在反坦克导弹武器操控系统设计中广泛应用人因工程学理论*

王爽英,蒲小平,魏建峰,黄燕群

(1 中国兵器工业第203研究所,西安 710065;2 空军装备部,北京 100843)

在反坦克导弹武器操控系统设计中广泛应用人因工程学理论*

王爽英1,蒲小平2,魏建峰1,黄燕群1

(1 中国兵器工业第203研究所,西安 710065;2 空军装备部,北京 100843)

文中针对近年来发展迅速的人因工程学在反坦克导弹武器操控系统的可行性应用进行分析,提出了在操控系统设计过程中广泛应用人因学理论的实践、测试和评估方法,拓宽了武器操控系统的设计思路,对后续产品的研发具有一定的借鉴意义。

反坦克导弹武器;操控系统;人因工程学;人-机-环境

0 引言

人因工程学(human factors engineering)是近些年得到迅速发展和应用的,以人体科学、工程技术、环境科学和社会科学等学科为基础的一门新兴交叉学科。它主要研究“人-机-环境”系统中各种因素的相互关系,以此创建最佳的人-机-环境系统,广泛应用于艺术设计、工业设计、工业工程、安全工程、航天航空和武器装备等重要领域[1-2]。人因工程学是一门根据人的各种特性,对与人直接相关的机具、作业、环境等进行设计和改造的学科,因此,人因工程学的研究内容和研究方法主要是对人机系统整体进行优化设计和处理[2],其核心思想是“使机器适应于人”。

作者通过对人因工程学理论学习,结合工作实际,认为现阶段武器操控系统设计应更加广泛应用人因学理论并进行实践,以此努力将产品设计达到一个更高的技术水平。

1 国内外发展现状

人因工程学的研究最早可追溯至20世纪50年代,美国国家实验室进行的一项关于人因失误度量的实验。由此在随后的几十年间,该研究成果在核工业、航空航天、石油工业、道路交通、武器装备等行业得到了不同程度的应用。例如:中国航天员科研训练中心人因工程重点实验室进行的航天系统人因工程研究,范围包括航天员作业能力与绩效、航天器人机界面和人机交互、航天人误与人因可靠性[3]。清华大学人因与功效学研究所设立的驾驶安全与人机系统仿真实验室,进行道路交通事故数据分析与趋势、驾驶员认知、态度、行为和能力等方面的研究。人因工程学在我国于20世纪90年代起得到较大的发展,虽然已走入世界前列,但与美国相比还存在很大差距[4]。

目前现有的已设计完成的反坦克导弹武器系统人机环设计只限于设计数据分析采纳阶段,测试和应用数据未有大量的数据依据可循,并没有真正充分引入人因工程学研究方法。

在操控系统的设计初始阶段,采用人因工程理论进行系统的人因要素分析,将会减少设计的反复,提高系统的使用绩效,增进系统的安全,提高操作人员的满意度[1]。

人因工程从保障武器系统任务策划的科学合理性方面出发,可提升射手信息加工和决策可靠性,减少操作失误,优化人机功能分配,在人-系统整合协同高效工作以及提高系统安全性等方面将发挥重要作用。

反坦克导弹武器系统发射任务中射手发射操控系统使用环境的相互关系图见图1。

图1 反坦克导弹发射操作控制系统人-机-环境相互关系图

2 人因工程学在操控系统设计的应用范围

人因工程学在反坦克导弹发射操作控制系统的设计起着至关重要的作用,概括为以下几个方面。

2.1 人的因素

操控系统设计者需要了解武器系统使用者的基本生理特征,包括人体尺寸、体重、重心等;并应分析使用者的机能特征,包括分析视觉、听觉和触觉;在武器工作站内使用操控系统时的生理变化,包括能量消耗、疲劳机理以及对各项操作的负荷的承受能力。反坦克导弹由于使用范围环境和制导方式不同,对射手的各项生理特征要求不同。例如:激光半主动制导反坦克导弹,在导弹发射后需要通过瞄准装置跟踪目标,射手在几十秒飞行时间内,需要通过操纵手柄和显示器完成人在控制回路的作用。因此手柄和显示器对射手的适应程度将尤为重要。

2.2 产品的因素

在操控系统的设计方案形成初期,似乎处于一个“仁者见仁,智者见智”的过程,每个按钮位置确定以及画面显示文本或图标的位置都要经过一番推敲论证,不能只与设计人员相关,使用者参与程度和范围也应是设计过程的重要参考。对于射手直接使用的操控系统设备,比如显示装置、操纵装置、工作台和控制室等部件的形状、大小、色彩以及设计基准,应以人因工程提供的参数和要求为设计依据。例如:显示装置的大小和安装位置根据人因数据中人眼的最佳视区,观察距离不小于人眼最小观察距离[5]。

2.3 环境的因素

环境因素包括导弹武器系统工作平台所处的空间环境、电磁兼容环境、使用者所在环境舒适程度,重点考虑射手在这个平台上使用操控系统的各种物理反应、生理心理反应和适应能力。设计过程中需要考虑发射工作平台上声、光、热、振动等环境变化给射手带来的各种变化,以及这些变化对其操控武器系统带来的影响,包括是否产生误操作、危险操作。因此设计中需要进行人因工程学分析提供环境分析评价的方法和准则。例如:军用显示装置根据使用的环境提出环境照明、防眩光、刷新频率等指标要求[5]。设计开发的同时可进行反坦克导弹武器系统使用环境的分析调查,从而在设计时提出与使用环境相适应的操控系统设计要求。

3 人因工程学对操控系统设计的影响

虽然关于人-机-环境优化的设计已经进行了很多尝试,但是我们不得不承认大量的设计成果与实际应用的产品设计之间仍然存在许多差距,仍然导致产品交付部队后出现与使用者不相容的情况。科研设计工作由于长期固有的思维模式导致存在的问题不能被及时发现。基于上述问题,作者建议结合人因工程学理论操控系统的设计应聚焦在以下几个方面。

3.1 设计符合使用者的人-机-环境

反坦克导弹武器操控系统的使用者包括射手、设备检修人员等,有必要分析使用者的生理数据,对武器系统操作和检修过程中,使用者对产品的生理感觉比如一个按键或者一个提拉手柄的舒适程度将关系到对系统的反应和武器命中绩效。外观界面的设计不应只由少数设计者进行主导,应依据以样机试验为基础进行人因测试论证得出改进结论进行。即使不能保证百分之百的使用者对产品的舒适程度满意,也应提供适合使用操控系统的使用者的生理条件,比如身高、体重、视力范围等等。

3.2 人机交互信息的优化、测试与判断

武器系统信息决定出现的事件、信息的变化需要操控系统参与判断、编码和传递[6],并且射手需要进行反应和判断。因此对信息的定量化(事件数目、出现概率、顺序限制和出现背景)、信息传递(优先级、传递速度)以及信息展现方式(常态报告、告警方式、人机交互方式)需要进行讨论分析,讨论分析的范围包括:减少射手心理操作的数量、图示编码信息的一致性、信息提示的阅读重点、突出在操作流程的重点控制导向,通过上述分析形成设计准则可提高射手对系统状态的认知、反应力和敏感性,从而减少射手工作心理负荷和误操作。

3.3 形成符合武器装备特点的控制系统的设计原则

经过各种长期的设计和使用经验,结合人因工程设计原则,操控系统的设计应形成下列设计原则。

3.3.1 使用空间原则

考虑射手使用操控系统的最大周围设备间距、最小的伸及等要求,这些考虑主要应用在机载或车载封闭空间内;考虑维修人员维修空间要求,如拆卸产品后维修需要的最小空间;考虑根据使用者生理条件不同的可调节性需要,如使用者与设备的相对位置调节。

3.3.2 组件设备排列布局原则

操控系统的组件是指控制面板及开关按键、显示器图标状态文本信息、状态仪表等。操控系统的组件由射手直接使用,根据武器系统使用流程,排列布局应依据使用频率、重要性、使用顺序、一致性等人因设计原则,同时还应在显示器界面中考虑控制?显示相容性原则。根据组件的功能进行区域划分,避免操控过程的混乱和误操作。

3.4 建立人因工程学的有效参与、测试和评估体系

人因学专家的目标是通过提高绩效、满意度和安全性使系统获得成功。鉴于此目标,在操控系统设计中除了完成基础的功能性设计,需要把人因学原则、方法和数据应用于产品或系统的设计。在设计流程中先期考虑人因,就不会将追求研制进度和设计完美需求两者置于矛盾之中。

人因学参与操控系统设计的工作流程图见图2。

图2 人因学在操控系统设计参与的流程框图

人因鉴定测试工作应包括:测试目标说明、测试实验方法、测试人员基本信息统计、测试设备统计、任务分析、任务数据梳理分析、分析评估数据。

操控系统评估的结果不仅是对产品的性能负责,更重要的是对使用者负责,通过评估可以对可接受性、可用性和人-机系统的相容性绩效方面进行数据积累,直至设计出用户满意的产品。

现阶段操控产品的设计使用过程缺乏全面的数据支撑。无论是新研产品还是改进改型产品都需要有真实测试数据支持评估结论,使每一次产品的改进具有完全的说服力。通过查阅美军人因工程学资料[7],在关于某型改进装备的人因鉴定报告中,对测试的人员信息、测试环境、测试方法等均有详细的数据描述,对改进系统提出详尽的分析报告,因此试验结论有理有据可信。

4 结束语

人因工程的研究体系范围宽广,依据文中分析的应用范围和影响,以及人因工程学实施方案,作者认为在反坦克导弹操控系统设计过程中广泛应用与实施需要从各个方面开展,包括项目的组织和管理、技术研究广度和深度拓展以及高层的重视、投入和各项保障。

为了满足我军装备信息化体系化设计要求,在操控系统设计和生产过程中引入人因工程学设计原则和测试,并且有必要开展人因设计测试评估工作,虽然这项工作是一个跨领域跨学科的庞大工程,但是相信经过若干年的工作开展,其过程产生的设计原则和评估方法,必然对产品的安全性和可靠性以及用户满意度产生深远的影响。

[1] WICKENS C D ,LI J D,刘乙力. 人因工程学导论 [M]. 2版. 张侃, 译. 上海: 华东师范大学出版社, 2007: 4-7.

[2] 马广韬. 人因工程学与设计应用 [M]. 北京: 化学工业出版社, 2013: 6-8.

[3] 陈善广, 姜国华, 王春慧. 航天人因工程研究进展 [J]. 载人航天, 2015, 21(2): 95-105.

[4] 阳富强, 吴起, 汪发松, 等. 1998—2008年人因可靠性研究进展 [J]. 科技导报, 2009, 27(8): 87-94.

[5] 中国人民解放军总装备部航天医学工程研究所编写. 军用视觉显示器人机工程设计通用要求: GJB1062A—2008 [S]. 北京: 总装备部军标出版社, 2008: 2, 4-6.

[6] WICKENS C D, HOLLANDS J G,BANBURY S,等. 工程心理学与人的作业 [M].4版. 张侃, 孙向红, 译. 机械工业出版社, 2014: 28.

[7] ELLTS P H. Human factors evaluation of the modified AT-4 light antiarmor weapon: ADA 147482 [R]. 1984.

Extensive Use of Human Factor Engineering in Operating System of Anti-tank Missile Weapon Design

WANG Shuangying1,PU Xiaoping2,WEI Jianfeng1,HUANG Yanqun1

(1 No.203 Research Institute of China Ordnance Industries, Xi’an 710065, China; 2 Air Force Armament Division, Beijing 100843, China)

The paper focuses on feasibility analysis on application of recently rapid-developing human factors engineering in operating system of anti-tank missile weapon, providing methods of practice, testing and evaluation of extensive use of human factor engineering in the process of designing system for operation and control devices, laying foundation for R&D of future products.

anti-tank missile weapon; operating system; human factor engineering; human-machine-environment

2016-06-02

王爽英(1974-),女,陕西韩城人,高级工程师,硕士,研究方向:武器装备操控系统研发。

TJ768

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