基于团队绩效的作战舱室工效评价模型

杨致怡，刘双，廖镇，樊垚

1中国船舶工业系统工程研究院信息系统所，北京100094

2中国船舶工业综合技术经济研究院舰船人因工程实验室，北京100081

基于团队绩效的作战舱室工效评价模型

杨致怡1，刘双2，廖镇2，樊垚1

1中国船舶工业系统工程研究院信息系统所，北京100094

2中国船舶工业综合技术经济研究院舰船人因工程实验室，北京100081

［目的］为了开展多任务作战舱室战位布置设计方案的工效评价研究，［方法］提出一种在设计阶段可实施的布置方案工效预测和评价方法，结合人的模糊认知特性以及多通道资源理论，考虑作战舱室战位间的沟通频率、距离、角度、战位对作战使用的重要隶属度等因素，从通道资源占用或付出努力对工作负荷的影响出发，对通过各因素进行归一化处理后，提出一种基于团队绩效的工效评价理论计算模型。通过开展仿真模拟的团队作业实验，测量团队任务完成时间及完成正确率等指标，并与模型计算的布置方案所支持的团队绩效理论值进行对比分析，［结果］试验结果验证了理论模型的有效性，并能够用于多种作战舱室战位布置设计方案的预测和工效评价。［结论］结果表明该模型可为作战舱室战位布置设计方案的工效评价、优选和优化设计提供一种新的方法与理论基础。

作战舱室；战位布置；工效评价；团队绩效

0 引言

随着现代战争作战任务越来越复杂，作战舱室中的功能战位也日益增多，而舱室有限的空间决定了系统操作人员与战位非常有限，所以舱室的各战位如何合理布置成为逐渐凸显的问题。研究表明，作战舱室中的战位布置方案越合理，越有利于提高作战人员之间的沟通效率以及各战位完成任务的有效性，并越有利于舱室团队作战绩效的发挥，从而提升系统作战效能［1-3］。

鉴于此，对于作战舱室多战位布置设计方案的评价和优选在作战舱室布置的设计过程中至关重要，而现阶段战位布置设计方案的评价和优选还缺少一套科学的方法和流程，特别是在方案设计初期，越早确定舱室战位优选的布置方案，越有利于后期工程实施，从而可减少工程研制后期出现不必要的颠覆性修改，降低全寿期研制费用，提高作战效能。

国内现阶段在舱室布置方面已经有一些涉及舱室战位布置的标准规范，如GJB 2873-97，DL/T 575.7-1999，GB/T 22188.3-2010 等［4-6］。 一方面，在舱室布置时要遵循标准规范和使用要求，在有效的空间内进行战位布置的准备工作，并考虑诸如面对面的交流和观察综合共享显示器等功能链接，将功能布置转换为可能的舱室布置设计，当确定舱室布置备选方案后，由操作人员根据操作规范及要求进行测试，通过反复测试确定舱室设备布置的最佳方案。另一方面，通过建立数学模型来求解最佳布置方案，目前已有研究团队提出了部分改进的遗传优化算法，但是约束条件比较单一，并没有考虑与任务相关的各战位的重要隶属度、使用频率等因素，因此不适用于作战舱室战位布置的评价［7-9］。

本文针对目前多任务作战舱室战位布置方案的评价和优选，拟提出一种在布置方案设计阶段可实施的基于团队作战绩效的工效评价方法，以避免布置工作开展之后的方案调整或返工，为优选和评价作战舱室的战位布置提供理论依据，从而为作战指挥系统作战性能的提升和方案的研制提供一定的基础支撑。

1 舱室布置工效评价方法建模

舱室布置方案工效评价方法建模主要流程如图1所示。

图1 布置方案工效评价方法建模过程示意图Fig.1 Main process of modeling ergonomic evaluation

具体过程如下：首先，假定现有指挥室的战位布置方案数量为M，且M≥2，各方案分别为F1，F2，…，Fm，…，FM，对其进行工效评价和优劣排序。针对任一组方案Fm，假定作战舱室中的战位数为n个，选定舱室原点坐标（0，0），各战位的位置坐标(x，y)按照该点到原点的距离（单位：m）确定，则每个战位的位置及坐标分别为：1(x1，y1)，2(x2，y2)，…，i(xi，yi)，…，n(xn，yn)；共享大屏幕的两侧位置分别为s1(xs1，ys1)，s2(xs2，ys2)，共享大屏幕的中心点位置为s0(xs0，ys0)。

战位i与战位j间的沟通努力程度由努力距离L及努力角度θ组成。沟通努力距离表示2个战位沟通时因距离付出的努力，沟通努力角度表示2个战位沟通时因角度付出的努力。沟通努力程度越大，引起战位间沟通的工作负荷可能性就越高，因而不利于快速、正确地完成团队作战任务。假设如下：

1）设Lij表示战位i向战位j的沟通努力距离，Lji表示战位j向战位i的沟通努力距离，则2个战位间的努力距离为

2）设ϕi表示战位i的自身方位向量，ϕj表示战位j的自身方位向量，战位（i和j）的自身方位向量表示该战位人员正面朝向的单位向量；ij为战位i与战位j的沟通向量，即战位i与战位j沟通时正面朝向的单位向量；ji为战位j与战位i的沟通向量，即战位j与战位i沟通时正面朝向的单位向量。由此，战位i向战位j沟通需要转动的努力角度cosθi和战位j向战位i沟通需要转动的努力角度cosθj可分别表示如下：

故同一个沟通行为发生时，2个战位同时需要付出的努力角度θij，即战位i与战位j的沟通努力角度为

3）设战位i对于共享大屏幕s的需求程度为Ris，与其战位的任务特点和角色分工相关。战位i对共享大屏幕中心位置s0(xs0，ys0)的观察努力距离为Lis0，观察需要转动的努力角度为θis0；共享显示大屏幕的反方向为自身的方向向量，为δ=(0，1)；战位i操作人员正面朝向的方向向量为ϕi，当战位面向大屏幕时则ϕi=(0，1)，当背向大屏时则为ϕi=(0，-1)，其中战位i与共享大屏幕中心s0之间的观察努力距离可表示为

其中，战位i与共享大屏幕中心位置s0(xs0，ys0)的观察努力角度，可通过该战位自身方向向量ϕi与大屏幕中心之间的向量is0表示为

对于共享大屏幕，并不是所有战位都需要，有一些对大屏幕需求较低的战位可以允许其对共享大屏幕的努力程度较大，而对于共享大屏幕有较高需求的战位，即需要频繁观察大屏幕的战位，应该优先确保该战位付出的努力程度较低。

4）设战位i对共享大屏幕的视野范围角度为Ei，可通过该战位i与大屏幕两侧s1，s2的向量is1，is2计算：

其中，大屏幕对战位i作战绩效所做的贡献与观察的努力程度相关，即努力程度Lisθis越小越有利于该战位缩短完成任务的时间、提高正确率、减少工作负荷。另外，单位需求量内可获得的视野范围Ei/Ris越高，越有利于该战位作战绩效的提高，减少工作负荷。

作战任务中，随着战时任务的变化，具体到单次任务下各战位间的沟通频率（Cij或Cji，即单位时间内2个战位i，j之间的沟通次数）、战位对于作战使用的重要隶属度（u1，u2，…，un）及作战使用频率（ε1，ε2，…，εn）等因素也会随之变化，但考虑到舱室战位布置不便于根据战时情况进行柔性变化和动态调整，因此，从较长时间段内、多任务综合的宏观统计情况考虑，认为上述因素在同一个作战舱室内处于稳定状态。

对于不同作战舱室，各战位间的沟通频率有所区别，但对于某一特定型号的作战舱室，各战位间的沟通频率是固定的。计算战位间的沟通频率时,有Cij=Cji，而各战位对于作战使用的重要隶属度、作战使用频率是有区别的，但对于某一特定型号的作战舱室，各战位在该型号作战舱室使用中则是固定的。对于越重要的战位，提高战位的任务完成时间、正确率越有利。对于使用频率越高的战位，工作负荷越低越有利。由于每个战位对其他战位情报来源的重要价值存在一定的模糊性，采用∂ij表示战位i对战位j情报价值潜在认知状态的概率，定义模糊熵hij为战位i对某一战位j情报的重要价值的模糊认知心理活动，相关定义如下［10-11］。

模糊熵：

潜在认知状态概率：

战位i对战位j情报价值的平均认知程度：

由于各战位的平均作战绩效ηi与该战位自身作战使用频率εi、其他各战位间的沟通频率Cij、对其他战位活动的情报价值的平均认知程度Vij以及单位需求量的视野范围EiRis-1正相关，而与各战位的沟通努力距离Lij、沟通努力角度θij以及共享大屏幕观察努力距离和观察努力角度负相关，因此，综合考虑上述各个因素对多战位团队协作的任务完成时间、完成正确率及工作负荷等方面的影响后，将平均作战绩效ηi表示为

故Fm方案所支持的作战舱室平均团队作战绩效可由舱室实际可能达到的团队作战绩效PActual与舱室最优状态可能实现的团队作战绩效POptimal的比值来表示。其中，团队作战绩效PActual由各战位的平均作战绩效ηi及其在团队中的重要隶属度ui来表示［12-13］：

综上所述，式（1）～式（9）综合考虑战位间沟通努力距离、沟通努力角度、大屏幕视野范围、沟通频率及信息传输的模糊认知状态等多个设计因素，构建基于舱室团队绩效的战位布置工效评价模型，可用于在方案设计阶段对不同战位布置方案所支持的团队绩效水平进行评价，减少实船建造完成后对评价带来的不易修改的现象。通常实船建成后，可通过团队任务完成时间、完成正确率和工作负荷等指标来衡量。

2 实验方法

2.1 实验装置

实验在安静的专业仿真实验室进行，实验室的环境光照、噪声水平、屏幕亮度等保持恒定。使用计算机控制实验刺激呈现并记录被试反应，共享显示器为投影显示器（2.4 m×1.8 m，分辨率1 024×768）。个人显示屏为笔记本电脑（14 in屏幕，分辨率1 366×768）。个人笔记本电脑与大屏显示器电脑通过局域网连接。自编程序控制每次实验任务呈现给个人笔记本电脑和共享大屏显示器的显示内容。

2.2 实验设计

实验采用单因素（战位布置设计方案A和方案B）完全被试内设计（within subject design），2种战位布置方案如图2所示。图中：原点表示舱室坐标（0，0）；1，2，3，4，5，6表示6个战位位置；（x，y）表示各战位在舱室中的位置坐标；δ表示共享显示大屏幕的方向向量；ϕ表示各战位的方向向量。

图2 战位布置方案A与方案BFig.2 Layout scheme A and B of action station

2.3 实验材料及任务

为模拟舱室内实际任务情境，实验中，被试共享1个显示大屏幕。被试的个人显示屏及共享大屏的显示界面如图3所示。其中，每名被试需要同时完成2项任务：一项任务为各被试独立任务，即通过试卷形式完成3位数的加法，作为辅任务；另一项主任务为团队决策任务，即完成对舰艇危险等级的判断。被试需要尽可能快地根据规则正确完成团队决策任务（舰艇危险指数总数超过100或不足100的判断），普通报告的页面及决策页面分别如图3（a）和图3（b）所示。公共舰艇威胁指数的数值来源于共享大屏幕，如图3（c）所示。

通过调研与访谈，对战位间沟通频率、各战位的重要隶属度和使用频率、共享大屏幕需求程度等数据进行采集与统计分析，并归一化处理，将不同数据单位进行格式化，使之统一为指定范围（0～1之间）的无量纲数据。表1所示为战位间的沟通频率，表2所示为各战位的重要隶属度及使用频率。

县级异地防汛会商视频会议系统的建成，实现了国家、省、市、县四级防汛抗旱指挥部门的异地视频会商，充分发挥了协同指挥和调度功能；同时，卢氏、栾川、南召等8个县的异地防汛会商视频会议系统延伸到了乡镇。异地防汛会商视频会议系统已成为各级水利部门召开视频会议、进行防汛会商的主要平台。2012年7月3日，河南省防办对山洪灾害防治非工程措施项目建设的县级防汛视频会商系统进行了应急演练，并对防汛工作进行了安排部署；平顶山等市随即召开了所辖县视频会议，对迎战7月4日的强降雨进行了紧急部署；省、市、县三级防汛视频会商系统为应对此次强降雨提供了有力支撑，效果显著。

实验任务控制方法如下：

1）任务。完成独立任务（3位数加法）+参与团队任务（根据其战位屏幕的提示上报舰艇危险指数或者直接进行决策，不同战位角色任务有所区别）。

图3 实验界面示意图Fig.3 Schematic of experiment interface

表1 作战舱室各战位间的沟通频率Table 1 Communication frequency between action stations in operational room

2）沟通频率。从上报对象或接受报告来源对象的次数上体现；沟通频率越高的2个战位，彼此间互相传输信息的次数越多。

3）重要隶属度。从最终完成决策按键任务的战位来体现，越重要的战位完成决策的次数越多。

4）使用频率。从完成本次团队决策任务看，体现在是否需要某战位个人屏幕中出现的舰艇危险指数；使用频率越高的战位，团队决策任务中需要其战位个人屏幕舰艇危险指数的次数越多。

5）对共享大屏幕的需求程度。从完成本次团队决策任务是否需求共享大屏幕中出现的公共危险指数来体现；对大屏幕需求程度越高的战位，在团队决策任务中，其需要大屏幕公共舰艇危险指数的次数越多。

为避免可能的训练效应与疲劳效应，实验分为2个阶段：一半被试先做方案A的20组团队决策任务，然后再做方案B；另一半被试先做方案B的20组团队决策任务，然后再做方案A。以其中一组决策任务为例，分别赋予战位1～6的舰艇危险指数为 6，7，9，6，0，3，共享大屏幕的公共舰艇危险指数为5。各战位个人显示屏及共享大屏幕中的显示内容除了上述危险指数外，还包括表3所示的任务内容。

根据表3所示的数据信息传输内容，将团队之间的数据传输关系通过图4表示。决策战位1最终将汇总的舰艇危险指数之和填入其决策页面中的输入框，若小于100，则判断为安全，点击个人显示屏上的绿色“安全”按钮。

表2 作战舱室战位功能的重要隶属度及使用频率Table 2 Importance and using frequency of action stations in operational room

被试按照指定座位入座后，主试对任务和决策规则进行说明，然后进入训练阶段。实验中，每次任务出现前会有滴声提示，然后共享显示屏和个人显示屏上均同时呈现相关信息，要求每名被试按照要求完成指定的3位数加法任务和团队决策任务。

每次团队决策任务提交后，屏幕提示该次任务完成，在滴声后呈现下一组任务。依次反复，直到所有20组任务完成。每个阶段的实验（即某种战位布置方案设计）结束后，个人显示屏上呈现对本阶段完成任务负荷水平进行的评分。评分量表采用NASA-TLX量表。

在每个阶段中，20组团队决策任务的顺序随机。实验程序用C#语言编制。在操作任务中程序自动记录每次团队任务完成时间、团队任务正确率，以及各被试工作负荷的主观评分结果。

表3 一组典型团队决策任务内容Table 3 A typical group of team tasks

图4 一组典型团队决策任务数据传输关系图Fig.4 Data transmission relationship in a typical team task

3 实验结果及分析

对图2中所示2种布置方案，一方面通过实验进行工效测评，另一方面基于工效评价理论模型进行计算预测。表4所示为由式（1）～式（9）计算的团队绩效模型理论计算值及实验统计结果。

1）任务完成时间。

布置任务完成时间从任务页面呈现开始，到该次任务决策者按下决策按键作为结束，计算任务完成时间。布置对任务完成时间做威尔克松检验，2种布置方式下的任务完成时间差异显著（p=0.00＜0.05），因此，方案B方式下的任务完成时间显著短于方案A方式。

2）任务完成正确率。

在每组完成的2种布置下的各20次任务中，数值计算正确所占比例与判定“危险”与“安全”的决策正确的比例分别作为计算正确率和决策正确率。结果表明，各组计算正确率在60%～70%左右，大多数错误原因是任务过程中的计算错误。决策正确率都达到了90%以上。对于任务完成时间做威尔克松检验，2种布置方案下的计算正确率与决策正确率差异不显著（p＞0.05）。

3）工作负荷。

NASA-TLX量表的得分可以反映被试在实验任务中的工作负荷水平，得分越高，表明任务难度越大，工作负荷水平越高。实验中，方案B方式下的工作负荷得分略低于方案A，对任务完成时间做威尔克松检验，结果表明两种布置类型下的负荷得分差异不显著（p＞0.05）。

表4 团队绩效模型理论计算值及实验统计结果Table 4 Theoretical calculations of team performance model and experimental statistic results

4 讨 论

实验结果表明，方案B条件下的任务完成时间显著少于方案A（p＜0.05），而在任务完成正确率和工作负荷评分上，2种布置之间均没有差异（p＞0.05），则表明方案B在不降低任务完成质量的前提下（方案A与方案B的任务完成正确率无差异），可以有效降低任务完成时间（方案A与方案B的任务完成时间差异显著），提升任务完成效率，即团队绩效B＞A，可见实验结果与理论模型的预测值完全一致。同时也表明，本文所提出的团队绩效理论计算模型是一种较为有效的工效预测方法。

本研究只选用了2个水平的布置方式，今后可适当增加不同的布置方式来进一步验证理论模型算法在舱室战位布置工效评价中的有效性。此外，在本实验中，2种布置方案下的工作负荷差异不是很显著，这可能是由于该实验任务相对来说比较简单，各战位间的信息沟通也比实际作战舱室中的信息沟通简单，工作负荷均较小，因此在工作负荷指标上差异并不明显。在以后的研究中，可以进一步探讨在更为复杂的任务情境下，不同战位空间布置方式对工作负荷水平的影响。

实验后，对被试进行了简单的访谈，80%的被试主观倾向认为方案B的布置方式较好，主要原因在于方案B的布置方案中每个战位与其他战位联系更紧密，有利于交流和各战位操作人员对特征的掌握，在360°的旋转范围内各战位的分布更有利于快速找到需要传递信息的队友，不容易混乱。而且，中间重要程度高的两个战位处理信息更便捷、高效，有利于整体团队绩效的发挥。分析表明，本文所提出模型具有一定的工程应用价值，可通过以下几个步骤进行战位布置方案的评价：

1）建立各个布置方案的坐标体系并确定战位及共享大屏幕等坐标位置，计算沟通努力距离、沟通努力角度及大屏幕视野范围等。

2）参考表1、表2设计调查问卷对作战舱室专家用户进行调研访谈，对作战舱室中各战位使用的重要隶属度、作战使用频率及沟通频率等数据进行采集和处理；最后，基于本文提出的计算模型式（1）～式（9）对各布置方案所支持的团队绩效水平理论值进行计算和比较，从而实现对各个战位布置方案的工效评价。

5 结 语

本文针对目前多任务作战舱室战位布置方案的评价和优选，提出一种在布置方案设计阶段可实施的基于团队绩效的工效评价理论计算模型，并对2种布置方案进行理论计算和工效评价预测，开展了团队决策任务的模拟实验，测量并分析了任务完成时间、任务完成正确率、工作负荷等指标。实验结果表明：本文所提出的团队绩效评价模型理论预测值与实验结果完全一致，验证了本文所提出理论模型的有效性，为作战指挥舱室战位布置方案的工效评价、优选和研制提供了一种新的方法和理论基础。

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Ergonomic evaluation model of operational room based on team performance

YANG Zhiyi1，LIU Shuang2，LIAO Zhen2，Fan Yao1
1 Department of Information System，System Engineering Research Institute，Beijing 100094，China
2.Marine Human Factors Engineering Lab，Institute of Marine Technology&Economy，Beijing 100081，China

A theoretical calculation model based on the ergonomic evaluation of team performance was proposed in order to carry out the ergonomic evaluation of the layout design schemes of the action station in a multitasking operational room.This model was constructed in order to calculate and compare the theoretical value of team performance in multiple layout schemes by considering such substantial influential factors as frequency of communication， distance， angle， importance， human cognitive characteristics and so on.An experiment was finally conducted to verify the proposed model under the criteria of completion time and accuracy rating.As illustrated by the experiment results，the proposed approach is conductive to the prediction and ergonomic evaluation of the layout design schemes of the action station during early design stages，and provides a new theoretical method for the ergonomic evaluation，selection and optimization design of layout design schemes.

operational room；action station layout；ergonomic evaluation；team performance

U674.702

：ADOI：10.3969/j.issn.1673-3185.2017.03.005

http://kns.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20170512.1308.042.html期刊网址：www.ship-research.com

杨致怡，刘双，廖镇，等.基于团队绩效的作战舱室工效评价模型［J］.中国舰船研究，2017，12（3）：29-35，85.

YANG Z Y，LIU S，LIAO Z，et al.Ergonomic evaluation model of operational room based on team performance［J］.Chinese Journal of Ship Research，2017，12（3）：29-35，85.

2016-09-14< class="emphasis_bold">网络出版时间

时间：2017-5-12 13:08

杨致怡，男，1980年生，高级工程师。研究方向：水面舰艇作战指挥系统及综合电子信息系统。E-mail：sunny19861114@sina.com

刘双（通信作者），女，1986年生，博士，高级工程师。研究方向：舰船人因工程。E-mail：liushuangbh@163.com

廖镇，男，1983年生，硕士，高级工程师。研究方向：舰船人因工程。E-mail：lzhen24@163.com

樊垚，男，1987年生，硕士，工程师。研究方向：水面舰艇作战指挥系统及综合电子信息系统。E-mail：530186452@qq.com