装甲车辆人机工效一体化仿真方法研究

刘维平，聂俊峰，刘西侠，金 毅，傅斌贺

（陆军装甲兵学院，北京 100072）

0 引言

随着装备信息化建设的快速推进，装甲车辆高新技术应用广泛，信息化水平不断提高，对乘员作业能力提出了更高要求，随之也会引发严重的人机工效问题。长期以来，对于装甲车辆人机工效的研究，基本以系统设计完成之后的功能评价为主，缺乏针对人机工效进行的预先研究［1］。大量调查实例表明，装甲装备系统中由于人机工效不适合或不匹配进而需要修改人机系统时，不仅难以实现，也必将耗费大量成本［2］。因此，亟需一种在方案设计阶段对装甲车辆人机工效进行预先研究的方法。

美军在装备发展中，十分重视人机工效建模与仿真的研究，认为人机工效仿真对未来装备设计发展具有举足轻重的作用。自20世纪80年代以来，投入了大量经费用于人机工效仿真的研究，基本实现了从方案论证、系统评估到装备改造全过程的人机工效一体化仿真。美国陆军研究实验室（U.S.Army Research Laboratory）基于装甲车辆乘员能力特性开发了性能仿真分析软件（Improved Performance Research Integration Tool，IMPRINT），从根本上实现了基于人的特性对系统人机工效进行仿真研究，并成功对美军未来战斗系统的人机工效进行了分析预测［3-4］。美国国际技术公司（Technology International Incorporated）针对舱室乘员人数对装甲车辆人机工效的影响进行了仿真分析，并通过仿真预测了舱室乘员人数由3人减少为两人后系统人机工效的变化情况［5］。坦克机动车辆司令部（Tank Automotive Command）基于人机工效仿真方法对乘员作业绩效与先进技术之间的关系进行了研究，研究结果验证了人机工效仿真方法的必要性和有效性［6］。我军在装甲车辆人机工效一体化仿真的研究主要集中在乘员训练仿真系统的研制方面，多侧重于仿真手段的研究，缺少面向实际作战环境的人机工效一体化仿真理论和应用的研究，难以准确深入地描述装甲车辆人机系统的运行机理，导致系统仿真与作战仿真脱节，严重影响了仿真的可信性［7-8］。

1 人机工效一体化仿真需求分析

装甲车辆人机系统是指由乘员、作业舱室以及舱室内为完成作战任务所要观察、操控的所有设备构成的一个有机整体［9］。装甲车辆人机系统属于复杂人机系统，随着相关技术的迅猛发展以及战场环境的不断变化，这种复杂性具有其特殊性。

1）技术密集度高，系统构成复杂化。装甲车辆自动化、智能化水平明显提高，新型附加装备日益增多，功能不断完善，武器系统、通信系统、防护系统、电气设备不断更新，各类辅助系统层出不穷，人机系统构成愈加复杂。

2）信息化程度高，作业模式智力化。车载信息系统已成为装甲车辆重要组成部分，极大地改变了乘员的作业模式和工作负荷模式，以智力型为主的信息处理作业已逐渐成为乘员的主要作业模式，脑力负荷所占比重逐渐增大，对乘员的作业能力提出了新的要求。

3）作业环境复杂，任务职责多元化。一方面，战场环境日益复杂，突然性、紧张性空前提高，战场态势瞬息万变；另一方面，装甲车辆外型限制严格，作业空间狭小，对外观察困难。作业环境复杂，乘员任务职责呈现多元化，系统功能分配问题突出。

因此，装甲车辆在发展过程中面临的人机工效问题并未减少，反而在一定程度上愈加复杂和严峻，迫切需要突破传统的研究模式，探索和发展新的理论和方法。

2 人机工效一体化仿真基本内涵

2.1 人机工效一体化仿真概念

装甲车辆人机工效一体化仿真主要是面向装甲车辆系统设计的方案论证阶段，在充分考虑乘员作业能力的基础上，在系统设计中，采用计算机辅助人机工程的方法建立乘员作业仿真模型［10］，将乘员、装甲车辆和作业环境作为一个有机整体进行人机工效分析预测的过程［11］。

装甲车辆人机工效一体化仿真利用虚拟现实手段将乘员完全嵌入到计算机生成的虚拟舱室环境中，模拟乘员在实车条件下的作业，通过嵌入式软件以及生理设备等人机交互测试手段，对乘员在虚拟舱室环境中的操作状态和作业绩效进行动态测试，并对数据进行分析评估，实现了方案设计阶段基于任务操作的人机工效仿真分析与预测研究。可以明显缩短系统研制周期，提高研究效率，为产品的安全性和可靠性提供保障；同时，也可以有效替代实车试验，减少研究风险，提高测试的全面性和完备性［12］。

2.2 人机工效一体化仿真框架

装甲车辆人机工效仿真分析的对象是舱室人机耦合接口，研究手段为人机工效仿真技术，评估依据是舱室乘员的工作状态。因此，人机工效一体化仿真框架为：首先，基于信息处理模型对乘员作业过程进行分析；然后，基于网络建模方法构建乘员作业仿真模型；进而对装甲车辆人机工效进行一体化仿真研究，确定任务条件下乘员的作业状态；最后，通过人机工效试验对仿真结果进行正确性验证。装甲车辆人机工效一体化仿真框架如图1所示。

图1 装甲车辆人机工效一体化仿真框架

3 人机工效一体化仿真关键技术

3.1 信息处理作业过程分析

信息处理作业是装甲车辆乘员作业的主要形式，其贯穿于装甲车辆作战任务的始终。信息处理作业是指乘员通过各种感觉器官（视觉、听觉）从外界搜集战场目标信息、显示终端信息及电台信息等，进而调用长时记忆和工作记忆对搜索到的信息进行感知和理解，经大脑迅速形成指令，精确地操作按钮、开关、按键或旋钮等进行反应执行来完成特定任务的作业。乘员信息处理过程是一个涉及注意、识别、记忆以及情绪动机等多方面要素的复杂心理过程［13］。图2为乘员的信息处理模型，其中：每个方框代表信息处理的各个阶段或元素，箭头表示信息流通方向。

图2 乘员的信息处理模型

3.2 构建乘员作业仿真模型

依据装甲车辆乘员信息处理作业过程分析结果，针对实际任务需求，采用任务-网络建模技术构建乘员作业仿真模型［14］。

任务-网络建模技术是一种对乘员作业过程进行时间序列建模，并加以控制的计划管理技术。无论作战任务有多大、作业操作之间的关系有多复杂，都可以将其逐级分解［15］。笔者基于多资源理论［13］对任务-网络建模方法进行扩展，建立了融合通道维度的任务-网络模型。该方法将作业操作与信息通道有机结合，可以清楚表达各操作之间的相互关系，直观体现各通道的资源占用情况，有利于提高各通道之间的协同配合，共同保证任务的顺利完成。

任务-网络模型建模方法有直接法和间接法两种：直接法即通过一边分解一边确定工作项目及其关系的方式直接构建，一般针对简单系统；间接法即依据前期编制好的工作项目明细表间接构建，主要针对相对复杂系统。装甲车辆乘员作业属复杂系统，故选用间接法构建模型。

任务-网络建模技术的基本表达形式为任务-网络图，是一种由箭线和节点组成的有向、有序的网状图形。任务-网络示意图如图3所示。可以看出，节点1、节点8分别为起始节点和结束节点，其他节点均为中间节点；A、B、C分别表示各信息执行通道；A1、A2、A3、B1、B2、B3、C1、C2、C3为乘员工作项目代号［16］。

3.3 一体化仿真技术研究

装甲车辆人机工效影响因素众多，具有随机性和复杂性，因此，其一体化仿真技术主要包括3个方面的研究：

图3 信息执行通道任务-网络示意图

1）任务驱动条件研究，即解决人机系统仿真的输入问题。主要是指规范作业情景环境，明确作业初始参数设置。

2）模型工作参数研究，即实现工作参数的量化。模型工作参数包括时间参数和资源参数：时间参数主要包括反应时间和运动时间，可分别采用Hick-Hyman定律和Fittts定律计算得到［17］；资源参数一般指脑力资源参数，主要包括脑力负荷值及其分布函数，脑力负荷值常用的确定方法有Siegel和Wolf的脑力负荷评级标准、波音公司的方法以及Aldrich的7分制评级标准等［18］，脑力负荷分布函数基于先验模型［3-4］采用数据拟合与模拟试验相结合的方法确定。

3）一体化仿真模型预测，即通过执行量化的一体化仿真模型，根据模型运行结果对人机工效进行预测。

3.4 人机工效验证技术研究

采用主、客观相结合的分层验证方法对乘员仿真模型进行有效性验证，一般包括基本操作过程分析、典型任务结果对比以及随机任务结果对比3个层次，主观评价方法一般采用评价量表或调查问卷的形式进行，比如NASA-TLX（National Aeronautics and Space Administration-task load index） 量表、CH（Cooper-Harper Rating Scale）量表、SWAT（Subjective Workload Assessment Technique）量表等［19］。

4 应用实例

炮长应急作业下的人机工效是影响装甲车辆作战效能的关键因素。笔者以我军某型主战坦克炮长发现目标并进行射击作业过程中的人机工效为例，结合装甲车辆人机工效一体化仿真框架，验证方法的有效性。

4.1 仿真模型构建

根据炮长的基本职责和作战任务条件下的具体操作流程，对作业进行分解，列出基于执行通道的炮长工作项目及相互关系明细表，如下页表1所示。

表1 炮长工作项目及相互关系明细表

根据表1，采用间接法构建基于任务-网络建模技术的炮长作业仿真模型，如图4所示。

图4 乘员作业仿真模型

4.2 模型参数确定

时间参数采用Hick-Hyman定律和Fitts定律计算。各执行通道脑力负荷参数采用Aldrich 7分制评级标准进行评定。时间参数值和各通道脑力负荷值如表1所示。

针对应急作业条件，参考先验模型确定脑力负荷分布模型，将乘员某一时刻工作状态测量100次，对数据进行曲线拟合，得到各工作项目负荷分布函数如表2所示。

表2 各工作项目负荷分布函数表

4.3 模型一体化仿真

模型一体化仿真选用Monte Carlo仿真方法，执行平台为Matlab仿真平台。为保证仿真模型按照相似路径运行，确定了一个共用随机起始数字，规定每个模型随机数目为100。图5为模型仿真执行一次炮长总脑力负荷变化情况。

图5 模型仿真执行一次炮长总脑力负荷变化情况

对仿真结果进行统计，得到炮长各执行通道脑力负荷和总脑力负荷情况，如表3所示。

表3 炮长各执行通道脑力负荷和总脑力负荷情况

由表3可知，炮长最高脑力负荷值为36.1，这一数值已超出了脑力负荷限值（35.0）。同样，炮长的认知通道和视觉通道也始终处于高脑力负荷状态，说明该通道运行繁忙。因此，这就需要对炮长舱室人机界面做进一步的优化设计，并有针对性地调整炮长完成发现目标并射击作业任务的方式和顺序。

4.4 仿真结果检验

为验证人机工效一体化仿真方法的有效性，选取10名具有专业等级的某型主战坦克炮长在射击模拟器上进行发现目标并射击作业模拟实验，每次实验重复5次，每名被试完成实验后分别对NASA-TLX脑力负荷量表进行主观打分。被试的NASA-TLX量表各指标平均值情况如图6所示。

图6 NASA-TLX量表各指标平均值

由图6可以看出，10名被试完成发现目标并射击作业的脑力需求平均分值为65.2，努力程度平均分值为66.3，操作绩效平均分值为63.4，均超过60，即可认为炮长在作业过程中一直处于高脑力负荷状态，这与一体化仿真模型预测的结果相符，说明仿真模型是有效的。而体力需求平均分值为45.6，这与脑力需求平均分值65.2相差很大，也从侧面说明了炮长发现目标并射击作业属于智力型作业。

5 仿真研究中应注意的问题

近年来，根据武器装备的发展需要，装甲车辆人机系统智能化、信息化程度明显提高，也为系统人机工效的研究带来了诸多改变：一方面，人机交互方式发生变化，系统人机交互除了传统生理层面的视觉观察、触觉操纵外，还增加了心理层面的认知行为，人机交互方式呈现多维化；另一方面，作业区域界限发生变化，人机系统中乘员、舱室、作业环境互相融合，系统功能分配根据任务动态调整，各要素之间界线逐渐淡化。因此，装甲车辆人机工效仿真研究不仅应考虑各构成要素自身的性质，更要注重各要素之间的交互研究，实现人机工效的一体化仿真［20］。

1）注意分析系统人、机特性，明确人机工效仿真影响因素。对于装甲车辆人机系统，需要基于实际作战条件对舱室构成要素进行梳理，并对各要素之间的相互关系进行分析［21］。系统中的“人”即为乘员，需要结合装甲车辆作业特点对乘员的几何特性、运动学特性、动力学特性进行分析，更要着重对操纵特性、反应特性和可靠性进行分析，构建乘员认知和反应能力特性仿真模型，为分析和预测乘员心理因素和认知水平对人机工效的影响提供理论和方法。

2）注意将人机工效仿真与作战仿真有机结合，实现基于任务的人机工效一体化仿真分析方法。装甲车辆人机工效仿真包含对舱室人机界面、作业空间等的静态仿真，但更重要的是要在作战任务条件下进行人机工效动态仿真。因此需要构建基于实际作战背景的人机交互场景，建立任务驱动模型，将装甲车辆人机工效仿真分析的理论和方法从传统的静态简单环境下的舒适性分析向动态复杂环境下的基于作战任务的人机协同效能分析扩展。

3）注意明确人机工效仿真的评价标准，并对仿真结果进行正确性验证。仿真的评价标准决定了仿真的基本方向，装甲车辆作为复杂人机系统，其系统输入为任务驱动模型，系统输出即为乘员的作业绩效，而作业绩效的基本评价指标即为乘员的作业状态。因此，需对人机工效仿真模型进行验证，将通过正确性验证的装甲车辆人机工效仿真模型与人机工效仿真试验平台对接，建立一体化的人机工效仿真系统。

6 结论

随着装甲车辆舱室技术密集度和信息化程度的不断提升，作战需求和战场生存条件的不断变化，对人机系统的总体设计和乘员的作业能力提出了更高的要求，尤其是对舱室人机工效分析提出了新的挑战。因此，必须从系统论的角度出发，充分运用系统工程方法、数学分析方法、建模仿真理论以及计算机技术对包含乘员在内的装甲车辆人机系统进行设计、分析、建模和优化，从而实现对装甲车辆人机工效更科学、更准确的仿真分析和预测。