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        無人機(jī)地面控制站人機(jī)工效靜態(tài)評(píng)估

        2022-05-26 01:56:28熊端琴劉慶峰王嫣嫣戈含笑白玉林榕杜健劉娟賀青郭小朝
        人類工效學(xué) 2022年2期
        關(guān)鍵詞:腳蹬操縱桿眼位

        熊端琴,劉慶峰,王嫣嫣,戈含笑,白玉,林榕,杜健,劉娟,賀青,郭小朝

        (空軍軍醫(yī)大學(xué)空軍特色醫(yī)學(xué)中心,北京 100142)

        1 引言

        20世紀(jì)90年代開始,無人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle UAV)進(jìn)入了快速發(fā)展階段[1],美國開發(fā)使用了“捕食者”以及海軍通用無人機(jī)等地面控制站[2-3],我國也先后研發(fā)了多款無人機(jī)地面控制站[4]。作為無人機(jī)系統(tǒng)重要組成部分的地面控制站,專門用于對(duì)無人機(jī)進(jìn)行地面控制與管理,是操作員操控?zé)o人機(jī)完成各項(xiàng)任務(wù)的重要場所。其人機(jī)工效設(shè)計(jì)合理與否,直接影響到操作員對(duì)無人機(jī)的控制效率,進(jìn)而影響整個(gè)無人機(jī)系統(tǒng)的任務(wù)效能[5]。合理的無人機(jī)地面控制站設(shè)計(jì)能夠使操作員更好地對(duì)無人機(jī)進(jìn)行控制與監(jiān)視,完成任務(wù)載荷、規(guī)劃任務(wù)航路及通信設(shè)備等工作[6]。地面控制站的作業(yè)環(huán)境和操作席位是無人機(jī)地面控制站人機(jī)工效設(shè)計(jì)的重要部分,需要考慮操作席位的外形尺寸是否能保證人體具有良好舒適的作業(yè)姿勢[7];操縱機(jī)構(gòu)是否符合人體尺寸要求和肢體用力范圍、是否滿足人手操作的舒適性[8];方艙布局和位置設(shè)計(jì)是否考慮了操作員視角、視距的合理性[9]等。

        本次評(píng)估主要針對(duì)某無人機(jī)地面控制站的空間布局、席位布置、操縱裝置和腳蹬等靜態(tài)設(shè)計(jì)狀態(tài),目的在于考察無人機(jī)地面控制站人機(jī)工效靜態(tài)設(shè)計(jì)的合理性,提出主要設(shè)計(jì)點(diǎn)的調(diào)整改進(jìn)量及意見建議,為地面控制站的人機(jī)工效優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

        2 對(duì)象與方法

        2.1 對(duì)象

        為保證評(píng)估操作員身材的代表性,按照身材大小選取有操作經(jīng)驗(yàn)的男性無人機(jī)操作員14人參加評(píng)估實(shí)驗(yàn),年齡26-58歲。操作員分為3組:小身材組即第5百分位操作員4人,中等身材組即第50百分位操作員9人,大身材組即第95百分位操作員1人。

        2.2 方法

        三維坐標(biāo)測量機(jī)(含測量軟件、計(jì)算機(jī)):用于測量操作員眼位,操縱桿、油門臺(tái)和腳蹬的可達(dá)性指標(biāo)。

        操作員主觀評(píng)估記錄表:用于記錄操作員對(duì)于控制站方艙環(huán)境的主觀感受、改進(jìn)意見與建議。針對(duì)各項(xiàng)評(píng)估內(nèi)容,采用Q-Q 測試法(Qualitative and Quantitative test)[10-11],操作員主觀感受設(shè)置為3個(gè)評(píng)估等級(jí):①不接受,②勉強(qiáng)接受,③接受。

        2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

        評(píng)估實(shí)驗(yàn)前,首先依據(jù)地面控制站的人機(jī)工效靜態(tài)設(shè)計(jì)狀態(tài),制定評(píng)估方案,內(nèi)容包括評(píng)估目的、設(shè)備狀態(tài)、評(píng)估內(nèi)容、評(píng)估指標(biāo)、評(píng)估方法、評(píng)估人員、評(píng)估條件與環(huán)境、實(shí)驗(yàn)步驟、數(shù)據(jù)處理等。待評(píng)估方案評(píng)審確認(rèn)后,作為評(píng)估實(shí)驗(yàn)的直接依據(jù)。

        其次對(duì)參試操作員進(jìn)行崗前培訓(xùn),內(nèi)容主要為:(1)評(píng)估的目的和意義;(2)評(píng)估的內(nèi)容和方法;(3)評(píng)估對(duì)象的技術(shù)狀態(tài);(4)評(píng)估的注意事項(xiàng)和相關(guān)要求。操作員按分組順序?qū)υu(píng)估內(nèi)容逐項(xiàng)進(jìn)行現(xiàn)場評(píng)估。

        第三,開展現(xiàn)場實(shí)驗(yàn),采取客觀和主觀相結(jié)合的方法對(duì)地面控制站進(jìn)行人機(jī)工效靜態(tài)評(píng)估。客觀評(píng)估以三維坐標(biāo)測量機(jī)作為測試設(shè)備,針對(duì)操作員眼位和操縱桿、油門臺(tái)和腳蹬的可達(dá)性指標(biāo),對(duì)操作員理想工作坐姿眼位、雙手握桿操作坐姿眼位、飛行操縱桿中間位置、油門臺(tái)固定位置、腳蹬固定位置的三維數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行測量,分別獲得各個(gè)測點(diǎn)的三維坐標(biāo)值(x、y、z),其中x為空間直角坐標(biāo)系(O-xyz)中橫軸方向?qū)?yīng)數(shù)值、y為縱軸方向?qū)?yīng)數(shù)值、z為豎軸方向?qū)?yīng)數(shù)值,將其與設(shè)計(jì)值進(jìn)行差值計(jì)算,獲得各測試點(diǎn)實(shí)際測值與設(shè)計(jì)值之間的平均差值(Δx、Δy、Δz),作為各設(shè)計(jì)點(diǎn)相應(yīng)改進(jìn)量的數(shù)據(jù)依據(jù);主觀評(píng)估則針對(duì)所要評(píng)估的項(xiàng)目內(nèi)容,請(qǐng)操作員對(duì)其人機(jī)工效設(shè)計(jì)合理性進(jìn)行評(píng)定并提出自己的改進(jìn)意見和建議。評(píng)估內(nèi)容包括:方艙布局中的席位布局和進(jìn)出通道,操作員席位中的臺(tái)架尺寸、臺(tái)架顏色、座椅、主顯示器、輔助顯示器、操縱桿、油門臺(tái)、腳蹬、鍵盤鼠標(biāo)和硬按鍵。

        2.4 數(shù)據(jù)處理

        采用SPSS 16.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,分組統(tǒng)計(jì)第5百分位、第50百分位、第95百分位三個(gè)樣本組的實(shí)測值與設(shè)計(jì)初值(x0艙,y0艙,z0艙)之間的平均差值;對(duì)主觀評(píng)估記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、歸類整理和分析。

        3 結(jié)果

        通過客觀評(píng)估,獲得了56個(gè)三維數(shù)據(jù)點(diǎn)共計(jì)168個(gè)客觀數(shù)據(jù),分別計(jì)算第5、第50和第95百分位操作員的理想工作坐姿眼位、雙手握桿操作坐姿眼位、飛行操縱桿中間位置、油門臺(tái)固定位置、腳蹬固定位置的實(shí)測數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)值之間的平均差值,推算出了地面控制站方艙設(shè)計(jì)眼位高度下調(diào)量、飛行操縱桿前后調(diào)節(jié)量和高度下調(diào)量、腳蹬前后調(diào)節(jié)量等量化指標(biāo)(結(jié)果見表1)。

        表1 無人機(jī)地面控制站工效學(xué)指標(biāo)實(shí)測值與設(shè)計(jì)值之間的平均差值 (單位:mm)

        通過對(duì)操作員主觀評(píng)估記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總處理,分別得到了各項(xiàng)評(píng)估內(nèi)容不同接受度的操作員人數(shù)和419條意見建議(見表2),通過評(píng)估組、工效專家和專業(yè)設(shè)計(jì)人員共同合議,形成共識(shí)性意見37條,其中18項(xiàng)內(nèi)容必須改進(jìn),19項(xiàng)內(nèi)容視情改進(jìn)。必須改進(jìn)的主要是設(shè)計(jì)眼位、飛行操縱桿安裝高度、飛行操縱桿啟動(dòng)力和桿力、腳蹬安裝位置(可調(diào)性)、腳蹬踏板安裝角度、腳蹬行程、鍵盤鼠標(biāo)設(shè)計(jì)、座椅設(shè)計(jì)等方面;視情改進(jìn)的主要是主屏邊框、輔屏安裝角度、輔屏敏感性、硬按鍵顏色和防護(hù)設(shè)計(jì)、座椅寬度、飛行操縱桿握徑和桿頭、飛行操縱桿按鍵設(shè)計(jì)、油門臺(tái)手柄尺寸、油門臺(tái)檔位設(shè)計(jì)、油門臺(tái)阻尼和摩擦阻力、油門臺(tái)按鍵和防護(hù)設(shè)計(jì)等方面。

        表2 無人機(jī)地面控制站操作員主觀評(píng)估結(jié)果(示例)

        4 討論

        設(shè)計(jì)眼位是地面控制站整個(gè)方艙席位的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)位,其設(shè)計(jì)合理與否,直接影響操作員的信息觀察和操作效率[12]。實(shí)際評(píng)估中經(jīng)由設(shè)計(jì)方確認(rèn),理想工作坐姿眼位和握桿操作坐姿眼位均沒有Y軸方向的設(shè)計(jì)值,故表1中這兩個(gè)指標(biāo)的平均差值Δy均為“無”。將實(shí)測結(jié)果與設(shè)計(jì)值比較,需將設(shè)計(jì)眼位的高度再下降(Δz)63 mm-87 mm,才能滿足95%以上操作員理想工作坐姿條件下的眼位要求。設(shè)計(jì)眼位作為整個(gè)方艙席位的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)位,建議設(shè)計(jì)上增加Y軸的設(shè)計(jì)值。

        關(guān)于飛行操縱桿前后調(diào)節(jié)量:由于飛行操縱桿在設(shè)計(jì)初始位置能夠向后調(diào)節(jié)(-Y方向)150 mm,在進(jìn)行迭代改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)以滿足95%操作員使用為宜,取Δy差值的第95百分位值,飛行操縱桿的可調(diào)節(jié)范圍應(yīng)該加大至(Δy)203 mm。由于飛行操縱桿的理想位置均比初始位置靠后,最小距離為55 mm,因此也可考慮將初始位置向后移,而不加大調(diào)節(jié)量;關(guān)于飛行操縱桿安裝高度:經(jīng)三維坐標(biāo)測試,測出操作員認(rèn)為飛行操縱桿的理想高度位置(Δz),計(jì)算出飛行操縱桿理想安裝高度應(yīng)再降低41 mm-52 mm。

        對(duì)于油門臺(tái)設(shè)計(jì),僅有1名操作員對(duì)油門臺(tái)安裝位置和調(diào)節(jié)量提出了意見,可考慮保持原設(shè)計(jì)。但由于上述飛行操縱桿位置必須進(jìn)行調(diào)整,因此必須考慮油門臺(tái)和飛行操縱桿二者位置的協(xié)調(diào)性。

        關(guān)于腳蹬設(shè)計(jì),小身材、中等身材組所有參試操作員對(duì)腳蹬的安裝位置和調(diào)節(jié)量都提出了意見,只有大身材組未提意見,因此建議腳蹬可保持現(xiàn)有安裝位置,向后可調(diào)節(jié)。如果調(diào)整現(xiàn)有安裝位置,則應(yīng)保證調(diào)節(jié)能覆蓋現(xiàn)有安裝位置到(Δy)209 mm的范圍。

        在主觀評(píng)估方面,獲得各參試操作員的評(píng)估意見和改進(jìn)建議后,首先分別由小身材組、中等身材組和大身材組進(jìn)行了小組合議,對(duì)各人的意見進(jìn)行充分討論,形成小組意見提交評(píng)估大會(huì);評(píng)估大會(huì)再針對(duì)各小組提交的意見,集合評(píng)估組、工效專家和專業(yè)設(shè)計(jì)人員共同合議,對(duì)各組的意見及重點(diǎn)問題進(jìn)行重點(diǎn)討論,最終形成了37條共識(shí)性意見,這些意見再反饋進(jìn)入到控制站的人機(jī)工效優(yōu)化設(shè)計(jì)過程。

        5 結(jié)論

        本研究針對(duì)某無人機(jī)地面控制站的方艙布局、席位設(shè)置、桿舵設(shè)計(jì)和座椅設(shè)計(jì)等,對(duì)其人機(jī)工效設(shè)計(jì)合理性開展了靜態(tài)實(shí)驗(yàn)評(píng)估。通過客觀測試,獲得了第5、第50和第95百分位操作員共5個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)的實(shí)測值與設(shè)計(jì)值之間的平均差值,推算出了地面控制站方艙設(shè)計(jì)眼位高度下調(diào)量、飛行操縱桿前后和高度下調(diào)量、腳蹬前后調(diào)節(jié)量等量化指標(biāo)數(shù)據(jù);主觀評(píng)估獲得了操作員對(duì)于各項(xiàng)設(shè)計(jì)內(nèi)容的改進(jìn)意見和建議,18項(xiàng)內(nèi)容必須改進(jìn),19項(xiàng)內(nèi)容視情改進(jìn)。評(píng)估結(jié)果反饋進(jìn)入到設(shè)計(jì)過程,為無人機(jī)地面控制站的人機(jī)工效優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。

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