挑战与提升——基于多参数耦合的全海深载人潜水器载人舱人机环设计

李洋洋，叶聪，徐伟哲，石路*

0 引言

深海载人潜水器被称为“海洋学研究领域的重要基石”，可运载科学家、工程技术人员和各种装置、特种设备，快速、精确、持续往返到达多种深海复杂环境，进行高效勘探、科学考察和特种作业[1-2]。近20 年来，在加快建设海洋强国和实施深海发展战略的部署下，以“蛟龙”号、“深海勇士”号和“奋斗者”号3 台深海载人潜水器研发为契机，中国载人深潜取得了跨越式发展[3]2。以全海深载人潜水器为代表的深渊载人技术是当前国际海洋工程技术竞争的热点。2020 年11 月10 日，“奋斗者”号全海深载人潜水器下潜到马里亚纳海沟10,909m 海底，标志着中国具有了进入世界最深处开展科学探索和研究的能力，实现了我国在同类型载人深潜装备方面的超越和引领[4-5]。全海深载人潜水器载人舱人—机—环境设计技术是潜水器整体系统设计的重要组成部分之一，它涉及到人机工程学、工业设计、测量学、心理学、行为学、材料学、噪声学和色彩学等多种学科[6]。与“蛟龙”号和“深海勇士”号相比，“奋斗者”号全海深载人潜水器具有下潜深度更大、水下作业时间更长、舱室空间更小、作业负荷更大等特点。其载人舱的人—机—环设计面临诸多挑战，既有乘员人均空间有限、长时间保持不规则坐姿、信息繁杂、长时间精神紧张以及驾驶作业与科考任务兼顾等舱室内部环境因素，也包括需要经历水面—深海—水面变化、面临海风、海浪等不确定因素，光线、水温、地形等变化，同时潜器还需承受1000 倍以上的大气压力。潜航员受载人舱内外多重因素的影响极易产生生理疲劳和心理波动，影响单次深潜作业甚至整个大洋行次任务。因此，基于生理、心理及作业绩效多参数耦合的载人舱人机环设计对提高潜航员操作性、舒适性及保障深潜作业安全性都至关重要。

1 方法

本研究采集了潜航员在潜水器载人舱狭小空间特定人机环状态下的脑电、心电、连续血压、脑血流、眼动等实时生理数据，结合状态—焦虑量表、NASA-TLX 量表以及绩效，探讨了不同舱室布局条件下潜航员生理、心理参数及作业能力的变化（图1-4）。

1 载人舱驾驶位环境评估

2 人机界面评估

3 控制面板评估

4 等比例主驾驶座椅

2 成果

研究团队前期针对深海实潜作业中潜航员的心电、脑电、血压数据[7-11]以及潜航员脑力负荷实时评估预警建模[12-14]开展了一系列研究，申请了“潜航员潜航作业脑力负荷监测系统”发明专利（第4880784 号）[15]以及“深海载人潜水器模拟操作系统V1.0”计算机软件著作权（软著登字第4581067 号）[16]，取得了阶段性成果。通过对生理、心理及作业绩效等多参数的对比和相关性分析，研究团队提出了全海深载人深潜器舱内人机环设计方案和舱内交互界面设计方案，创建了基于生理、心理与认知的舱内人员效能评估体系，实现了载人潜水器舱室人机环设计与评价的标准化和规范化，加强了深海载人潜水器人机交互、安全事故（征候）人因机理与干预等关键技术研究应用。同时，也针对载人潜水器载人舱狭小空间的舱内环境布局、界面设计布局及主驾驶位座椅设计开展了系统性测评研究[17-18]。

上述一系列研究契合我国“十三五”规划纲要提出的加强“深海、深地、深空、深蓝”4 个领域的战略部署，研究成果为载人潜水器舱室人机环设计和人员培训提供了一定的技术支撑。

3 结论

载人航空航天与载人深潜是我国“上天入海”的前沿技术研发重点布局。近年来，我国载人深潜技术突飞猛进，但在“潜航员”与“深海载人潜水器”的人机交互建模、仿真和绩效评价等方面的研究还处于起步阶段。载人深潜作业最关注的是增强作业能力、提高作业效率，同时兼顾操控性和舒适性，特色技术包括“快速潜浮及水动力综合优化”“狭小空间的人机工效及生命支持”等[3]4。美国在论证“新阿尔文”号的先进性时，提出了一系列载人潜水器先进性的衡量标准，其中包括“更好的舱内人—机—环境设计”以及“更好的操纵性”[19]。载人舱人机工效设计是一个以人为中心的多需求、多学科综合求解问题，以往的相关研究缺乏有效的综合协同设计方法，设计后期的评价也缺乏定量化的评价指标。

深海载人潜水器载人舱布局设计各不相同，但重要的是应与人因研究结果一致，即最大限度地满足人的能力、操作性和空间限制间的最优搭配。随着以“奋斗者”号为代表的深渊装备的常态化应用，在全球范围内和尺度上系统开展深渊科学研究的时机已经成熟。项目系列研究成果可为现有潜水器舱室人机交互设计的维护改造、新型潜水器舱室设计研发以及其他行业领域舱室人机交互设计测评提供参考，对保证潜器舱室质量控制、降低深海装备研发成本、缩短研制生产周期、提升设备兼容性以及充分发挥潜航员与潜器的整体效能具有重要的理论意义和实际应用价值。□