電子設(shè)備方艙人機(jī)工效評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及應(yīng)用研究

孫國(guó)強(qiáng)， 苗沖沖， 劉燕，丁霖， 吳旭

(1.航空工業(yè)綜合技術(shù)研究所，北京 100028； 2.解放軍93209部隊(duì)，北京 100085 )

1 引言

方艙是一種“有一定防護(hù)能力的、可運(yùn)輸?shù)南涫焦ぷ鏖g，可為人員和裝備提供適宜的工作環(huán)境，便于實(shí)施多種方式載運(yùn)的獨(dú)立艙室”[1]。因?yàn)槠淇裳b載在多種運(yùn)輸工具上，廣泛的應(yīng)用在軍事裝備領(lǐng)域。在雷達(dá)裝備中，電子設(shè)備方艙是操作人員控制雷達(dá)工作的主要平臺(tái)。電子設(shè)備方艙是一個(gè)相對(duì)封閉環(huán)境下的復(fù)雜人機(jī)系統(tǒng)，系統(tǒng)中既有多任務(wù)作業(yè)的人機(jī)交互，也有多人協(xié)調(diào)作業(yè)的人人交互，同時(shí)，作業(yè)人員需要長(zhǎng)時(shí)間于方艙內(nèi)工作，處于穩(wěn)定的微氣候環(huán)境(包括溫濕度、噪聲與通風(fēng)等)中，因此電子設(shè)備方艙是典型的復(fù)雜人機(jī)環(huán)交互環(huán)境。

雷達(dá)作業(yè)人員是整個(gè)人機(jī)系統(tǒng)最為薄弱的環(huán)節(jié)，其工作內(nèi)容集中在顯控系統(tǒng)，其工作負(fù)荷主要集中在感知監(jiān)測(cè)與判斷決策方面[2]；方艙作業(yè)具有工作姿勢(shì)固定、工作時(shí)間長(zhǎng)、視野空間狹窄等特點(diǎn)，易造成的作業(yè)人員睡眠節(jié)律紊亂、身心疲勞和作業(yè)能力降低等問(wèn)題；此外壓力與疲勞的累積效應(yīng)對(duì)作業(yè)人員的情緒控制和心理壓力也會(huì)產(chǎn)生重大影響。因此，開(kāi)展電子設(shè)備方艙的人機(jī)工效評(píng)估，不僅需要對(duì)顯控系統(tǒng)的交互水平進(jìn)行評(píng)估還要包括對(duì)工作環(huán)境舒適度等內(nèi)容的評(píng)估。

目前國(guó)內(nèi)關(guān)于電子設(shè)備方艙的人機(jī)工效研究集中在方艙的布局、顯控臺(tái)設(shè)計(jì)[3-5]、艙內(nèi)環(huán)境[6]等。楊會(huì)越闡述了雷達(dá)方艙布局的主要原則與注意事項(xiàng)[7]。李高潔在19年提出雷達(dá)顯控臺(tái)設(shè)計(jì)需要考慮的人要素推薦尺寸與顯控臺(tái)外觀色彩的設(shè)計(jì)建議[3]。張勇波在文章中詳細(xì)分析了電子方艙中人員特性、人-機(jī)關(guān)系、人-環(huán)關(guān)系，對(duì)方艙的布局、環(huán)境、色彩等內(nèi)容提出了設(shè)計(jì)原則[2]。唐明從顯控臺(tái)的人機(jī)界面、造型設(shè)計(jì)角度提出人機(jī)工程設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)[8]。馮智凱提出了基于模糊數(shù)學(xué)的雷達(dá)人機(jī)界面評(píng)估方法，并基于仿真系統(tǒng)進(jìn)行了應(yīng)用[9]。馬強(qiáng)等人對(duì)艙內(nèi)環(huán)境的涉及人機(jī)工程要素進(jìn)行了詳細(xì)的闡述[10]。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)雷達(dá)方艙的工效學(xué)研究多是面向方艙系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，本文在這些研究基礎(chǔ)上擬提出一套以系統(tǒng)為中心的電子設(shè)備方艙人機(jī)工效評(píng)價(jià)指標(biāo)體系用于雷達(dá)裝備的人機(jī)工效評(píng)價(jià)。

2 雷達(dá)作業(yè)人機(jī)工效分析

2.1 情境意識(shí)

情境意識(shí)是航空人機(jī)工效的研究熱點(diǎn)，相對(duì)而言，雷達(dá)作業(yè)人員的情境意識(shí)(SA)問(wèn)題存在一定的特殊性。Endsley提出的SA定義：在一定的時(shí)間和空間內(nèi)，對(duì)周?chē)h(huán)境中相關(guān)要素的感知，理解以及對(duì)其狀態(tài)變化短期內(nèi)的預(yù)測(cè)[11]。飛行員、無(wú)人機(jī)操作員在顯示界面以外，有著視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、感覺(jué)等更多渠道的信息獲取方式，飛行員可以通過(guò)駕駛艙視野、座艙的振動(dòng)、身體的重力感知等獲取信息，無(wú)人機(jī)操作員也可以通過(guò)攝像頭以及其他傳感器獲取更多的信息。相對(duì)而言，雷達(dá)作業(yè)是一種主動(dòng)作業(yè)被動(dòng)發(fā)現(xiàn)的過(guò)程，操作員無(wú)法對(duì)目標(biāo)出現(xiàn)的位置、時(shí)間等信息進(jìn)行預(yù)判，只能通過(guò)持續(xù)的監(jiān)視、判斷等方式以發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，除了顯示界面并沒(méi)有其他信息獲取渠道，有80%-90%的信息是通過(guò)眼睛獲取的，信息加工依賴于視覺(jué)信息的獲取。因此，雷達(dá)作業(yè)人員保持較高的情境意識(shí)需要付出極大的努力。

2.2 人機(jī)功能分配和工作負(fù)荷

作業(yè)人員的工作負(fù)荷水平與雷達(dá)系統(tǒng)的人機(jī)功能分配設(shè)計(jì)具有高度相關(guān)性，良好的人機(jī)功能分配設(shè)計(jì)可有效降低工作負(fù)荷[12]。雷達(dá)作業(yè)需要操作員進(jìn)行大量的信息監(jiān)視、檢索、判斷、決策，在某些任務(wù)節(jié)點(diǎn)還要大量且快速的鍵盤(pán)作業(yè)；這個(gè)過(guò)程中，操作人員接受了大量的視覺(jué)刺激，對(duì)其注意力分配、心理素質(zhì)有著極高的要求，極易產(chǎn)生視覺(jué)疲勞、腦力負(fù)荷過(guò)載現(xiàn)象。隨著自動(dòng)化和人工智能技術(shù)的應(yīng)用，雷達(dá)系統(tǒng)接管了部分操作人員的任務(wù)，從這個(gè)角度而言降低了操作人員的工作負(fù)荷；與此同時(shí)，系統(tǒng)集成的功能更多，顯示界面的信息量劇增，對(duì)操作人員的認(rèn)知壓力也隨之增加。良好的人機(jī)功能分配設(shè)計(jì)需要協(xié)調(diào)技術(shù)進(jìn)步帶來(lái)的信息壓力和人的認(rèn)知能力，從人機(jī)一體化的角度合理分配人、機(jī)承擔(dān)的職責(zé)。

2.3 工作空間與環(huán)境

學(xué)者普遍認(rèn)為，工作環(huán)境會(huì)導(dǎo)致負(fù)面情緒積累，而雷達(dá)作業(yè)人員的工作需要長(zhǎng)時(shí)間處于艙室環(huán)境中以坐姿方式執(zhí)行監(jiān)視與控制任務(wù)。作業(yè)人員長(zhǎng)期處于單一姿勢(shì)、單一環(huán)境、單一任務(wù)形式，在執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中，不僅承受任務(wù)本身的壓力，還要承受長(zhǎng)時(shí)間保持固定坐姿造成的疲倦，以及方艙環(huán)境因素的影響，如密閉狹小的空間、噪聲、燈光、空氣質(zhì)量等因素造成的厭倦感、疲勞感。作業(yè)人員如果長(zhǎng)時(shí)間處于這種狀態(tài)下，會(huì)出現(xiàn)認(rèn)知能力下降，績(jī)效降低的情況[13]。因此，工作空間與環(huán)境的影響直接作用于作業(yè)人員，舒適的環(huán)境有助于提高任務(wù)的執(zhí)行效率。

3 方艙人機(jī)工效評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

電子設(shè)備方艙人機(jī)工效評(píng)價(jià)指標(biāo)體系應(yīng)能夠科學(xué)、全面的評(píng)價(jià)其設(shè)計(jì)的工效水平。因此，指標(biāo)體系構(gòu)建方法的選擇要科學(xué)、合理，本研究采用焦點(diǎn)小組法[14]與德?tīng)柗品╗15]相結(jié)合的方式。人機(jī)工效專家通過(guò)焦點(diǎn)小組法初步確定指標(biāo)體系框架，再通過(guò)德?tīng)柗品ㄊ占O(shè)計(jì)人員與作業(yè)人員的意見(jiàn)與建議，經(jīng)過(guò)兩輪迭代修改后形成三級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。評(píng)價(jià)指標(biāo)體系有效的吸納了設(shè)計(jì)人員、工效專家以及作業(yè)人員三方的意見(jiàn)，確保了指標(biāo)體系各級(jí)指標(biāo)的選擇與確定覆蓋了電子設(shè)備方艙涉及的人機(jī)工效評(píng)價(jià)要素。

評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是基于SHEL模型理論，從人-機(jī)(硬件)關(guān)系、人-機(jī)(軟件)關(guān)系、人-環(huán)境關(guān)系三個(gè)方面進(jìn)行分解，指標(biāo)體系不評(píng)價(jià)作業(yè)人員間的協(xié)同作業(yè)，因此不包含人-人關(guān)系。指標(biāo)體系各級(jí)內(nèi)容如圖1所示。

圖1 電子設(shè)備方艙人機(jī)工效綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

其中，人-機(jī)(硬件)下轄指標(biāo)為空間布局與顯控系統(tǒng)?？臻g布局關(guān)注電子方艙的空間設(shè)計(jì)，包括三級(jí)指標(biāo)座椅空間、作業(yè)空間、通行空間、設(shè)備布置；顯控系統(tǒng)電子方艙內(nèi)部的顯示器與控制器的工效設(shè)計(jì)，包括三級(jí)指標(biāo)顯示特性、控制特性與人機(jī)交互。

人-機(jī)(軟件)下轄指標(biāo)為作業(yè)程序與告警。作業(yè)程序關(guān)注雷達(dá)操控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括三級(jí)指標(biāo)邏輯合理性、可理解性、操作便捷性、易學(xué)習(xí)性；告警作為二級(jí)指標(biāo)是體現(xiàn)其對(duì)安全的重要作用，包括告警類(lèi)型與告警信息兩個(gè)三級(jí)指標(biāo)。

人-環(huán)境關(guān)系下轄指標(biāo)為光、聲、輻射以及空氣環(huán)境，關(guān)注環(huán)境因素對(duì)作業(yè)人員的健康與舒適的影響。

顯控臺(tái)是電子設(shè)備方艙的核心設(shè)備，作業(yè)人員的監(jiān)視與控制任務(wù)均在顯控臺(tái)上執(zhí)行，其工效設(shè)計(jì)水平直接影響任務(wù)效能。因此，指標(biāo)體系的大部分指標(biāo)以顯控臺(tái)為評(píng)價(jià)對(duì)象，如設(shè)備布置、顯控系統(tǒng)與作業(yè)程序等指標(biāo)均為顯控臺(tái)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

4 方艙人機(jī)工效評(píng)價(jià)指標(biāo)體系應(yīng)用

開(kāi)展人機(jī)工效評(píng)價(jià)，一般采取主觀評(píng)價(jià)與客觀測(cè)量相結(jié)合的方式。在本研究中，為了提高在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的評(píng)價(jià)效率，節(jié)省評(píng)價(jià)時(shí)間，采用了人機(jī)工效調(diào)查問(wèn)卷方法，并通過(guò)G1法等數(shù)據(jù)處理方法將定性的主觀評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評(píng)價(jià)。

4.1 人機(jī)工效調(diào)查問(wèn)卷編制

指標(biāo)體系覆蓋了電子方艙的全部人機(jī)工效要素，但三級(jí)指標(biāo)覆蓋的內(nèi)容仍然較為廣泛。因此在編制問(wèn)卷時(shí)，需將指標(biāo)進(jìn)一步展開(kāi)，從用戶角度進(jìn)行更為細(xì)致的分解，確保問(wèn)卷內(nèi)容描述清晰、簡(jiǎn)潔，不存在歧義。如三級(jí)指標(biāo)照明的問(wèn)卷問(wèn)題對(duì)電子設(shè)備方艙內(nèi)的照度、亮度、均勻度、顏色等進(jìn)行了評(píng)價(jià)。人機(jī)工效調(diào)查問(wèn)卷共形成65個(gè)評(píng)價(jià)條目。

通過(guò)調(diào)查問(wèn)卷法獲得量化數(shù)據(jù)，需要問(wèn)卷填寫(xiě)者填寫(xiě)兩方面內(nèi)容：指標(biāo)權(quán)重[16]與評(píng)價(jià)等級(jí)。其中，指標(biāo)權(quán)重系數(shù)是評(píng)價(jià)各子指標(biāo)相對(duì)上一級(jí)指標(biāo)的重要程度；確定指標(biāo)權(quán)重系數(shù)，問(wèn)卷能更為合理的體現(xiàn)評(píng)價(jià)結(jié)果，本文采用的是較為常用的序關(guān)系分析法(G1法)[17]。評(píng)價(jià)等級(jí)是作業(yè)人員評(píng)價(jià)問(wèn)卷?xiàng)l目影響程度的判斷依據(jù)。許多心理學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，普通人所能準(zhǔn)確辨別的程度等級(jí)或事物的個(gè)數(shù)在5～9個(gè)之間；本問(wèn)卷將評(píng)價(jià)等級(jí)劃分為5個(gè)等級(jí)，具體等級(jí)劃分和含義見(jiàn)表 1，答卷者根據(jù)對(duì)條目?jī)?nèi)容的同意程度進(jìn)行評(píng)價(jià)打分。

表1 評(píng)價(jià)等級(jí)及含義

4.2 問(wèn)卷數(shù)據(jù)處理

回收問(wèn)卷需要進(jìn)行問(wèn)卷的初步篩選處理，確定有效回收問(wèn)卷數(shù)據(jù)處理和結(jié)果分析。本文的數(shù)據(jù)處理方法考慮了指標(biāo)權(quán)重，可有效地提高問(wèn)卷結(jié)果的可靠性。按照公式1，通過(guò)三級(jí)指標(biāo)權(quán)重與平均滿意度計(jì)算出二級(jí)指標(biāo)的滿意度Wp，下一步通過(guò)公式2兩輪迭代后計(jì)算出整體滿意度W。

(1)

(2)

式中：

Epij——第j名受試者的三級(jí)指標(biāo)主觀評(píng)價(jià)的平均得分；

fpi——三級(jí)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)；

Wp——二級(jí)級(jí)指標(biāo)的工效評(píng)價(jià)得分；

i——第i個(gè)三級(jí)指標(biāo)，i=1,2,3,…,Np；

j——第j名受試者，j=1,2,3，…,M；

q——第q個(gè)一級(jí)(二級(jí))指標(biāo)，q=1,2,3，…,K。

最終評(píng)價(jià)結(jié)果按下述規(guī)定進(jìn)行判定：

a)當(dāng)1≤W<2時(shí)，判定該評(píng)價(jià)對(duì)象的工效學(xué)評(píng)價(jià)結(jié)論為——不能接受。

b)當(dāng)2≤W<3時(shí)，判定該評(píng)價(jià)對(duì)象的工效學(xué)評(píng)價(jià)結(jié)論為——勉強(qiáng)接受；

c)當(dāng)3≤W<4時(shí)，判定該評(píng)價(jià)對(duì)象的工效學(xué)評(píng)價(jià)結(jié)論為——一般；

d)當(dāng)4≤W<5時(shí)，判定該評(píng)價(jià)對(duì)象的工效學(xué)評(píng)價(jià)結(jié)論為——比較滿意；

e)當(dāng)W=5時(shí)，判定該評(píng)價(jià)對(duì)象的工效學(xué)評(píng)價(jià)結(jié)論為——非常滿意。

4.3 應(yīng)用案例

應(yīng)用本文構(gòu)建的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系對(duì)A/B兩型電子設(shè)備方艙開(kāi)展評(píng)估，共收集12份有效問(wèn)卷，均為多年作業(yè)經(jīng)驗(yàn)的人員填寫(xiě)。在經(jīng)過(guò)信效度檢驗(yàn)后，對(duì)問(wèn)卷數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，其中，各二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)與滿意度水平如表2、圖2所示；最終計(jì)算結(jié)果顯示，電子方艙A的滿意度WA=4.77，電子方艙B的滿意度WB=4.85，說(shuō)明作業(yè)人員對(duì)兩電子方艙的工效水平都比較滿意，方艙B的整體滿意度水平略高于方艙A。

表2 權(quán)重系數(shù)

圖2 滿意度對(duì)比圖

5 討論

電子設(shè)備方艙是雷達(dá)作業(yè)人員的主要作業(yè)平臺(tái)，具備復(fù)雜人機(jī)環(huán)交互環(huán)境的典型特征。目前國(guó)內(nèi)電子設(shè)備方艙的人機(jī)工效相關(guān)研究多集中在設(shè)計(jì)領(lǐng)域，在評(píng)價(jià)領(lǐng)域還缺乏廣泛而深入的研究。

本文根據(jù)雷達(dá)方艙的任務(wù)形式和工作環(huán)境簡(jiǎn)要分析了雷達(dá)電子設(shè)備方面中面臨的人機(jī)工效問(wèn)題，包括情境意識(shí)、人機(jī)功能分配和工作負(fù)荷以及工作空間與環(huán)境三方面。其中，前兩個(gè)問(wèn)題涉及人-機(jī)關(guān)系，其工效水平的優(yōu)劣影響著作業(yè)人員的作業(yè)效率；后者涉及人-環(huán)關(guān)系，其工效水平的優(yōu)劣則影響作業(yè)人員的舒適性，長(zhǎng)遠(yuǎn)看潛在影響著作業(yè)人員的身心健康，因此應(yīng)對(duì)其工效設(shè)計(jì)提高重視程度。

基于對(duì)上述問(wèn)題的分析，本文建立起以SHEL模型為基礎(chǔ)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及評(píng)價(jià)方法，不僅關(guān)注了以往評(píng)價(jià)工作中的重點(diǎn)(顯控系統(tǒng)、作業(yè)程序、告警)，對(duì)于影響作業(yè)人員長(zhǎng)遠(yuǎn)身心健康的空間布局、環(huán)境等也給予了重視。在本文的應(yīng)用案例中，權(quán)重系數(shù)的分布也反映了作業(yè)人員對(duì)于該問(wèn)題的關(guān)切。

6 結(jié)論

電子設(shè)備方艙的工效水平直接關(guān)系著能否安全、高效、舒適地完成任務(wù)。本文分析了電子設(shè)備方艙的作業(yè)過(guò)程中的情境意識(shí)、人機(jī)功能分配及工作負(fù)荷、工作空間與環(huán)境特點(diǎn)，提出了一套方艙人機(jī)工效評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)方法，經(jīng)過(guò)應(yīng)用驗(yàn)證了評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的可行性。該指標(biāo)體系可用于電子方艙的人機(jī)工效評(píng)價(jià)工作，對(duì)其他類(lèi)型方艙的適用性還需進(jìn)一步調(diào)研分析。