装甲车辆信息系统人机工效试验平台设计与开发

2019-08-28傅斌贺刘维平刘西侠宋海军

兵工学报 2019年7期

傅斌贺，刘维平，刘西侠，宋海军

(陆军装甲兵学院车辆工程系，北京 100072)

0 引言

装甲车辆信息系统对外通过射频连接各级通信，对内为乘员提供信息显示和操控(简称显控)功能，是实现装甲车辆信息采集、传输、处理、存储和显控的信息作业平台[1]，为乘员及时准确把握战场态势、制定决策和实现决策起到关键作用。

随着我军装备信息化建设的快速发展，装备性能得到了有效提升，但同时也使装甲车辆舱室系统呈现出构成复杂化、作业环境多维化和作业区域界限淡化的趋势。装甲车辆信息作业任务随机性强，实时信息交互量大，功能和信息显示维度多，操作行为复杂，相比于传统的力量型为主作业形式，乘员作业模式向知识型信息作业转化。这不仅对乘员在复杂任务背景下的作业能力提出了新的要求，同时也对装甲车辆信息系统的研发与训练提出了人机适应性新要求。目前，装甲车辆信息系统的研发和使用中，更侧重于功能研究和技能培训，缺乏针对人机适应性的工效学试验和评估技术研究，缺少准确表征作业行为、测量作业绩效的试验手段。

人机工效评估主要是分析作业人员、机器设备、作业环境三者之间的适应性问题，从而使人机系统达到更高的工作效能。研究方法多采用主观评价法、现场试验法和模拟试验法[2]：主观评价法受到调查者个人因素影响较大，不同调查者的评价结论存在差异，评价的一致性和客观性有待进一步提高；现场试验法一方面人机界面的尺寸、功能相对固定，无法提供充分的自变量水平范围，影响所得结论的外延性，另一方面现场试验保障需求较大，难以开展大样本量统计学研究；相比较而言，模拟试验法既可以采用多种模拟技术提供机器设备和作业环境的实物模型，模拟真实作业条件，又能够对各项试验参数进行客观、可重复测量，是人机工效评估的一种先进研究方法。

国内外学者针对信息系统人机工效试验评估技术进行了大量应用研究，为了对载人地面车辆乘员的作业绩效进行建模研究，美国陆军研究实验室人类研究与工程局开发了改进的绩效研究集成工具(IMPRINT)，采用了任务网络建模和离散事件仿真技术，能够有效测量乘员的任务完成时间和准确率等绩效指标[3-5]。为研究车辆运动对车载战斗管理系统操作绩效的影响，Salmon等[6]和Goode等[7]将战斗管理系统软件嵌入到驾驶模拟器中，有效测量了任务完成时间、准确性、脑力负荷和生理指标等参数。Abich等[8]和Reinerman-Jones等[9]设计了混合计划试验(MIX)测试平台，集成了多属性任务组和虚拟战场系统两种软件，能够在MIX测试平台上同时实现认知能力、生理指标、脑力负荷和作业绩效等多种参数的测量，并应用在无人地面车辆操作绩效研究中。周伯河等[10]为研究航天员作业能力变化规律，建立了航天员空间操作人因分析一体化仿真平台，设计了认知和生物力学仿真、作业可视化、负荷预测和绩效分析软件，可对负荷和绩效进行有效评估。张玉刚等[11]设计了无人机地面控制系统操作员控制台，实现了无人机战场环境与飞机性能监控和信息监控及视景仿真功能，为地面控制系统人机界面研究提供平台支撑。JACK人体建模仿真与人机工效评估软件采用虚拟仿真方法进行数字化人体建模，广泛应用于虚拟环境下可视域、可达域、舒适度等方面的人机工效评估研究。尹清松等[12]基于JACK软件建立了个性化数字人模型，分析了下肢关节力矩随角度及外力变化的规律。

综上所述，国外信息系统人机工效试验技术已广泛应用在军用车辆领域，国内航空航天领域发展较为成熟，而缺乏针对乘员作业绩效的军用车辆信息系统人机工效试验技术研究。鉴于此，为开展乘员信息作业能力及作业绩效试验研究，本文设计开发了装甲车辆信息系统人机工效试验平台，具有作业模拟、绩效测试和数据管理功能，实现了装甲车辆乘员信息作业绩效的全程测试，以及乘员认知能力、脑力负荷和生理指标的综合测试，从而解决乘员作业行为和绩效难于准确表征和测量的技术难题。

1 系统方案设计

1.1 功能需求分析

为满足乘员信息作业能力及作业绩效试验研究需求，分析装甲车辆信息系统人机工效试验平台的功能，要求能够准确测量乘员在各种实际操作中的作业绩效，并对乘员信息作业能力相关影响因素进行分析。据此试验平台应具有以下功能：

1)作业模拟功能。对乘员作业能力进行工效学评价，应基于乘员实际作业任务，反映乘员信息处理的操作过程，且所选任务具有典型性，能够有效甄别相关因素对作业绩效的影响。因此，试验平台应具有准确的作业模拟功能，能够提供与真实信息系统相同的操作界面和操作流程。

2)测试功能。研究乘员的信息作业能力及作业绩效，需要采集乘员信息处理过程的生理、心理、作业绩效及脑力负荷等各类参数，要求试验平台应具有相应的测试功能和测试手段。

3)数据管理功能。基于试验平台设置试验参数、选择试验项目、记录和保存乘员个人基本信息以及操作过程各类测试参数，试验数据的处理和存储量巨大。为便于对试验结果的分析处理，需要能够对试验涉及的各种数据进行统计和管理。

1.2 系统总体结构

根据功能需求分析，试验平台由主控系统、模拟测试系统和数据处理系统3部分构成。主控系统在控制台进行操作，通过主控软件选择试验任务，设置任务参数；模拟测试系统包括操作模拟装置、综合测试装置、信息终端软件作业模拟模块和射击模拟软件射击模拟模块，能够模拟乘员任务过程，测试乘员的生理、心理、作业绩效和脑力负荷等参数；数据处理系统包括综合测试装置、信息终端软件数据管理模块和射击模拟软件数据管理模块，能够对测试结果进行统计分析。试验平台系统框架如图1所示。

图1 试验平台系统框架Fig.1 System framework of test platform

2 硬件设计

2.1 试验座舱及控制台设计

为使试验环境与实车环境具有较高相似度，提高人机工效测量准确性，试验座舱参考我军现役某型主战坦克战斗舱室布局结构和数据，进行了设计和构建。其内部结构如图2所示。

图2 试验座舱内部结构图Fig.2 Internal structure of test cabin

考虑到通用性和拆装的方便性，座舱整体采用组合式骨架结构进行设计。座舱中间布置操作模拟装置和位置调整机构，可根据不同车型及研究需要进行调整，能够模拟车长和炮长的工作位置，达到一种舱体多种用途的效果。

控制台内布置有主控计算机，用于对各类试验的控制、管理与测试结果分析，如图3所示。

图3 主控系统控制台Fig.3 Console of main control system

试验平台采用组网方式集成，通过控制台的主控计算机，不仅可以实现对操作模拟装置和综合测试装置的一体化联合控制，还可实现多机同步试验，科目选择和参数设置与试验操作主从分工明确，试验连续性好、效率高，易于扩展用户。试验平台组网方式如图4所示。

图4 试验平台组网方案Fig.4 Network scheme of test platform

2.2 操作模拟装置硬件设计

操作模拟装置包括信息终端模拟装置和射击模拟装置。信息终端模拟装置主要用于乘员信息处理的作业模拟，以我军现役装备典型信息终端为参考，选择乘员信息作业绩效具有显著差异的操作任务，作为主要作业模拟功能，在此基础上，自主开发信息终端模拟装置，模拟装置外型、功能设置及操作界面与实装保持一致。

基于不同研究目的，开发了两种信息终端模拟装置。第1种模拟装置主要用于乘员信息作业能力和作业绩效等试验与评估研究，是信息终端模拟装置的研发重点，其特点是屏幕外型设计、功能设置及操作界面与实车终端保持一致，尺寸与实装基本相同，如图5所示为信息终端模拟装置。其中显示屏选用了日本三菱公司产AA104XD02型10.4寸显示屏，键盘选用与实装尺寸和触感相同的定制硅胶键盘。第2种模拟装置主要用于信息终端人机界面匹配的工效学研究，它与第1种模拟装置的不同之处，在于键盘为虚拟键盘，信息终端模拟装置的显控界面采用触摸屏操作。在保持原有操作功能不变的前提下，键盘的尺寸和间距等人机界面参数均可根据研究需要进行调整。显示屏选用瑞士TE Connectivity公司产E512043型15寸触摸屏，整个显示屏分为虚拟键盘区和显示屏区两个区域，显示屏区与实车保持一致，键盘区根据需要进行调整。图6所示为触摸屏信息终端模拟装置。

图5 信息终端模拟装置Fig.5 Simulator of information terminal

图6 触摸屏信息终端模拟装置Fig.6 Simulator of information terminal with touch screen

射击模拟装置参考了某型主战坦克火控系统，主要用于乘员战场侦察、火炮射击作业的操作模拟，选用已有的训练模拟系统，包括车长、炮长瞄准镜和操纵台，尺寸及外形均以实装相同，操纵台选用实装部件。图7所示为试验平台操作模拟装置。

图7 试验平台操作模拟装置Fig.7 Operation simulator of test platform

2.3 综合测试装置组成

综合测试装置主要用于对乘员的生理、心理、作业绩效和脑力负荷等参数进行测试，它由生理测试仪器、心理测试系统、作业绩效测试装置和主观评价量表4部分构成。

作业绩效测试装置与操作模拟装置集成，通过自主开发的信息终端软件和射击模拟软件实现测试功能，该软件是本文研究和开发的重点。考虑到测试的可操作性及有效性，生理测试仪器采用芬兰Polar公司产RS800CX心率表和日本OMRON公司产HEM-629血压计测量心率变异性、脉搏及血压3个生理参数。乘员认知行为局限性是装甲装备人因事故的重要原因[13]，心理测试系统选用北京心灵方舟科技有限公司产PsyKey心理测试软件测试乘员认知能力。作业过程中乘员脑力负荷采用美国国家航空航天局任务负荷指数(NASA-TLX)量表[14]进行测量。

3 软件开发

软件开发采用自顶向下的系统设计方法，功能实现上，软件应能够实现作业模拟、绩效测试、参数设置和数据管理等功能。测试内容方面，科目选取应突出工效学研究特点，立足评估研究敏感性、有效性和可测试性。实际操作中，应既可进行信息处理、射击模拟等单项作业模拟试验及工效学评估，也可进行综合作业模拟试验及工效学评估。

基于此，提出如图8所示的软件开发方案。首先，依据乘员作业能力和作业绩效研究需要，提出作业模拟科目、测试内容及数据采集时机与要求；其次，划分软件开发模块，采取分模块开发、按需集成的模式进行软件开发；最后，软件运行，系统联调，功能测试及修改。

图8 软件开发方案Fig.8 Software development scheme

3.1 主控软件开发

主控软件用于对操作模拟装置和综合测试装置的控制，由启动、试验任务选择、试验参数设置、试验启动控制4个模块组成。

启动模块用于启动程序和系统初始化。其中注册功能用于管理乘员编号、姓名、性别等个人基本信息，便于软件档案管理和查询，以及测试后生成规范性数据报告。试验任务选择模块主要用于选择试验任务，根据信息作业特点，共确定了两种作业模拟的12项任务，其中综合性任务3项，其余为单项任务。试验参数设置模块主要由主试人员根据研究需要，对任务的作业次数、间隔时间、完成时间等任务相关参数进行设置。试验启动控制模块主要用于与下位机进行通信，向操作模拟装置和综合测试装置发出控制指令，并接收试验数据。

3.2 信息终端软件开发

3.2.1 功能特点

信息终端软件主要用于信息终端作业模拟和绩效测试，是实现装甲车辆信息系统人机工效试验平台功能的关键和核心部分。模拟任务具有典型性，能够充分反映任务的任务复杂度、时间压力以及人机界面变化对作业绩效的影响，具有任务负荷差异显著、测试敏感性高、战时常用的特点。绩效测试功能嵌入到模拟作业过程中，能够针对任务操作过程中的每个阶段进行测量，实现作业绩效测试全程覆盖。

3.2.2 软件开发工具

在软件开发工具的选择上，对常用的Visual Basic、Visual C++、LabVIEW 3种软件开发工具进行对比分析后认为，LabVIEW软件能够满足软件交互和界面仿真功能的需要，可实时分析处理数据，支持多种文件数据格式，与其他仪器设备、网络连接方便，因此最终选择美国NI公司的LabVIEW作为信息终端软件的开发工具，并使用MySQL数据库进行数据管理。

3.2.3 软件平台功能实现

3.2.3.1 功能实现方法

软件采用分模块编程实现功能，包括软件登录模块、模拟测试模块和数据管理模块，能够实现登录、作业模拟、绩效测试和数据管理等功能。信息终端软件总体结构及功能如图9所示。

图9 信息终端软件总体结构Fig.9 Overall structure of information terminal software

3.2.3.2 模拟测试模块

模拟测试模块主要对典型作业任务进行模拟及作业绩效测量，采用虚拟界面设计，模拟实装操作过程，保证了模拟测试能够真实反映作业绩效的变化规律，并且可根据不同车载信息系统研究需要，灵活调整按键大小、间隙、界面布局方式等。

模拟测试模块将绩效测量功能嵌入到作业模拟过程中，采取按操作步骤分段与集中统计的方式完成数据测量。其操作流程为每次测试以倒计时方式进行预示提醒，以保证每名乘员能保持基本一致的心理应激水平。随后软件自动生成任务提示语，并触发计时器开始计时，任务提示语指导乘员进行作业，并为乘员作业正误提供判断依据。然后乘员根据任务提示语进行作业，软件自动判断操作正误并记录完成时间。信息终端作业测试流程如图10所示，图10中M和N分别为主试人员在测试前设定的最大完成时间和作业次数。

图10 信息终端作业测试流程图Fig.10 Test flow chart of information terminal operation

作业绩效数据的获取以作业模拟为基础，由于作业模拟程序量大，在此仅介绍数据的输入与删除，其程序如图11所示。通过事件结构感知模拟键盘簇的值是否发生改变，若发现真值即可确定乘员操作按键，然后通过条件结构判定下一步程序的执行，即是输入哪个数字或者删除数字。移位寄存器主要用于保存上一操作输入的数字，界面标记用来区分不同操作界面中数字键实现不同功能。

图11 数据输入、删除程序Fig.11 Data entry and remove program

模拟测试模块中，分段记录各步骤的完成时间是重要功能之一，获取完成时间通过应用时间计数器函数实现，其程序如图12所示。首先在需要测试的位置放置时间计数器函数，然后运用减法算出前后测试输入的时间差，即该测试步骤的完成时间，在操作最后还可直接计算出整个任务的完成时间。

图12 完成时间获取程序Fig.12 Program of accessing completion time

测试中错误率定义为乘员在完成一次作业中错误按键数除以按键总数，通过获取错误按键数和按键总数计算得到，错误按键数获取程序如图13所示。任务提示语已经明确每步操作的“答案”，通过事件结构获取乘员的操作，然后判定操作与“答案”是否一致，如果操作错误，则错误按键计数器加1.

图13 错误按键数获取程序Fig.13 Program of accessing erroneous pressing

3.2.3.3 数据管理模块

数据管理模块主要用于实现试验数据的存储、查询、删除及统计结果输出等功能，采用PSDMS_Get_SQL_Command.vi条件结构获取命令执行相应操作，其程序如图14所示。

图14 数据管理模块程序Fig.14 Data management module program

3.3 射击模拟软件开发

3.3.1 功能特点

软件主要功能为典型射击科目下射击作业模拟和作业绩效测试，其功能特点是在保持原有射击模拟功能的基础上，嵌入了绩效测试功能，实现了对乘员射击作业绩效的各阶段及全过程的实时测量。结合实验心理学原理与乘员射击训练的实际，将作业绩效测试嵌入到模拟射击过程中，将传统的各类反应时、目标辨识、双臂协调、目标跟踪、多目标识别等反应特性和动作协调特性测试与乘员的专项作业绩效测试融合，实现了射击作业模拟与作业绩效测试的一体化，以及乘员专项基础能力和综合作业能力测试的有机结合。既可用于乘员基本作业能力测试，也可用于乘员作业绩效的试验研究。

3.3.2 软件开发工具

软件基于已有射击模拟器软件，通过二次开发实现。原有射击模拟器软件采用C++语言编程，为保持软件开发的连续性，提高软件开发效率，本软件采用Visual C++软件开发工具编写。

3.3.3 软件平台功能实现

射击模拟软件结构类似于信息终端软件，采用分模块编程实现功能，包括软件登录模块、模拟测试模块和数据管理模块，能够实现登录、作业模拟、绩效测试和数据管理功能，软件程序流程如图15所示。

图15 射击模拟软件程序流程图Fig.15 Flow chart of fire simulated software program

软件开发保持原有的射击模拟功能和软件结构不变，针对绩效测试的试验需要进行修改完善，主要嵌入增加了3部分功能：

1)参数设置，用于对作业时间、间隔时间、作业次数、目标速度、目标种类等任务参数进行设置。每次试验前主试人员进行参数设置，然后从主控计算机通过接口文件传递给射击模拟装置和综合测试装置。

2)测试部分，根据各科目拟定的测试参数，对各项作业过程的绩效参数进行测量，完成后立即进行结果统计，将统计结果和相关数据上传主机并存储。

3)接口部分，主要接收主控计算机的指令，并上传统计结果。

作业模拟科目选取立足突出作业绩效测试评估的敏感性、有效性和可测试性要求，通过对现有射击科目的分析，选取了稳定器操作的描绘信封靶、对多个不动目标射击、平稳跟踪目标、对不动目标射击、对运动目标射击等5个典型训练科目作为试验测试科目，并根据工效学研究需要，对科目的目标设置方式、目标类型等方面进行调整。

4 应用实例

装甲车辆人机工效研究主要是分析乘员个体差异与人机界面、舱室环境、任务需求等外界因素相互作用的人机适应性问题，其中乘员认知能力的个体差异会对信息作业绩效产生影响，是装甲车辆人机工效评估的重要方面。应用装甲车辆信息系统人机工效试验平台，开展了不同记忆能力乘员信息作业行为对比试验，对试验平台功能进行了测试验证。

信息录入任务是装甲车辆乘员最常用的信息作业之一，贯穿作战任务始终[15]。本文以信息录入任务作为模拟测试任务，选取了88名本科学员作为被试人员进行对比测试。测试内容包括信息作业行为特征和记忆能力两部分，其中信息作业行为特征以行为完成时间和错误率为评价指标，记忆能力通过短时记忆广度来表征。信息录入任务可以划分为8个信息作业行为，如表1所示。

将被试人员按照短时记忆广度均值(8.2)分为记忆能力优秀组和一般组，采用Mann-Whitney U检验法对比分析优秀组与一般组的信息作业行为绩效。如表2所示为任务完成时间和错误率结果，可以看出优秀组任务完成时间和错误率均优于一般组，记忆能力对任务完成时间(概率P=0.005)和错误率(概率P=0.033)均具有显著影响。

表1 信息录入任务行为

表2 不同记忆能力下任务完成时间和错误率

注：*表示差异显著，P值取0.05.

如图16、表3所示为被试人员行为特征结果，可以看出，优秀组在行为速度和准度上均优于一般组。两组的行为完成时间在行为2、行为4、行为5、行为7上具有显著差异，说明记忆能力对行为完成时间具有显著影响，主要体现在“记忆信息内容”(P=0.005)、“选择目标类型”(P=0.026)、“输入目标数量”(P=0.001)、“输入目标速度”(P=0.002)4种行为。行为错误率在行为4、行为5、行为6、行为7上具有显著差异，说明记忆能力对行为错误率具有显著影响，主要体现在“选择目标类型”(P=0.003)、“输入目标数量”(P=0.001)、“选择目标方位”(P=0.023)、“输入目标速度”(P=0.012)4种行为。