发射装置控制台人机工程设计＊

2013-11-23姬钟景

舰船电子工程 2013年9期

姬钟景卢辉

（海军驻昆明地区代表室昆明 650118）

1 引言

武器发射控制台是发射系统的控制核心。武器发射控制台与武器发射系统的机械和液压分系统、气动分系统等构成一套完整的机电一体化自动控制大型设备。武器发射系统通过控制台与作战系统以及其它设备进行各种指令信号的交互，完成各种管装武器的发射任务。随着国防技术的发展，武器发射控制台的功能也越来越复杂。

人机工程学是运用人体测量学、心理学、生理学、生物力学以及工程学学科的研究方法和手段，综合地进行人体结构、功能、心理以及力学等问题研究的学科，设计出使操作者能发挥最大效能的机械、仪器和控制装置，并研究控制台上各个仪表界面的最合适位置等。通过揭示人-机-环境之间相互关系的规律，以达到确保人、机、环境系统总体性能的最优化。人机工程学的应用越来越广泛，已普遍应用于民用领域，在军用设备领域相对比较落后，发展较为缓慢，在近几年开始引起关注。

控制台人机工程设计的基本要求为：人的舒适性（按人体尺寸设计）、显示装置的可见度（考虑视觉几何参数）、控制元件的易操作性（考虑人的手功能可及范围）人的动作特性。军用设备相对于民用设备良好的人机工程设计，有助于提高发射装置操作人员的工作效率和降低误操作的概率，进而提高作战效能，避免由于操作不当或者操作繁杂而延误战机。本文对控制台形式的选择，结构的设计，操作装置、显示模块安装等几个方面进行人机工程学分析、设计。以设计操作方便、使用高效的武器发射控制台。

2 武器发射控制台形式结构确定

2.1 武器发射控制台形式选择

控制台形式一般分为：桌式、直柜式、组合式。由于目前武器种类的增加以及系统自动化程度的提高，武器发射控制台的功能也变得复杂，集合到控制台中的各自电子设备相应增加。控制台主要由主控机系统、测控箱组成。主控机系统由军用加固计算机、军用加固显示器、可编程触摸屏、跟踪球、操作指示面板（含开关及指示灯）、接入组件、电源控制盒组件等组成。虽然结构比较复杂，但它除了布置显示装置和操纵装置外（键盘、鼠标、按钮等），还可以将其它的设备配置在下面的柜中。因此武器发射控制台基本组成有：显示设备、按钮面板、键盘和鼠标、机柜等。

图1 控制台形式

由于武器发射控制台的使用环境不像工业控制台，在形式设计和选择时会受到限制。特别由于舰艇中的空间有限，一般对控制台的外形尺寸有严格的限制，如标准控制台最大外形尺寸（宽×厚×高）：600mm×500mm×1600mm；操作方式为站式。本文以此基本要求为基础进行武器发射控制台的分析与设计。初始设计方案采用直柜式，可以选择的方案有抽拉式键盘和翻盖式键盘方案。具体形式方案如图1所示。

由图1可以看出，在抽拉式键盘的设计方案中，下面机柜的空间相对于翻盖式键盘设计方案较大，意味着可以布置更多的功能模块，像加固主机、测控箱等。而且由于各个功能模块布置在机柜中，减少外部安装功能模块，最终使武器发射控制台的功能更加多样化。因此在方案设计中考虑到功能模块的组装，及为了保证足够的内部空间进行内部线缆布置，选择抽拉式键盘的控制台方案。

2.2 武器发射控制台结构设计

控制台的设计，关键是控制器与显示器的布置必须位于作业者正常的作业范围内，保证作业者能很好地观看显示器，操作所有的控制按键。

1）显示屏安装位置及界面色彩选择

显示屏是用来显示各种信息的主要设备，显示屏的安装位置十分重要，如果安装位置不合理就可能会造成观察失误或者显示屏存在盲区，操作人员观察信息时十分不方便，延误操作时间或造成信息观察错误，带来严重的后果。在视野范围内，人眼对不同的角度情况下的各种颜色的敏感度也是不一样的，因此在设计显示屏显示界面的时候应根据人机工程学设计显示色彩。在人的头部不活动的情况下，人眼观察范围上90°、下60°、左右各95°。而人体观察视野最佳范围为上40°到下20°，左右各30°的区域，具体如图2所示。操作者水平视线以下10°～15°，这是操作者坐着或站着时的自然视线区域，显示器的中心应在这个区域内，界面色彩应以人眼最佳敏感色彩为主。

图2 人的视野特性与视野界限

2）操作装置的安装范围

操作装置主要包括键盘、鼠标、按钮以及接口等，它们是人机交互中人向机器发送命令的设备，应布置在人手最方便的操作区域内。根据人机工程学的原理，人手在不同的运动区域内运动速度是不同的，左右手运动最快区域如图3所示。

由图3可以看出在±30°～±60°区域内，人的出手速度最快、最方便，所以在控制台的设计中需要人手操作的设备安装在此范围区域内。根据多数人的使用习惯，外部接口安装范围一般是布置在发控台靠右地方。

图3 手部运动速度最快区域示意图

根据人机工程学原理，初步布置发射系统控制台的显示屏以及鼠标键盘的安装位置。其他的设备像军用加固计算机，电源控制模块、测控模块等设备放置到机柜中。

3 发射系统控制台主要尺寸的设计

根据总体使用环境的要求，武器发射控制台为站位操作，因此需要根据人站姿操作确定的主要尺寸有键盘高度，操作面板高度及显示屏高度。武器发射控制台形式选择的是直柜抽拉式键盘的方案，根据人体高度初步确定显示屏在控制台最上方，按钮面板一般放置在显示屏右侧或者下方。

3.1 键盘高度设计

键盘是武器发射控制台主要的操控装置，在操作控制台的过程中，会较多的使用键盘。站姿工作条件下，如果键盘的高度太低或者太高都会造成操作不便，降低工作效率。人机工程学要求工作平面设置在最佳的高度，设计人性化的工作平面。根据人机工程学统计数据，体力劳动适宜的站姿工作平面高度如表1所示，表中参考的人体模板高度为男1686mm，女1580mm。

表1 站姿体力劳动最佳工作平面高度（单位mm）

由于武器发射控制台的键盘操作属于较低强度工作，且武器发射控制台的操作人员以男兵为主，根据表1中的数据，键盘操作面高度应在950～1100mm 高度范围内。在设计中由于控制台高度已经固定，考虑到下方机柜的容量，以及上部操作面板和显示屏的布置，键盘操作面的设计高度为1015mm。

由于武器发射控制台的外形总体宽度已经固定为600mm，键盘为抽拉式，因此布置键盘和鼠标位置的宽度不能大于550mm。多数人用右手操作鼠标，鼠标布置在工作平面的右侧。在鼠标和键盘选型的时候应选择宽度较小的键盘和鼠标。

3.2 显示屏高度和角度

显示屏面的大小和位置是显示装置设计中的重要问题，因为它直接影响人的识别，不能忽视。为了保护人眼不受电子射线的伤害，从人体轴线到视屏中心的最大阅读距离为710mm 左右。在视距710mm 左右的情况下，屏幕面积较小时，外圈目标的辨别效率较高；而屏幕面积较大时，则内圈目标的辨别效率较高。在武器发射控制台工作时，考虑到显示器用于显示武器的操作信息和状态信息，功能较为复杂，太小无法在界面上清晰显示各种信息，因此一般选用17寸军用液晶加固显示屏。

显示屏的布置在控制台的最上端，显示屏中心点离地的高度为1380mm。而人眼的高度一般高于该高度，人体模板高度为男1686mm 时，人眼的统计高度为1576mm。军用液晶显示屏视角一般在170°左右。屏幕一般在与人眼垂直的情况下清晰度最高，观察最为舒适。因此显示屏应设计与垂直方向的角度。角度的确定主要是由视距即人眼与显示屏的距离L，人眼高度与显示屏高度的差h，来确定显示屏与的倾斜角度。角度β的大小与L、h的关系如图4所示。具体的计算方法如式（1）所示

根据式（1）可以计算出显示屏的倾角，计算得到角度β＝72.7°，考虑到安装与工艺问题，显示屏的倾角取75°。

图4 显示屏角度示意图

3.3 按钮面板设计

控制台的手动操纵装置一般分为三种类型：旋转式、移动式和按压式［3］，由于按压式操纵具有占地小，排列紧凑等特点，而且武器发射控制台操纵装置主要有两个工作位置：接通和断开，所以选择的操纵装置为按键形式。

武器发射控制台的按钮功能主要分为以下几个部分：电源开关按钮、主机开关按钮、发射按钮以及系统复位按钮。根据需要，电源类按钮可以是多个，用于控制不同的分系统。在这些按钮中发射按钮非常重要，是用于武器发射的功能按钮，按钮颜色应为醒目的红色，避免不需要发射时误发射或者在需要发射时无法及时完成操作。

4 安全性设计

安全性设计是武器发射控制台人机工程设计的一个重要方面，人机系统的安全性指能够排除构成系统的各要素导致灾害事故的潜在因素，保证系统全部处于正常状态下工作的性能。安全性能是其非常重要的一个指标［4］，直接影响着武器发射控制台的性能以及操作人员的人身安全，因此必须对控制台结构进行安全人机工程设计。

·导轨：由于部分上柜设备自身比较重，且考虑到要便于维修的问题，机柜为上柜设备的安装提供了能承受五十公斤以上重量的伸缩式三节导轨，该导轨可以防止设备自行滑落，既保证了设备不会掉下来砸伤操作者，又保证了当设备拉出后有足够的空间便于维修。

·安装底板：由于武器发射控制台安装内部设备模块后，整体比较重，为了避免发生倾倒之类的意外，在机柜底部设计了安装底板，用螺栓固定在船体地板上。

·减震器：由于工作环境特殊，颠簸厉害，为保护设备，在武器发射控制台底部和背部都安装了减震器，以减轻船体颠簸对设备的冲击。

·排风扇：由于发射装置控制台内安装的设备比较多，所以在武器发射控制台的背部安装了两台风扇，用于散热，改善设备工作环境，提高设备使用寿命。

5 色彩设计

根据人机工程学原理，人在长时间注视设备的时候，色彩会影响到人的情绪，较好的色彩设计能够减轻人们的心理压力。相反，不好的色彩设计会使人容易烦躁，因此武器发射控制台要有较好的外观色彩，避免战时给操作人员带来负面影响。色彩在产品造型效果中有先声夺人的艺术魅力，对人的生理和心理会产生重要影响。发射装置控制台为金属制造的产品，技术含量高，容易使操作者感觉缺乏人情味，从而增加心理压力。良好的色彩的设计能在很大程度上缓解这种压力。对于发射装置控制台来说，其色彩要给人以舒适、高雅、清新的感觉，让操作者在工作时心情愉快。不宜过分灰暗与单调，也不宜过分艳丽与凌乱，颜色搭配采用3～5种即可。一般采用大面积低纯度的色彩统一全局，体现结构的整体感，再采用装饰色带、面板色以及警惕色等与主体形成适当的对比效果，从而达到调和统一的目的。因此在本设计中，柜体选用给人以清新，舒适感觉的军绿灰色；所有上柜设备面板统一采用军绿灰色为主色调，可在显示屏、键盘等位置适当搭配其他颜色（如白色、黑色）；而对于电源指示灯选用比较醒目的红、绿、黄色；把手采用银色。这样的色彩搭配整体比较协调，可以降低操作者长时间面对的疲劳程度。