒng)由測(cè)試者佩戴至某一深度，電話機(jī)與水下對(duì)講系統(tǒng)通過(guò)電纜連接。當(dāng)進(jìn)行封閉加壓艙實(shí)驗(yàn)時(shí)，電話機(jī)放置于艙外控制臺(tái)，水下對(duì)講系統(tǒng)由測(cè)試者佩戴至艙內(nèi)，電話機(jī)與水下對(duì)講系統(tǒng)通過(guò)電纜連接。電纜通過(guò)水艙上的生理接線柱接入水艙內(nèi)部，與水艙內(nèi)的水下對(duì)講系統(tǒng)相連接。如圖5所示。

圖5 通訊系統(tǒng)組成

3 系統(tǒng)驗(yàn)證

3.1 開放式水池實(shí)驗(yàn)

水池為圓形，深度約30 m，池上設(shè)有升降平臺(tái)，可停留至水池任一深度。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將艙段模擬平臺(tái)吊裝至水池升降平臺(tái)上，安裝好固定臺(tái)架、座椅、控制氣路等輔助設(shè)備，將模擬器安裝在固定臺(tái)架上并接通與水面控制臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸。設(shè)備功能調(diào)試完畢后受試人員佩戴呼吸裝置進(jìn)入模擬艙段，將升降平臺(tái)下降至實(shí)驗(yàn)所需的某一深度開始實(shí)驗(yàn)，如圖6所示。

圖6 開放式水池內(nèi)實(shí)驗(yàn)圖

水面控制臺(tái)按照預(yù)先設(shè)定好的運(yùn)載器操作流程進(jìn)行指揮，通過(guò)控制計(jì)算機(jī)發(fā)布操作指令，測(cè)試者確認(rèn)收到指令后，首先通過(guò)水下模擬器的計(jì)算機(jī)回復(fù)指令，再通過(guò)語(yǔ)音向水面控制臺(tái)回復(fù)收到指令[7]。當(dāng)操作過(guò)程達(dá)到一定時(shí)間，水面控制臺(tái)認(rèn)為需要進(jìn)行水下反應(yīng)能力測(cè)試時(shí)，由控制臺(tái)向測(cè)試者發(fā)布進(jìn)行反應(yīng)能力測(cè)試的指令，并將水下顯示界面切換至反應(yīng)能力測(cè)試平臺(tái)，測(cè)試者開始進(jìn)行反應(yīng)能力測(cè)試。測(cè)試完畢后，水面控制臺(tái)再次切換水下界面至運(yùn)載器操作界面，則測(cè)試者繼續(xù)開始進(jìn)行運(yùn)載模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，由水面控制臺(tái)發(fā)布結(jié)束指令，水池平臺(tái)上升出水，人員出艙[8]。

3.2 封閉式加壓艙實(shí)驗(yàn)

如果需要做大于30 m水深的實(shí)驗(yàn)或生理指標(biāo)的實(shí)時(shí)檢測(cè)時(shí)，可將艙段模擬平臺(tái)中的固定臺(tái)架、座椅、控制氣路等拆下，安裝在高壓水艙中，將模擬器安裝于固定臺(tái)架并接通與艙外控制臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸。設(shè)備功能調(diào)試完畢后受試人員佩戴呼吸裝置進(jìn)入高壓水艙，在高壓水艙內(nèi)注水、加壓至實(shí)驗(yàn)所需的某一深度開始實(shí)驗(yàn)，如圖7所示。

圖7 封閉式加壓艙內(nèi)實(shí)驗(yàn)圖

艙外控制臺(tái)按照預(yù)先設(shè)定好的運(yùn)載器操作流程進(jìn)行指揮，通過(guò)控制計(jì)算機(jī)發(fā)布操作指令，測(cè)試者確認(rèn)收到指令后，首先通過(guò)水下模擬器的計(jì)算機(jī)回復(fù)指令，再通過(guò)語(yǔ)音向艙外控制臺(tái)回復(fù)收到指令。當(dāng)操作過(guò)程達(dá)到一定時(shí)間，艙外控制臺(tái)認(rèn)為需要進(jìn)行水下反應(yīng)能力測(cè)試時(shí)，由控制臺(tái)向測(cè)試者發(fā)布進(jìn)行反應(yīng)能力測(cè)試的指令，并將水下顯示界面切換至反應(yīng)能力測(cè)試平臺(tái)， 測(cè)試者開始進(jìn)行反應(yīng)能力測(cè)試。測(cè)試完畢后，可對(duì)測(cè)試者進(jìn)行生理指標(biāo)的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 開放式水池實(shí)驗(yàn)結(jié)果

開放式水池進(jìn)行了總長(zhǎng)5 h的長(zhǎng)時(shí)間水下工效學(xué)試驗(yàn)，測(cè)試時(shí)間點(diǎn)分別選取了2 h、3 h、3.5 h、4 h、5 h共5個(gè)時(shí)間停留點(diǎn)，進(jìn)行了視覺(jué)反應(yīng)時(shí)測(cè)試、聽覺(jué)反應(yīng)時(shí)測(cè)試、知覺(jué)測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

(1)反應(yīng)時(shí)間測(cè)試

表1 開放式水池反應(yīng)時(shí)測(cè)試評(píng)價(jià)表

表2 開放式水池聽覺(jué)反應(yīng)時(shí)測(cè)試評(píng)價(jià)表

(2)知覺(jué)測(cè)試：

表3 開放式水池知覺(jué)測(cè)試評(píng)價(jià)表

4.2 封閉式加壓艙實(shí)驗(yàn)結(jié)果

封閉式加壓艙進(jìn)行了總長(zhǎng)4 h的長(zhǎng)時(shí)間水下工效學(xué)試驗(yàn)，測(cè)試時(shí)間點(diǎn)分別選取了2 h、3 h、3.5 h 、4 h共4個(gè)時(shí)間停留點(diǎn)，進(jìn)行了視覺(jué)反應(yīng)時(shí)測(cè)試、聽覺(jué)反應(yīng)時(shí)測(cè)試、知覺(jué)測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

(1)反應(yīng)時(shí)間測(cè)試：

表4 封閉式加壓艙視覺(jué)反應(yīng)時(shí)測(cè)試評(píng)價(jià)表

表5 封閉式加壓艙聽覺(jué)反應(yīng)時(shí)測(cè)試評(píng)價(jià)表

(2)知覺(jué)測(cè)試：

表6 封閉式加壓艙知覺(jué)測(cè)試評(píng)價(jià)表

5 討論

根據(jù)潛水員水下作業(yè)常規(guī)作業(yè)深度要求，其一般在潛水深度為可不減壓出水的安全深度內(nèi)，一般為10米以淺，則可是使用開放式水池進(jìn)行水下操控作業(yè)及工效學(xué)測(cè)試；在特殊要求下，其作業(yè)深度要求會(huì)達(dá)到40米以淺，開放式水池?zé)o法滿足該深度的要求，則使用封閉式加壓艙的方式進(jìn)行水下操控作業(yè)及工效學(xué)測(cè)試。在本系統(tǒng)研制完成后，對(duì)以上兩種深度下的潛水員水下作業(yè)均進(jìn)行了工效學(xué)指標(biāo)的測(cè)試。首先進(jìn)行潛水員水下常規(guī)作業(yè)動(dòng)作，讓潛水員在水下仿真操控，進(jìn)行潛水器的前進(jìn)、后退、上升、下潛、轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作的訓(xùn)練，在1小時(shí)后水面控制臺(tái)切換反應(yīng)能力測(cè)試界面并通知潛水員進(jìn)行反應(yīng)能力測(cè)試，測(cè)試結(jié)束后潛水員繼續(xù)進(jìn)行水下仿真操控訓(xùn)練，在直到第2小時(shí)后再次進(jìn)行反應(yīng)能力測(cè)試。如此程序，直到潛水員在水下執(zhí)行5小時(shí)的操控訓(xùn)練及反應(yīng)能力測(cè)試后，整個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)束。在此實(shí)驗(yàn)中，可以測(cè)試潛水員在水下從1小時(shí)到5小時(shí)各個(gè)不同時(shí)間段后作業(yè)的工效學(xué)指標(biāo)情況，從而分析其不同水下工作時(shí)間對(duì)潛水員作業(yè)能力的影響程度。

6 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)的潛水員水下操控作業(yè)工效多用途測(cè)試系統(tǒng)，將潛水常用的淺深度、中等深度水下操控訓(xùn)練和反應(yīng)能力訓(xùn)練方式集成在一起而形成多種應(yīng)用深度下使用的水下操控工效測(cè)試系統(tǒng)，解決了潛水員在不出水情況下進(jìn)行不同時(shí)間作業(yè)后工效學(xué)指標(biāo)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的問(wèn)題，為潛水員水下作業(yè)的安全評(píng)價(jià)提供了重要的技術(shù)裝備。