挑戰與提升
——基于多參數耦合的全海深載人潛水器載人艙人機環設計

李洋洋，葉聰，徐偉哲，石路*

0 引言

深海載人潛水器被稱為“海洋學研究領域的重要基石”，可運載科學家、工程技術人員和各種裝置、特種設備，快速、精確、持續往返到達多種深海復雜環境，進行高效勘探、科學考察和特種作業[1-2]。近20 年來，在加快建設海洋強國和實施深海發展戰略的部署下，以“蛟龍”號、“深海勇士”號和“奮斗者”號3 臺深海載人潛水器研發為契機，中國載人深潛取得了跨越式發展[3]2。以全海深載人潛水器為代表的深淵載人技術是當前國際海洋工程技術競爭的熱點。2020 年11 月10 日，“奮斗者”號全海深載人潛水器下潛到馬里亞納海溝10,909m 海底，標志著中國具有了進入世界最深處開展科學探索和研究的能力，實現了我國在同類型載人深潛裝備方面的超越和引領[4-5]。全海深載人潛水器載人艙人—機—環境設計技術是潛水器整體系統設計的重要組成部分之一，它涉及到人機工程學、工業設計、測量學、心理學、行為學、材料學、噪聲學和色彩學等多種學科[6]。與“蛟龍”號和“深海勇士”號相比，“奮斗者”號全海深載人潛水器具有下潛深度更大、水下作業時間更長、艙室空間更小、作業負荷更大等特點。其載人艙的人—機—環設計面臨諸多挑戰，既有乘員人均空間有限、長時間保持不規則坐姿、信息繁雜、長時間精神緊張以及駕駛作業與科考任務兼顧等艙室內部環境因素，也包括需要經歷水面—深海—水面變化、面臨海風、海浪等不確定因素，光線、水溫、地形等變化，同時潛器還需承受1000 倍以上的大氣壓力。潛航員受載人艙內外多重因素的影響極易產生生理疲勞和心理波動，影響單次深潛作業甚至整個大洋行次任務。因此，基于生理、心理及作業績效多參數耦合的載人艙人機環設計對提高潛航員操作性、舒適性及保障深潛作業安全性都至關重要。

1 方法

本研究采集了潛航員在潛水器載人艙狹小空間特定人機環狀態下的腦電、心電、連續血壓、腦血流、眼動等實時生理數據，結合狀態—焦慮量表、NASA-TLX 量表以及績效，探討了不同艙室布局條件下潛航員生理、心理參數及作業能力的變化（圖1-4）。

1 載人艙駕駛位環境評估

2 人機界面評估

3 控制面板評估

4 等比例主駕駛座椅

2 成果

研究團隊前期針對深海實潛作業中潛航員的心電、腦電、血壓數據[7-11]以及潛航員腦力負荷實時評估預警建模[12-14]開展了一系列研究，申請了“潛航員潛航作業腦力負荷監測系統”發明專利（第4880784 號）[15]以及“深海載人潛水器模擬操作系統V1.0”計算機軟件著作權（軟著登字第4581067 號）[16]，取得了階段性成果。通過對生理、心理及作業績效等多參數的對比和相關性分析，研究團隊提出了全海深載人深潛器艙內人機環設計方案和艙內交互界面設計方案，創建了基于生理、心理與認知的艙內人員效能評估體系，實現了載人潛水器艙室人機環設計與評價的標準化和規范化，加強了深海載人潛水器人機交互、安全事故（征候）人因機理與干預等關鍵技術研究應用。同時，也針對載人潛水器載人艙狹小空間的艙內環境布局、界面設計布局及主駕駛位座椅設計開展了系統性測評研究[17-18]。

上述一系列研究契合我國“十三五”規劃綱要提出的加強“深海、深地、深空、深藍”4 個領域的戰略部署，研究成果為載人潛水器艙室人機環設計和人員培訓提供了一定的技術支撐。

3 結論

載人航空航天與載人深潛是我國“上天入海”的前沿技術研發重點布局。近年來，我國載人深潛技術突飛猛進，但在“潛航員”與“深海載人潛水器”的人機交互建模、仿真和績效評價等方面的研究還處于起步階段。載人深潛作業最關注的是增強作業能力、提高作業效率，同時兼顧操控性和舒適性，特色技術包括“快速潛浮及水動力綜合優化”“狹小空間的人機工效及生命支持”等[3]4。美國在論證“新阿爾文”號的先進性時，提出了一系列載人潛水器先進性的衡量標準，其中包括“更好的艙內人—機—環境設計”以及“更好的操縱性”[19]。載人艙人機工效設計是一個以人為中心的多需求、多學科綜合求解問題，以往的相關研究缺乏有效的綜合協同設計方法，設計后期的評價也缺乏定量化的評價指標。

深海載人潛水器載人艙布局設計各不相同，但重要的是應與人因研究結果一致，即最大限度地滿足人的能力、操作性和空間限制間的最優搭配。隨著以“奮斗者”號為代表的深淵裝備的常態化應用，在全球范圍內和尺度上系統開展深淵科學研究的時機已經成熟。項目系列研究成果可為現有潛水器艙室人機交互設計的維護改造、新型潛水器艙室設計研發以及其他行業領域艙室人機交互設計測評提供參考，對保證潛器艙室質量控制、降低深海裝備研發成本、縮短研制生產周期、提升設備兼容性以及充分發揮潛航員與潛器的整體效能具有重要的理論意義和實際應用價值。□