某型導彈發(fā)射車射手位人-機-環(huán)境系統(tǒng)評價方法

杜青山,徐宏斌,李 輝,趙 昕

(中國兵器工業(yè)第203研究所,西安 710065)

某型導彈發(fā)射車射手位人-機-環(huán)境系統(tǒng)評價方法

杜青山,徐宏斌,李 輝,趙 昕

(中國兵器工業(yè)第203研究所,西安 710065)

文中以導彈發(fā)射車人-機-環(huán)境系統(tǒng)評價方法需求為牽引,針對導彈發(fā)射車人機結(jié)合緊密的特點,把人與導彈發(fā)射車作為一個整體加以綜合分析和研究。運用模糊層次分析法完成對影響人機工效因素的指標權(quán)重計算,在此基礎(chǔ)上對客觀指標與主觀指標分別通過試驗數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)、測量結(jié)果及專家評分的方法完成初始數(shù)據(jù)獲取,結(jié)合白化權(quán)函數(shù)完成工效指標的評定,最終實現(xiàn)對導彈發(fā)射車射手位人-機-環(huán)境系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果的科學評價。

導彈發(fā)射車;人-機-環(huán)境系統(tǒng);指標權(quán)重;工效指數(shù);評價方法

0 引言

導彈發(fā)射車具有無后方依托條件下獨立持續(xù)作戰(zhàn)的能力,主要用于執(zhí)行快速決定意義等作戰(zhàn)任務。作為發(fā)射導彈的載體,導彈發(fā)射車提高了導彈的機動性,增強了導彈的生存能力與部隊機動能力[1]。合理的人機工程設(shè)計能夠改善導彈發(fā)射車人機交互效率,提高人員操作可靠性,是戰(zhàn)斗力的重要保障[2]。該系統(tǒng)內(nèi)的“人”主要是指經(jīng)過選拔、訓練的合格乘員;“機”主要指駕駛室中人所控制的設(shè)備、裝置等的總稱;“環(huán)境”主要指駕駛室內(nèi)部人、機共處的工作環(huán)境[3]。

目前國家軍用標準中只對人-機-環(huán)境系統(tǒng)中的一些分要素制定了相關(guān)標準,如何利用這些已有標準對導彈發(fā)射車人-機-環(huán)境系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果作出科學合理的評價仍處于探索階段?，F(xiàn)以某型導彈發(fā)射車某階段樣機為載體,結(jié)合人機工程學的相關(guān)知識與國家標準,完成對導彈發(fā)射車射手位的人-機-環(huán)境系統(tǒng)的設(shè)計評價。

1 理論基礎(chǔ)

以往人-機-環(huán)境系統(tǒng)評價主要由相關(guān)專家(設(shè)計人員、一線官兵等)的主觀感受及歷史經(jīng)驗完成,缺乏科學性和規(guī)范性。文中以模糊層次分析法為基礎(chǔ),結(jié)合置信度排序法與白化權(quán)函數(shù),對導彈發(fā)射車射手位的人-機-環(huán)境系統(tǒng)進行評價。模糊層次分析法是在傳統(tǒng)層次分析法的基礎(chǔ)上,考慮了人的經(jīng)驗與認知先驗信息不確定性形成的一種方法[4]。文中采用基于模糊一致矩陣的模糊層次分析法來確定影響射手位人機工效的指標權(quán)重,結(jié)合對最底層指標進行的工效指數(shù)評定,最終實現(xiàn)對射手位的人-機-環(huán)境系統(tǒng)評價。

2 評價步驟

2.1 指標體系的建立

對該階段樣機的評價更關(guān)注人員在車內(nèi)的乘坐舒適性、交互友好性并兼顧環(huán)境要素中的一些重要指標項(文中標號項),在此基礎(chǔ)上,以射手為分析對象,建立可能影響其工效的層次分析模型見表1。

表1 射手位人-機-環(huán)境系統(tǒng)評價體系

2.2 模糊互補判斷矩陣的獲取

指標權(quán)重的獲取依賴于模糊互補判斷矩陣,而模糊互補判斷矩陣的關(guān)鍵是矩陣中元素的標度方法。三角模糊數(shù)以(lmu)的表現(xiàn)形式兼?zhèn)淞藚^(qū)間數(shù)和模糊數(shù)的優(yōu)點,其上界l與下界u體現(xiàn)了人思維的模糊性,中值m準確表達最可能的關(guān)系[5]。所以采用三角模糊數(shù)作為矩陣中元素的表現(xiàn)形式。

傳統(tǒng)的標度方法為比例九標度構(gòu)造統(tǒng)計權(quán)數(shù),但存在文字含義與標度數(shù)值的差別并不特別匹配的缺點[6]。文中采用指數(shù)標度法,取極端大的標度值為9,則稍微大的標度值為91/9=1.276,以“稍微大”為基數(shù),各重要性等級與“稍微大”之間的數(shù)量關(guān)系如表2所示。但由于一致性調(diào)整方法所用到的定理是以傳統(tǒng)標度法為基礎(chǔ)的,為保證獲得的數(shù)據(jù)能更加真實地反映實際情況且采用科學的數(shù)據(jù)處理方法,先采取指數(shù)標度法得到初始數(shù)據(jù),再利用標度換算與對應關(guān)系得到最終的三角模糊數(shù)。在填寫三角模糊數(shù)時應先確定中值,再確定區(qū)間值。

表2 指數(shù)標度法中各等級的數(shù)量關(guān)系

例如,某專家認為該型裝備發(fā)射裝置與駕駛室相對獨立,脈沖噪聲對人員工效的影響明顯大于有毒氣體,則確定中值m為2.08,再結(jié)合自身感受,填寫上界與下界,如(22.083),最終模糊互補矩陣的三角模糊數(shù)應為(0.260.30.31)。文中選取部分設(shè)計人員與一線官兵,在確認其掌握判斷矩陣的構(gòu)建方法后,根據(jù)表3提供的標度值構(gòu)造判斷矩陣。其中一位專家針對部分指標的矩陣信息見表4～表6。

表3 標度對比信息

表4 射手位人-機-環(huán)境系統(tǒng)比較判斷矩陣

表5 人-機環(huán)境各指標比較判斷矩陣

表6 座椅各指標比較判斷矩陣

2.3 指標權(quán)重系數(shù)的計算

對每一個三角模糊數(shù),都有一個模糊評判區(qū)間eij=uij-lij,該區(qū)間反映了專家評判結(jié)果的可信度,類似于數(shù)理統(tǒng)計中的“置信區(qū)間”[7]。通過可信度的引入,將專家判斷的“不確定性”自然的引入到了模糊互補判斷矩陣中。采用置信度排序法計算同層指標相對權(quán)重的具體做法如下:

step 1:構(gòu)造模糊互補判斷矩陣R=(rij)n×n,其中rij=(lij,mij,uij)。

step 2:計算概率矩陣B=(bij)n×n,

step 3:計算專家模糊判斷矩陣S。

S=

step 4:計算調(diào)整判斷矩陣T:T=B·S,其中點乘為矩陣中對應元素相乘,即T=(bij·sij)n×n。

step 6:對矩陣A進行一致性檢驗,若不滿足,按照文獻[8]所述方法進行一致性調(diào)整。

(1)

得到現(xiàn)階段所關(guān)注的D列因素指標權(quán)重為(0.008 0.008 0.009 0.009 0.009 0.009 0.018 0.016 0.017 0.025 0.012 0.016 0.041 0.031 0.044 0.063 0.011 0.0113 0.0112 0.011 0.011 0.013 0.032 0.049 0.173 0.055 0.048 0.0123 0.012 0.0115 0.1067 0.0996)。

2.4 工效指數(shù)的確定

文中將第四級指標的工效指數(shù)評定分為兩大類,即主觀指標與客觀指標。對于客觀指標,依據(jù)相關(guān)國家軍用標準,通過試驗、計算機仿真和實際測量獲取原始數(shù)據(jù),利用白化權(quán)函數(shù)完成工效指數(shù)的評定[9]。對于主觀指標,采用專家打分法對工效指標進行群組評估結(jié)果作為該指標評價結(jié)果。

2.4.1 通過試驗獲取原始數(shù)據(jù)

GJB5834—2006裝甲車輛艙室內(nèi)有毒氣體濃度限值內(nèi)主要包括一氧化碳、二氧化硫、二氧化氮、硫化氫和氨氣等的濃度限值。導彈發(fā)射車在發(fā)射導彈后的3 min內(nèi)測量到駕駛室內(nèi)有毒氣體最高質(zhì)量濃度見表7。

表7 射手位有害氣體測試結(jié)果

通過試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn),一氧化碳是裝甲車輛艙室內(nèi)最主要的有害氣體,所以依據(jù)一氧化碳的隸屬度函數(shù)對試驗后的濃度進行評價,將其結(jié)果作為有毒氣體的工效指數(shù)的評定結(jié)果。根據(jù)國軍標中給出的乘載員血中碳氧血紅蛋白含量預測公式計算出不同持續(xù)時間艙室內(nèi)CO濃度限值,見表8。

表8 不同接觸持續(xù)時間對應的艙室CO濃度限值

結(jié)合國軍標中給出的8 h加權(quán)平均容許濃度限值20 mg/m3與表8中的相關(guān)數(shù)據(jù),得到CO質(zhì)量濃度的白化權(quán)函數(shù),如圖1。根據(jù)圖1可知,該項指標工效指數(shù)為100。

圖1 CO濃度對應的白化權(quán)函數(shù)

2.4.2 通過計算機仿真獲取原始數(shù)據(jù)

導彈發(fā)射車在執(zhí)行任務期間,駕駛室內(nèi)存在較多的視覺信號輸入,人員需據(jù)此作出判斷才可采取特定的應對措施,保證操作的可靠性[10]。

DIAlux軟件計算考慮了來自燈具、太陽光等的直接照射,以及光經(jīng)過各表面反射后照射到計算面上的間接照射[11]。圖2為模擬中午14:00的直接日光照射的情況下得到的偽色圖;圖3為模擬夜間(00:00)照明設(shè)備為紅光的情況下得到的偽色圖。

參照《裝甲車輛人-機-環(huán)境系統(tǒng)總體設(shè)計要求》對密封艙室內(nèi)有效完成各種任務的最低照度水平、照度均勻度的要求得到圖4為晝間照度的白化權(quán)函數(shù),上限值為參照《建筑照明設(shè)計標準》中主控制室的照度標準。分析知該項指標工效指數(shù)為100。

圖2 自然光輸入

圖3 夜間紅光輸入

圖4 晝間操作對應的照度白化權(quán)函數(shù)

最大照度/lx最低照度/lx平均值/lx最大照度最低照度統(tǒng)一眩光值仿真結(jié)果2191501821.46<10滿足否滿足滿足滿足滿足滿足

表10 夜間紅光時射手位工作面的照明情況

2.4.3 通過實際測量獲取原始數(shù)據(jù)

座面至座艙頂面距離關(guān)系到人員坐姿舒適性,針對此項指標,GJB2873—97軍事裝備和設(shè)施的人機工程設(shè)計準則中規(guī)定最小為1 070 mm,該標準為通用的軍事裝備標準,注意到附錄中地面作戰(zhàn)部隊第95百分位人員坐高(挺直狀態(tài))為969 mm;參考GJB 1835—93裝甲車人-機-環(huán)境系統(tǒng)系統(tǒng)總體設(shè)計要求附錄A中第95百分位人員坐高948 mm,考慮我國青年人體尺寸發(fā)生較大的變化與裝甲車輛操作人員的體型特點,選擇坐高959 mm為參考值。根據(jù)文獻[2]所述,軍人穿著厚軍裝時坐高的修正量為41 mm,所以認為坐面至座艙頂面為1 000時可以滿足使用要求。經(jīng)實際測量得到此項數(shù)據(jù)為990 mm,所以認為此項指標的工效指數(shù)為54.3。

2.4.4 通過專家打分獲取原始數(shù)據(jù)

一致性好的界面可以將用戶以前的操作經(jīng)驗延伸到新的操作任務中,更好的完成操作任務的同時也降低了記憶負擔。通常表現(xiàn)在風格和操作等方面。風格方面包括色彩搭配、圖標與符號等;操作方面主要為符合已經(jīng)形成的使用習慣。

圖5 座面至座艙頂面距離的白化權(quán)函數(shù)

對于該類主觀因素指標采用主觀評價法來完成工效指數(shù)的確定。文中采用絕對的評價方式,根據(jù)參評專家的使用經(jīng)驗,按照預定的評價標準去評估該要素的工效值,處理后作為該要素的評價結(jié)果,計算公式如式(3),工效指數(shù)參考值見表11。

(3)

式中:K為專家評定的工效指數(shù);ni和Ji分別表示有ni個人給出的工效指數(shù)為Ji。最終得到工效指數(shù)為82.83。

表11 界面一致性工效指數(shù)參考值

2.5 人-機-環(huán)境系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果評價

根據(jù)指標屬性選擇上述四種方法中的一種,利用對應的白化權(quán)函數(shù)完成所有底層指標工效指數(shù)的評定。結(jié)合指標權(quán)重的計算結(jié)果,某型導彈發(fā)射車射手位人-機-環(huán)境系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)果評價為86.722 6。

3 總結(jié)

1)按照文中提出的指標權(quán)重計算方法,可以更加真實地反映出專家的觀點,為人-機-環(huán)境系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化提供理論支持。

2)通過對導彈發(fā)射車射手位人-機-環(huán)境系統(tǒng)的設(shè)計評價,客觀地反映出了哪些因素對人員工效的影響更大,應首先保障哪些指標的工效指數(shù)以及哪些方面還存在不足。

[1] 李田科, 沙衛(wèi)曉, 李偉. 導彈發(fā)射車快速定位定向技術(shù) [J]. 兵器裝備工程學報, 2016, 37(10): 44-46.

[2] 顏聲遠. 武器裝備人機工程 [M]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學出版社, 2009: 154-162.

[3] 航空工業(yè)總公司. 軍事裝備和設(shè)施的人機工程設(shè)計準則: GJB 2873—1997[S]. 北京: 航空工業(yè)總公司, 1997.

[4] 鄧聚龍. 灰理論基礎(chǔ) [M]. 武漢: 華中科技大學出版社, 2015: 2-3.

[5] 王化吉, 宗長富, 管欣, 等. 基于模糊層次分析法的汽車操縱穩(wěn)定性主觀評價指標權(quán)重確定方法 [J]. 機械工程學報, 2011, 47(24): 83-90.

[6] 蘇為華. 關(guān)于AHP統(tǒng)計構(gòu)權(quán)方法的幾點看法 [J]. 統(tǒng)計研究, 1998(4): 57-60.

[7] 覃柏英. FAHP的標度系統(tǒng)與排序方法研究 [D]. 南寧: 廣西大學, 2005: 18-19.

[8] 姜艷萍, 樊治平. 模糊判斷矩陣一致性的調(diào)整方法 [J]. 數(shù)學的實踐與認識, 2003, 33(12): 82-87.

[9] 劉思峰. 灰色系統(tǒng)理論及其應用 [M]. 北京: 科學出版社, 2004: 126-129.

[10] 童時中. 人機工程與設(shè)計與應用手冊 [M]. 北京: 中國標準出版社, 2007: 531-541.

[11] 李輝. DIALux軟件在水泥廠照度計算中的應用 [J]. 中國水泥, 2014(1): 91-92.

The Evaluation Method of Man-machine-environment System Evaluation Method of the Gunner Based on a Certain Type of Missile Launch Vehicle

DU Qingshan,XU Hongbin,LI Hui,ZHAO Xin

(No.203 Research Institute of China Ordnance Industries, Xi’an 710065, China)

This paper took the requirements of the man-machine-environment system evaluation method of missile launch vehicle as the traction, aiming at the characteristics of man-machine close combination, then treat man and missile launch vehicle as a whole system to comprehensively analyze and study. Using the fuzzy analytic hierarchy process to calculate the index weight, which influence ergonomic factors, on this basis, the initial data of objective data and subjective indexes were obtained by test data, simulation data, measurement results and expert scoring method, combining with whitening weight function to complete the evaluation of the ergonomics index, finally the scientific evaluation of the man-machine-environment system design results of missile launch vehicle was realized.

missile launch vehicle；man-machine-environment system；index weight; ergonomics index；evaluation method

2016-11-04

杜青山(1990-),男,陜西西安人,助理工程師,碩士研究生,研究方向:人-機-環(huán)境工程。

TB47

A