頭盔顯示器效能評估分析

齊 敏，張向東，呂軍鋒，崔自蓬，王丹丹

（西安北方光電科技防務(wù)有限公司，西安 710043）

0 引言

隨著信息化技術(shù)的發(fā)展和外部信息感知的強烈需求，頭盔顯示器作為重要人機交互控制設(shè)備，其應(yīng)用平臺從飛機拓展到了地面，包括戰(zhàn)車、單兵，以及維修保障，戰(zhàn)場應(yīng)用日益廣泛。為了武器平臺列裝選用和裝備效能評價，對頭盔顯示器進行全面的全壽命效能評估必要而迫切。

1 頭盔顯示器

頭盔顯示器/頭盔瞄準具從20 世紀60 年代開始研制，70 年代少量裝機，到90 年代各國在固定翼和旋翼飛機上大量裝備，以離軸顯示和攻擊能力、寬大的視場和較強的夜視能力，逐漸取代平視顯示器成為主飛行顯示器，從而有效地提高飛行員的態(tài)勢感知能力和戰(zhàn)斗效率，美國F-35 頭盔顯示器是國內(nèi)外首例取代平視顯示器的頭盔顯示器。

頭盔顯示器在載機起飛/著陸、空空/空地作戰(zhàn)及編隊飛行中支持完成載機平臺/戰(zhàn)域態(tài)勢信息顯示、火控隨動、頭面防護、交互通訊等任務(wù)，具體功能如下：1）圖文顯示功能——顯示盔裝傳感器（夜視裝置）或機載傳感器信息（載機數(shù)據(jù)或戰(zhàn)場信息）；2）火控隨動功能——飛行員利用頭盔顯示器的準直顯示瞄準標記，直接控制武器或引導(dǎo)其他機載傳感器（如雷達、炮塔）進行攻擊或輔助攻擊，達到不需要飛機做大機動動作就可以先敵發(fā)現(xiàn)先敵攻擊的目的；3）頭面防護功能——保護飛行員不受面部強光、激光、眩光和頭部外力的碰撞、穿刺等傷害；4）交互功能——提供飛行員對外語音交互和隔離降噪能力。

2 頭盔顯示器效能評估任務(wù)分析

系統(tǒng)的效能是指系統(tǒng)在規(guī)定條件下滿足特定任務(wù)需求的程度。對系統(tǒng)效能的評估、綜合評價是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，要考慮“規(guī)定條件”、“特定任務(wù)”。對于具體裝備而言，效能評估必須是基于任務(wù)環(huán)境的，規(guī)定條件包括不限于作戰(zhàn)環(huán)境、作戰(zhàn)任務(wù)、部署、作戰(zhàn)流程和裝備性能等；特定任務(wù)指時間、空間、數(shù)量等；程度是指定性與定量相結(jié)合，百分比、概率、時間、空間和數(shù)量等。因此，效能評估問題是綜合評價問題，即要對多個對象進行評價。

裝備效能評估的目的主要有3 個：選擇、設(shè)計和改進。選擇綜合效能最高的裝備，達到最優(yōu)的效費比；為裝備的設(shè)計和實施提供理論基礎(chǔ)，以實現(xiàn)系統(tǒng)的最佳設(shè)計和配制；對已有的裝備進行完善和改進，提高運行效率。頭盔顯示器在機載平臺承擔人與飛機直接信息傳遞（視覺/聽覺）和人體頭面部防護功能，既是人體穿戴防護裝備，又是航電設(shè)備。從頭盔顯示器產(chǎn)品誕生之日起，人們就在不停地提出并回答“它能干什么，它帶來哪些能力的提升，這些能力能提升多少”的效能評估問題，并據(jù)此進行裝備的完善和改進。但是現(xiàn)有的頭盔顯示器效能評估多為作戰(zhàn)任務(wù)視角的作戰(zhàn)能力評估，存在缺少人為因素和裝備經(jīng)濟性等重要因素的考量和評估等問題，未建立基于全壽命周期的綜合效能評估，不能給武器平臺的選擇、方案的設(shè)計和裝備的改進提供充分必要的支撐。

針對機載平臺頭盔顯示器任務(wù)需求和裝備評估需求，頭盔顯示器效能評估任務(wù)確定為對機載頭盔顯示器完成作戰(zhàn)/飛行任務(wù)的全壽命綜合效能分析，包括定量/定性分析與評估，重點對設(shè)備與人、設(shè)備與平臺等方面分析評估。

圖1 給出通用的頭盔顯示器效能評估工作流程：在頭盔顯示器平臺作戰(zhàn)任務(wù)明晰的前提條件下，分析效能評估任務(wù)，識別效能評估要素，建立效能評估模型，評估計算給出評估報告，迭代改進。頭盔顯示器工程研制階段和裝備使用全壽命周期均可進行效能評估，不同階段的效能評估要素和指標權(quán)重可適當調(diào)整，階段的劃分參照武器裝備全壽命過程，包括論證、方案、工程研制、生產(chǎn)和部署、使用保障及退役處理6 個階段。

圖1 頭盔顯示器效能評估工作流程圖

3 頭盔顯示器效能評估要素識別

面對裝載平臺應(yīng)用任務(wù)繁重的使用環(huán)境，頭盔顯示器效能評估考慮因素眾多。參照SHEL 模型分析頭盔顯示器效能評估任務(wù)交互界面，如圖2 所示。頭盔顯示器效能評估要素包括頭盔顯示器與人、頭盔顯示器與飛機、頭盔顯示器與管理域等任務(wù)界面主要要素。

圖2 頭盔顯示器效能評估任務(wù)交互界面示意圖

1）頭盔顯示器——人

飛行員佩戴頭盔顯示器進行飛行/作戰(zhàn)任務(wù)操作中，頭盔顯示器的操作性、舒適性直接影響作戰(zhàn)效能。操作性主要包括操作便捷性、工作負荷。操作便捷性評估頭盔顯示器設(shè)備自身操作是否易用、對于其他設(shè)備操作是否方便可達；工作負荷評估人體佩戴頭盔顯示器體力/生理反應(yīng)和腦力/心理反應(yīng)是否可承受。舒適性主要評估頭盔顯示器對于人體聽覺、視覺、觸覺、皮膚覺等感官效能影響。

2）頭盔顯示器——飛機

對于航空器而言，加裝任何一個設(shè)備，必須綜合考慮設(shè)備電源消耗、重量、體積占比等因素影響，評估其功能增加與綜合消耗的性價比。

3）頭盔顯示器——管理域

避免設(shè)備“用不起”或“不好用”，則設(shè)備的評估選用必須全壽命周期考慮。在功能性滿足的前提條件下，經(jīng)濟性、安全性、可靠性、維修性是不可或缺的評估要素。

4 頭盔顯示器效能評估模型建立

評估指標體系、評估信息和評估方法是效能評估的三大要素，三者之間相互關(guān)聯(lián)，相互影響。評估指標體系建立是評估的首要任務(wù)，是評估的基礎(chǔ)標準，評估指標的選取直接關(guān)系到綜合評估的結(jié)果。

要全面科學(xué)地評價，需要建立合理的評估指標體系。評估體系是指為評估而確定的層次化的準則和與之相關(guān)的屬性集的總稱。指標體系的規(guī)模及具體指標差別還會牽扯到評估過程的復(fù)雜性，效能評估指標體系的指標并非越多越好，否則大量的時間和人力成本浪費在無謂的微小因素評價上。效能評估關(guān)鍵在于指標體系能夠全面反映各決策方案的主要方面，在系統(tǒng)的眾多指標中確定出綜合效能評估的指標體系，是頭盔顯示器效能評估的基礎(chǔ)問題。

依照最簡性、可測性、客觀性、系統(tǒng)性、獨立性等多準則評價指標集的要求。對于功能復(fù)雜的頭盔顯示器進行效能評估，首先運用層次分析法（AHP）分解評價目標，建立頭盔顯示器效能評估指標體系，構(gòu)建頭盔顯示器效能評估層次結(jié)構(gòu)模型；然后，對評估指標進行分解細化，給出詳細的評估指標。

從“頭盔顯示器——人、頭盔顯示器——飛機、頭盔顯示器——管理域”3 個界面識別頭盔顯示器效能評估要素，建立頭盔顯示器效能評估體系如圖3 所示，效能評估內(nèi)容如表1 所示。

表1 頭盔顯示器效能評估內(nèi)容詳表

圖3 頭盔顯示器效能評估指標體系示意圖

5 頭盔顯示器效能評估

5.1 評估信息的收集和量化

對效能評估三大要素中評估信息和評估方法而言，效能評估方法眾多，有層次法、ADC 法、系統(tǒng)效能分析法、指數(shù)法等，這些評估方法各有優(yōu)缺，難點在于評估信息的收集和量化，評估信息就是效能評估的素材。評估指標包括定量指標和定性指標兩類。對于定量指標，評估信息直接采集數(shù)據(jù)收集，定性指標則先信息收集后量化，量化的方法有直接打分法、量化標尺量化法。根據(jù)單項效能評估指標特性確定信息收集方法和量化方法，詳見下頁表2。

表2 中，問卷法中問卷設(shè)計采用主觀語言分解闡述分項指標轉(zhuǎn)化為評價問題，問卷框架設(shè)計包括導(dǎo)語、評價目的、受試人員信息采集、問題表等。為便于后期統(tǒng)計分析，問卷評價問題設(shè)計為封閉式問題，采用五級尺度量表。

表2 頭盔顯示器評估信息收集/量化方法表

5.2 評估指標分析

5.2.1 操作性

操作性評估主要包括兩部分分項指標：一是頭盔顯示器設(shè)備操作性評估，包括頭盔脫戴操作、功能模塊裝卸/收放等方便友好，易于辨識；二是佩戴頭盔顯示器條件下其他設(shè)備操作可達性和便捷性評估。

操作性評估以調(diào)查問卷形式呈現(xiàn)。問卷設(shè)計是在對頭盔顯示器操作性評估時，結(jié)合頭盔顯示器本身及機載平臺使用特點，采用主觀語言分解闡述相關(guān)指標并轉(zhuǎn)化為評價問題，明確調(diào)查對象，并規(guī)定調(diào)查結(jié)果分析與運用方法。

5.2.2 舒適性

生理健康和工作效能本質(zhì)上是關(guān)聯(lián)的，工作效能是量變的評價，影響生理健康是量變積累后的質(zhì)變。舒適性評估主要評估頭盔顯示器佩戴生理因素影響。具體頭盔顯示器而言，影響工作效能乃至生理健康的主要在熱、壓力、噪音、強光/激光等方面。因此，舒適性評估指標包括頭部壓力分布、熱舒適性、防噪聲性能、光防護性能等。

舒適性評估以實驗法和調(diào)查問卷/訪談法相結(jié)合進行，可量化分項指標與主觀評述互相印證綜合評估。

5.2.3 功能性

頭盔顯示器功能性評估主要評估所承擔功能完成程度，包括戰(zhàn)場態(tài)勢感知能力評估、頭盔防護能力評估、武器隨動控制能力評估、人機交互能力評估4 個分項指標。

功能性評估以調(diào)查問卷形式呈現(xiàn)。在對頭盔顯示器功能性評估主要因素研究基礎(chǔ)上，規(guī)定評價問題。

5.2.4 消耗度

頭盔顯示器的消耗度評估主要評估對裝載平臺電源、體積、重量3 個方面。

評估方法為采集數(shù)據(jù)進行解析計算。

5.2.5 經(jīng)濟性

經(jīng)濟性評估評估設(shè)備全壽命周期費用，包括研發(fā)費用、采購費用、使用維護費用。

設(shè)備全壽命周期費用是事前評估，因此，對于不確定和尚未發(fā)生的費用采用經(jīng)驗數(shù)據(jù)估算獲得。

評估方法為采集數(shù)據(jù)進行解析計算。

5.2.6 安全性

安全性評估包括的方面諸多，設(shè)備壽命期間，設(shè)備-人、設(shè)備-環(huán)境之間兩兩相互安全影響的評估。具體到頭盔顯示器安全性評估，包括飛行員佩戴頭盔顯示器的安全、頭盔顯示器自身的設(shè)備安全等。需要注意的是，安全性的評估需要在多個維度上進行，包括物理上的安全、數(shù)據(jù)信息的安全等。

安全性評估方法采用直接打分法。專家根據(jù)頭盔顯示器設(shè)備功能、操作流程和工作環(huán)境給出安全性評估表，評估專家按照對應(yīng)內(nèi)容評估打分。

5.2.7 可靠性

可靠性主要評估頭盔顯示器在規(guī)定條件下規(guī)定時間內(nèi)無故障地完成規(guī)定任務(wù)的能力?？煽啃园四途眯浴⒖删S修性、設(shè)計可靠性等三大要素，典型評價指標有可靠度、失效率、平均無故障時間間隔等。

可靠性評估方法為采集數(shù)據(jù)進行解析計算。數(shù)據(jù)的采集來源根據(jù)產(chǎn)品階段變換，方案階段可靠性預(yù)計獲得，工程研制過程中詳細設(shè)計階段可靠性仿真獲得，樣機階段可靠性試驗獲得。

5.2.8 維修性

維修性主要評估頭盔顯示器是否達到規(guī)定的維修性要求，以滿足戰(zhàn)備完好性和任務(wù)成功性要求，減少保障資源、維修人力和壽命周期費用，設(shè)備典型評價指標主要為平均修復(fù)時間（MTTR）。

維修性評估方法為采集數(shù)據(jù)進行解析計算。數(shù)據(jù)的采集來源根據(jù)產(chǎn)品階段變換，方案階段維修性預(yù)計獲得，工程研制過程中詳細設(shè)計階段維修性建模分析獲得，樣機階段維修性驗證試驗獲得。

5.3 指標權(quán)重的確定

效能評估中，科學(xué)地確定權(quán)重是效能評估的核心。根據(jù)頭盔顯示器效能評估模型的特點選取層次分析法確定權(quán)重，初步搭建框架，如下頁表3 所示，再結(jié)合德爾菲法（飛行員/專家）對指標體系賦權(quán)，最終形成頭盔顯示器效能評估指標權(quán)重矩陣：一級指標權(quán)重依次為=（0.085，0.13，0.163，0.122，0.14，0.12，0.12，0.12）。

表3 頭盔顯示器效能評估指標權(quán)重

5.4 綜合評估

頭盔顯示器功能復(fù)雜，評估信息既包含定性數(shù)據(jù)又包含定量數(shù)據(jù)，因此，選用層次分析法（AHP）進行頭盔顯示器的綜合效能評估，將復(fù)雜任務(wù)轉(zhuǎn)化為有序的層次結(jié)構(gòu)。

依據(jù)頭盔顯示器效能評估模型采集相關(guān)數(shù)據(jù)，采用給定的方法將評估信息量化，代入評估模型進行評估計算，頭盔顯示器綜合效能計算算子見式（1）。

其中，E 為頭盔顯示器綜合效能評估值；W為頭盔顯示器第i 個分項指標評價值；為頭盔顯示器效能評估第i 個指標權(quán)重。

將計算所得頭盔顯示器效能評估值，按照表4等級給出評估結(jié)論。

頭盔顯示器效能評估的評定等級分為優(yōu)秀（Ⅰ）、良好（Ⅱ）、及格（Ⅲ）、不及格（Ⅳ）4 個等級，各等級指標量值如表4 所示。

表4 評估等級指標量值表

6 結(jié)論

國內(nèi)已裝備頭盔顯示器多年，受益于微電子和近眼顯示技術(shù)的發(fā)展，以及戰(zhàn)斗人員對于戰(zhàn)場態(tài)勢感知能力提升的迫切需求，頭盔顯示器在空、車、單兵等裝備領(lǐng)域迅速拓展。科學(xué)合理地進行頭盔顯示器效能評估要素識別，建立頭盔顯示器效能評估模型，給出頭盔顯示器的量化評價數(shù)值，改善頭盔顯示器的佩戴體驗，降低裝備成本，進而充分發(fā)揮我軍武器裝備的作戰(zhàn)效能，意義深遠。

針對評價的多維度和評價指標的多樣性，頭盔顯示器效能評估，開展定量、定性分析與評估，綜合運用解析計算、調(diào)查問卷、直接打分法等多種評價方法手段，對操作性、舒適性、功能性、消耗度、經(jīng)濟性、安全性、可靠性、維修性等進行科學(xué)合理、全面系統(tǒng)的分析評價。

需要說明的是，效能評估的結(jié)果不是一成不變的，在裝備研制及列裝使用的全壽命周期，如同產(chǎn)品的風(fēng)險評估，裝備的效能評估亦建議在各個階段開展，并將評估結(jié)果落實于裝備的升級改進。