王川，冉令華，徐勝航

（1.海軍特色醫(yī)學(xué)中心，上海 200433；2.中國標(biāo)準(zhǔn)化研究院，北京 100191；3.海軍裝備部，北京 100089）

船舶顯控臺是一個(gè)應(yīng)用廣泛的航海基礎(chǔ)裝備，主要用于指揮控制信息系統(tǒng)，是與操作人員交互最多的裝備之一[1]。顯控臺的使用過程是一個(gè)典型的人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程過程，其中“人”是指操作人員，“機(jī)”是顯控臺本身，“環(huán)境”則包括顯控臺所處的艙室環(huán)境和船體的搖擺振動(dòng)環(huán)境。目前，船舶裝備逐漸從注重功能實(shí)現(xiàn)向注重“適人性”發(fā)展，對于船舶的操控臺設(shè)計(jì)來說，人員的操作空間與人機(jī)交互設(shè)計(jì)是達(dá)成“適人性”要求的重要手段。因此，為了提高船舶顯控臺的“適人性”水平與操作效率，需要充分考慮人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程中的影響因素，指導(dǎo)顯控臺的空間設(shè)計(jì)與人機(jī)交互設(shè)計(jì)。

技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是工程技術(shù)發(fā)展路徑上的重要里程碑，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是一項(xiàng)工程技術(shù)發(fā)展成熟的標(biāo)志，同時(shí)，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也能大大推動(dòng)該項(xiàng)工程技術(shù)的推廣應(yīng)用效率。文中首先分析了操作人員在使用船舶操控臺控制界面時(shí)的人機(jī)交互過程特點(diǎn)，以及影響人機(jī)交互的因素，然后梳理了現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，提出存在的不足，為船舶操控臺控制界面人機(jī)工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展提出建議。

1 控制臺操作人機(jī)交互過程分析

操作人員在使用船舶操控臺時(shí)，主要與操控臺的人機(jī)界面進(jìn)行交互。操作者從控制界面獲取必要的信息，分析后進(jìn)行決策，并執(zhí)行后續(xù)操作。操作人員的整個(gè)操作流程都可細(xì)分為一系列的決策判定過程，操作者從系統(tǒng)接收信息，分析后根據(jù)決策事項(xiàng)的類別，可以分為三類，分別為基于技能、規(guī)則和知識的決策過程[2]，如圖1所示?；诩寄芘c規(guī)則的決策過程可以通過學(xué)習(xí)和訓(xùn)練來使操作者熟練掌握，而基于知識的決策過程通常指操作者遇到異常情況時(shí)，需要根據(jù)自身掌握的知識和獲取的信息來綜合分析，并作出正確選擇。

圖1 操作臺人機(jī)交互過程Fig.1 Human-machine interaction process of the console

2 控制臺操作空間匹配性分析

為提高操控臺的“適人性”，操控臺控制界面的布局需符合操作者的物理測量數(shù)據(jù)，分析如下。

2.1 人的物理特性測量

人的物理特性是指人體作為運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)的尺寸特征，該項(xiàng)特征決定了人體操作設(shè)備時(shí)的活動(dòng)范圍，是設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)必要的參考依據(jù)。對人的物理特性的測量稱之為人體測量學(xué)，通過測量人體各部位的尺寸，并確定個(gè)體與群體之間在尺寸上的差別。對于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)來說，人體功能尺寸的測量尤為重要，因?yàn)檫@決定了人體的作業(yè)空間。如立姿雙手功能上舉高、立姿雙手左右平展寬、坐姿前臂手功能前伸長等。通過測量群體的人體物理特性，并選擇高百分位的人體尺寸參數(shù)，作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的約束，使得設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品適合大部分人使用。

2.2 船員人體測量數(shù)據(jù)

我國在1992年制定了GB/T 13547—1992《工作空間人體尺寸》[3]，適用于與人體尺寸相關(guān)的操作、維修等工作空間的設(shè)計(jì)和評價(jià)。在 2002年發(fā)布的GJB/Z 131—2002[4]中，給出了我國船員的人體測量數(shù)據(jù)，適用于顯控臺操作空間設(shè)計(jì)，該標(biāo)準(zhǔn)中的人體測量數(shù)據(jù)滿足著裝成年人群中人體尺寸的第五百分位（P5）至第九十五百分位（P95）的男性范圍。

男性船員人體主要測量數(shù)據(jù)見表1。其中原始數(shù)據(jù)是指標(biāo)準(zhǔn)測量過程中得到的裸體數(shù)據(jù)，即只穿內(nèi)衣、標(biāo)準(zhǔn)姿勢的尺寸；修正后數(shù)據(jù)是指在實(shí)際操作場景使用中的修正值，因?yàn)閷?shí)際使用中要穿衣、戴帽、穿鞋，需要增加服裝尺寸余量，而且姿勢不會像標(biāo)準(zhǔn)測量那么端正，所以有一定的姿勢修正量。

表1 男性船員人體主要測量數(shù)據(jù)Tab.1 Measured body data of male crew mm

3 國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

我國在（軍用/民用）船舶設(shè)備和系統(tǒng)的工效學(xué)方面已經(jīng)開展了一系列研究，也制定了一系列的標(biāo)準(zhǔn)，涉及船舶人-機(jī)和人-環(huán)等方面。在人機(jī)方面，GJB 300—1987[5]和GJB 301—1987[6]分別給出了飛機(jī)平視和下視顯示器字符的設(shè)計(jì)要求。GJB 878—1990J[7]給出了大屏幕顯示設(shè)備的通用規(guī)范。HB 20097—2012[8]介紹了航空裝備中視覺信息、聽覺信息和觸覺信息的人機(jī)工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。GJB 1060.1—1991[9]《艦船環(huán)境條件要求-機(jī)械環(huán)境》中給出了民用核動(dòng)力船舶的沖擊設(shè)計(jì)值，GJB 4000—2000[10]《艦船通用規(guī)范0組-艦船總體與管理》規(guī)定了艦船多自由度搖擺和傾斜的參數(shù)。在表2中，給出了與操控臺控制界面相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。

表2 船舶操控臺控制界面工效學(xué)設(shè)計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Standards for ergonomic design of control interface of ship console

GJB 2873—1997《軍事裝備和設(shè)施的人機(jī)工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》規(guī)定了軍用系統(tǒng)、子系統(tǒng)、裝備和設(shè)施的人機(jī)工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，適用于所有軍用系統(tǒng)、子系統(tǒng)、裝備和設(shè)施的設(shè)計(jì)[11]。GJB/Z 131—2002《軍事裝備和設(shè)施的人機(jī)工程設(shè)計(jì)手冊》是GJB 2873—1997的配套標(biāo)準(zhǔn)，是為了GJB 2873—1997在軍事裝備和設(shè)施研制中的貫徹和實(shí)施[12]。這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中，對于控制器及控制器布局的設(shè)計(jì)均有一些涉及。除了國軍標(biāo)中的人機(jī)工程通用標(biāo)準(zhǔn)外，我國在航天航空控制器工效學(xué)方面也制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。其中GJB 807A—2008《飛機(jī)儀表板布局通用要求》[13]、GJB 5918—2007《軍航座艙交通信息顯示及操作要求》[14]、HB 7289—1996《民用運(yùn)輸機(jī)座艙儀表、顯示器及有關(guān)控制器》[15]主要針對飛機(jī)飛行儀表的操作、發(fā)動(dòng)機(jī)儀表的布置、控制器的可靠性、防差錯(cuò)設(shè)計(jì)、航空裝備的控制器等方面提出了工效學(xué)設(shè)計(jì)要求。

從國外組織來看，國外涉及船舶駕駛室操控界面的標(biāo)準(zhǔn)主要包括：國際海事組織IMO于2000年制定的標(biāo)準(zhǔn)《船橋設(shè)備和布局的工效學(xué)指南》（MSC/Circ.982）[16]，內(nèi)容涉及船橋（包括駕駛室）布置、作業(yè)環(huán)境、工作站布置、報(bào)警、控制界面、信息顯示、交互控制等7個(gè)方面的駕駛室人機(jī)界面設(shè)計(jì)要求。國際海上人命安全公約 SOLAS于 2007年制定的標(biāo)準(zhǔn)《船橋設(shè)計(jì)、設(shè)備布局和程序》（SOLAS V/15）[17]，內(nèi)容涉及駕駛室功能設(shè)計(jì)、航海系統(tǒng)及設(shè)備設(shè)計(jì)、布置、船橋程序等，其顯著特點(diǎn)是對于駕駛室團(tuán)隊(duì)管理作出相關(guān)要求，包括船橋程序、船員培訓(xùn)等。

從各個(gè)國家來看，美、英等西方國家在軍事系統(tǒng)工效學(xué)方面的研究已具有較大的規(guī)模，也制定了一系列軍用標(biāo)準(zhǔn)。美國軍方軍事系統(tǒng)的人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則包括“人機(jī)工程系統(tǒng)的分析數(shù)據(jù)”（MIL.H.sl444）[118]，“軍事系統(tǒng)人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則”（MIL.STD.1472F）[19]，以及 1999年修訂的“人機(jī)工程過程和程序標(biāo)準(zhǔn)”（MIL.STD.46855A）[20]。MIL-STD-1472的第一版發(fā)布于20世紀(jì)60年代（1968年），在第二次世界大戰(zhàn)期間，當(dāng)時(shí)各交戰(zhàn)國競相發(fā)展新的高性能武器裝備，但由于人機(jī)界面設(shè)計(jì)上的不合理，人難以掌握這些新性能的武器，導(dǎo)致發(fā)生了許許多多事故。因此，二次大戰(zhàn)結(jié)束后，首先美國陸航部隊(duì)（以后成為美國空軍）和美國海軍建立了工程心理學(xué)實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行了大量的控制器、顯示器等的人因素研究，獲得了大量的數(shù)據(jù)，并開始將這些研究成果匯編成手冊或制訂成各種有關(guān)人類工程學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范。MIL-STD-1472就是在這樣的時(shí)代背景下產(chǎn)生的。該標(biāo)準(zhǔn)是為軍用系統(tǒng)、子系統(tǒng)、設(shè)備和設(shè)施制定通用人類工程學(xué)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，由美國陸軍、海軍和空軍等多個(gè)單位評審，美國國防部批準(zhǔn)，并強(qiáng)制性要求美國國防部所有單位和機(jī)構(gòu)使用，具有較廣泛的影響。該標(biāo)準(zhǔn)在控制-顯示綜合和控制器章節(jié)有針對控制器通用設(shè)計(jì)規(guī)則的闡述。

美國在船舶人機(jī)工程領(lǐng)域的投入力度也較大，不但開展了一系列的船舶人機(jī)工程專項(xiàng)試驗(yàn)，而且頒布了多項(xiàng)船舶人機(jī)工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和文件，主要側(cè)重于研究人機(jī)環(huán)境對船舶的戰(zhàn)斗力的影響。其中，ASTMF 1166—88海軍系統(tǒng)裝備和設(shè)施的人因素工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)通用型標(biāo)準(zhǔn)，涵蓋了控制、顯示和告警、樓梯和臺階、標(biāo)識和計(jì)算機(jī)、工作空間布局等海軍設(shè)計(jì)的所有元素[21]。

英國國防部于2005年組織建立的船舶SRDs系統(tǒng)，對船舶人機(jī)界面涉及的多方面問題進(jìn)行梳理和整合，將人機(jī)界面研究作為船舶系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，以提高人機(jī)界面設(shè)計(jì)在船舶項(xiàng)目中的優(yōu)先級別。英國國防部2009年的MARS項(xiàng)目計(jì)劃，將早期人機(jī)界面設(shè)計(jì)干預(yù)納入到艦艇設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，并委任專業(yè)公司進(jìn)行艦艇人機(jī)界面設(shè)計(jì)評估，并編制了評估報(bào)告。

4 標(biāo)準(zhǔn)研制建議

船舶人機(jī)系統(tǒng)是由船員、船員裝備和船員環(huán)境組成的人-機(jī)-環(huán)系統(tǒng)，船舶人機(jī)工程強(qiáng)調(diào)設(shè)備、環(huán)境如何更好地適應(yīng)于人。作業(yè)人員通過操控臺對全船的指揮系統(tǒng)進(jìn)行操作和控制。加強(qiáng)船舶人機(jī)工程研究，通過制訂相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)落實(shí)人機(jī)工程設(shè)計(jì)的原則和要求，可有效提高我國船舶設(shè)計(jì)的安全性和高效性。

針對當(dāng)前缺失船舶操控臺控制界面人機(jī)工程相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的情況，在深入分析船舶操控臺控制界面人機(jī)交互特性，借鑒國內(nèi)外航空航天、核電站等領(lǐng)域相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，提出了船舶操控臺控制界面人機(jī)工程標(biāo)準(zhǔn)框架初步建議。船舶操控臺控制界面人機(jī)工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容包括船舶控制界面布局的基本原則、船舶控制界面功能分組、控制界面上各裝置與操縱員特征耦合、船舶控制界面的一致性和對應(yīng)關(guān)系以及船舶控制界面其他考慮因素等。

5 結(jié)語

文中系統(tǒng)分析了當(dāng)前船舶操控臺控制界面相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的國內(nèi)外現(xiàn)狀，提出了研制船舶操控臺控制界面標(biāo)準(zhǔn)的必要性，并給出了初步的標(biāo)準(zhǔn)框架，可為船舶操控臺控制界面的設(shè)計(jì)和優(yōu)化改進(jìn)提供依據(jù)。根據(jù)船舶操控臺控制界面人機(jī)工程標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其界面會更為合理，更加適合操縱人員的生理心理機(jī)能，從而會大大減輕船舶作業(yè)人員的作業(yè)負(fù)荷，提高操作效率，降低失誤率，充分發(fā)揮裝備的綜合效能。