面向任務(wù)的殲擊機(jī)座艙工效評價指標(biāo)體系

劉瀟

（中國飛行試驗(yàn)研究院航電所，西安710089）

0 引言

科技的發(fā)展使得兵器裝備的性能不斷提高，但裝備的使用者終究是人，在戰(zhàn)場上發(fā)揮作用的不單是裝備本身，而是人機(jī)系統(tǒng)[1]。只有重視兵器裝備的人機(jī)工程問題，使作業(yè)人員與裝備形成良好的交互，才能充分發(fā)揮系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能[2]。因此武器裝備的人為因素越來越受到研制單位、鑒定部門和用戶的重視。對武器裝備進(jìn)行人機(jī)工效測評不是新鮮事物，國內(nèi)很多設(shè)計(jì)單位、科研院所和高校開展過相關(guān)工作[3]。

傳統(tǒng)的座艙人機(jī)工效評估方法，通常把“人-機(jī)-環(huán)”當(dāng)作研究對象，以評價對象的系統(tǒng)或?qū)傩詷?gòu)成作為組織結(jié)構(gòu)建立評價指標(biāo)系統(tǒng)[4-6]，目前多數(shù)工效評價工作均采用類似的思路，如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)的殲擊機(jī)座艙人機(jī)工效評估指標(biāo)體系

這種方法將評估的層次從單個部件提升到系統(tǒng)綜合的高度，在一定程度上滿足了產(chǎn)品研制的需求。但隨著武器裝備復(fù)雜程度的提高和評價工作的深入發(fā)展，我們發(fā)現(xiàn)這種架構(gòu)已經(jīng)不能滿足先進(jìn)裝備的評價需求。從評價對象的系統(tǒng)構(gòu)成和屬性出發(fā)分解評價項(xiàng)目，常常脫離系統(tǒng)的實(shí)際作戰(zhàn)使用，忽視人機(jī)交互的動態(tài)特性，局限于字符、圖形、亮度、可達(dá)性等靜態(tài)評價。然而當(dāng)前在研的武器裝備，航電系統(tǒng)高度集成化綜合化，先進(jìn)座艙技術(shù)的應(yīng)用使得人機(jī)交互的方式和內(nèi)容都產(chǎn)生了巨大的變化[7]。顯控設(shè)備工效相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范逐漸完善，并在研制過程中得到貫徹執(zhí)行，使得硬指標(biāo)層面的人機(jī)工程問題大為減少。在工程實(shí)踐中，絕大多數(shù)工效問題跟操作程序相關(guān)。傳統(tǒng)的座艙人機(jī)工程評價無法應(yīng)對這樣的變革，往往難以達(dá)到預(yù)期的效果。

工效評估實(shí)質(zhì)上是對人機(jī)交互的過程進(jìn)行評價，而人機(jī)交互必然是在一定的任務(wù)場景下進(jìn)行的。同一人機(jī)系統(tǒng)在不同的任務(wù)場景下發(fā)生的交互行為會存在差異，操作人員對系統(tǒng)屬性的要求也可能發(fā)生相應(yīng)的變化?，F(xiàn)代飛機(jī)，尤其是先進(jìn)殲擊機(jī)，是工業(yè)技術(shù)的集大成者，任務(wù)使命多樣，作業(yè)環(huán)境多變，作戰(zhàn)任務(wù)復(fù)雜。對飛機(jī)駕駛艙這種復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行評估，如果忽略任務(wù)場景，就無法理解飛行員的實(shí)際需求，難以建立完善合理的評價指標(biāo)系統(tǒng)，最后也就不可能得到真實(shí)的評價結(jié)果，發(fā)現(xiàn)座艙的人為因素設(shè)計(jì)缺陷。

1 面向任務(wù)的人-機(jī)-環(huán)評價模型

根據(jù)實(shí)際工作中遇到的問題，基于以上分析，有必要把任務(wù)場景引入座艙人機(jī)工效評價模型中，以任務(wù)作為輸入，牽引評價的進(jìn)行，因此我們提出了“面向任務(wù)的人-機(jī)-環(huán)評價模型”，如圖2所示。

該模型以任務(wù)場景作為輸入條件。任務(wù)場景是評價對象使命任務(wù)的集合，涵蓋了評價對象所有可能的任務(wù)樣式。根據(jù)評價目的的差異，選取不同規(guī)模的任務(wù)場景，可以是一項(xiàng)使命任務(wù)或其中部分任務(wù)片段，也可以是多個使命任務(wù)的集合。

圖2 面向任務(wù)的人-機(jī)-環(huán)評價模型

交互過程在任務(wù)場景中發(fā)生和發(fā)展，包括機(jī)-環(huán)交互、人-環(huán)交互、人-機(jī)交互3個環(huán)節(jié)，并互相滲透，互相影響。

1）機(jī)-環(huán)交互：在任務(wù)場景中的任一時刻，飛機(jī)總處在一定的環(huán)境條件中，外界環(huán)境由飛機(jī)位置（地面、低空、中空、高空），光照（白晝、黃昏、月夜、暗夜），大氣環(huán)境（高溫、高濕、高寒、降雨、低能見度）等因素組成。

2）人-環(huán)交互：外界環(huán)境使座艙環(huán)境處于某種狀態(tài)，與飛行員的體感和表現(xiàn)產(chǎn)生一定的關(guān)聯(lián)。飛行員同時與外界環(huán)境和駕駛艙環(huán)境進(jìn)行交互。外界環(huán)境指外部光照、能見度、飛機(jī)位置等，駕駛艙環(huán)境指艙內(nèi)照明、艙壓、艙溫、振動、噪聲、過載等。

3）人-機(jī)交互：飛行員經(jīng)眼、耳、觸覺等通道，從外視野、顯示設(shè)備、告警系統(tǒng)和操縱裝置獲取當(dāng)前狀態(tài)，結(jié)合長時記憶中的知識，做出分析決策，然后通過動作和語言做出操縱響應(yīng)，同時駕駛艙為飛行員提供必要的安全防護(hù)。

在整個交互過程中，對于每一個交互環(huán)節(jié)，如果駕駛艙相應(yīng)的設(shè)計(jì)不能滿足飛行員高效完成任務(wù)的需求，矛盾就產(chǎn)生了，這些矛盾反映了駕駛艙的工效設(shè)計(jì)缺陷，而可能產(chǎn)生這種矛盾的環(huán)節(jié)按一定的邏輯結(jié)構(gòu)集合在一起，就構(gòu)成了座艙人機(jī)工效評估指標(biāo)系統(tǒng)。

2 指標(biāo)體系的建立過程

按照新的評價模型，建立座艙人機(jī)工效評估指標(biāo)系統(tǒng)需要從任務(wù)場景入手，將其分解為底層的人機(jī)交互環(huán)節(jié)。感知控制理論認(rèn)為人機(jī)系統(tǒng)可以使用層級控制模型來進(jìn)行描述，而在所有的抽象層次上，人機(jī)系統(tǒng)的行為都以滿足該層對應(yīng)目標(biāo)為導(dǎo)向，因此HENDY等[8]建議以目標(biāo)層級為邏輯結(jié)構(gòu)來分析系統(tǒng)任務(wù)，即層級目標(biāo)分析法（Hierarchical Goal Analysis，簡稱HGA）。我們采用層級目標(biāo)分析法對構(gòu)成任務(wù)場景的使命任務(wù)進(jìn)行逐層分解，把使命任務(wù)按階段目標(biāo)分解為任務(wù)片段，再將任務(wù)片段分解為一系列可執(zhí)行的任務(wù)元素，這些任務(wù)元素涉及的底層交互環(huán)節(jié)就蘊(yùn)含了我們期望得到的評價項(xiàng)。

2.1 明確使命任務(wù)

使命任務(wù)是研制和生產(chǎn)一型殲擊機(jī)的意義，描述了其入役后的使用方式[9]，是對一型殲擊機(jī)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)的頂層要求。工效評估工程師可依據(jù)相應(yīng)機(jī)型的《研制總要求》確定其使命任務(wù)。

一般而言，殲擊機(jī)的主要使命任務(wù)包括對空作戰(zhàn)和空面攻擊兩種類型，具體機(jī)型可能有不同的側(cè)重[10]。

2.2 使命任務(wù)分解

以下按照層級目標(biāo)分析法，以典型的對空作戰(zhàn)任務(wù)空中優(yōu)勢使命任務(wù)為例進(jìn)行第1層級使命任務(wù)分解。

根據(jù)表1空中優(yōu)勢使命任務(wù)層級目標(biāo)分析，可將空中優(yōu)勢使命任務(wù)分解為若干個對應(yīng)的任務(wù)片段，將這些片段按時序排列進(jìn)行表述，即構(gòu)成了相應(yīng)的任務(wù)剖面[11]。

2.3 任務(wù)片段分解

按照層級目標(biāo)分析法對任務(wù)片段繼續(xù)進(jìn)行分析，可將任務(wù)片段分解為一系列可執(zhí)行的任務(wù)元素。以下以地面準(zhǔn)備任務(wù)片段為例進(jìn)行第2層級任務(wù)片段分解，如表2所示。

至此，地面準(zhǔn)備片段被解構(gòu)為一系列可執(zhí)行的元素。

表1 空中優(yōu)勢使命任務(wù)層級目標(biāo)分析

圖3 剖面方式表述的空中優(yōu)勢使命任務(wù)

2.4 解析交互環(huán)節(jié)提取評價項(xiàng)

任務(wù)元素包含了一系列底層交互環(huán)節(jié)，產(chǎn)品工效設(shè)計(jì)不合理，會影響交互的順暢程度，提高交互環(huán)節(jié)的時間成本，增加完成交互動作的難度，宏觀上表現(xiàn)為操作難度大、工作負(fù)荷高、任務(wù)績效低等現(xiàn)象。因此，任務(wù)元素包含的交互環(huán)節(jié)往往蘊(yùn)含著我們期望得到的評價指標(biāo)項(xiàng)。我們通過解析交互環(huán)節(jié)涉及的人的需求、機(jī)環(huán)屬性以及人機(jī)關(guān)系等因素，提取相應(yīng)的座艙人機(jī)工效評價項(xiàng)。以下以“進(jìn)入座艙”任務(wù)元素為例進(jìn)行交互環(huán)節(jié)分析。

以表3的交互環(huán)節(jié)分析為基礎(chǔ)，提取“進(jìn)入座艙”任務(wù)元素對應(yīng)的座艙人機(jī)工程評價項(xiàng)如為：抗荷褲的易穿性、代償背心的易穿性、登機(jī)梯的位置、座艙蓋開口的尺寸和角度、輔助握、踏裝置的合理性、座艙結(jié)構(gòu)與身體的干涉、座椅的調(diào)節(jié)方式、座椅的調(diào)節(jié)范圍、腳蹬的調(diào)節(jié)方式、腳蹬的調(diào)節(jié)范圍、連接背帶系統(tǒng)的易操作性、連接通訊線纜的易操作性、連接氧氣管路的易操作性、連接抗荷管路的易操作性、佩戴頭盔的易操作性。

表2 地面準(zhǔn)備任務(wù)片段層級目標(biāo)分析

表3 進(jìn)入座艙任務(wù)元素交互環(huán)節(jié)分析

圖4 地面準(zhǔn)備任務(wù)片段可執(zhí)行元素

2.5 構(gòu)建指標(biāo)體系

使用上述方法，將預(yù)定義的場景庫中所含使命任務(wù)逐步解析，將提取的評價指標(biāo)按照“使命任務(wù)-任務(wù)片段-任務(wù)元素-評價指標(biāo)”的層級結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合，建立面向任務(wù)的座艙人機(jī)工效評估指標(biāo)體系。

3 應(yīng) 用

針對某型空優(yōu)殲擊機(jī)，以空中優(yōu)勢和防空攔截使命任務(wù)組成的任務(wù)場景為基礎(chǔ)，建立了面向任務(wù)的座艙人機(jī)工效評估指標(biāo)系統(tǒng)如圖5所示。該指標(biāo)體系包含數(shù)百條評價項(xiàng)目，基本涵蓋了該型機(jī)在其主要作戰(zhàn)使用模式中涉及的人機(jī)交互問題和任務(wù)操作程序，在該型殲擊機(jī)研制過程中得到運(yùn)用，發(fā)現(xiàn)了為數(shù)眾多的人因設(shè)計(jì)缺陷，通過設(shè)計(jì)改進(jìn)提高了該型戰(zhàn)機(jī)的工效水平。

4 結(jié)論

以評價對象系統(tǒng)構(gòu)成為基礎(chǔ)的評價指標(biāo)系統(tǒng)難以滿足當(dāng)前先進(jìn)殲擊機(jī)駕駛艙評估的實(shí)際需求，因此提出了“面向任務(wù)的人-機(jī)-環(huán)評價模型”，對評價對象的使命任務(wù)進(jìn)行了層級目標(biāo)分析，建立了面向任務(wù)的4層次殲擊機(jī)座艙人機(jī)工效評估指標(biāo)體系，并在型號研制工作中得到運(yùn)用，豐富和發(fā)展了飛機(jī)座艙人因評估技術(shù)。

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