陳登凱，王雨倩，葉 聰，何再明

（1. 西北工業(yè)大學(xué) 陜西省工業(yè)設(shè)計工程實驗室，陜西 西安 710072；2. 中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫 214082）

載人潛器駕駛艙人機工效評估方法研究

陳登凱1，王雨倩1，葉 聰2，何再明2

（1. 西北工業(yè)大學(xué) 陜西省工業(yè)設(shè)計工程實驗室，陜西 西安 710072；2. 中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫 214082）

為了提高載人潛器駕駛艙人機工效設(shè)計的質(zhì)量，有效考慮特殊環(huán)境下人的心理、生理因素的變化對人操作可靠性的影響，本文基于人機工程學(xué)構(gòu)建了駕駛艙人機工效評估模型，提出作業(yè)績效指數(shù)概念，并明確其確定方式，利用CREAM預(yù)測法預(yù)測人的不可靠性導(dǎo)致的人因失效概率，最終得到了駕駛艙人機工效評估值。開發(fā)了數(shù)字化評估軟件，并通過某載人潛水器駕駛艙人機工效評估驗證了該方法的有效性。

載人潛器駕駛艙；人機工效評估；作業(yè)績效指數(shù)；人因失效概率

0 引 言

載人潛器駕駛艙是面向特殊使用對象的產(chǎn)品，是駕駛員執(zhí)行海底任務(wù)的工作休息場所和維系安全的特定保障系統(tǒng)。其設(shè)計不僅要求能為駕駛員提供清晰全面的信息，準確判斷并快速執(zhí)行決策的操縱方式，而且還必須考慮人自身的各項因素以及環(huán)境的影響。若缺乏人機的合理考慮，則會產(chǎn)生影響駕駛安全、工作狀態(tài)和威脅駕駛員身心健康等重大問題。為了提高載人潛水器駕駛艙的設(shè)計水平、提升駕駛員的工作效率、安全可靠性和舒適性，進行駕駛艙人機工效評估是設(shè)計駕駛艙不可缺少的重要環(huán)節(jié)之一。

對于載人潛器駕駛艙人機工效評估，國內(nèi)外相差不大，其研究起始于航空航天領(lǐng)域，并向其他產(chǎn)品領(lǐng)域迅速擴展。Cem Alppay等［1］提出以人為中心，運用UCIAM方法解決民用直升飛機中的飛行儀表版的排列布局問題；H. Ciloglu等［2］通過實驗方法，研究 3 種飛行環(huán)境下客機經(jīng)濟艙座椅的舒適性；李博等［3］提出了基于虛擬人體模型參數(shù)作為人機工效設(shè)計解空間的參數(shù)獲取方法；宗立成等［4］提出基于遺傳算法的艙內(nèi)人-機界面人機工效設(shè)計方案計算智能求解方法；葛哲學(xué)等［5］通過JACK 軟件進行仿真，對艙內(nèi)人機工效的舒適性、視域、可達域等工效進行評價，并提出修改意見。

由此可見，目前的駕駛艙人機工效評估多從人的角度出發(fā)，對艙內(nèi)設(shè)備還有環(huán)境進行評估，忽略了特殊環(huán)境對人心理和生理的影響。為盡可能客觀、科學(xué)合理反映設(shè)計實際情況，本文在已有研究理論和方法的基礎(chǔ)上，綜合考慮上述兩方面因素，提出新的人機工效評估模型，有效考慮到人的身體特征對艙內(nèi)設(shè)備和環(huán)境的約束以及設(shè)備和環(huán)境對人的影響，構(gòu)建了比較完整的駕駛艙人機工效評估系統(tǒng)，開發(fā)了可精確測量和計算的數(shù)字化評估軟件。

1 駕駛艙數(shù)學(xué)評估模型構(gòu)建

完整的駕駛艙數(shù)學(xué)評估模型應(yīng)綜合考慮人機交互性能和人因失效概率，因此，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型如下：

式中：H（x）為駕駛艙人機工效評估值；P（x）為作業(yè)績效指數(shù)，用于衡量艙內(nèi)系統(tǒng)對人完成任務(wù)的準確性還有效率的影響大小，主要分析視域、可達域、舒適性等因素；CFP（Cognitive Failure Probability）為人因失效概率預(yù)測值，主要研究設(shè)備和環(huán)境對人生理及心理的影響，以及人自身的各項因素對其操作準確性的作用。

1.1 作業(yè)績效指數(shù)

依據(jù)最終評價目標和實際設(shè)計目標，并結(jié)合工業(yè)設(shè)計理論知識和已有設(shè)計評價指標準則［7–9］，將影響作業(yè)績效指數(shù)的因素主要確定為 4 個方面：整體造型、艙內(nèi)設(shè)備、艙內(nèi)色彩、艙內(nèi)照明。根據(jù)實際設(shè)計的需求以及設(shè)計所需考慮的重點因素，將各項指標細化，構(gòu)建載人潛水器駕駛艙作業(yè)績效指數(shù)確定體系，如圖 1所示。為了平衡不同屬性、不同量綱的評估指標在綜合評估中的影響，本文根據(jù)駕駛艙的實際需求，將底層指標具體描述，并且從主觀和客觀2個角度細化指標量化以保證統(tǒng)一性。

圖 1 作業(yè)績效指數(shù)確定Fig. 1 Job performance index definition

作業(yè)績效指數(shù) P（x）由主觀評估φ（x）和客觀評估ψ（x）構(gòu)成，表達式為：

式中，α 和 β 分別為主觀和客觀評估結(jié)果的權(quán)重值。α∈［0，1］，β∈［0，1］，α+β = 1。

1）主觀指標量化

依據(jù) G·Miller“7 ± 2”認知理論［10］將主觀評估結(jié)果分成“5 級”和“2 級”進行描述和量化，由具體評估指標決定采用的評價等級，評估結(jié)果的具體量化方法如表 1所示。

表 1 主觀評估指標量化Tab. 1 Subjective evaluation index quantification

由于每項指標對總體主觀評估結(jié)果的貢獻度不一，因此，還需確定每項評估指標的權(quán)重 wi，利用加權(quán)法計算主觀評估結(jié)果：

式中，wi（i=1， 2， …， n）為各主觀評估指標量化結(jié)果f（xi）對應(yīng)的權(quán)重值。

2）客觀指標量化

將底層客觀評估指標分為成本型、效益型、固定型、區(qū)間型、偏離型和偏離區(qū)間型 6 種屬性。效益型屬性是指屬性值越大越好的屬性，成本型屬性是指屬性值越小越好的屬性，固定型屬性是指屬性值接近某個固定值越好的屬性，區(qū)間型屬性是指屬性值越接近某個固定區(qū)間（包括落入該區(qū)間）越好的屬性，偏離型屬性是指屬性值越偏離某個固定值越好的屬性，而偏離區(qū)間型屬性是指屬性值越偏離某區(qū)間越好的屬性［11］。依據(jù)實際設(shè)計需求以及人體尺寸數(shù)據(jù)等信息對各指標進行細化，區(qū)分各細化指標的屬性信息如表 2 所示，建立相對應(yīng)的量化函數(shù)。

表 2 客觀評估指標量化Tab. 2 Objective evaluation index quantification

各屬性的量化方法如下：

在各式中，p和q 分別為取值的上下限，a 為固定型屬性的固定值，b 為偏離型屬性的偏離值，［c，d］為區(qū)間型屬性的區(qū)間大小，［e，f］為偏離區(qū)間型屬性的區(qū)間大小。為保證與主觀量化數(shù)值范圍一致，以 5 作為量化數(shù)值的分界點，最優(yōu)值為 10，最差值為 0。

wj（j=1， 2， …， n）為各客觀評估指標量化結(jié)果f（xj）對應(yīng)的權(quán)重值，則駕駛艙客觀評估結(jié)果ψ（x）表達式為：

式中，wj（j=1， 2， …， n）為各客觀評估指標量化結(jié)果f（xj）對應(yīng)的權(quán)重值。

3）權(quán)重計算

運用 EM［12］法進行每項指標的權(quán)重計算，具體操作步驟如下：

設(shè) n 個評價指標 m 個方案的決策矩陣為

其中，xij為第 i 個設(shè)計方案的第 j 個指標數(shù)值。

計算出第 j 個評價指標下第 i 個方案的比重：

計算出第 j 項指標下的熵值：

計算第 j 項指標的差異化系數(shù)：

則第 i 類指標權(quán)重值為：

1.2 人因失效概率預(yù)測模型構(gòu)建

本文擬在 CREAM［13 - 14］方法的基礎(chǔ)上建立人因失效概率預(yù)測模型。CREAM 方法是第 2 代人因可靠性分析方法中的一種代表性方法，其核心思想是人的行為并不是孤立的、隨機的，而是在很大程度上由完成任務(wù)時所處環(huán)境決定的。將環(huán)境因素總結(jié)為共同績效條件（CPC），給出 CPC 水平對于績效可靠性的期望效應(yīng)，由 CPC 因子水平的綜合，確定人完成該任務(wù)的認知控制模式，也就基本決定了失效概率［15］。

1）CPC 水平對績效可靠性的期望效應(yīng)量化

通過對 CPC 進行評價處理來實現(xiàn)對情景環(huán)境的量化。記單個 CPC 的分值為 Sk，改進作用分值為 1，降低作用分值為 –1，不顯著分值為 0。即

傳統(tǒng)的方法由改進因子分數(shù)總和及降低因子分數(shù)總和確定控制模式［13］，進而確定最終失效概率，但是這種方法存在一定缺陷。本文設(shè)定變量 M 為改進總分值，N 為降低總分值，同時根據(jù)情景環(huán)境，由專家或技術(shù)人員對 9 種 CPC 因子的水平進行評價，確定每個CPC 因子的重要程度，記為 wk。則得到：

2）預(yù)測失效概率

將駕駛員所處任務(wù)環(huán)境因素（CPC）分為對人因可靠度影響起改進作用和起降低作用兩大類，得到對應(yīng)的 CFP 值。其中，第一類記為 CFPM，只考慮起改進作用的環(huán)境因素；第二類記為 CFPN，只考慮其降低作用的環(huán)境因素。另外確定 CFP0，即所有因素的影響都為不顯著。得

則失效概率為：

其中，CFP0為由認知功能失效模式與失效概率基本值［13］表格計算出的失效概率的平均值，即 0.022 7。另外，查詢共同績效條件和績效可靠性［13］表格得到 M的最大值為 7/9，N 的最小值為 –1。由控制模式與失效概率區(qū)間［13］表格以及控制模式與 CPC 對應(yīng)關(guān)系圖［13］可知，M 取最大值時，CFPM最小值為 0.000 05，N 取最小值時，C F PN最大值為 1。代入式（1 9）～ 式（20）得：

因此

2 數(shù)字化評估軟件開發(fā)

以 UG8.0 為開發(fā)平臺，編程環(huán)境采用 Visual C++6.0，數(shù)據(jù)庫采用 Acess2010，基于 Windows 操作系統(tǒng)進行二次開發(fā)［16］。

根據(jù)載人潛器駕駛艙評估模型創(chuàng)建程序菜單，構(gòu)建程序框架，并依據(jù)各項評估指標建立交互式評估對話框。駕駛艙人機工效評估系統(tǒng)包括三大功能模塊，即作業(yè)績效指數(shù)，人因失效概率預(yù)測以及評估結(jié)果。為避免由菜單級數(shù)過多而造成的操作繁雜，將二級評價指標作為底層菜單，采用交互式對話框?qū)崿F(xiàn)各細化指標的評估，該對話框采用折疊式設(shè)計，條理清晰，避免了不必要因素的干擾，便于評估人員高效完成評估。人機工效評估模塊展開功能列表如圖 3 所示，設(shè)備布局工效主、客觀評估以及人因失效概率預(yù)測對話框如圖 4 所示。

在 Microsoft Access 中建立數(shù)據(jù)庫，在 Visual C++中通過 ADO（Active Data Objects）數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)訪問數(shù)據(jù)源，定義 Connection 對象變量建立數(shù)據(jù)庫鏈接，使用 Recordset 執(zhí)行存儲過程，實現(xiàn)各細化指標的測量值、評價值、量化值以及權(quán)重值的寫入，以保證評估結(jié)果的可追溯性，便于查找設(shè)計的不足之處以作改進。

圖 3 駕駛艙綜合評估菜單Fig. 3 Cockpit comprehensive evaluation menu

圖 4 交互式對話框設(shè)計Fig. 4 Design of interactive dialog boxes

3 實例驗證

本文以某載人潛水器駕駛艙設(shè)計為例。利用 UG建立該駕駛艙三維模型。圖 5分別為利用 UG軟件測量座椅距離工作臺的距離以及顯示面板的角度。通過測量，在交互式評估對話框中輸入測量結(jié)果?？陀^評估的其他指標測量值也依此方法獲得。部分測量值量化結(jié)果如表 3 所示。

圖 5 UG 測量設(shè)計值（距離及角度）Fig. 5 UG design value measurements （distance and angle）

表 3 客觀測量結(jié)果量化值（部分）Tab. 3 Objective measurements quantized value （section）

通過潛水器設(shè)計專家，設(shè)計師及有經(jīng)驗的駕駛員或者觀察員根據(jù)駕駛艙的實際情況，在交互式評估界面中對主觀評估指標進行打分（部分結(jié)果見表 4），并且對人因失效預(yù)測界面中的九項因素進行評估（見表 5），得到載人潛器駕駛艙的綜合評估結(jié)果如表 6所示。系統(tǒng)顯示如圖 6 所示。

由綜合評估公式計算出綜合評估結(jié)果是 8.14，得知該潛水器駕駛艙的設(shè)計達到良好水平。通過查詢數(shù)據(jù)表格，可獲得沒有達到良好水平的評估指標，以及容易導(dǎo)致失效事件產(chǎn)生的因素，可依此對艙內(nèi)人機工效設(shè)計做出適當改進。例如在作業(yè)績效指數(shù)評估方面，保證顯示面板等其他裝置的合理空間的前提下可以適當提高控制臺的高度，降低地板的高度等；針對顯示屏幕增多，操作方式向觸屏化發(fā)展等因素，可以將重要的顯示裝置放置在駕駛員的舒適視野范圍內(nèi)，并且對顯示參數(shù)的數(shù)量進行適當優(yōu)化，同時，需要對駕駛員進行培訓(xùn)，以適應(yīng)操作方式的變化，減少操作失誤的發(fā)生。

表 4 主觀評價結(jié)果量化值（部分）Tab. 4 Subjective measurements quantized value （section）

表 5 CPC 水平評價Tab. 5 CPC level evaluation

表 6 駕駛艙綜合評估值Tab. 6 Cockpit complex evaluation

圖 6 評估結(jié)果Fig. 6 Evaluation result

4 結(jié) 語

本文從人機工程學(xué)角度出發(fā)，建立駕駛艙評估模型。通過對影響作業(yè)績效指數(shù)的因素進行分析，將各項評估指標量化，使得評價結(jié)果更加全面和精確；同時，考慮特殊環(huán)境對人心理和生理的影響，對由此可能引發(fā)的操作失效概率進行了預(yù)測，綜合兩方面因素得到駕駛艙的綜合評估值，從而由評估結(jié)果對駕駛艙的人機工效設(shè)計進行適當優(yōu)化，對提升載人潛器駕駛艙人機工效設(shè)計效率及提高設(shè)計水平具有重要意義。本方法還可應(yīng)用于其他載人空間人機工效評估實踐中。但是，由于目前對載人潛器的失誤事件研究較少，失效數(shù)據(jù)的收集不夠全面，并且因為人機界面的變化，利用傳統(tǒng)的人誤模型來進行失效概率預(yù)測存在一定缺陷，在后續(xù)工作中需要對此進行深入研究。

[1]ALPPAY C， BAYAZIT N. An ergonomics based design research method for the arrangement of helicopter flight instrument panels［J］. Applied Ergonomics， 2015， 51: 85–101.

[2]CILOGLU H， ALZIADEH M， MOHANY A， et al. Assessment of the whole body vibration exposure and the dynamic seat comfort in passenger aircraft［J］. International Journal of Industrial Ergonomics， 2015， 45: 116–123.

[3]李博， 吉曉民， 陳登凱， 等. 多約束下的載人潛器艙內(nèi)計算機輔助工效設(shè)計系統(tǒng)研究［J］. 圖學(xué)學(xué)報， 2014， 35（8）: 553–562.

[4]宗力成， 葉聰， 余隋懷， 等. 載人潛水器艙室設(shè)備智能布局設(shè)計方法研究［J］. 中國造船， 2013， 54（3）: 147–153.

[5]葛哲學(xué)， 吳福章， 羅旭， 等. 面向航天虛擬操作分析的航天員人體建模與姿態(tài)仿真技術(shù)［J］. 航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程， 2012，25（5）: 359–362.

[6]李鵬程， 陳國華， 張力， 等. 人因可靠性分析技術(shù)的研究進展與發(fā)展趨勢［J］. 原子能科學(xué)技術(shù)， 2011， 45（3）: 329–340.

[7]VINK P， BAZLEY C， KAMP I， et al. Possibilities to improve the aircraft interior comfort experience［J］. Applied ergonomics，2012， 43（2）: 354–359.

[8]謝慶森， 黃艷群. 人機工程學(xué)（2版）［M］. . 北京: 中國建筑工業(yè)出版社， 2009.

[9]范文， 余隋懷， 劉國昌， 等. 戰(zhàn)斗機座艙人機工效評價方法研究［J］. 計算機工程與應(yīng)用， 2014， 51（6）: 231–234.

［10］陳玉， 顏聲遠. 基于人機工程的船舶駕駛室設(shè)計評估［J］. 船舶工程， 2013， 35（1）: 85–88.

［11］王勝本， 趙黎明， 元繼學(xué). 模糊決策中常用的規(guī)范化方法［J］.天津大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版）， 2008， 10（4）: 294–297.

［12］李正， 茍秉宸， 楊延璞. 基于Fuzzy-EM的應(yīng)急通信車艙內(nèi)環(huán)境設(shè)計評價研究［J］. 制造業(yè)自動化， 2012， 34（11）: 75–78.

［13］HOLLNAGEL E. Cognitive reliability and error analysis method［M］. Oxford （UK）: Elsevier Science Ltd， 1998.

［14］FUJITA Y， HOLLNAGEL E. Failures without errors: quantification of context in HRA［J］. Reliability Engineering & System Safety， 2004， 83（2）: 145–151.

［15］廖斌， 楊琴， 魯茂， 等. 基于CREAM方法的人因失效概率預(yù)測模型研究［J］. 中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)， 2012， 8（7）: 46–50.

［16］周臨震， 李青祝， 秦珂. 基于UG NX系統(tǒng)的二次開發(fā)［M］. 鎮(zhèn)江: 江蘇大學(xué)出版社， 2012.

Research on the method of ergonomics evaluation in manned submersibles cockpit

CHEN Deng-kai1， WANG Yu-qian1， YE Cong2， HE Zai-ming2
（1. Shaanxi Engineering Laboratory for Industrial Design， Northwestern Polytechnical University， Xi'an 710072， China；2. China Ship Scientific Research Center， Wuxi 214082， China）

So as to improve the quality of the submersible cockpit design， and consider the influences of human psychological and physiological factors' change on people operating reliability in the special circumstances effectively. This article built an ergonomics evaluation system of cockpit based on human factors. Proposed the concept of work performance index and determined its way clearly， predicted the human factors failure probabilities caused by human unreliability according to CREAM， finally got the cockpit ergonomics evaluation value. Then developed a digital evaluation software and verified the validity of the method by evaluating a submersible cockpit.

submersible cockpit；ergonomics evaluation；work performance index；human factors failure probabilities

TP391

A

1672 – 7619（2016）04 – 0105 – 05

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2016.04.021

2015 – 12 – 14；

2016 – 01 – 06

國家863計劃資助項目（No.2014AA09A110）；高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計劃資助項目（No.B13044）

陳登凱（1975 – ），男，副教授，主要從事計算機輔助工業(yè)設(shè)計、產(chǎn)品語義、人機工效設(shè)計理論及方法研究等。