基于人因工程理论的潜艇动力舱布置量化评价方法研究

厉行军，张 伟，王 博

(1. 东海舰队，浙江 宁波 315122；2. 中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064)

基于人因工程理论的潜艇动力舱布置量化评价方法研究

厉行军1，张 伟2，王 博2

(1. 东海舰队，浙江 宁波 315122；2. 中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064)

应用人因工程理论，建立基于艇员人工操作失误的失误树。以该失误树为模型，通过潜艇典型动力舱室显控台人机工效设计分析，研究该显控台存在操纵面板布置和界面设置等技术缺陷，最终建立一套基于艇员人工操作失误的动力显控台人机工效量化评价方法。

人因工程；操作失误；艇员

0 引 言

传统的潜艇动力舱室布置设计强调以“最佳”的舱室和设备布置来满足对动力装置作战能力和生命力的要求，但较少考虑人在完成潜艇动力装置实现其预定功能中的主导作用。从而导致在一些涉及到人的因素的设计中，以经验和主观感受代替了定量化的研究，如：在维修性方面、操作部位和通道的可达性；操作界面的友好程度。

人因工程是在第二次世界大战期间产生并在 20 世纪 50 年代获得迅速发展的一门综合性的边缘科学，人因工程研究的目的是为了更好地把生产系统中的作业者紧密地与劳动工具，作业环境联系起来，将其作为一个“人-机-环境”系统加以考虑，以最大限度地提高系统效率，并以人为主导因素，使人能够舒适、健康、安全、高效地工作，达到人机最佳配合，以实现系统预定功能。

1 基于事件树的艇员操作失误理论

根据人因工程理论，艇员的操作失误有以下几个特点：一是艇员具有学习能力，其操作失误率随时间增长其训练水平提高会逐渐降低，而设备失误率基本为常数；二是艇员具有纠偏能力，即当其产生非致命性失误时，具有发现并纠正自己所犯错误的能力；三是在多人作业时，艇员之间存在相互纠偏能力，能发现并纠正他人所产生的非致命性失误。

因此，艇员的失误除了具有普通部件故障所具有的规律外，还具有其自身特有的规律。

在设备的稳定工作期间，故障概率服从指数分布，失效概率密度函数可表达为：

其中 λ 为部件的失效率。

数，两者都与环境因素有关。由此，人的失效概率密度函数则可表达为：

同时，人具有自我纠偏能力及群体作业时他人的纠偏能力，考虑人在 t 时刻纠错的概率分别为：

式中：Pe为人的自我纠偏概率；Pa为他人的纠偏能力。综上所述人的不可靠度函数可表达为：

对于艇员操作过程中的任意一种失误模式，其不可靠度函数都可用（5）式来表达。

图 1 为人因工程原理框图。

图 1 人因工程原理框图Fig. 1 Human factor engineering principle picture

2 人的操作失误树

采用人的任务可靠度作为基本参数之一来对动力舱室布置的优劣进行评价，而人的任务可靠度指的是在规定条件下和规定时间内，人完成其规定操作任务的能力。显然，人的这种能力与人的可靠性一致，因而只要建立系统的可靠性数学模型即可求得人的任务可靠度。但在潜艇服役期间，人一般要执行多种作业任务，试图建立一个统一的包含其所有任务的可靠性模型不切实际，但对于每一种任务分别建立相应的可靠性模型则完全可行，如利用决策树。因此，对人的每种任务建立决策树模型，计算顶事件的发生概率，由此即可获得人的各个任务可靠度。

采用动力舱室的总体任务可靠度为参数来评价舱室的布置方案，而计算总体任务可靠度之前，需要对整个舱室的所有任务进行分解，然后建立相应的人的决策失误树，以获取单个任务可靠度，为计算总体任务可靠度奠定基础。

通过到潜艇使用单位的实地调查研究，归纳出动力舱室的所有任务为：动力系统自动起动、动力系统手动起动及动力系统停车等。

如同构造故障树一样，建立人的决策失误树之前，首先要进行决策流程分析和人失误模式分析。动力系统自动起动失误模式分析如表 1 所示。动力系统手动起动失误模式分析如表 2 所示。动力系统停车失误模式分析如表 3 所示。

3 人的可靠度分析

表 1 动力系统自动起动失误模式分析Tab. 1 Automatic startup error mode analysis of power system

表 2 动力系统手动起动失误模式分析Tab. 2 Manual startup error mode analysis of power system

在多目标系统的模糊评判中需要确定系统各目标的权重。对于动力舱室各任务的权重，采用专家打分法从任务复杂程度、重要程度及执行任务的频率 3 个方面来综合打分，从而确定权重。专家打分结果如表 4所示。

根据任务权重表（见表 5），综合专家打分结果可得各任务的权重为：w1= 0.188 7，w2= 0.170 9，w3= 0.162 3。

利用试验和专家打分所获得的基础数据，针对每个任务编制相应的数据文件，然后调用计算软件包可方便的求出系统效率。图 3 为计算流程框图。

计算结果如下：

各任务可靠度为：p1= 0.929 3，p2= 0.856 3，p3= 0.986 0，p4= 0.897 3，p5= 0.842 6。

总的人的任务可靠度为：μ = 0.980 2。

表 3 动力系统停车失误模式分析Tab. 3 Shutdown error mode analysis of power system

表 4 评分结果Tab. 4 Grade results

图 2 显控台示意图Fig. 2 Console diagram

4 舱室布置主要问题

从以上定量评价中，不难看出动力舱室在布置上存在着一些问题，现归纳如下。

表 5 任务权重表Tab. 5 Mission weight parameters

图 3 计算流程框图Fig. 3 calculation process picture

4.1 操纵面板布置问题

1）等离子显示屏放置在折角处，远离操作者的视觉中心，不利于操作者发现报警信号；而且，操作者观察显示屏时必须离开座位，这从等离子屏的误读率（1/λ 值仅为 8 400.00）可以看出；另外，等离子显示屏上的字符太小也是原因之一，前景色和背景色的对比度也值得磋商。

2）故障代码监测板安排在膝盖高度的部位，操作者必须离开面板一段距离再弯腰才能查看，极不方便。但由于显示亮度较强，所以只在操作者较疲劳和操作较复杂时失误率较高。

3）A 板、C 板、E 板离操作者的视觉中心较远，而且 A 板和 E 板相对操作者的视角较大，所以在进行监控任务操作时对灯闪烁的误判概率相对其他板较大（A 板未见灯闪烁的 1/λ 值为 8 822.423 340；E 板未见灯闪烁的 1/λ 值为 10 046.992 676）。

4.2 按钮、灯问题

1）作为一般报警的黄灯闪烁时不易引起操作者的注意。黄色虽然属于亮色，但是同时也是一种对环境照明反射较强的颜色。由于环境照明为白炽灯，与黄色相近，黄灯不亮时外壳反射的黄色已较醒目，所以黄灯的闪烁反而变得不引人注意了。在试验中，黄灯较多的几块板（E 板、C 板和 D 板）的灯闪烁误判概率较高。

2）报警灯太多。监控任务虽然操作极简单（专家打分中其复杂程度仅为 4），但由于报警灯分布于共 5块面板上，使得操作者注意力不得不分散在这些板上，导致误判率提高，监控任务的可靠度较低。

3）由于仪表为指针式模拟量表，当需要精确读数时（如转速达到 5 490 rpm），往往失误率较高（仪表读错的 1/λ 值为 7 246.399 658）。

4）S，T，Y 板板面较小，按钮基本上都是黄灯，大小颜色区别很小，而且排列过密，导致这 3 块板上按钮的按错概率最大，T 板按错的 1/λ 值仅为 5 397.000 0。

5）在动力系统手动启动时，当转速达到 2 400 rpm时，需同时按下 H022 和 H023 按钮；由于同步性要求较高，该操作的失误率也相对较高。

4.3 界面问题

1）在操作者查看启动条件是否满足时，经常要扫视分布于几块面板上的多个按钮，容易造成失误。如H板的初始条件看错的 1/λ 值为 9 502.324 829。

2）试验中发现，操作者在完成一步操作之后，常常需要思考下一步的操作；而面板上没有任何提示下一步操作的标识。

5 结 语

应用人因工程理论，建立了基于艇员人工操作失误的失误树。以该失误树为模型，通过潜艇典型动力舱室显控台人机工效设计分析，研究提出了该显控台存在操纵面板布置和界面设置等技术，最终建立了 1套基于艇员人工操作失误的动力显控台人机工效量化分析方法。

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Research on submarine power compartment arrangement quantitative evaluation method based on human factor engineering theory

LI Xing-jun1, ZHANG Wei2, WANG Bo2
(1. Unit of the East China Sea Fleet, Ningbo 315122, China; 2. China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

Application for human factor engineering theory, the fault tree is established based on the operating error of crew. With this fault tree as the model, this paper presents the technical defects of the console such as control panel disposal and interface setting,through the ergonomics design analysis of the console in the submarine typical power compartment. Finally, based on the operating error of crew, the paper establishes the ergonomics quantitative evaluation method of the power console.

human factor engineering；operating error；crew

TL365

A

1672–7619(2016)12–0163–04

10.3404/j.issn.1672–7619.2016.12.034

2016–03–15；

2016–04–20

厉行军(1971–)，男，高级工程师，研究方向为舰船动力装置。