裝甲車輛人機(jī)工效一體化仿真方法研究

劉維平，聶俊峰，劉西俠，金 毅，傅斌賀

（陸軍裝甲兵學(xué)院，北京 100072）

0 引言

隨著裝備信息化建設(shè)的快速推進(jìn)，裝甲車輛高新技術(shù)應(yīng)用廣泛，信息化水平不斷提高，對乘員作業(yè)能力提出了更高要求，隨之也會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的人機(jī)工效問題。長期以來，對于裝甲車輛人機(jī)工效的研究，基本以系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成之后的功能評價(jià)為主，缺乏針對人機(jī)工效進(jìn)行的預(yù)先研究［1］。大量調(diào)查實(shí)例表明，裝甲裝備系統(tǒng)中由于人機(jī)工效不適合或不匹配進(jìn)而需要修改人機(jī)系統(tǒng)時(shí)，不僅難以實(shí)現(xiàn)，也必將耗費(fèi)大量成本［2］。因此，亟需一種在方案設(shè)計(jì)階段對裝甲車輛人機(jī)工效進(jìn)行預(yù)先研究的方法。

美軍在裝備發(fā)展中，十分重視人機(jī)工效建模與仿真的研究，認(rèn)為人機(jī)工效仿真對未來裝備設(shè)計(jì)發(fā)展具有舉足輕重的作用。自20世紀(jì)80年代以來，投入了大量經(jīng)費(fèi)用于人機(jī)工效仿真的研究，基本實(shí)現(xiàn)了從方案論證、系統(tǒng)評估到裝備改造全過程的人機(jī)工效一體化仿真。美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室（U.S.Army Research Laboratory）基于裝甲車輛乘員能力特性開發(fā)了性能仿真分析軟件（Improved Performance Research Integration Tool，IMPRINT），從根本上實(shí)現(xiàn)了基于人的特性對系統(tǒng)人機(jī)工效進(jìn)行仿真研究，并成功對美軍未來戰(zhàn)斗系統(tǒng)的人機(jī)工效進(jìn)行了分析預(yù)測［3-4］。美國國際技術(shù)公司（Technology International Incorporated）針對艙室乘員人數(shù)對裝甲車輛人機(jī)工效的影響進(jìn)行了仿真分析，并通過仿真預(yù)測了艙室乘員人數(shù)由3人減少為兩人后系統(tǒng)人機(jī)工效的變化情況［5］。坦克機(jī)動(dòng)車輛司令部（Tank Automotive Command）基于人機(jī)工效仿真方法對乘員作業(yè)績效與先進(jìn)技術(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，研究結(jié)果驗(yàn)證了人機(jī)工效仿真方法的必要性和有效性［6］。我軍在裝甲車輛人機(jī)工效一體化仿真的研究主要集中在乘員訓(xùn)練仿真系統(tǒng)的研制方面，多側(cè)重于仿真手段的研究，缺少面向?qū)嶋H作戰(zhàn)環(huán)境的人機(jī)工效一體化仿真理論和應(yīng)用的研究，難以準(zhǔn)確深入地描述裝甲車輛人機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)理，導(dǎo)致系統(tǒng)仿真與作戰(zhàn)仿真脫節(jié)，嚴(yán)重影響了仿真的可信性［7-8］。

1 人機(jī)工效一體化仿真需求分析

裝甲車輛人機(jī)系統(tǒng)是指由乘員、作業(yè)艙室以及艙室內(nèi)為完成作戰(zhàn)任務(wù)所要觀察、操控的所有設(shè)備構(gòu)成的一個(gè)有機(jī)整體［9］。裝甲車輛人機(jī)系統(tǒng)屬于復(fù)雜人機(jī)系統(tǒng)，隨著相關(guān)技術(shù)的迅猛發(fā)展以及戰(zhàn)場環(huán)境的不斷變化，這種復(fù)雜性具有其特殊性。

1）技術(shù)密集度高，系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜化。裝甲車輛自動(dòng)化、智能化水平明顯提高，新型附加裝備日益增多，功能不斷完善，武器系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、防護(hù)系統(tǒng)、電氣設(shè)備不斷更新，各類輔助系統(tǒng)層出不窮，人機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成愈加復(fù)雜。

2）信息化程度高，作業(yè)模式智力化。車載信息系統(tǒng)已成為裝甲車輛重要組成部分，極大地改變了乘員的作業(yè)模式和工作負(fù)荷模式，以智力型為主的信息處理作業(yè)已逐漸成為乘員的主要作業(yè)模式，腦力負(fù)荷所占比重逐漸增大，對乘員的作業(yè)能力提出了新的要求。

3）作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，任務(wù)職責(zé)多元化。一方面，戰(zhàn)場環(huán)境日益復(fù)雜，突然性、緊張性空前提高，戰(zhàn)場態(tài)勢瞬息萬變；另一方面，裝甲車輛外型限制嚴(yán)格，作業(yè)空間狹小，對外觀察困難。作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，乘員任務(wù)職責(zé)呈現(xiàn)多元化，系統(tǒng)功能分配問題突出。

因此，裝甲車輛在發(fā)展過程中面臨的人機(jī)工效問題并未減少，反而在一定程度上愈加復(fù)雜和嚴(yán)峻，迫切需要突破傳統(tǒng)的研究模式，探索和發(fā)展新的理論和方法。

2 人機(jī)工效一體化仿真基本內(nèi)涵

2.1 人機(jī)工效一體化仿真概念

裝甲車輛人機(jī)工效一體化仿真主要是面向裝甲車輛系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方案論證階段，在充分考慮乘員作業(yè)能力的基礎(chǔ)上，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用計(jì)算機(jī)輔助人機(jī)工程的方法建立乘員作業(yè)仿真模型［10］，將乘員、裝甲車輛和作業(yè)環(huán)境作為一個(gè)有機(jī)整體進(jìn)行人機(jī)工效分析預(yù)測的過程［11］。

裝甲車輛人機(jī)工效一體化仿真利用虛擬現(xiàn)實(shí)手段將乘員完全嵌入到計(jì)算機(jī)生成的虛擬艙室環(huán)境中，模擬乘員在實(shí)車條件下的作業(yè)，通過嵌入式軟件以及生理設(shè)備等人機(jī)交互測試手段，對乘員在虛擬艙室環(huán)境中的操作狀態(tài)和作業(yè)績效進(jìn)行動(dòng)態(tài)測試，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評估，實(shí)現(xiàn)了方案設(shè)計(jì)階段基于任務(wù)操作的人機(jī)工效仿真分析與預(yù)測研究?？梢悦黠@縮短系統(tǒng)研制周期，提高研究效率，為產(chǎn)品的安全性和可靠性提供保障；同時(shí)，也可以有效替代實(shí)車試驗(yàn)，減少研究風(fēng)險(xiǎn)，提高測試的全面性和完備性［12］。

2.2 人機(jī)工效一體化仿真框架

裝甲車輛人機(jī)工效仿真分析的對象是艙室人機(jī)耦合接口，研究手段為人機(jī)工效仿真技術(shù)，評估依據(jù)是艙室乘員的工作狀態(tài)。因此，人機(jī)工效一體化仿真框架為：首先，基于信息處理模型對乘員作業(yè)過程進(jìn)行分析；然后，基于網(wǎng)絡(luò)建模方法構(gòu)建乘員作業(yè)仿真模型；進(jìn)而對裝甲車輛人機(jī)工效進(jìn)行一體化仿真研究，確定任務(wù)條件下乘員的作業(yè)狀態(tài)；最后，通過人機(jī)工效試驗(yàn)對仿真結(jié)果進(jìn)行正確性驗(yàn)證。裝甲車輛人機(jī)工效一體化仿真框架如圖1所示。

圖1 裝甲車輛人機(jī)工效一體化仿真框架

3 人機(jī)工效一體化仿真關(guān)鍵技術(shù)

3.1 信息處理作業(yè)過程分析

信息處理作業(yè)是裝甲車輛乘員作業(yè)的主要形式，其貫穿于裝甲車輛作戰(zhàn)任務(wù)的始終。信息處理作業(yè)是指乘員通過各種感覺器官（視覺、聽覺）從外界搜集戰(zhàn)場目標(biāo)信息、顯示終端信息及電臺(tái)信息等，進(jìn)而調(diào)用長時(shí)記憶和工作記憶對搜索到的信息進(jìn)行感知和理解，經(jīng)大腦迅速形成指令，精確地操作按鈕、開關(guān)、按鍵或旋鈕等進(jìn)行反應(yīng)執(zhí)行來完成特定任務(wù)的作業(yè)。乘員信息處理過程是一個(gè)涉及注意、識別、記憶以及情緒動(dòng)機(jī)等多方面要素的復(fù)雜心理過程［13］。圖2為乘員的信息處理模型，其中：每個(gè)方框代表信息處理的各個(gè)階段或元素，箭頭表示信息流通方向。

圖2 乘員的信息處理模型

3.2 構(gòu)建乘員作業(yè)仿真模型

依據(jù)裝甲車輛乘員信息處理作業(yè)過程分析結(jié)果，針對實(shí)際任務(wù)需求，采用任務(wù)-網(wǎng)絡(luò)建模技術(shù)構(gòu)建乘員作業(yè)仿真模型［14］。

任務(wù)-網(wǎng)絡(luò)建模技術(shù)是一種對乘員作業(yè)過程進(jìn)行時(shí)間序列建模，并加以控制的計(jì)劃管理技術(shù)。無論作戰(zhàn)任務(wù)有多大、作業(yè)操作之間的關(guān)系有多復(fù)雜，都可以將其逐級分解［15］。筆者基于多資源理論［13］對任務(wù)-網(wǎng)絡(luò)建模方法進(jìn)行擴(kuò)展，建立了融合通道維度的任務(wù)-網(wǎng)絡(luò)模型。該方法將作業(yè)操作與信息通道有機(jī)結(jié)合，可以清楚表達(dá)各操作之間的相互關(guān)系，直觀體現(xiàn)各通道的資源占用情況，有利于提高各通道之間的協(xié)同配合，共同保證任務(wù)的順利完成。

任務(wù)-網(wǎng)絡(luò)模型建模方法有直接法和間接法兩種：直接法即通過一邊分解一邊確定工作項(xiàng)目及其關(guān)系的方式直接構(gòu)建，一般針對簡單系統(tǒng)；間接法即依據(jù)前期編制好的工作項(xiàng)目明細(xì)表間接構(gòu)建，主要針對相對復(fù)雜系統(tǒng)。裝甲車輛乘員作業(yè)屬復(fù)雜系統(tǒng)，故選用間接法構(gòu)建模型。

任務(wù)-網(wǎng)絡(luò)建模技術(shù)的基本表達(dá)形式為任務(wù)-網(wǎng)絡(luò)圖，是一種由箭線和節(jié)點(diǎn)組成的有向、有序的網(wǎng)狀圖形。任務(wù)-網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖3所示。可以看出，節(jié)點(diǎn)1、節(jié)點(diǎn)8分別為起始節(jié)點(diǎn)和結(jié)束節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)均為中間節(jié)點(diǎn)；A、B、C分別表示各信息執(zhí)行通道；A1、A2、A3、B1、B2、B3、C1、C2、C3為乘員工作項(xiàng)目代號［16］。

3.3 一體化仿真技術(shù)研究

裝甲車輛人機(jī)工效影響因素眾多，具有隨機(jī)性和復(fù)雜性，因此，其一體化仿真技術(shù)主要包括3個(gè)方面的研究：

圖3 信息執(zhí)行通道任務(wù)-網(wǎng)絡(luò)示意圖

1）任務(wù)驅(qū)動(dòng)條件研究，即解決人機(jī)系統(tǒng)仿真的輸入問題。主要是指規(guī)范作業(yè)情景環(huán)境，明確作業(yè)初始參數(shù)設(shè)置。

2）模型工作參數(shù)研究，即實(shí)現(xiàn)工作參數(shù)的量化。模型工作參數(shù)包括時(shí)間參數(shù)和資源參數(shù)：時(shí)間參數(shù)主要包括反應(yīng)時(shí)間和運(yùn)動(dòng)時(shí)間，可分別采用Hick-Hyman定律和Fittts定律計(jì)算得到［17］；資源參數(shù)一般指腦力資源參數(shù)，主要包括腦力負(fù)荷值及其分布函數(shù)，腦力負(fù)荷值常用的確定方法有Siegel和Wolf的腦力負(fù)荷評級標(biāo)準(zhǔn)、波音公司的方法以及Aldrich的7分制評級標(biāo)準(zhǔn)等［18］，腦力負(fù)荷分布函數(shù)基于先驗(yàn)?zāi)Ｐ停?-4］采用數(shù)據(jù)擬合與模擬試驗(yàn)相結(jié)合的方法確定。

3）一體化仿真模型預(yù)測，即通過執(zhí)行量化的一體化仿真模型，根據(jù)模型運(yùn)行結(jié)果對人機(jī)工效進(jìn)行預(yù)測。

3.4 人機(jī)工效驗(yàn)證技術(shù)研究

采用主、客觀相結(jié)合的分層驗(yàn)證方法對乘員仿真模型進(jìn)行有效性驗(yàn)證，一般包括基本操作過程分析、典型任務(wù)結(jié)果對比以及隨機(jī)任務(wù)結(jié)果對比3個(gè)層次，主觀評價(jià)方法一般采用評價(jià)量表或調(diào)查問卷的形式進(jìn)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 應(yīng)用實(shí)例

炮長應(yīng)急作業(yè)下的人機(jī)工效是影響裝甲車輛作戰(zhàn)效能的關(guān)鍵因素。筆者以我軍某型主戰(zhàn)坦克炮長發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并進(jìn)行射擊作業(yè)過程中的人機(jī)工效為例，結(jié)合裝甲車輛人機(jī)工效一體化仿真框架，驗(yàn)證方法的有效性。

4.1 仿真模型構(gòu)建

根據(jù)炮長的基本職責(zé)和作戰(zhàn)任務(wù)條件下的具體操作流程，對作業(yè)進(jìn)行分解，列出基于執(zhí)行通道的炮長工作項(xiàng)目及相互關(guān)系明細(xì)表，如下頁表1所示。

表1 炮長工作項(xiàng)目及相互關(guān)系明細(xì)表

根據(jù)表1，采用間接法構(gòu)建基于任務(wù)-網(wǎng)絡(luò)建模技術(shù)的炮長作業(yè)仿真模型，如圖4所示。

圖4 乘員作業(yè)仿真模型

4.2 模型參數(shù)確定

時(shí)間參數(shù)采用Hick-Hyman定律和Fitts定律計(jì)算。各執(zhí)行通道腦力負(fù)荷參數(shù)采用Aldrich 7分制評級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評定。時(shí)間參數(shù)值和各通道腦力負(fù)荷值如表1所示。

針對應(yīng)急作業(yè)條件，參考先驗(yàn)?zāi)Ｐ痛_定腦力負(fù)荷分布模型，將乘員某一時(shí)刻工作狀態(tài)測量100次，對數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，得到各工作項(xiàng)目負(fù)荷分布函數(shù)如表2所示。

表2 各工作項(xiàng)目負(fù)荷分布函數(shù)表

4.3 模型一體化仿真

模型一體化仿真選用Monte Carlo仿真方法，執(zhí)行平臺(tái)為Matlab仿真平臺(tái)。為保證仿真模型按照相似路徑運(yùn)行，確定了一個(gè)共用隨機(jī)起始數(shù)字，規(guī)定每個(gè)模型隨機(jī)數(shù)目為100。圖5為模型仿真執(zhí)行一次炮長總腦力負(fù)荷變化情況。

圖5 模型仿真執(zhí)行一次炮長總腦力負(fù)荷變化情況

對仿真結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到炮長各執(zhí)行通道腦力負(fù)荷和總腦力負(fù)荷情況，如表3所示。

表3 炮長各執(zhí)行通道腦力負(fù)荷和總腦力負(fù)荷情況

由表3可知，炮長最高腦力負(fù)荷值為36.1，這一數(shù)值已超出了腦力負(fù)荷限值（35.0）。同樣，炮長的認(rèn)知通道和視覺通道也始終處于高腦力負(fù)荷狀態(tài)，說明該通道運(yùn)行繁忙。因此，這就需要對炮長艙室人機(jī)界面做進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并有針對性地調(diào)整炮長完成發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并射擊作業(yè)任務(wù)的方式和順序。

4.4 仿真結(jié)果檢驗(yàn)

為驗(yàn)證人機(jī)工效一體化仿真方法的有效性，選取10名具有專業(yè)等級的某型主戰(zhàn)坦克炮長在射擊模擬器上進(jìn)行發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并射擊作業(yè)模擬實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)重復(fù)5次，每名被試完成實(shí)驗(yàn)后分別對NASA-TLX腦力負(fù)荷量表進(jìn)行主觀打分。被試的NASA-TLX量表各指標(biāo)平均值情況如圖6所示。

圖6 NASA-TLX量表各指標(biāo)平均值

由圖6可以看出，10名被試完成發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并射擊作業(yè)的腦力需求平均分值為65.2，努力程度平均分值為66.3，操作績效平均分值為63.4，均超過60，即可認(rèn)為炮長在作業(yè)過程中一直處于高腦力負(fù)荷狀態(tài)，這與一體化仿真模型預(yù)測的結(jié)果相符，說明仿真模型是有效的。而體力需求平均分值為45.6，這與腦力需求平均分值65.2相差很大，也從側(cè)面說明了炮長發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并射擊作業(yè)屬于智力型作業(yè)。

5 仿真研究中應(yīng)注意的問題

近年來，根據(jù)武器裝備的發(fā)展需要，裝甲車輛人機(jī)系統(tǒng)智能化、信息化程度明顯提高，也為系統(tǒng)人機(jī)工效的研究帶來了諸多改變：一方面，人機(jī)交互方式發(fā)生變化，系統(tǒng)人機(jī)交互除了傳統(tǒng)生理層面的視覺觀察、觸覺操縱外，還增加了心理層面的認(rèn)知行為，人機(jī)交互方式呈現(xiàn)多維化；另一方面，作業(yè)區(qū)域界限發(fā)生變化，人機(jī)系統(tǒng)中乘員、艙室、作業(yè)環(huán)境互相融合，系統(tǒng)功能分配根據(jù)任務(wù)動(dòng)態(tài)調(diào)整，各要素之間界線逐漸淡化。因此，裝甲車輛人機(jī)工效仿真研究不僅應(yīng)考慮各構(gòu)成要素自身的性質(zhì)，更要注重各要素之間的交互研究，實(shí)現(xiàn)人機(jī)工效的一體化仿真［20］。

1）注意分析系統(tǒng)人、機(jī)特性，明確人機(jī)工效仿真影響因素。對于裝甲車輛人機(jī)系統(tǒng)，需要基于實(shí)際作戰(zhàn)條件對艙室構(gòu)成要素進(jìn)行梳理，并對各要素之間的相互關(guān)系進(jìn)行分析［21］。系統(tǒng)中的“人”即為乘員，需要結(jié)合裝甲車輛作業(yè)特點(diǎn)對乘員的幾何特性、運(yùn)動(dòng)學(xué)特性、動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行分析，更要著重對操縱特性、反應(yīng)特性和可靠性進(jìn)行分析，構(gòu)建乘員認(rèn)知和反應(yīng)能力特性仿真模型，為分析和預(yù)測乘員心理因素和認(rèn)知水平對人機(jī)工效的影響提供理論和方法。

2）注意將人機(jī)工效仿真與作戰(zhàn)仿真有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)基于任務(wù)的人機(jī)工效一體化仿真分析方法。裝甲車輛人機(jī)工效仿真包含對艙室人機(jī)界面、作業(yè)空間等的靜態(tài)仿真，但更重要的是要在作戰(zhàn)任務(wù)條件下進(jìn)行人機(jī)工效動(dòng)態(tài)仿真。因此需要構(gòu)建基于實(shí)際作戰(zhàn)背景的人機(jī)交互場景，建立任務(wù)驅(qū)動(dòng)模型，將裝甲車輛人機(jī)工效仿真分析的理論和方法從傳統(tǒng)的靜態(tài)簡單環(huán)境下的舒適性分析向動(dòng)態(tài)復(fù)雜環(huán)境下的基于作戰(zhàn)任務(wù)的人機(jī)協(xié)同效能分析擴(kuò)展。

3）注意明確人機(jī)工效仿真的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并對仿真結(jié)果進(jìn)行正確性驗(yàn)證。仿真的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)決定了仿真的基本方向，裝甲車輛作為復(fù)雜人機(jī)系統(tǒng)，其系統(tǒng)輸入為任務(wù)驅(qū)動(dòng)模型，系統(tǒng)輸出即為乘員的作業(yè)績效，而作業(yè)績效的基本評價(jià)指標(biāo)即為乘員的作業(yè)狀態(tài)。因此，需對人機(jī)工效仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證，將通過正確性驗(yàn)證的裝甲車輛人機(jī)工效仿真模型與人機(jī)工效仿真試驗(yàn)平臺(tái)對接，建立一體化的人機(jī)工效仿真系統(tǒng)。

6 結(jié)論

隨著裝甲車輛艙室技術(shù)密集度和信息化程度的不斷提升，作戰(zhàn)需求和戰(zhàn)場生存條件的不斷變化，對人機(jī)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和乘員的作業(yè)能力提出了更高的要求，尤其是對艙室人機(jī)工效分析提出了新的挑戰(zhàn)。因此，必須從系統(tǒng)論的角度出發(fā)，充分運(yùn)用系統(tǒng)工程方法、數(shù)學(xué)分析方法、建模仿真理論以及計(jì)算機(jī)技術(shù)對包含乘員在內(nèi)的裝甲車輛人機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析、建模和優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)對裝甲車輛人機(jī)工效更科學(xué)、更準(zhǔn)確的仿真分析和預(yù)測。