李洋洋，葉聰，徐偉哲，石路*

0 引言

深海載人潛水器被稱為“海洋學(xué)研究領(lǐng)域的重要基石”，可運載科學(xué)家、工程技術(shù)人員和各種裝置、特種設(shè)備，快速、精確、持續(xù)往返到達多種深海復(fù)雜環(huán)境，進行高效勘探、科學(xué)考察和特種作業(yè)[1-2]。近20 年來，在加快建設(shè)海洋強國和實施深海發(fā)展戰(zhàn)略的部署下，以“蛟龍”號、“深海勇士”號和“奮斗者”號3 臺深海載人潛水器研發(fā)為契機，中國載人深潛取得了跨越式發(fā)展[3]2。以全海深載人潛水器為代表的深淵載人技術(shù)是當前國際海洋工程技術(shù)競爭的熱點。2020 年11 月10 日，“奮斗者”號全海深載人潛水器下潛到馬里亞納海溝10,909m 海底，標志著中國具有了進入世界最深處開展科學(xué)探索和研究的能力，實現(xiàn)了我國在同類型載人深潛裝備方面的超越和引領(lǐng)[4-5]。全海深載人潛水器載人艙人—機—環(huán)境設(shè)計技術(shù)是潛水器整體系統(tǒng)設(shè)計的重要組成部分之一，它涉及到人機工程學(xué)、工業(yè)設(shè)計、測量學(xué)、心理學(xué)、行為學(xué)、材料學(xué)、噪聲學(xué)和色彩學(xué)等多種學(xué)科[6]。與“蛟龍”號和“深海勇士”號相比，“奮斗者”號全海深載人潛水器具有下潛深度更大、水下作業(yè)時間更長、艙室空間更小、作業(yè)負荷更大等特點。其載人艙的人—機—環(huán)設(shè)計面臨諸多挑戰(zhàn)，既有乘員人均空間有限、長時間保持不規(guī)則坐姿、信息繁雜、長時間精神緊張以及駕駛作業(yè)與科考任務(wù)兼顧等艙室內(nèi)部環(huán)境因素，也包括需要經(jīng)歷水面—深海—水面變化、面臨海風、海浪等不確定因素，光線、水溫、地形等變化，同時潛器還需承受1000 倍以上的大氣壓力。潛航員受載人艙內(nèi)外多重因素的影響極易產(chǎn)生生理疲勞和心理波動，影響單次深潛作業(yè)甚至整個大洋行次任務(wù)。因此，基于生理、心理及作業(yè)績效多參數(shù)耦合的載人艙人機環(huán)設(shè)計對提高潛航員操作性、舒適性及保障深潛作業(yè)安全性都至關(guān)重要。

1 方法

本研究采集了潛航員在潛水器載人艙狹小空間特定人機環(huán)狀態(tài)下的腦電、心電、連續(xù)血壓、腦血流、眼動等實時生理數(shù)據(jù)，結(jié)合狀態(tài)—焦慮量表、NASA-TLX 量表以及績效，探討了不同艙室布局條件下潛航員生理、心理參數(shù)及作業(yè)能力的變化（圖1-4）。

1 載人艙駕駛位環(huán)境評估

2 人機界面評估

3 控制面板評估

4 等比例主駕駛座椅

2 成果

研究團隊前期針對深海實潛作業(yè)中潛航員的心電、腦電、血壓數(shù)據(jù)[7-11]以及潛航員腦力負荷實時評估預(yù)警建模[12-14]開展了一系列研究，申請了“潛航員潛航作業(yè)腦力負荷監(jiān)測系統(tǒng)”發(fā)明專利（第4880784 號）[15]以及“深海載人潛水器模擬操作系統(tǒng)V1.0”計算機軟件著作權(quán)（軟著登字第4581067 號）[16]，取得了階段性成果。通過對生理、心理及作業(yè)績效等多參數(shù)的對比和相關(guān)性分析，研究團隊提出了全海深載人深潛器艙內(nèi)人機環(huán)設(shè)計方案和艙內(nèi)交互界面設(shè)計方案，創(chuàng)建了基于生理、心理與認知的艙內(nèi)人員效能評估體系，實現(xiàn)了載人潛水器艙室人機環(huán)設(shè)計與評價的標準化和規(guī)范化，加強了深海載人潛水器人機交互、安全事故（征候）人因機理與干預(yù)等關(guān)鍵技術(shù)研究應(yīng)用。同時，也針對載人潛水器載人艙狹小空間的艙內(nèi)環(huán)境布局、界面設(shè)計布局及主駕駛位座椅設(shè)計開展了系統(tǒng)性測評研究[17-18]。

上述一系列研究契合我國“十三五”規(guī)劃綱要提出的加強“深海、深地、深空、深藍”4 個領(lǐng)域的戰(zhàn)略部署，研究成果為載人潛水器艙室人機環(huán)設(shè)計和人員培訓(xùn)提供了一定的技術(shù)支撐。

3 結(jié)論

載人航空航天與載人深潛是我國“上天入海”的前沿技術(shù)研發(fā)重點布局。近年來，我國載人深潛技術(shù)突飛猛進，但在“潛航員”與“深海載人潛水器”的人機交互建模、仿真和績效評價等方面的研究還處于起步階段。載人深潛作業(yè)最關(guān)注的是增強作業(yè)能力、提高作業(yè)效率，同時兼顧操控性和舒適性，特色技術(shù)包括“快速潛浮及水動力綜合優(yōu)化”“狹小空間的人機工效及生命支持”等[3]4。美國在論證“新阿爾文”號的先進性時，提出了一系列載人潛水器先進性的衡量標準，其中包括“更好的艙內(nèi)人—機—環(huán)境設(shè)計”以及“更好的操縱性”[19]。載人艙人機工效設(shè)計是一個以人為中心的多需求、多學(xué)科綜合求解問題，以往的相關(guān)研究缺乏有效的綜合協(xié)同設(shè)計方法，設(shè)計后期的評價也缺乏定量化的評價指標。

深海載人潛水器載人艙布局設(shè)計各不相同，但重要的是應(yīng)與人因研究結(jié)果一致，即最大限度地滿足人的能力、操作性和空間限制間的最優(yōu)搭配。隨著以“奮斗者”號為代表的深淵裝備的常態(tài)化應(yīng)用，在全球范圍內(nèi)和尺度上系統(tǒng)開展深淵科學(xué)研究的時機已經(jīng)成熟。項目系列研究成果可為現(xiàn)有潛水器艙室人機交互設(shè)計的維護改造、新型潛水器艙室設(shè)計研發(fā)以及其他行業(yè)領(lǐng)域艙室人機交互設(shè)計測評提供參考，對保證潛器艙室質(zhì)量控制、降低深海裝備研發(fā)成本、縮短研制生產(chǎn)周期、提升設(shè)備兼容性以及充分發(fā)揮潛航員與潛器的整體效能具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值。□