某型导弹发射车射手位人-机-环境系统评价方法

杜青山,徐宏斌,李 辉,赵 昕

(中国兵器工业第203研究所,西安 710065)

某型导弹发射车射手位人-机-环境系统评价方法

杜青山,徐宏斌,李 辉,赵 昕

(中国兵器工业第203研究所,西安 710065)

文中以导弹发射车人-机-环境系统评价方法需求为牵引,针对导弹发射车人机结合紧密的特点,把人与导弹发射车作为一个整体加以综合分析和研究。运用模糊层次分析法完成对影响人机工效因素的指标权重计算,在此基础上对客观指标与主观指标分别通过试验数据、仿真数据、测量结果及专家评分的方法完成初始数据获取,结合白化权函数完成工效指标的评定,最终实现对导弹发射车射手位人-机-环境系统设计结果的科学评价。

导弹发射车;人-机-环境系统;指标权重;工效指数;评价方法

0 引言

导弹发射车具有无后方依托条件下独立持续作战的能力,主要用于执行快速决定意义等作战任务。作为发射导弹的载体,导弹发射车提高了导弹的机动性,增强了导弹的生存能力与部队机动能力[1]。合理的人机工程设计能够改善导弹发射车人机交互效率,提高人员操作可靠性,是战斗力的重要保障[2]。该系统内的“人”主要是指经过选拔、训练的合格乘员;“机”主要指驾驶室中人所控制的设备、装置等的总称;“环境”主要指驾驶室内部人、机共处的工作环境[3]。

目前国家军用标准中只对人-机-环境系统中的一些分要素制定了相关标准,如何利用这些已有标准对导弹发射车人-机-环境系统设计结果作出科学合理的评价仍处于探索阶段。现以某型导弹发射车某阶段样机为载体,结合人机工程学的相关知识与国家标准,完成对导弹发射车射手位的人-机-环境系统的设计评价。

1 理论基础

以往人-机-环境系统评价主要由相关专家(设计人员、一线官兵等)的主观感受及历史经验完成,缺乏科学性和规范性。文中以模糊层次分析法为基础,结合置信度排序法与白化权函数,对导弹发射车射手位的人-机-环境系统进行评价。模糊层次分析法是在传统层次分析法的基础上,考虑了人的经验与认知先验信息不确定性形成的一种方法[4]。文中采用基于模糊一致矩阵的模糊层次分析法来确定影响射手位人机工效的指标权重,结合对最底层指标进行的工效指数评定,最终实现对射手位的人-机-环境系统评价。

2 评价步骤

2.1 指标体系的建立

对该阶段样机的评价更关注人员在车内的乘坐舒适性、交互友好性并兼顾环境要素中的一些重要指标项(文中标号项),在此基础上,以射手为分析对象,建立可能影响其工效的层次分析模型见表1。

表1 射手位人-机-环境系统评价体系

2.2 模糊互补判断矩阵的获取

指标权重的获取依赖于模糊互补判断矩阵,而模糊互补判断矩阵的关键是矩阵中元素的标度方法。三角模糊数以(lmu)的表现形式兼备了区间数和模糊数的优点,其上界l与下界u体现了人思维的模糊性,中值m准确表达最可能的关系[5]。所以采用三角模糊数作为矩阵中元素的表现形式。

传统的标度方法为比例九标度构造统计权数,但存在文字含义与标度数值的差别并不特别匹配的缺点[6]。文中采用指数标度法,取极端大的标度值为9,则稍微大的标度值为91/9=1.276,以“稍微大”为基数,各重要性等级与“稍微大”之间的数量关系如表2所示。但由于一致性调整方法所用到的定理是以传统标度法为基础的,为保证获得的数据能更加真实地反映实际情况且采用科学的数据处理方法,先采取指数标度法得到初始数据,再利用标度换算与对应关系得到最终的三角模糊数。在填写三角模糊数时应先确定中值,再确定区间值。

表2 指数标度法中各等级的数量关系

例如,某专家认为该型装备发射装置与驾驶室相对独立,脉冲噪声对人员工效的影响明显大于有毒气体,则确定中值m为2.08,再结合自身感受,填写上界与下界,如(22.083),最终模糊互补矩阵的三角模糊数应为(0.260.30.31)。文中选取部分设计人员与一线官兵,在确认其掌握判断矩阵的构建方法后,根据表3提供的标度值构造判断矩阵。其中一位专家针对部分指标的矩阵信息见表4～表6。

表3 标度对比信息

表4 射手位人-机-环境系统比较判断矩阵

表5 人-机环境各指标比较判断矩阵

表6 座椅各指标比较判断矩阵

2.3 指标权重系数的计算

对每一个三角模糊数,都有一个模糊评判区间eij=uij-lij,该区间反映了专家评判结果的可信度,类似于数理统计中的“置信区间”[7]。通过可信度的引入,将专家判断的“不确定性”自然的引入到了模糊互补判断矩阵中。采用置信度排序法计算同层指标相对权重的具体做法如下:

step 1:构造模糊互补判断矩阵R=(rij)n×n,其中rij=(lij,mij,uij)。

step 2:计算概率矩阵B=(bij)n×n,

step 3:计算专家模糊判断矩阵S。

S=

step 4:计算调整判断矩阵T:T=B·S,其中点乘为矩阵中对应元素相乘,即T=(bij·sij)n×n。

step 6:对矩阵A进行一致性检验,若不满足,按照文献[8]所述方法进行一致性调整。

(1)

得到现阶段所关注的D列因素指标权重为(0.008 0.008 0.009 0.009 0.009 0.009 0.018 0.016 0.017 0.025 0.012 0.016 0.041 0.031 0.044 0.063 0.011 0.0113 0.0112 0.011 0.011 0.013 0.032 0.049 0.173 0.055 0.048 0.0123 0.012 0.0115 0.1067 0.0996)。

2.4 工效指数的确定

文中将第四级指标的工效指数评定分为两大类,即主观指标与客观指标。对于客观指标,依据相关国家军用标准,通过试验、计算机仿真和实际测量获取原始数据,利用白化权函数完成工效指数的评定[9]。对于主观指标,采用专家打分法对工效指标进行群组评估结果作为该指标评价结果。

2.4.1 通过试验获取原始数据

GJB5834—2006装甲车辆舱室内有毒气体浓度限值内主要包括一氧化碳、二氧化硫、二氧化氮、硫化氢和氨气等的浓度限值。导弹发射车在发射导弹后的3 min内测量到驾驶室内有毒气体最高质量浓度见表7。

表7 射手位有害气体测试结果

通过试验结果发现,一氧化碳是装甲车辆舱室内最主要的有害气体,所以依据一氧化碳的隶属度函数对试验后的浓度进行评价,将其结果作为有毒气体的工效指数的评定结果。根据国军标中给出的乘载员血中碳氧血红蛋白含量预测公式计算出不同持续时间舱室内CO浓度限值,见表8。

表8 不同接触持续时间对应的舱室CO浓度限值

结合国军标中给出的8 h加权平均容许浓度限值20 mg/m3与表8中的相关数据,得到CO质量浓度的白化权函数,如图1。根据图1可知,该项指标工效指数为100。

图1 CO浓度对应的白化权函数

2.4.2 通过计算机仿真获取原始数据

导弹发射车在执行任务期间,驾驶室内存在较多的视觉信号输入,人员需据此作出判断才可采取特定的应对措施,保证操作的可靠性[10]。

DIAlux软件计算考虑了来自灯具、太阳光等的直接照射,以及光经过各表面反射后照射到计算面上的间接照射[11]。图2为模拟中午14:00的直接日光照射的情况下得到的伪色图;图3为模拟夜间(00:00)照明设备为红光的情况下得到的伪色图。

参照《装甲车辆人-机-环境系统总体设计要求》对密封舱室内有效完成各种任务的最低照度水平、照度均匀度的要求得到图4为昼间照度的白化权函数,上限值为参照《建筑照明设计标准》中主控制室的照度标准。分析知该项指标工效指数为100。

图2 自然光输入

图3 夜间红光输入

图4 昼间操作对应的照度白化权函数

最大照度/lx最低照度/lx平均值/lx最大照度最低照度统一眩光值仿真结果2191501821.46<10满足否满足满足满足满足满足

表10 夜间红光时射手位工作面的照明情况

2.4.3 通过实际测量获取原始数据

座面至座舱顶面距离关系到人员坐姿舒适性,针对此项指标,GJB2873—97军事装备和设施的人机工程设计准则中规定最小为1 070 mm,该标准为通用的军事装备标准,注意到附录中地面作战部队第95百分位人员坐高(挺直状态)为969 mm;参考GJB 1835—93装甲车人-机-环境系统系统总体设计要求附录A中第95百分位人员坐高948 mm,考虑我国青年人体尺寸发生较大的变化与装甲车辆操作人员的体型特点,选择坐高959 mm为参考值。根据文献[2]所述,军人穿着厚军装时坐高的修正量为41 mm,所以认为坐面至座舱顶面为1 000时可以满足使用要求。经实际测量得到此项数据为990 mm,所以认为此项指标的工效指数为54.3。

2.4.4 通过专家打分获取原始数据

一致性好的界面可以将用户以前的操作经验延伸到新的操作任务中,更好的完成操作任务的同时也降低了记忆负担。通常表现在风格和操作等方面。风格方面包括色彩搭配、图标与符号等;操作方面主要为符合已经形成的使用习惯。

图5 座面至座舱顶面距离的白化权函数

对于该类主观因素指标采用主观评价法来完成工效指数的确定。文中采用绝对的评价方式,根据参评专家的使用经验,按照预定的评价标准去评估该要素的工效值,处理后作为该要素的评价结果,计算公式如式(3),工效指数参考值见表11。

(3)

式中:K为专家评定的工效指数;ni和Ji分别表示有ni个人给出的工效指数为Ji。最终得到工效指数为82.83。

表11 界面一致性工效指数参考值

2.5 人-机-环境系统设计结果评价

根据指标属性选择上述四种方法中的一种,利用对应的白化权函数完成所有底层指标工效指数的评定。结合指标权重的计算结果,某型导弹发射车射手位人-机-环境系统的设计结果评价为86.722 6。

3 总结

1)按照文中提出的指标权重计算方法,可以更加真实地反映出专家的观点,为人-机-环境系统设计优化提供理论支持。

2)通过对导弹发射车射手位人-机-环境系统的设计评价,客观地反映出了哪些因素对人员工效的影响更大,应首先保障哪些指标的工效指数以及哪些方面还存在不足。

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The Evaluation Method of Man-machine-environment System Evaluation Method of the Gunner Based on a Certain Type of Missile Launch Vehicle

DU Qingshan,XU Hongbin,LI Hui,ZHAO Xin

(No.203 Research Institute of China Ordnance Industries, Xi’an 710065, China)

This paper took the requirements of the man-machine-environment system evaluation method of missile launch vehicle as the traction, aiming at the characteristics of man-machine close combination, then treat man and missile launch vehicle as a whole system to comprehensively analyze and study. Using the fuzzy analytic hierarchy process to calculate the index weight, which influence ergonomic factors, on this basis, the initial data of objective data and subjective indexes were obtained by test data, simulation data, measurement results and expert scoring method, combining with whitening weight function to complete the evaluation of the ergonomics index, finally the scientific evaluation of the man-machine-environment system design results of missile launch vehicle was realized.

missile launch vehicle；man-machine-environment system；index weight; ergonomics index；evaluation method

2016-11-04

杜青山(1990-),男,陕西西安人,助理工程师,硕士研究生,研究方向:人-机-环境工程。

TB47

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