头盔显示器效能评估分析

齐 敏，张向东，吕军锋，崔自蓬，王丹丹

（西安北方光电科技防务有限公司，西安 710043）

0 引言

随着信息化技术的发展和外部信息感知的强烈需求，头盔显示器作为重要人机交互控制设备，其应用平台从飞机拓展到了地面，包括战车、单兵，以及维修保障，战场应用日益广泛。为了武器平台列装选用和装备效能评价，对头盔显示器进行全面的全寿命效能评估必要而迫切。

1 头盔显示器

头盔显示器/头盔瞄准具从20 世纪60 年代开始研制，70 年代少量装机，到90 年代各国在固定翼和旋翼飞机上大量装备，以离轴显示和攻击能力、宽大的视场和较强的夜视能力，逐渐取代平视显示器成为主飞行显示器，从而有效地提高飞行员的态势感知能力和战斗效率，美国F-35 头盔显示器是国内外首例取代平视显示器的头盔显示器。

头盔显示器在载机起飞/着陆、空空/空地作战及编队飞行中支持完成载机平台/战域态势信息显示、火控随动、头面防护、交互通讯等任务，具体功能如下：1）图文显示功能——显示盔装传感器（夜视装置）或机载传感器信息（载机数据或战场信息）；2）火控随动功能——飞行员利用头盔显示器的准直显示瞄准标记，直接控制武器或引导其他机载传感器（如雷达、炮塔）进行攻击或辅助攻击，达到不需要飞机做大机动动作就可以先敌发现先敌攻击的目的；3）头面防护功能——保护飞行员不受面部强光、激光、眩光和头部外力的碰撞、穿刺等伤害；4）交互功能——提供飞行员对外语音交互和隔离降噪能力。

2 头盔显示器效能评估任务分析

系统的效能是指系统在规定条件下满足特定任务需求的程度。对系统效能的评估、综合评价是一个复杂的系统工程，要考虑“规定条件”、“特定任务”。对于具体装备而言，效能评估必须是基于任务环境的，规定条件包括不限于作战环境、作战任务、部署、作战流程和装备性能等；特定任务指时间、空间、数量等；程度是指定性与定量相结合，百分比、概率、时间、空间和数量等。因此，效能评估问题是综合评价问题，即要对多个对象进行评价。

装备效能评估的目的主要有3 个：选择、设计和改进。选择综合效能最高的装备，达到最优的效费比；为装备的设计和实施提供理论基础，以实现系统的最佳设计和配制；对已有的装备进行完善和改进，提高运行效率。头盔显示器在机载平台承担人与飞机直接信息传递（视觉/听觉）和人体头面部防护功能，既是人体穿戴防护装备，又是航电设备。从头盔显示器产品诞生之日起，人们就在不停地提出并回答“它能干什么，它带来哪些能力的提升，这些能力能提升多少”的效能评估问题，并据此进行装备的完善和改进。但是现有的头盔显示器效能评估多为作战任务视角的作战能力评估，存在缺少人为因素和装备经济性等重要因素的考量和评估等问题，未建立基于全寿命周期的综合效能评估，不能给武器平台的选择、方案的设计和装备的改进提供充分必要的支撑。

针对机载平台头盔显示器任务需求和装备评估需求，头盔显示器效能评估任务确定为对机载头盔显示器完成作战/飞行任务的全寿命综合效能分析，包括定量/定性分析与评估，重点对设备与人、设备与平台等方面分析评估。

图1 给出通用的头盔显示器效能评估工作流程：在头盔显示器平台作战任务明晰的前提条件下，分析效能评估任务，识别效能评估要素，建立效能评估模型，评估计算给出评估报告，迭代改进。头盔显示器工程研制阶段和装备使用全寿命周期均可进行效能评估，不同阶段的效能评估要素和指标权重可适当调整，阶段的划分参照武器装备全寿命过程，包括论证、方案、工程研制、生产和部署、使用保障及退役处理6 个阶段。

图1 头盔显示器效能评估工作流程图

3 头盔显示器效能评估要素识别

面对装载平台应用任务繁重的使用环境，头盔显示器效能评估考虑因素众多。参照SHEL 模型分析头盔显示器效能评估任务交互界面，如图2 所示。头盔显示器效能评估要素包括头盔显示器与人、头盔显示器与飞机、头盔显示器与管理域等任务界面主要要素。

图2 头盔显示器效能评估任务交互界面示意图

1）头盔显示器——人

飞行员佩戴头盔显示器进行飞行/作战任务操作中，头盔显示器的操作性、舒适性直接影响作战效能。操作性主要包括操作便捷性、工作负荷。操作便捷性评估头盔显示器设备自身操作是否易用、对于其他设备操作是否方便可达；工作负荷评估人体佩戴头盔显示器体力/生理反应和脑力/心理反应是否可承受。舒适性主要评估头盔显示器对于人体听觉、视觉、触觉、皮肤觉等感官效能影响。

2）头盔显示器——飞机

对于航空器而言，加装任何一个设备，必须综合考虑设备电源消耗、重量、体积占比等因素影响，评估其功能增加与综合消耗的性价比。

3）头盔显示器——管理域

避免设备“用不起”或“不好用”，则设备的评估选用必须全寿命周期考虑。在功能性满足的前提条件下，经济性、安全性、可靠性、维修性是不可或缺的评估要素。

4 头盔显示器效能评估模型建立

评估指标体系、评估信息和评估方法是效能评估的三大要素，三者之间相互关联，相互影响。评估指标体系建立是评估的首要任务，是评估的基础标准，评估指标的选取直接关系到综合评估的结果。

要全面科学地评价，需要建立合理的评估指标体系。评估体系是指为评估而确定的层次化的准则和与之相关的属性集的总称。指标体系的规模及具体指标差别还会牵扯到评估过程的复杂性，效能评估指标体系的指标并非越多越好，否则大量的时间和人力成本浪费在无谓的微小因素评价上。效能评估关键在于指标体系能够全面反映各决策方案的主要方面，在系统的众多指标中确定出综合效能评估的指标体系，是头盔显示器效能评估的基础问题。

依照最简性、可测性、客观性、系统性、独立性等多准则评价指标集的要求。对于功能复杂的头盔显示器进行效能评估，首先运用层次分析法（AHP）分解评价目标，建立头盔显示器效能评估指标体系，构建头盔显示器效能评估层次结构模型；然后，对评估指标进行分解细化，给出详细的评估指标。

从“头盔显示器——人、头盔显示器——飞机、头盔显示器——管理域”3 个界面识别头盔显示器效能评估要素，建立头盔显示器效能评估体系如图3 所示，效能评估内容如表1 所示。

表1 头盔显示器效能评估内容详表

图3 头盔显示器效能评估指标体系示意图

5 头盔显示器效能评估

5.1 评估信息的收集和量化

对效能评估三大要素中评估信息和评估方法而言，效能评估方法众多，有层次法、ADC 法、系统效能分析法、指数法等，这些评估方法各有优缺，难点在于评估信息的收集和量化，评估信息就是效能评估的素材。评估指标包括定量指标和定性指标两类。对于定量指标，评估信息直接采集数据收集，定性指标则先信息收集后量化，量化的方法有直接打分法、量化标尺量化法。根据单项效能评估指标特性确定信息收集方法和量化方法，详见下页表2。

表2 中，问卷法中问卷设计采用主观语言分解阐述分项指标转化为评价问题，问卷框架设计包括导语、评价目的、受试人员信息采集、问题表等。为便于后期统计分析，问卷评价问题设计为封闭式问题，采用五级尺度量表。

表2 头盔显示器评估信息收集/量化方法表

5.2 评估指标分析

5.2.1 操作性

操作性评估主要包括两部分分项指标：一是头盔显示器设备操作性评估，包括头盔脱戴操作、功能模块装卸/收放等方便友好，易于辨识；二是佩戴头盔显示器条件下其他设备操作可达性和便捷性评估。

操作性评估以调查问卷形式呈现。问卷设计是在对头盔显示器操作性评估时，结合头盔显示器本身及机载平台使用特点，采用主观语言分解阐述相关指标并转化为评价问题，明确调查对象，并规定调查结果分析与运用方法。

5.2.2 舒适性

生理健康和工作效能本质上是关联的，工作效能是量变的评价，影响生理健康是量变积累后的质变。舒适性评估主要评估头盔显示器佩戴生理因素影响。具体头盔显示器而言，影响工作效能乃至生理健康的主要在热、压力、噪音、强光/激光等方面。因此，舒适性评估指标包括头部压力分布、热舒适性、防噪声性能、光防护性能等。

舒适性评估以实验法和调查问卷/访谈法相结合进行，可量化分项指标与主观评述互相印证综合评估。

5.2.3 功能性

头盔显示器功能性评估主要评估所承担功能完成程度，包括战场态势感知能力评估、头盔防护能力评估、武器随动控制能力评估、人机交互能力评估4 个分项指标。

功能性评估以调查问卷形式呈现。在对头盔显示器功能性评估主要因素研究基础上，规定评价问题。

5.2.4 消耗度

头盔显示器的消耗度评估主要评估对装载平台电源、体积、重量3 个方面。

评估方法为采集数据进行解析计算。

5.2.5 经济性

经济性评估评估设备全寿命周期费用，包括研发费用、采购费用、使用维护费用。

设备全寿命周期费用是事前评估，因此，对于不确定和尚未发生的费用采用经验数据估算获得。

评估方法为采集数据进行解析计算。

5.2.6 安全性

安全性评估包括的方面诸多，设备寿命期间，设备-人、设备-环境之间两两相互安全影响的评估。具体到头盔显示器安全性评估，包括飞行员佩戴头盔显示器的安全、头盔显示器自身的设备安全等。需要注意的是，安全性的评估需要在多个维度上进行，包括物理上的安全、数据信息的安全等。

安全性评估方法采用直接打分法。专家根据头盔显示器设备功能、操作流程和工作环境给出安全性评估表，评估专家按照对应内容评估打分。

5.2.7 可靠性

可靠性主要评估头盔显示器在规定条件下规定时间内无故障地完成规定任务的能力。可靠性包含了耐久性、可维修性、设计可靠性等三大要素，典型评价指标有可靠度、失效率、平均无故障时间间隔等。

可靠性评估方法为采集数据进行解析计算。数据的采集来源根据产品阶段变换，方案阶段可靠性预计获得，工程研制过程中详细设计阶段可靠性仿真获得，样机阶段可靠性试验获得。

5.2.8 维修性

维修性主要评估头盔显示器是否达到规定的维修性要求，以满足战备完好性和任务成功性要求，减少保障资源、维修人力和寿命周期费用，设备典型评价指标主要为平均修复时间（MTTR）。

维修性评估方法为采集数据进行解析计算。数据的采集来源根据产品阶段变换，方案阶段维修性预计获得，工程研制过程中详细设计阶段维修性建模分析获得，样机阶段维修性验证试验获得。

5.3 指标权重的确定

效能评估中，科学地确定权重是效能评估的核心。根据头盔显示器效能评估模型的特点选取层次分析法确定权重，初步搭建框架，如下页表3 所示，再结合德尔菲法（飞行员/专家）对指标体系赋权，最终形成头盔显示器效能评估指标权重矩阵：一级指标权重依次为=（0.085，0.13，0.163，0.122，0.14，0.12，0.12，0.12）。

表3 头盔显示器效能评估指标权重

5.4 综合评估

头盔显示器功能复杂，评估信息既包含定性数据又包含定量数据，因此，选用层次分析法（AHP）进行头盔显示器的综合效能评估，将复杂任务转化为有序的层次结构。

依据头盔显示器效能评估模型采集相关数据，采用给定的方法将评估信息量化，代入评估模型进行评估计算，头盔显示器综合效能计算算子见式（1）。

其中，E 为头盔显示器综合效能评估值；W为头盔显示器第i 个分项指标评价值；为头盔显示器效能评估第i 个指标权重。

将计算所得头盔显示器效能评估值，按照表4等级给出评估结论。

头盔显示器效能评估的评定等级分为优秀（Ⅰ）、良好（Ⅱ）、及格（Ⅲ）、不及格（Ⅳ）4 个等级，各等级指标量值如表4 所示。

表4 评估等级指标量值表

6 结论

国内已装备头盔显示器多年，受益于微电子和近眼显示技术的发展，以及战斗人员对于战场态势感知能力提升的迫切需求，头盔显示器在空、车、单兵等装备领域迅速拓展。科学合理地进行头盔显示器效能评估要素识别，建立头盔显示器效能评估模型，给出头盔显示器的量化评价数值，改善头盔显示器的佩戴体验，降低装备成本，进而充分发挥我军武器装备的作战效能，意义深远。

针对评价的多维度和评价指标的多样性，头盔显示器效能评估，开展定量、定性分析与评估，综合运用解析计算、调查问卷、直接打分法等多种评价方法手段，对操作性、舒适性、功能性、消耗度、经济性、安全性、可靠性、维修性等进行科学合理、全面系统的分析评价。

需要说明的是，效能评估的结果不是一成不变的，在装备研制及列装使用的全寿命周期，如同产品的风险评估，装备的效能评估亦建议在各个阶段开展，并将评估结果落实于装备的升级改进。