裝甲車輛信息系統(tǒng)人機(jī)工效試驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)與開發(fā)

傅斌賀， 劉維平， 劉西俠， 宋海軍

(陸軍裝甲兵學(xué)院 車輛工程系， 北京 100072)

0 引言

裝甲車輛信息系統(tǒng)對外通過射頻連接各級通信，對內(nèi)為乘員提供信息顯示和操控(簡稱顯控)功能，是實(shí)現(xiàn)裝甲車輛信息采集、傳輸、處理、存儲和顯控的信息作業(yè)平臺[1]，為乘員及時準(zhǔn)確把握戰(zhàn)場態(tài)勢、制定決策和實(shí)現(xiàn)決策起到關(guān)鍵作用。

隨著我軍裝備信息化建設(shè)的快速發(fā)展，裝備性能得到了有效提升，但同時也使裝甲車輛艙室系統(tǒng)呈現(xiàn)出構(gòu)成復(fù)雜化、作業(yè)環(huán)境多維化和作業(yè)區(qū)域界限淡化的趨勢。裝甲車輛信息作業(yè)任務(wù)隨機(jī)性強(qiáng)，實(shí)時信息交互量大，功能和信息顯示維度多，操作行為復(fù)雜，相比于傳統(tǒng)的力量型為主作業(yè)形式，乘員作業(yè)模式向知識型信息作業(yè)轉(zhuǎn)化。這不僅對乘員在復(fù)雜任務(wù)背景下的作業(yè)能力提出了新的要求，同時也對裝甲車輛信息系統(tǒng)的研發(fā)與訓(xùn)練提出了人機(jī)適應(yīng)性新要求。目前，裝甲車輛信息系統(tǒng)的研發(fā)和使用中，更側(cè)重于功能研究和技能培訓(xùn)，缺乏針對人機(jī)適應(yīng)性的工效學(xué)試驗(yàn)和評估技術(shù)研究，缺少準(zhǔn)確表征作業(yè)行為、測量作業(yè)績效的試驗(yàn)手段。

人機(jī)工效評估主要是分析作業(yè)人員、機(jī)器設(shè)備、作業(yè)環(huán)境三者之間的適應(yīng)性問題，從而使人機(jī)系統(tǒng)達(dá)到更高的工作效能。研究方法多采用主觀評價法、現(xiàn)場試驗(yàn)法和模擬試驗(yàn)法[2]：主觀評價法受到調(diào)查者個人因素影響較大，不同調(diào)查者的評價結(jié)論存在差異，評價的一致性和客觀性有待進(jìn)一步提高；現(xiàn)場試驗(yàn)法一方面人機(jī)界面的尺寸、功能相對固定，無法提供充分的自變量水平范圍，影響所得結(jié)論的外延性，另一方面現(xiàn)場試驗(yàn)保障需求較大，難以開展大樣本量統(tǒng)計(jì)學(xué)研究；相比較而言，模擬試驗(yàn)法既可以采用多種模擬技術(shù)提供機(jī)器設(shè)備和作業(yè)環(huán)境的實(shí)物模型，模擬真實(shí)作業(yè)條件，又能夠?qū)Ω黜?xiàng)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行客觀、可重復(fù)測量，是人機(jī)工效評估的一種先進(jìn)研究方法。

國內(nèi)外學(xué)者針對信息系統(tǒng)人機(jī)工效試驗(yàn)評估技術(shù)進(jìn)行了大量應(yīng)用研究，為了對載人地面車輛乘員的作業(yè)績效進(jìn)行建模研究，美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室人類研究與工程局開發(fā)了改進(jìn)的績效研究集成工具(IMPRINT)，采用了任務(wù)網(wǎng)絡(luò)建模和離散事件仿真技術(shù)，能夠有效測量乘員的任務(wù)完成時間和準(zhǔn)確率等績效指標(biāo)[3-5]。為研究車輛運(yùn)動對車載戰(zhàn)斗管理系統(tǒng)操作績效的影響，Salmon等[6]和Goode等[7]將戰(zhàn)斗管理系統(tǒng)軟件嵌入到駕駛模擬器中，有效測量了任務(wù)完成時間、準(zhǔn)確性、腦力負(fù)荷和生理指標(biāo)等參數(shù)。Abich等[8]和Reinerman-Jones等[9]設(shè)計(jì)了混合計(jì)劃試驗(yàn)(MIX)測試平臺，集成了多屬性任務(wù)組和虛擬戰(zhàn)場系統(tǒng)兩種軟件，能夠在MIX測試平臺上同時實(shí)現(xiàn)認(rèn)知能力、生理指標(biāo)、腦力負(fù)荷和作業(yè)績效等多種參數(shù)的測量，并應(yīng)用在無人地面車輛操作績效研究中。周伯河等[10]為研究航天員作業(yè)能力變化規(guī)律，建立了航天員空間操作人因分析一體化仿真平臺，設(shè)計(jì)了認(rèn)知和生物力學(xué)仿真、作業(yè)可視化、負(fù)荷預(yù)測和績效分析軟件，可對負(fù)荷和績效進(jìn)行有效評估。張玉剛等[11]設(shè)計(jì)了無人機(jī)地面控制系統(tǒng)操作員控制臺，實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)戰(zhàn)場環(huán)境與飛機(jī)性能監(jiān)控和信息監(jiān)控及視景仿真功能，為地面控制系統(tǒng)人機(jī)界面研究提供平臺支撐。JACK人體建模仿真與人機(jī)工效評估軟件采用虛擬仿真方法進(jìn)行數(shù)字化人體建模，廣泛應(yīng)用于虛擬環(huán)境下可視域、可達(dá)域、舒適度等方面的人機(jī)工效評估研究。尹清松等[12]基于JACK軟件建立了個性化數(shù)字人模型，分析了下肢關(guān)節(jié)力矩隨角度及外力變化的規(guī)律。

綜上所述，國外信息系統(tǒng)人機(jī)工效試驗(yàn)技術(shù)已廣泛應(yīng)用在軍用車輛領(lǐng)域，國內(nèi)航空航天領(lǐng)域發(fā)展較為成熟，而缺乏針對乘員作業(yè)績效的軍用車輛信息系統(tǒng)人機(jī)工效試驗(yàn)技術(shù)研究。鑒于此，為開展乘員信息作業(yè)能力及作業(yè)績效試驗(yàn)研究，本文設(shè)計(jì)開發(fā)了裝甲車輛信息系統(tǒng)人機(jī)工效試驗(yàn)平臺，具有作業(yè)模擬、績效測試和數(shù)據(jù)管理功能，實(shí)現(xiàn)了裝甲車輛乘員信息作業(yè)績效的全程測試，以及乘員認(rèn)知能力、腦力負(fù)荷和生理指標(biāo)的綜合測試，從而解決乘員作業(yè)行為和績效難于準(zhǔn)確表征和測量的技術(shù)難題。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 功能需求分析

為滿足乘員信息作業(yè)能力及作業(yè)績效試驗(yàn)研究需求，分析裝甲車輛信息系統(tǒng)人機(jī)工效試驗(yàn)平臺的功能，要求能夠準(zhǔn)確測量乘員在各種實(shí)際操作中的作業(yè)績效，并對乘員信息作業(yè)能力相關(guān)影響因素進(jìn)行分析。據(jù)此試驗(yàn)平臺應(yīng)具有以下功能：

1)作業(yè)模擬功能。對乘員作業(yè)能力進(jìn)行工效學(xué)評價，應(yīng)基于乘員實(shí)際作業(yè)任務(wù)，反映乘員信息處理的操作過程，且所選任務(wù)具有典型性，能夠有效甄別相關(guān)因素對作業(yè)績效的影響。因此，試驗(yàn)平臺應(yīng)具有準(zhǔn)確的作業(yè)模擬功能，能夠提供與真實(shí)信息系統(tǒng)相同的操作界面和操作流程。

2)測試功能。研究乘員的信息作業(yè)能力及作業(yè)績效，需要采集乘員信息處理過程的生理、心理、作業(yè)績效及腦力負(fù)荷等各類參數(shù)，要求試驗(yàn)平臺應(yīng)具有相應(yīng)的測試功能和測試手段。

3)數(shù)據(jù)管理功能。基于試驗(yàn)平臺設(shè)置試驗(yàn)參數(shù)、選擇試驗(yàn)項(xiàng)目、記錄和保存乘員個人基本信息以及操作過程各類測試參數(shù)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和存儲量巨大。為便于對試驗(yàn)結(jié)果的分析處理，需要能夠?qū)υ囼?yàn)涉及的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和管理。

1.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)功能需求分析，試驗(yàn)平臺由主控系統(tǒng)、模擬測試系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)3部分構(gòu)成。主控系統(tǒng)在控制臺進(jìn)行操作，通過主控軟件選擇試驗(yàn)任務(wù)，設(shè)置任務(wù)參數(shù)；模擬測試系統(tǒng)包括操作模擬裝置、綜合測試裝置、信息終端軟件作業(yè)模擬模塊和射擊模擬軟件射擊模擬模塊，能夠模擬乘員任務(wù)過程，測試乘員的生理、心理、作業(yè)績效和腦力負(fù)荷等參數(shù)；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括綜合測試裝置、信息終端軟件數(shù)據(jù)管理模塊和射擊模擬軟件數(shù)據(jù)管理模塊，能夠?qū)y試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。試驗(yàn)平臺系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)平臺系統(tǒng)框架Fig.1 System framework of test platform

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)座艙及控制臺設(shè)計(jì)

為使試驗(yàn)環(huán)境與實(shí)車環(huán)境具有較高相似度，提高人機(jī)工效測量準(zhǔn)確性，試驗(yàn)座艙參考我軍現(xiàn)役某型主戰(zhàn)坦克戰(zhàn)斗艙室布局結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)，進(jìn)行了設(shè)計(jì)和構(gòu)建。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)座艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Internal structure of test cabin

考慮到通用性和拆裝的方便性，座艙整體采用組合式骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。座艙中間布置操作模擬裝置和位置調(diào)整機(jī)構(gòu)，可根據(jù)不同車型及研究需要進(jìn)行調(diào)整，能夠模擬車長和炮長的工作位置，達(dá)到一種艙體多種用途的效果。

控制臺內(nèi)布置有主控計(jì)算機(jī)，用于對各類試驗(yàn)的控制、管理與測試結(jié)果分析，如圖3所示。

圖3 主控系統(tǒng)控制臺Fig.3 Console of main control system

試驗(yàn)平臺采用組網(wǎng)方式集成，通過控制臺的主控計(jì)算機(jī)，不僅可以實(shí)現(xiàn)對操作模擬裝置和綜合測試裝置的一體化聯(lián)合控制，還可實(shí)現(xiàn)多機(jī)同步試驗(yàn)，科目選擇和參數(shù)設(shè)置與試驗(yàn)操作主從分工明確，試驗(yàn)連續(xù)性好、效率高，易于擴(kuò)展用戶。試驗(yàn)平臺組網(wǎng)方式如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)平臺組網(wǎng)方案Fig.4 Network scheme of test platform

2.2 操作模擬裝置硬件設(shè)計(jì)

操作模擬裝置包括信息終端模擬裝置和射擊模擬裝置。信息終端模擬裝置主要用于乘員信息處理的作業(yè)模擬，以我軍現(xiàn)役裝備典型信息終端為參考，選擇乘員信息作業(yè)績效具有顯著差異的操作任務(wù)，作為主要作業(yè)模擬功能，在此基礎(chǔ)上，自主開發(fā)信息終端模擬裝置，模擬裝置外型、功能設(shè)置及操作界面與實(shí)裝保持一致。

基于不同研究目的，開發(fā)了兩種信息終端模擬裝置。第1種模擬裝置主要用于乘員信息作業(yè)能力和作業(yè)績效等試驗(yàn)與評估研究，是信息終端模擬裝置的研發(fā)重點(diǎn)，其特點(diǎn)是屏幕外型設(shè)計(jì)、功能設(shè)置及操作界面與實(shí)車終端保持一致，尺寸與實(shí)裝基本相同，如圖5所示為信息終端模擬裝置。其中顯示屏選用了日本三菱公司產(chǎn)AA104XD02型10.4寸顯示屏，鍵盤選用與實(shí)裝尺寸和觸感相同的定制硅膠鍵盤。第2種模擬裝置主要用于信息終端人機(jī)界面匹配的工效學(xué)研究，它與第1種模擬裝置的不同之處，在于鍵盤為虛擬鍵盤，信息終端模擬裝置的顯控界面采用觸摸屏操作。在保持原有操作功能不變的前提下，鍵盤的尺寸和間距等人機(jī)界面參數(shù)均可根據(jù)研究需要進(jìn)行調(diào)整。顯示屏選用瑞士TE Connectivity公司產(chǎn)E512043型15寸觸摸屏，整個顯示屏分為虛擬鍵盤區(qū)和顯示屏區(qū)兩個區(qū)域，顯示屏區(qū)與實(shí)車保持一致，鍵盤區(qū)根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。圖6所示為觸摸屏信息終端模擬裝置。

圖5 信息終端模擬裝置Fig.5 Simulator of information terminal

圖6 觸摸屏信息終端模擬裝置Fig.6 Simulator of information terminal with touch screen

射擊模擬裝置參考了某型主戰(zhàn)坦克火控系統(tǒng)，主要用于乘員戰(zhàn)場偵察、火炮射擊作業(yè)的操作模擬，選用已有的訓(xùn)練模擬系統(tǒng)，包括車長、炮長瞄準(zhǔn)鏡和操縱臺，尺寸及外形均以實(shí)裝相同，操縱臺選用實(shí)裝部件。圖7所示為試驗(yàn)平臺操作模擬裝置。

圖7 試驗(yàn)平臺操作模擬裝置Fig.7 Operation simulator of test platform

2.3 綜合測試裝置組成

綜合測試裝置主要用于對乘員的生理、心理、作業(yè)績效和腦力負(fù)荷等參數(shù)進(jìn)行測試，它由生理測試儀器、心理測試系統(tǒng)、作業(yè)績效測試裝置和主觀評價量表4部分構(gòu)成。

作業(yè)績效測試裝置與操作模擬裝置集成，通過自主開發(fā)的信息終端軟件和射擊模擬軟件實(shí)現(xiàn)測試功能，該軟件是本文研究和開發(fā)的重點(diǎn)?？紤]到測試的可操作性及有效性，生理測試儀器采用芬蘭Polar公司產(chǎn)RS800CX心率表和日本OMRON公司產(chǎn)HEM-629血壓計(jì)測量心率變異性、脈搏及血壓3個生理參數(shù)。乘員認(rèn)知行為局限性是裝甲裝備人因事故的重要原因[13]，心理測試系統(tǒng)選用北京心靈方舟科技有限公司產(chǎn)PsyKey心理測試軟件測試乘員認(rèn)知能力。作業(yè)過程中乘員腦力負(fù)荷采用美國國家航空航天局任務(wù)負(fù)荷指數(shù)(NASA-TLX)量表[14]進(jìn)行測量。

3 軟件開發(fā)

軟件開發(fā)采用自頂向下的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，功能實(shí)現(xiàn)上，軟件應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)作業(yè)模擬、績效測試、參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)管理等功能。測試內(nèi)容方面，科目選取應(yīng)突出工效學(xué)研究特點(diǎn)，立足評估研究敏感性、有效性和可測試性。實(shí)際操作中，應(yīng)既可進(jìn)行信息處理、射擊模擬等單項(xiàng)作業(yè)模擬試驗(yàn)及工效學(xué)評估，也可進(jìn)行綜合作業(yè)模擬試驗(yàn)及工效學(xué)評估。

基于此，提出如圖8所示的軟件開發(fā)方案。首先，依據(jù)乘員作業(yè)能力和作業(yè)績效研究需要，提出作業(yè)模擬科目、測試內(nèi)容及數(shù)據(jù)采集時機(jī)與要求；其次，劃分軟件開發(fā)模塊，采取分模塊開發(fā)、按需集成的模式進(jìn)行軟件開發(fā)；最后，軟件運(yùn)行，系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，功能測試及修改。

圖8 軟件開發(fā)方案Fig.8 Software development scheme

3.1 主控軟件開發(fā)

主控軟件用于對操作模擬裝置和綜合測試裝置的控制，由啟動、試驗(yàn)任務(wù)選擇、試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置、試驗(yàn)啟動控制4個模塊組成。

啟動模塊用于啟動程序和系統(tǒng)初始化。其中注冊功能用于管理乘員編號、姓名、性別等個人基本信息，便于軟件檔案管理和查詢，以及測試后生成規(guī)范性數(shù)據(jù)報(bào)告。試驗(yàn)任務(wù)選擇模塊主要用于選擇試驗(yàn)任務(wù)，根據(jù)信息作業(yè)特點(diǎn)，共確定了兩種作業(yè)模擬的12項(xiàng)任務(wù)，其中綜合性任務(wù)3項(xiàng)，其余為單項(xiàng)任務(wù)。試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置模塊主要由主試人員根據(jù)研究需要，對任務(wù)的作業(yè)次數(shù)、間隔時間、完成時間等任務(wù)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。試驗(yàn)啟動控制模塊主要用于與下位機(jī)進(jìn)行通信，向操作模擬裝置和綜合測試裝置發(fā)出控制指令，并接收試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3.2 信息終端軟件開發(fā)

3.2.1 功能特點(diǎn)

信息終端軟件主要用于信息終端作業(yè)模擬和績效測試，是實(shí)現(xiàn)裝甲車輛信息系統(tǒng)人機(jī)工效試驗(yàn)平臺功能的關(guān)鍵和核心部分。模擬任務(wù)具有典型性，能夠充分反映任務(wù)的任務(wù)復(fù)雜度、時間壓力以及人機(jī)界面變化對作業(yè)績效的影響，具有任務(wù)負(fù)荷差異顯著、測試敏感性高、戰(zhàn)時常用的特點(diǎn)?？冃y試功能嵌入到模擬作業(yè)過程中，能夠針對任務(wù)操作過程中的每個階段進(jìn)行測量，實(shí)現(xiàn)作業(yè)績效測試全程覆蓋。

3.2.2 軟件開發(fā)工具

在軟件開發(fā)工具的選擇上，對常用的Visual Basic、Visual C++、LabVIEW 3種軟件開發(fā)工具進(jìn)行對比分析后認(rèn)為，LabVIEW軟件能夠滿足軟件交互和界面仿真功能的需要，可實(shí)時分析處理數(shù)據(jù)，支持多種文件數(shù)據(jù)格式，與其他儀器設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)連接方便，因此最終選擇美國NI公司的LabVIEW作為信息終端軟件的開發(fā)工具，并使用MySQL數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)管理。

3.2.3 軟件平臺功能實(shí)現(xiàn)

3.2.3.1 功能實(shí)現(xiàn)方法

軟件采用分模塊編程實(shí)現(xiàn)功能，包括軟件登錄模塊、模擬測試模塊和數(shù)據(jù)管理模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)登錄、作業(yè)模擬、績效測試和數(shù)據(jù)管理等功能。信息終端軟件總體結(jié)構(gòu)及功能如圖9所示。

圖9 信息終端軟件總體結(jié)構(gòu)Fig.9 Overall structure of information terminal software

3.2.3.2 模擬測試模塊

模擬測試模塊主要對典型作業(yè)任務(wù)進(jìn)行模擬及作業(yè)績效測量，采用虛擬界面設(shè)計(jì)，模擬實(shí)裝操作過程，保證了模擬測試能夠真實(shí)反映作業(yè)績效的變化規(guī)律，并且可根據(jù)不同車載信息系統(tǒng)研究需要，靈活調(diào)整按鍵大小、間隙、界面布局方式等。

模擬測試模塊將績效測量功能嵌入到作業(yè)模擬過程中，采取按操作步驟分段與集中統(tǒng)計(jì)的方式完成數(shù)據(jù)測量。其操作流程為每次測試以倒計(jì)時方式進(jìn)行預(yù)示提醒，以保證每名乘員能保持基本一致的心理應(yīng)激水平。隨后軟件自動生成任務(wù)提示語，并觸發(fā)計(jì)時器開始計(jì)時，任務(wù)提示語指導(dǎo)乘員進(jìn)行作業(yè)，并為乘員作業(yè)正誤提供判斷依據(jù)。然后乘員根據(jù)任務(wù)提示語進(jìn)行作業(yè)，軟件自動判斷操作正誤并記錄完成時間。信息終端作業(yè)測試流程如圖10所示，圖10中M和N分別為主試人員在測試前設(shè)定的最大完成時間和作業(yè)次數(shù)。

圖10 信息終端作業(yè)測試流程圖Fig.10 Test flow chart of information terminal operation

作業(yè)績效數(shù)據(jù)的獲取以作業(yè)模擬為基礎(chǔ)，由于作業(yè)模擬程序量大，在此僅介紹數(shù)據(jù)的輸入與刪除，其程序如圖11所示。通過事件結(jié)構(gòu)感知模擬鍵盤簇的值是否發(fā)生改變，若發(fā)現(xiàn)真值即可確定乘員操作按鍵，然后通過條件結(jié)構(gòu)判定下一步程序的執(zhí)行，即是輸入哪個數(shù)字或者刪除數(shù)字。移位寄存器主要用于保存上一操作輸入的數(shù)字，界面標(biāo)記用來區(qū)分不同操作界面中數(shù)字鍵實(shí)現(xiàn)不同功能。

圖11 數(shù)據(jù)輸入、刪除程序Fig.11 Data entry and remove program

模擬測試模塊中，分段記錄各步驟的完成時間是重要功能之一，獲取完成時間通過應(yīng)用時間計(jì)數(shù)器函數(shù)實(shí)現(xiàn)，其程序如圖12所示。首先在需要測試的位置放置時間計(jì)數(shù)器函數(shù)，然后運(yùn)用減法算出前后測試輸入的時間差，即該測試步驟的完成時間，在操作最后還可直接計(jì)算出整個任務(wù)的完成時間。

圖12 完成時間獲取程序Fig.12 Program of accessing completion time

測試中錯誤率定義為乘員在完成一次作業(yè)中錯誤按鍵數(shù)除以按鍵總數(shù)，通過獲取錯誤按鍵數(shù)和按鍵總數(shù)計(jì)算得到，錯誤按鍵數(shù)獲取程序如圖13所示。任務(wù)提示語已經(jīng)明確每步操作的“答案”，通過事件結(jié)構(gòu)獲取乘員的操作，然后判定操作與“答案”是否一致，如果操作錯誤，則錯誤按鍵計(jì)數(shù)器加1.

圖13 錯誤按鍵數(shù)獲取程序Fig.13 Program of accessing erroneous pressing

3.2.3.3 數(shù)據(jù)管理模塊

數(shù)據(jù)管理模塊主要用于實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲、查詢、刪除及統(tǒng)計(jì)結(jié)果輸出等功能，采用PSDMS_Get_SQL_Command.vi條件結(jié)構(gòu)獲取命令執(zhí)行相應(yīng)操作，其程序如圖14所示。

圖14 數(shù)據(jù)管理模塊程序Fig.14 Data management module program

3.3 射擊模擬軟件開發(fā)

3.3.1 功能特點(diǎn)

軟件主要功能為典型射擊科目下射擊作業(yè)模擬和作業(yè)績效測試，其功能特點(diǎn)是在保持原有射擊模擬功能的基礎(chǔ)上，嵌入了績效測試功能，實(shí)現(xiàn)了對乘員射擊作業(yè)績效的各階段及全過程的實(shí)時測量。結(jié)合實(shí)驗(yàn)心理學(xué)原理與乘員射擊訓(xùn)練的實(shí)際，將作業(yè)績效測試嵌入到模擬射擊過程中，將傳統(tǒng)的各類反應(yīng)時、目標(biāo)辨識、雙臂協(xié)調(diào)、目標(biāo)跟蹤、多目標(biāo)識別等反應(yīng)特性和動作協(xié)調(diào)特性測試與乘員的專項(xiàng)作業(yè)績效測試融合，實(shí)現(xiàn)了射擊作業(yè)模擬與作業(yè)績效測試的一體化，以及乘員專項(xiàng)基礎(chǔ)能力和綜合作業(yè)能力測試的有機(jī)結(jié)合。既可用于乘員基本作業(yè)能力測試，也可用于乘員作業(yè)績效的試驗(yàn)研究。

3.3.2 軟件開發(fā)工具

軟件基于已有射擊模擬器軟件，通過二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)。原有射擊模擬器軟件采用C++語言編程，為保持軟件開發(fā)的連續(xù)性，提高軟件開發(fā)效率，本軟件采用Visual C++軟件開發(fā)工具編寫。

3.3.3 軟件平臺功能實(shí)現(xiàn)

射擊模擬軟件結(jié)構(gòu)類似于信息終端軟件，采用分模塊編程實(shí)現(xiàn)功能，包括軟件登錄模塊、模擬測試模塊和數(shù)據(jù)管理模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)登錄、作業(yè)模擬、績效測試和數(shù)據(jù)管理功能，軟件程序流程如圖15所示。

圖15 射擊模擬軟件程序流程圖Fig.15 Flow chart of fire simulated software program

軟件開發(fā)保持原有的射擊模擬功能和軟件結(jié)構(gòu)不變，針對績效測試的試驗(yàn)需要進(jìn)行修改完善，主要嵌入增加了3部分功能：

1)參數(shù)設(shè)置，用于對作業(yè)時間、間隔時間、作業(yè)次數(shù)、目標(biāo)速度、目標(biāo)種類等任務(wù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。每次試驗(yàn)前主試人員進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，然后從主控計(jì)算機(jī)通過接口文件傳遞給射擊模擬裝置和綜合測試裝置。

2)測試部分，根據(jù)各科目擬定的測試參數(shù)，對各項(xiàng)作業(yè)過程的績效參數(shù)進(jìn)行測量，完成后立即進(jìn)行結(jié)果統(tǒng)計(jì)，將統(tǒng)計(jì)結(jié)果和相關(guān)數(shù)據(jù)上傳主機(jī)并存儲。

3)接口部分，主要接收主控計(jì)算機(jī)的指令，并上傳統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

作業(yè)模擬科目選取立足突出作業(yè)績效測試評估的敏感性、有效性和可測試性要求，通過對現(xiàn)有射擊科目的分析，選取了穩(wěn)定器操作的描繪信封靶、對多個不動目標(biāo)射擊、平穩(wěn)跟蹤目標(biāo)、對不動目標(biāo)射擊、對運(yùn)動目標(biāo)射擊等5個典型訓(xùn)練科目作為試驗(yàn)測試科目，并根據(jù)工效學(xué)研究需要，對科目的目標(biāo)設(shè)置方式、目標(biāo)類型等方面進(jìn)行調(diào)整。

4 應(yīng)用實(shí)例

裝甲車輛人機(jī)工效研究主要是分析乘員個體差異與人機(jī)界面、艙室環(huán)境、任務(wù)需求等外界因素相互作用的人機(jī)適應(yīng)性問題，其中乘員認(rèn)知能力的個體差異會對信息作業(yè)績效產(chǎn)生影響，是裝甲車輛人機(jī)工效評估的重要方面。應(yīng)用裝甲車輛信息系統(tǒng)人機(jī)工效試驗(yàn)平臺，開展了不同記憶能力乘員信息作業(yè)行為對比試驗(yàn)，對試驗(yàn)平臺功能進(jìn)行了測試驗(yàn)證。

信息錄入任務(wù)是裝甲車輛乘員最常用的信息作業(yè)之一，貫穿作戰(zhàn)任務(wù)始終[15]。本文以信息錄入任務(wù)作為模擬測試任務(wù)，選取了88名本科學(xué)員作為被試人員進(jìn)行對比測試。測試內(nèi)容包括信息作業(yè)行為特征和記憶能力兩部分，其中信息作業(yè)行為特征以行為完成時間和錯誤率為評價指標(biāo)，記憶能力通過短時記憶廣度來表征。信息錄入任務(wù)可以劃分為8個信息作業(yè)行為，如表1所示。

將被試人員按照短時記憶廣度均值(8.2)分為記憶能力優(yōu)秀組和一般組，采用Mann-Whitney U檢驗(yàn)法對比分析優(yōu)秀組與一般組的信息作業(yè)行為績效。如表2所示為任務(wù)完成時間和錯誤率結(jié)果，可以看出優(yōu)秀組任務(wù)完成時間和錯誤率均優(yōu)于一般組，記憶能力對任務(wù)完成時間(概率P=0.005)和錯誤率(概率P=0.033)均具有顯著影響。

表1 信息錄入任務(wù)行為

表2 不同記憶能力下任務(wù)完成時間和錯誤率

注：*表示差異顯著，P值取0.05.

如圖16、表3所示為被試人員行為特征結(jié)果，可以看出，優(yōu)秀組在行為速度和準(zhǔn)度上均優(yōu)于一般組。兩組的行為完成時間在行為2、行為4、行為5、行為7上具有顯著差異，說明記憶能力對行為完成時間具有顯著影響，主要體現(xiàn)在“記憶信息內(nèi)容”(P=0.005)、“選擇目標(biāo)類型”(P=0.026)、“輸入目標(biāo)數(shù)量”(P=0.001)、“輸入目標(biāo)速度”(P=0.002)4種行為。行為錯誤率在行為4、行為5、行為6、行為7上具有顯著差異，說明記憶能力對行為錯誤率具有顯著影響，主要體現(xiàn)在“選擇目標(biāo)類型”(P=0.003)、“輸入目標(biāo)數(shù)量”(P=0.001)、“選擇目標(biāo)方位”(P=0.023)、“輸入目標(biāo)速度”(P=0.012)4種行為。

圖16 不同記憶能力下行為績效Fig.16 Behavior performance of crew with different memory abilities

以上結(jié)果表明，記憶能力對信息作業(yè)行為的速度和準(zhǔn)度均具有顯著影響，與文獻(xiàn)[16-17]的研究結(jié)果相一致。通過試驗(yàn)證明了試驗(yàn)平臺能夠?qū)崿F(xiàn)乘員信息作業(yè)各階段行為績效的全程測量，有效甄別乘員不同作業(yè)能力對作業(yè)績效的影響，證實(shí)了所建立試驗(yàn)平臺的實(shí)用性和有效性。

表3 不同記憶能力下行為完成時間和錯誤率

注：*表示差異顯著，P值取0.05.

5 結(jié)論

1)提出了裝甲車輛信息系統(tǒng)人機(jī)工效試驗(yàn)平臺的系統(tǒng)方案，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)座艙及控制臺、操作模擬裝置和綜合測試裝置，開發(fā)了主控軟件、信息終端軟件和射擊模擬軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)裝甲車輛乘員信息處理和射擊模擬的作業(yè)模擬、績效測試、參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)管理功能。

2)采用嵌入式測試方法，將績效測試功能嵌入到作業(yè)模擬過程中，實(shí)現(xiàn)了作業(yè)績效各階段的全程測試和實(shí)時測量。采用虛擬界面設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)任務(wù)復(fù)雜度、時間壓力、人機(jī)界面等參數(shù)設(shè)置，為分析任務(wù)需求和人機(jī)界面對乘員作業(yè)績效的影響提供試驗(yàn)手段。

3)通過實(shí)例對試驗(yàn)平臺的有效性和實(shí)用性進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)平臺能夠?qū)崿F(xiàn)乘員信息作業(yè)績效的全程測量，有效甄別乘員不同作業(yè)能力對作業(yè)績效的影響。試驗(yàn)平臺有效解決了裝甲車輛乘員信息作業(yè)績效難于準(zhǔn)確測量的技術(shù)難題，為基于乘員信息作業(yè)能力與作業(yè)績效的人機(jī)適應(yīng)性研究，提供了試驗(yàn)手段和技術(shù)支撐。