基于人因工程理論的潛艇動力艙布置量化評價方法研究

厲行軍，張 偉，王 博

(1. 東海艦隊，浙江 寧波 315122；2. 中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武漢 430064)

基于人因工程理論的潛艇動力艙布置量化評價方法研究

厲行軍1，張 偉2，王 博2

(1. 東海艦隊，浙江 寧波 315122；2. 中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武漢 430064)

應(yīng)用人因工程理論，建立基于艇員人工操作失誤的失誤樹。以該失誤樹為模型，通過潛艇典型動力艙室顯控臺人機(jī)工效設(shè)計分析，研究該顯控臺存在操縱面板布置和界面設(shè)置等技術(shù)缺陷，最終建立一套基于艇員人工操作失誤的動力顯控臺人機(jī)工效量化評價方法。

人因工程；操作失誤；艇員

0 引 言

傳統(tǒng)的潛艇動力艙室布置設(shè)計強(qiáng)調(diào)以“最佳”的艙室和設(shè)備布置來滿足對動力裝置作戰(zhàn)能力和生命力的要求，但較少考慮人在完成潛艇動力裝置實現(xiàn)其預(yù)定功能中的主導(dǎo)作用。從而導(dǎo)致在一些涉及到人的因素的設(shè)計中，以經(jīng)驗和主觀感受代替了定量化的研究，如：在維修性方面、操作部位和通道的可達(dá)性；操作界面的友好程度。

人因工程是在第二次世界大戰(zhàn)期間產(chǎn)生并在 20 世紀(jì) 50 年代獲得迅速發(fā)展的一門綜合性的邊緣科學(xué)，人因工程研究的目的是為了更好地把生產(chǎn)系統(tǒng)中的作業(yè)者緊密地與勞動工具，作業(yè)環(huán)境聯(lián)系起來，將其作為一個“人-機(jī)-環(huán)境”系統(tǒng)加以考慮，以最大限度地提高系統(tǒng)效率，并以人為主導(dǎo)因素，使人能夠舒適、健康、安全、高效地工作，達(dá)到人機(jī)最佳配合，以實現(xiàn)系統(tǒng)預(yù)定功能。

1 基于事件樹的艇員操作失誤理論

根據(jù)人因工程理論，艇員的操作失誤有以下幾個特點(diǎn)：一是艇員具有學(xué)習(xí)能力，其操作失誤率隨時間增長其訓(xùn)練水平提高會逐漸降低，而設(shè)備失誤率基本為常數(shù)；二是艇員具有糾偏能力，即當(dāng)其產(chǎn)生非致命性失誤時，具有發(fā)現(xiàn)并糾正自己所犯錯誤的能力；三是在多人作業(yè)時，艇員之間存在相互糾偏能力，能發(fā)現(xiàn)并糾正他人所產(chǎn)生的非致命性失誤。

因此，艇員的失誤除了具有普通部件故障所具有的規(guī)律外，還具有其自身特有的規(guī)律。

在設(shè)備的穩(wěn)定工作期間，故障概率服從指數(shù)分布，失效概率密度函數(shù)可表達(dá)為：

其中 λ 為部件的失效率。

數(shù)，兩者都與環(huán)境因素有關(guān)。由此，人的失效概率密度函數(shù)則可表達(dá)為：

同時，人具有自我糾偏能力及群體作業(yè)時他人的糾偏能力，考慮人在 t 時刻糾錯的概率分別為：

式中：Pe為人的自我糾偏概率；Pa為他人的糾偏能力。綜上所述人的不可靠度函數(shù)可表達(dá)為：

對于艇員操作過程中的任意一種失誤模式，其不可靠度函數(shù)都可用（5）式來表達(dá)。

圖 1 為人因工程原理框圖。

圖 1 人因工程原理框圖Fig. 1 Human factor engineering principle picture

2 人的操作失誤樹

采用人的任務(wù)可靠度作為基本參數(shù)之一來對動力艙室布置的優(yōu)劣進(jìn)行評價，而人的任務(wù)可靠度指的是在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)，人完成其規(guī)定操作任務(wù)的能力。顯然，人的這種能力與人的可靠性一致，因而只要建立系統(tǒng)的可靠性數(shù)學(xué)模型即可求得人的任務(wù)可靠度。但在潛艇服役期間，人一般要執(zhí)行多種作業(yè)任務(wù)，試圖建立一個統(tǒng)一的包含其所有任務(wù)的可靠性模型不切實際，但對于每一種任務(wù)分別建立相應(yīng)的可靠性模型則完全可行，如利用決策樹。因此，對人的每種任務(wù)建立決策樹模型，計算頂事件的發(fā)生概率，由此即可獲得人的各個任務(wù)可靠度。

采用動力艙室的總體任務(wù)可靠度為參數(shù)來評價艙室的布置方案，而計算總體任務(wù)可靠度之前，需要對整個艙室的所有任務(wù)進(jìn)行分解，然后建立相應(yīng)的人的決策失誤樹，以獲取單個任務(wù)可靠度，為計算總體任務(wù)可靠度奠定基礎(chǔ)。

通過到潛艇使用單位的實地調(diào)查研究，歸納出動力艙室的所有任務(wù)為：動力系統(tǒng)自動起動、動力系統(tǒng)手動起動及動力系統(tǒng)停車等。

如同構(gòu)造故障樹一樣，建立人的決策失誤樹之前，首先要進(jìn)行決策流程分析和人失誤模式分析。動力系統(tǒng)自動起動失誤模式分析如表 1 所示。動力系統(tǒng)手動起動失誤模式分析如表 2 所示。動力系統(tǒng)停車失誤模式分析如表 3 所示。

3 人的可靠度分析

表 1 動力系統(tǒng)自動起動失誤模式分析Tab. 1 Automatic startup error mode analysis of power system

表 2 動力系統(tǒng)手動起動失誤模式分析Tab. 2 Manual startup error mode analysis of power system

在多目標(biāo)系統(tǒng)的模糊評判中需要確定系統(tǒng)各目標(biāo)的權(quán)重。對于動力艙室各任務(wù)的權(quán)重，采用專家打分法從任務(wù)復(fù)雜程度、重要程度及執(zhí)行任務(wù)的頻率 3 個方面來綜合打分，從而確定權(quán)重。專家打分結(jié)果如表 4所示。

根據(jù)任務(wù)權(quán)重表（見表 5），綜合專家打分結(jié)果可得各任務(wù)的權(quán)重為：w1= 0.188 7，w2= 0.170 9，w3= 0.162 3。

利用試驗和專家打分所獲得的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，針對每個任務(wù)編制相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件，然后調(diào)用計算軟件包可方便的求出系統(tǒng)效率。圖 3 為計算流程框圖。

計算結(jié)果如下：

各任務(wù)可靠度為：p1= 0.929 3，p2= 0.856 3，p3= 0.986 0，p4= 0.897 3，p5= 0.842 6。

總的人的任務(wù)可靠度為：μ = 0.980 2。

表 3 動力系統(tǒng)停車失誤模式分析Tab. 3 Shutdown error mode analysis of power system

表 4 評分結(jié)果Tab. 4 Grade results

圖 2 顯控臺示意圖Fig. 2 Console diagram

4 艙室布置主要問題

從以上定量評價中，不難看出動力艙室在布置上存在著一些問題，現(xiàn)歸納如下。

表 5 任務(wù)權(quán)重表Tab. 5 Mission weight parameters

圖 3 計算流程框圖Fig. 3 calculation process picture

4.1 操縱面板布置問題

1）等離子顯示屏放置在折角處，遠(yuǎn)離操作者的視覺中心，不利于操作者發(fā)現(xiàn)報警信號；而且，操作者觀察顯示屏?xí)r必須離開座位，這從等離子屏的誤讀率（1/λ 值僅為 8 400.00）可以看出；另外，等離子顯示屏上的字符太小也是原因之一，前景色和背景色的對比度也值得磋商。

2）故障代碼監(jiān)測板安排在膝蓋高度的部位，操作者必須離開面板一段距離再彎腰才能查看，極不方便。但由于顯示亮度較強(qiáng)，所以只在操作者較疲勞和操作較復(fù)雜時失誤率較高。

3）A 板、C 板、E 板離操作者的視覺中心較遠(yuǎn)，而且 A 板和 E 板相對操作者的視角較大，所以在進(jìn)行監(jiān)控任務(wù)操作時對燈閃爍的誤判概率相對其他板較大（A 板未見燈閃爍的 1/λ 值為 8 822.423 340；E 板未見燈閃爍的 1/λ 值為 10 046.992 676）。

4.2 按鈕、燈問題

1）作為一般報警的黃燈閃爍時不易引起操作者的注意。黃色雖然屬于亮色，但是同時也是一種對環(huán)境照明反射較強(qiáng)的顏色。由于環(huán)境照明為白熾燈，與黃色相近，黃燈不亮?xí)r外殼反射的黃色已較醒目，所以黃燈的閃爍反而變得不引人注意了。在試驗中，黃燈較多的幾塊板（E 板、C 板和 D 板）的燈閃爍誤判概率較高。

2）報警燈太多。監(jiān)控任務(wù)雖然操作極簡單（專家打分中其復(fù)雜程度僅為 4），但由于報警燈分布于共 5塊面板上，使得操作者注意力不得不分散在這些板上，導(dǎo)致誤判率提高，監(jiān)控任務(wù)的可靠度較低。

3）由于儀表為指針式模擬量表，當(dāng)需要精確讀數(shù)時（如轉(zhuǎn)速達(dá)到 5 490 rpm），往往失誤率較高（儀表讀錯的 1/λ 值為 7 246.399 658）。

4）S，T，Y 板板面較小，按鈕基本上都是黃燈，大小顏色區(qū)別很小，而且排列過密，導(dǎo)致這 3 塊板上按鈕的按錯概率最大，T 板按錯的 1/λ 值僅為 5 397.000 0。

5）在動力系統(tǒng)手動啟動時，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到 2 400 rpm時，需同時按下 H022 和 H023 按鈕；由于同步性要求較高，該操作的失誤率也相對較高。

4.3 界面問題

1）在操作者查看啟動條件是否滿足時，經(jīng)常要掃視分布于幾塊面板上的多個按鈕，容易造成失誤。如H板的初始條件看錯的 1/λ 值為 9 502.324 829。

2）試驗中發(fā)現(xiàn)，操作者在完成一步操作之后，常常需要思考下一步的操作；而面板上沒有任何提示下一步操作的標(biāo)識。

5 結(jié) 語

應(yīng)用人因工程理論，建立了基于艇員人工操作失誤的失誤樹。以該失誤樹為模型，通過潛艇典型動力艙室顯控臺人機(jī)工效設(shè)計分析，研究提出了該顯控臺存在操縱面板布置和界面設(shè)置等技術(shù)，最終建立了 1套基于艇員人工操作失誤的動力顯控臺人機(jī)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

厲行軍(1971–)，男，高級工程師，研究方向為艦船動力裝置。