基于人因工程的多屏一體化控制臺設計研究

中國電子科技集團公司第三十八研究所 國家級工業設計中心 侯愛軍 張亞玎 戴偉

多屏一體化控制臺作為一種具有信息傳導、情報研判、人機交互能力的電子信息裝備載體，在飛控、指控等多領域的控制系統中承擔著重要任務分工[1]，不同技術要求、不同的使用環境、不同的功能需求、不同的操作模式和不同的審美觀念對顯控臺設計有不同的要求[2]。控制臺的發展歷程經歷機柜鈑金結構控制臺、琴式模塊化控制臺和開放式復合結構控制臺三個階段，應用模式從專一化逐步發展到通用化、模塊化、智能化[3]，未來正向復合化提升邁進。文章以多屏一體化控制臺為研究對象，基于人因工程理論，開展裝備總體設計，并通過數字化建模仿真對其進行人機系統評估，推動人因工程技術在控制臺設計中的深入應用。

1 人因工程概述

人因工程學是運用人體測量學、生理學、心理學以及工程學等學科方法綜合地進行人體結構、功能、心理等問題研究的學科。它將“人—機—環境”系統作為統一的整體來研究，以設計輸出適合于人操作的機械設備和作業環境，使“人—機—環境”系統相協調，從而更能有效發揮系統作用[4]。在多屏一體化控制臺的設計研究中，應基于作業操作范圍、視域、容膝空間等人員生理特征，結合控制臺組成部件的使用特性將人因工程設計與分析方法應用于多屏一體化控制臺設計全流程。由此完成控制臺人機工效設計，可提升人員的操作安全性、舒適性，增強裝備可靠性與抗外界環境干擾性，提高人機交互密切程度，確保任務完成效率，減少人為失誤等。

2 多屏一體化控制臺發展現狀與趨勢

2.1 發展現狀

控制臺作為一種具有顯示、控制和人機交互操作功能的設備被廣泛應用于各種大型系統中。國內外車/艦/機載控制臺運用大范圍體塊造型及倒角處理，增加整體造型的力量感，塑造穩重、可靠的機械產品風格；地面控制臺通過面塊切割并和氛圍等組合應用，塑造機械造型質感，鈑金材質搭配抗倍特板等材料，造型多變，具有較高參考價值；未來概念控制臺是控制臺設計歷程中一只重要分支，前衛的設計思路與的獨特的設計效果為控制臺的設計提供了無限可能性。其中有機造型類大量使用曲面、圓角和流線特征，配色柔和，造型新穎而有親和力，符合零重力人體工學，這類控制臺突破了固有結構形式的束縛，采用體感互動、環抱式席位、全息投影等設計形式，塑造星際航行、零負荷交互等科幻形象語義。

2.2 設計趨勢

通過對國內外現有的不同類型控制臺分析得出，未來控制臺設計趨勢呈多維化，如圖1所示。首先具有趨于完善的集成智能化設計，多層次的集成設計提高了用戶的作業效率；交互技術不再局限于支持單一的界面交互實現，多維度立體的交互體驗將成為未來控制臺設計主流。同時用戶的需求決定控制臺不再是固定單一技術與成本投入的批量化產品，用戶通過不同功能的應用與高低配置的選裝，為控制臺設計提供更為優選的成本和技術投入。未來多屏一體化控制臺設計呈現多維化趨勢，不同交互形式的糅合與全面的用戶需求定位衍生出不同系列化造型的產品，智能集成式設計使控制臺不僅能完成基本的任務處理工作，也能全方位的提升控制臺人機協同能力。

圖1 未來控制臺設計趨勢

3 基于人因工程的多屏一體化控制臺設計分析

3.1 多屏一體化控制臺設備組成

現有多屏一體化控制臺主要由硬件和軟件兩部分組成，硬件即操控臺，軟件即監控配套軟件。每個多屏一體化控制臺由操作臺、顯示屏、鍵鼠、油門臺、操縱桿、腳蹬和一套中控臺組成。根據控制臺多維化設計趨勢，現有多屏幕一體化控制臺存在人機協同性較弱，智能集成性較低，產品結構組成單一導致用戶需求度滿足不高，產品造型系列化程度較弱，辨識度不明顯等亟待解決的問題。如圖2 所示，為提高智能集成性，在多屏幕一體化控制臺部件構成的基礎上增加多模態交互組件，完成未來多屏一體化控制臺部件構成。

圖2 未來多屏一體化控制臺部件構成

3.2 多屏一體化控制臺人因要素分析

多屏一體化控制臺作為多任務處理平臺，具有部件數量多、處理信息量繁瑣等特點，尤其在有限的操作空間內長時間工作，良好的人機和外觀設計能增加作業人員舒適度，降低生理、心理疲勞，發揮作業人員最大的工作效能[5]。

1）作業操作范圍。操作域分為水平作業域與垂直作業域，多屏一體化控制臺空間主要涉及人體坐姿相關構造尺寸，其中作業域是指人的四肢活動范圍。實際上是作業人員在不同工作場景中，在某種姿勢下四肢能接觸到的空間領域[6]。

2）視野范圍。多屏顯示區與作業員眼位處于上下30°的最佳視域內，最大視域角度不超過85°，上顯示器的傾斜角度為20°，如圖3 所示。多屏工作區內尺寸狹小，屏幕較多，因此極易造成眩光[7]。為了提升操作人員的舒適性，控制臺須保證作業員的頭部處于正常姿態觀看顯示區，頭部和眼睛保持不動或眼睛輕松轉動時，注重防眩光設計。

圖3 控制臺視域

3）設備坐姿范圍。作業員在執行任務時主要的操作姿態為坐姿，因此應根據坐姿時的人體相關尺寸、按照國軍標GJB2873-1997 中中國成年男子人體測量值的相關數據進行分析[8]。控制臺人因要素設計以上述設計標準為基礎，以典型的我國成年人人因要素特性為依據，基于控制臺組成機構開展作業任務分析，根據作業需求提出控制臺設備坐姿范圍的參考[9]，見表1。

表1 多屏一體化控制臺人因設計參考范圍

4 多屏一體化控制臺設計方案與人機評估

4.1 多屏一體化控制臺設計方案

在造型關鍵詞的甄選中，開放式、模塊化、科技造型、機械造型、軍工力量感等均可成為設計著眼點。在滿足基本功能的基礎上，增加人臉識別系統、可折疊水杯托、指紋識別系統等。在材質選擇方面選擇開放式復合材料，較相同尺寸的金屬骨架能減輕約40%的重量，更適合搭載運輸載體。屏幕角度調節、提示燈、觸摸屏等多模態交互技術的前瞻應用致力于控制臺設計操作簡易化、智能化提高人機交互體驗。

4.1.1 整體造型方案

借鑒專業設備的品質感，融入航空器的通用特征來展開，諸如機翼、氣流等線條特征來建立控制臺的外觀雛形[9]。整體外觀的設計遵循人因工學準則，該多屏一體化控制臺設備提取無人機輪廓線條造型，結合硬朗的型面設計語言塑造出控制臺穩重硬派的形象，運用深灰色系色調搭配，由內至外詮釋現代顯控設備品質。該控制臺具有復雜的人機交互特性，包含可升降多屏組合顯示終端、多功能人機交互面板、可升降鍵盤、鼠標、手枕、方向操縱桿、油門臺、腳踏、可翻轉水杯托架、氛圍燈等部分組成。同時具有人臉識別、人機交互特征記憶、機構電動控制等復雜人機交互功能。

根據控制臺多屏顯示區、工作臺面區及桌面以下操作區（包含腳踏）三個區域進行優化設計，臺體臺面功能分區采用階梯分布式設計，造型更具有層次感。保留基本功能的前提下，增強人機體驗舒適度，引入多模態交互技術，讓用戶操控更高效，同時多氛圍燈的使用增強臺體未來感，如圖4 所示。

圖4 多屏一體化控制臺造型方案與功能分區

4.1.2 人機交互設計

多功能人機交互面板包含人臉識別攝像頭、人機交互觸控屏以及功放等組件。如圖5 所示，人臉識別攝像頭能夠識別作業人員身份信息，并通過電控機構實現鍵盤升降、多屏組合顯示終端升降和角度偏轉等人機交互特征和尺寸的記憶及觸發。臺面鍵盤內嵌式安裝，與水平夾角15°，鍵盤可通過電控機構凸出臺面或嵌入臺面，當鍵盤降至臺面下凹槽時，蓋板同步拉出蓋于凹槽上，并與臺面平齊，以方便作業人員伏案記錄和操作。臺面左右側各安裝一只文件掛鉤，同時臺面右下方可折疊水杯托設計方便作業人員進出操作區。

圖5 多功能人機交互面板

4.2 多屏一體化控制臺人機系統評估

人機工效學評價最早采用真人操作實物模擬樣機進行測評，耗費時間精力，最終效果達不到預期的結果。因此近年來逐漸使用3D 建模與虛擬評價軟件進行人體工效學評價，快速發現設計缺陷，可以有效降低經濟成本，節省設計的時間和精力。文章采用Simens JACK 數字人體建模和仿真軟件對多屏一體化控制臺進行人機系統評估分析。人機工效的評估可有效地檢驗裝備設計可靠性，對設計指標的驗證迭代有重要作用。控制臺人機工效評估始終貫穿設計全流程，通過“設計—仿真—設計”的循環驗證方式，明確人因設計輸入，及時更正人因設計誤差，為最終基于人因工程的控制臺設計輸出提供設計支撐。基于被測人體尺寸數據庫建立仿真三維人體模型，構建控制臺和作業人員的仿真建模環境，通過視錐、可達域和上肢舒適度與靜態強度分析等方面的仿真測試考核控制臺的人機設計水平。

1）人機系統建模。如圖6 所示，將多屏一體化控制臺模型置入JACK 軟件中，以中國第95 百分位男性人體測量數據為參考同步建立人體模型并調整人員操作姿態，完成人機仿生評估環境下的控制臺系統建模。

圖6 控制臺人機系統建模

2）視域分析。作業人員需要操控控制臺以保證監控設備正常運行，高效且準確地執行任務。進而分析處于最佳控制臺操作姿勢下第95 百分位數尺寸數字人模型的視域范圍，保證多屏顯示器屏幕與操作面板在人員的最佳視角范圍內。如圖7 所示，分析得出觀察時的視距為514 mm，符合視距尺寸標準。控制臺的寬屏組合與邊屏處于作業人員的正常視野范圍內，作業人員在保持身體和頭部不動的情況下可以清楚獲得所需信息，符合視野的設計要求。

圖7 視域與可達域分析

3）可達域分析。作業人員在執行任務時，需要精準操作控制臺各項機構保證對指令的精準輸入與完整輸出，確保指控等各項任務安全、高效地運行。如圖7 所示，在分析過程中，以作業人員標準工作坐姿為主，一般選擇中指指尖作為最大可達域的分析基準，判斷儀中控臺、方向桿、油門臺、鍵鼠、水杯托、掛鉤等需要操作的機構位于可達域范圍內，表明該工作姿勢下工效學設計合理[10]。

4）快速上肢分析。快速上肢分析功能是對某工作姿態下作業人員的上肢狀態進行評價。控制臺的人員操作任務主要為手部與臺面上方機構的交互動作，腿部僅操作腳踏。評價結果共分4個等級，見表2。結果如圖8 所示，上臂、前臂和軀干的得分在2—3 分之間，說明上述部位在該姿態下會引起可接受的的疲勞程度，結果表明滿足人機設計要求。綜合得分為4 分，說明作業人員在使用控制臺時上肢疲勞度可接受，滿足舒適性要求。

圖8 快速上肢與靜態強度分析

表2 快速上肢分析評分等級

5）靜態強度分析。靜態強度分析是通過特定姿勢適用人群的百分比來對人體動作程度進行評估，確定人體模型的最大擺動幅度[11]。如圖8 所示，在工作狀態時上肢部分的強度性能符合人機設計要求，人物膝蓋與腳踝也基本能滿足75 百分位以上人群使用強度要求。

5 結語

文章針對現有多屏一體化控制臺人機交互單一、用戶體驗差造型設計固化等問題，定義了面向未來發展的控制臺技術特征和多維化設計趨勢，在設計過程中結合人因設計分析，給出了人因要素的推薦范圍，完成硬件造型設計，隨后完成人機工效的綜合測試與評價。試驗結果表明，該控制臺具有較好的人機交互體驗和較高的人機工效水平，提升裝備的用戶體驗和作業效能，可應用于飛控、指揮控制系統，并對后續控制臺的設計提供了重要技術積累。