电子设备方舱人机工效评价指标体系及应用研究

孙国强， 苗冲冲， 刘燕，丁霖， 吴旭

(1.航空工业综合技术研究所，北京 100028； 2.解放军93209部队，北京 100085 )

1 引言

方舱是一种“有一定防护能力的、可运输的箱式工作间，可为人员和装备提供适宜的工作环境，便于实施多种方式载运的独立舱室”[1]。因为其可装载在多种运输工具上，广泛的应用在军事装备领域。在雷达装备中，电子设备方舱是操作人员控制雷达工作的主要平台。电子设备方舱是一个相对封闭环境下的复杂人机系统，系统中既有多任务作业的人机交互，也有多人协调作业的人人交互，同时，作业人员需要长时间于方舱内工作，处于稳定的微气候环境(包括温湿度、噪声与通风等)中，因此电子设备方舱是典型的复杂人机环交互环境。

雷达作业人员是整个人机系统最为薄弱的环节，其工作内容集中在显控系统，其工作负荷主要集中在感知监测与判断决策方面[2]；方舱作业具有工作姿势固定、工作时间长、视野空间狭窄等特点，易造成的作业人员睡眠节律紊乱、身心疲劳和作业能力降低等问题；此外压力与疲劳的累积效应对作业人员的情绪控制和心理压力也会产生重大影响。因此，开展电子设备方舱的人机工效评估，不仅需要对显控系统的交互水平进行评估还要包括对工作环境舒适度等内容的评估。

目前国内关于电子设备方舱的人机工效研究集中在方舱的布局、显控台设计[3-5]、舱内环境[6]等。杨会越阐述了雷达方舱布局的主要原则与注意事项[7]。李高洁在19年提出雷达显控台设计需要考虑的人要素推荐尺寸与显控台外观色彩的设计建议[3]。张勇波在文章中详细分析了电子方舱中人员特性、人-机关系、人-环关系，对方舱的布局、环境、色彩等内容提出了设计原则[2]。唐明从显控台的人机界面、造型设计角度提出人机工程设计注意事项[8]。冯智凯提出了基于模糊数学的雷达人机界面评估方法，并基于仿真系统进行了应用[9]。马强等人对舱内环境的涉及人机工程要素进行了详细的阐述[10]。当前，国内雷达方舱的工效学研究多是面向方舱系统设计领域，本文在这些研究基础上拟提出一套以系统为中心的电子设备方舱人机工效评价指标体系用于雷达装备的人机工效评价。

2 雷达作业人机工效分析

2.1 情境意识

情境意识是航空人机工效的研究热点，相对而言，雷达作业人员的情境意识(SA)问题存在一定的特殊性。Endsley提出的SA定义：在一定的时间和空间内，对周围环境中相关要素的感知，理解以及对其状态变化短期内的预测[11]。飞行员、无人机操作员在显示界面以外，有着视觉、听觉、感觉等更多渠道的信息获取方式，飞行员可以通过驾驶舱视野、座舱的振动、身体的重力感知等获取信息，无人机操作员也可以通过摄像头以及其他传感器获取更多的信息。相对而言，雷达作业是一种主动作业被动发现的过程，操作员无法对目标出现的位置、时间等信息进行预判，只能通过持续的监视、判断等方式以发现目标，除了显示界面并没有其他信息获取渠道，有80%-90%的信息是通过眼睛获取的，信息加工依赖于视觉信息的获取。因此，雷达作业人员保持较高的情境意识需要付出极大的努力。

2.2 人机功能分配和工作负荷

作业人员的工作负荷水平与雷达系统的人机功能分配设计具有高度相关性，良好的人机功能分配设计可有效降低工作负荷[12]。雷达作业需要操作员进行大量的信息监视、检索、判断、决策，在某些任务节点还要大量且快速的键盘作业；这个过程中，操作人员接受了大量的视觉刺激，对其注意力分配、心理素质有着极高的要求，极易产生视觉疲劳、脑力负荷过载现象。随着自动化和人工智能技术的应用，雷达系统接管了部分操作人员的任务，从这个角度而言降低了操作人员的工作负荷；与此同时，系统集成的功能更多，显示界面的信息量剧增，对操作人员的认知压力也随之增加。良好的人机功能分配设计需要协调技术进步带来的信息压力和人的认知能力，从人机一体化的角度合理分配人、机承担的职责。

2.3 工作空间与环境

学者普遍认为，工作环境会导致负面情绪积累，而雷达作业人员的工作需要长时间处于舱室环境中以坐姿方式执行监视与控制任务。作业人员长期处于单一姿势、单一环境、单一任务形式，在执行任务过程中，不仅承受任务本身的压力，还要承受长时间保持固定坐姿造成的疲倦，以及方舱环境因素的影响，如密闭狭小的空间、噪声、灯光、空气质量等因素造成的厌倦感、疲劳感。作业人员如果长时间处于这种状态下，会出现认知能力下降，绩效降低的情况[13]。因此，工作空间与环境的影响直接作用于作业人员，舒适的环境有助于提高任务的执行效率。

3 方舱人机工效评价指标体系

电子设备方舱人机工效评价指标体系应能够科学、全面的评价其设计的工效水平。因此，指标体系构建方法的选择要科学、合理，本研究采用焦点小组法[14]与德尔菲法[15]相结合的方式。人机工效专家通过焦点小组法初步确定指标体系框架，再通过德尔菲法收集设计人员与作业人员的意见与建议，经过两轮迭代修改后形成三级评价指标体系。评价指标体系有效的吸纳了设计人员、工效专家以及作业人员三方的意见，确保了指标体系各级指标的选择与确定覆盖了电子设备方舱涉及的人机工效评价要素。

评价指标体系是基于SHEL模型理论，从人-机(硬件)关系、人-机(软件)关系、人-环境关系三个方面进行分解，指标体系不评价作业人员间的协同作业，因此不包含人-人关系。指标体系各级内容如图1所示。

图1 电子设备方舱人机工效综合评价指标体系

其中，人-机(硬件)下辖指标为空间布局与显控系统。空间布局关注电子方舱的空间设计，包括三级指标座椅空间、作业空间、通行空间、设备布置；显控系统电子方舱内部的显示器与控制器的工效设计，包括三级指标显示特性、控制特性与人机交互。

人-机(软件)下辖指标为作业程序与告警。作业程序关注雷达操控系统的设计，包括三级指标逻辑合理性、可理解性、操作便捷性、易学习性；告警作为二级指标是体现其对安全的重要作用，包括告警类型与告警信息两个三级指标。

人-环境关系下辖指标为光、声、辐射以及空气环境，关注环境因素对作业人员的健康与舒适的影响。

显控台是电子设备方舱的核心设备，作业人员的监视与控制任务均在显控台上执行，其工效设计水平直接影响任务效能。因此，指标体系的大部分指标以显控台为评价对象，如设备布置、显控系统与作业程序等指标均为显控台评价指标。

4 方舱人机工效评价指标体系应用

开展人机工效评价，一般采取主观评价与客观测量相结合的方式。在本研究中，为了提高在试验现场的评价效率，节省评价时间，采用了人机工效调查问卷方法，并通过G1法等数据处理方法将定性的主观评价转化为定量评价。

4.1 人机工效调查问卷编制

指标体系覆盖了电子方舱的全部人机工效要素，但三级指标覆盖的内容仍然较为广泛。因此在编制问卷时，需将指标进一步展开，从用户角度进行更为细致的分解，确保问卷内容描述清晰、简洁，不存在歧义。如三级指标照明的问卷问题对电子设备方舱内的照度、亮度、均匀度、颜色等进行了评价。人机工效调查问卷共形成65个评价条目。

通过调查问卷法获得量化数据，需要问卷填写者填写两方面内容：指标权重[16]与评价等级。其中，指标权重系数是评价各子指标相对上一级指标的重要程度；确定指标权重系数，问卷能更为合理的体现评价结果，本文采用的是较为常用的序关系分析法(G1法)[17]。评价等级是作业人员评价问卷条目影响程度的判断依据。许多心理学实验表明，普通人所能准确辨别的程度等级或事物的个数在5～9个之间；本问卷将评价等级划分为5个等级，具体等级划分和含义见表 1，答卷者根据对条目内容的同意程度进行评价打分。

表1 评价等级及含义

4.2 问卷数据处理

回收问卷需要进行问卷的初步筛选处理，确定有效回收问卷数据处理和结果分析。本文的数据处理方法考虑了指标权重，可有效地提高问卷结果的可靠性。按照公式1，通过三级指标权重与平均满意度计算出二级指标的满意度Wp，下一步通过公式2两轮迭代后计算出整体满意度W。

(1)

(2)

式中：

Epij——第j名受试者的三级指标主观评价的平均得分；

fpi——三级指标权重系数；

Wp——二级级指标的工效评价得分；

i——第i个三级指标，i=1,2,3,…,Np；

j——第j名受试者，j=1,2,3，…,M；

q——第q个一级(二级)指标，q=1,2,3，…,K。

最终评价结果按下述规定进行判定：

a)当1≤W<2时，判定该评价对象的工效学评价结论为——不能接受。

b)当2≤W<3时，判定该评价对象的工效学评价结论为——勉强接受；

c)当3≤W<4时，判定该评价对象的工效学评价结论为——一般；

d)当4≤W<5时，判定该评价对象的工效学评价结论为——比较满意；

e)当W=5时，判定该评价对象的工效学评价结论为——非常满意。

4.3 应用案例

应用本文构建的评价指标体系对A/B两型电子设备方舱开展评估，共收集12份有效问卷，均为多年作业经验的人员填写。在经过信效度检验后，对问卷数据进行计算，其中，各二级指标的权重系数与满意度水平如表2、图2所示；最终计算结果显示，电子方舱A的满意度WA=4.77，电子方舱B的满意度WB=4.85，说明作业人员对两电子方舱的工效水平都比较满意，方舱B的整体满意度水平略高于方舱A。

表2 权重系数

图2 满意度对比图

5 讨论

电子设备方舱是雷达作业人员的主要作业平台，具备复杂人机环交互环境的典型特征。目前国内电子设备方舱的人机工效相关研究多集中在设计领域，在评价领域还缺乏广泛而深入的研究。

本文根据雷达方舱的任务形式和工作环境简要分析了雷达电子设备方面中面临的人机工效问题，包括情境意识、人机功能分配和工作负荷以及工作空间与环境三方面。其中，前两个问题涉及人-机关系，其工效水平的优劣影响着作业人员的作业效率；后者涉及人-环关系，其工效水平的优劣则影响作业人员的舒适性，长远看潜在影响着作业人员的身心健康，因此应对其工效设计提高重视程度。

基于对上述问题的分析，本文建立起以SHEL模型为基础的评价指标体系及评价方法，不仅关注了以往评价工作中的重点(显控系统、作业程序、告警)，对于影响作业人员长远身心健康的空间布局、环境等也给予了重视。在本文的应用案例中，权重系数的分布也反映了作业人员对于该问题的关切。

6 结论

电子设备方舱的工效水平直接关系着能否安全、高效、舒适地完成任务。本文分析了电子设备方舱的作业过程中的情境意识、人机功能分配及工作负荷、工作空间与环境特点，提出了一套方舱人机工效评价指标体系和评价方法，经过应用验证了评价指标体系的可行性。该指标体系可用于电子方舱的人机工效评价工作，对其他类型方舱的适用性还需进一步调研分析。