舰船人—机—环系统工程研究综述

张玉梅430064中国舰船研究设计中心,湖北 武汉

Chinese Journal of Ship Research - - 目 次 -

摘 要:舰船人—机—环系统工程是舰船总体设计中不可或缺的组成部分,其设计原则为安全、高效、舒适、愉悦。首先,总结舰船人—机—环系统的典型特征:长期航行条件下作业环境恶劣;任务复杂、种类多、人力需求量大,对人员协作程度要求高;人机界面信息繁多,舰员的脑力认知负荷高。然后,将舰船人—机—环系统工程的技术体系划分为人机协同、人环协同、人—机—环特征评价和人机工程仿真4个部分,按照舰船人—机—环系统工程的技术发展脉络,即在舰员人体基础特性研究、舰船人—机—环系统工程总体设计应用、舰船人—机—环标准和规范的制订等相互迭代优化的基础上,通过引入海军人力系统集成(HSI)专业工程实现全舰系统的最优化,分别阐述国内外的研究现状。最后,根据技术体系划分,对我国舰船人—机—环系统工程未来的发展趋

势予以分析。关键词:舰船;人—机—环系统工程;人机工程;人因工程;工效学;技术体系中图分类号:U662.2 文献标志码:A DOI:10.3969/j.issn.1673-3185.2017.02.005

A review of warship man-machine-environment system engineering ZHANG Yumei China Ship Development and Design Center,Wuhan 430064,China

Abstract:Warship Man-Machine-Environment System Engineering (MMESE) is an integral part of the overall design, and its design principles were proposed according to safety, efficiency, comfort and pleasure. The typical characteristics of MMESE are summarized. The operating environment is extremely terrible on long voyages. High level collaboration is required due to the complex task system and large manpower demand. Owing to the dense computer interface information, the mental cognitive burden on the crew is heavy. The MMESE technology system is divided into four parts: man-machine coordinated, man-environment coordinated, the evaluation of man-machine-environment characteristics and the ergonomic simulation. Based on the MMESE development venation in this paper, the overseas and domestic research statuses are expounded. Interactive optimization can be realized according to the following aspects: researching the basic human characteristics of the crew, applying this to the warship's overall design, and formulating relevant ergonomic standards and norms. Next, Human System Integration (HSI) professional engineering was introduced comprehensively into the marines in order to achieve an optimal system. On this basis, we completed the future development trend analysis. All these studies and results have some reference meaning for guiding the integrated optimization of warships as a whole, downsizing the manpower and improving efficiency. Key words: warship; Man-Machine-Environment System Engineering (MMESE); man-machine engineering;human factors engineering;ergonomics;technology system

0引言

现代舰船是一个典型的、庞大的、复杂的人—机—环系统,舰员担负着直接使用、操纵该系统,保证舰船圆满完成其预定使命任务的重任。舰员的工作质量、操纵效能和生活条件将直接影响舰船作战能力、航行安全和各项战术技术指标的完成,是决定作战使用可靠性的重要环节[1]。Man-MachineEnvironment舰船人—机—环系统工程( System Engineering,MMESE )是总体设计中不可或缺的组成部分,是装备是否适合海军用户的关键纽带。设计人员需要根据舰员在舰船环境中作战、训练和长期居住的特点,通过研究人、机器和环境之间的相互作用,使机械设备和环境设计最大限度地符合舰员的形体、生理和心理MMESE,提出“安全、高特征[ 2 ]。因此,针对舰船效、舒适、愉悦”的总体设计原则。其中:安全是对舰员生命和健康的保障;高效则是以优化作战使用流程,提高全舰任务效率及减员增效为目标;舒适体现在提高居住性设计水平,通过创造良好的生活保障环境来弥补舰员在工作中损失的体能,并舒缓精神压力;愉悦融入了艺术设计理念,例如,追求情感附加值、注重用户体验等。基于任务需求、作业环境和人员特征的差异MMESE性,导致不同行业装备 的特点、研究重点和发展趋势也有所区别。在航天、航空、兵器与核能工业中,人—机—环系统中的“人”是指特定的单个人或几个人,人的因素研究逐步趋向于精细化。以目前代表国内工效学最高、最新水平的航天为例,根据其面对的长期空间飞行和载人深空探测任务需求,研究范畴涵盖了月球与火星探测等变重力环境下人的能力与绩效、星球表面舱外活动、人—机与人—人团队协作、航天人误预防和人因可靠性等各个方面[3]。而舰船作为一个由多人员、多部门共同操控,并且系统更加庞大、复杂台[4],人员编制动辄成百上千,在这里,的武器平人—机—环系统中的“人”指的是一个社会群体,因此在系统研制过程中往往会产生很多不同方面、不同层次的方案。为了解决舰船系统最优化的问题,需要根据海军的需求和相关规则对这些[5]方案进行模型化 。舰船的行业特点鲜明,基于MMESE专业自身的技术发展水平以及其多学科MMESE交叉的性质,导致将 应用于舰船还有许多可以深化挖掘的空间,而不能简单照搬或是生硬移植其他成熟行业的研究成果。本文首先将总结舰船人—机—环系统的典型 MMESE特征,即 研究关注的重点和难点;然后将MMESE技术体系划分为人机协同设计、人环协同4个设计、人—机—环特征评价和人机工程仿真部分,覆盖设计、评价和工具手段等各个方面;之MMESE后,基于舰员人体基础特征研究、舰船 总体设计应用、人—机—环标准和规范的制订等的Human相互迭代优化,引入海军人力系统集成( Systems Integration,HSI)专业工程,实现全舰系统最优化的技术发展脉络,阐述国内外相关研究工作;最后,与欧美等发达国家进行差距分析,在此MMESE基础上根据技术体系划分对我国舰船 未来的发展趋势予以分析。

1 舰船人—机—环系统的特点

舰船人—机—环系统的典型特征主要体现在以下几个方面。1)长期航行条件下作业环境恶劣。舰船在海上执行任务的时间长,机动能力强,常经历盐雾、高海况等恶劣的自然环境。为了应对陆、海、空、天、潜全方位的立体战场环境威胁,舰船功能和结构的复杂程度日益增加,呈现出“多元化、集成化”的特点,空间资源极为紧张[6]。而舰员长期工作、生活在这种密闭的舱室内,活动空间狭小、空气混浊,再加上高温与潮湿、噪声与振动、生物时钟的不规律,极易出现疲劳、浅眠、免疫力下降等症状,导致心理障碍,工作效率降低[7]。70据有关报告记载,潜艇航行 天以后,绝大多数艇员会出现梦多易醒、失眠烦躁、反应迟钝等症状,80%以上的艇员食欲明显减退,记忆力明显减56%,近一半的艇员还出现了牙出血、血压退的占降低、腹胀脉缓等现象,致使潜艇的整体作战能力大打折扣[8]。2)任务复杂,种类多,人力需求量大,对艇员的协作程度要求高。舰船装备规模巨大,系统设备繁多,操作使用复杂,导致不同等级战备状态下涉及的任务种类多,因而对人力的需求量也大。其中,驱护舰的人员编制一般达数百人,而航空母舰的人员编制则高达数千人。在舰船上,人员的组织结构是根据全舰的指挥和管理需求,依照职能、区域、技术等[9]分类形式来进行混合设置 ,由多个工种共同协作完成大量繁杂的作业。全舰系统的整体效能取决于各项任务的综合执行情况[10],例如,在高海况下,舰面补给接收任务工作环境恶劣,作业流程复杂,包括索道牵引、设备对接、物资转运等[11],稍有不慎就会发生机毁人亡的悲剧,故在时间、空间有

限,以及人流、物流和信息流高度密集的情况下[12],对舰员的协作程度提出了更高的要求。3)人机界面信息繁多,舰员脑力认知负荷高。随着设备自动化水平和智能化水平的不断提高,电子综合显示器和多功能键盘逐渐取代机电式仪表与传统控制器,舰员的作用由操作向监控转移[13-14],导致人机之间的信息交流量呈爆炸式增长,易造成舰员心理负担重、警觉水平过高等现象,甚至是超出人的精神负担和工作能力的限制。例如,在舰用核动力控制室这种有限的空间内,监控设备集成度高,信息来源分布广,结构关系错综复杂[15],舰员需面对人机界面呈现出的海量信息进行判断和决策,否则将直接影响战争的胜负和人员的生命安全,进而成为诱发核动力系统故障的潜在危险因素[16]。

2 舰船人—机—环系统工程的技术体系

MMESE舰船 的技术体系由人机协同设计、人环协同设计、人—机—环特征评价和人机工程仿4真 部分组成。人机协同设计技术是指针对舰船复杂的人机系统,基于人体测量、认知技术等基础科学知识范畴,通过协调人机之间作业交互、信息交互关系,使人机界面作业域设计与集成、信息显示与控制符合舰员的生理和心理特点,从而达到改善劳动条件、减少能量消耗、减轻疲劳、降低事故发生率和提高工作效率目的的设计技术[17],包括视觉、听觉、语音等信息交互界面设计技术以及体能作业的操纵器和控制器等作业交互界面设计技术。本技术在不增加设备数量和系统复杂程度的前提下,用于协调人机关系,简化工作流程,降低劳动负荷,提高工作效率,实现全舰人机界面集成优化和人员配备优化,有效控制舰体容量和排水量,从而降低全寿期费用。人环协同设计技术是指根据舰船物理、化学环境特征以及运动环境特征,基于心理学、医学、工效学、环境科学等原理,通过人与环境共处作用中两者的适配关系建模和综合平衡分析,为舰船[18] [19]、振动[ 20 ]、舱室环境(包括空气品质 、热舒适性[21] [22]、照明[ 23 ]、色彩[24]、材料[25]等)、噪声 、电磁辐射船舶垂向运动[26]的控制以及舰员的防护设计提供设计输入的技术,包括舰员的工作和生活特征建模技术、人机相互作用表征的分析技术以及环境设计要素的综合平衡技术。本技术用于为舱室、 运动等环境条件设计及评价标准的制定提供依据,从而实现在有限的条件下控制环境条件以适应舰员工作及生活的不同需求,进而提高工作效率及安全性,改善生活条件。人—机—环特征评价技术是指针对舰船人—机—环系统工程,主要围绕标准、规范开展应用设计(其总体性能分析和评价依赖于专家的主观意见及设计经验),基于人的控制与决策模型、人的可靠性等人体基础科学范畴知识,通过语言描述、图形描述、数学建模、实物模拟、虚拟仿真等技术手段制定评价人—机—环系统效率的途径、方法和标准,实现定性+定量评价的技术[27],包括评价人—机—环系统总体性能的途径及方法、人—机—环之间相互关系的评价标准等。本技术用于为实现人—机—环系统多方案评价和优选,提出最适宜舰员工作、生活的机器和环境条件而提供判断依据及实施途径。人机工程仿真技术是指针对舰船人—机—环系统在总体设计阶段仿真、测试、试验和演示验证CAE手段的不足,通过 技术或陆上实物模拟的方式,对已有或预设方案进行人—机—环系统的仿真与分析评价,解决因其性能指标滞后于检验而对产品设计质量带来不利影响的问题,实现方案评估与优化的技术[28],包括虚拟人建模及运动控制仿真技术、人—机—环特征数据采集及建模技术、数字样船和环境建模技术、系统信息集成及管控技术、基于虚拟现实的人体运动扩展技术,以及人机工程仿真分析评估技术。本技术可以以较少的投入、较低的经费和较短的周期,完成对已有或预设方案人—机—环特征的评价,并提出改进意见或推荐方案,从而为辅助完成人—机—环系统多方案评估和优化提供先进的技术手段。

3 舰船人—机—环系统工程的研究现状

MMESE在舰船 研究方面,欧美等发达国家的技术较为成熟,并且有相关的标准指导舰船设计、MMESE试验及评价[29]。舰船 的发展主要遵循“舰MMESE员人体基础特性研究”、“舰船 总体设计应用”、“舰船人—机—环标准和规范的制订”三者相互渗透,并随着装备的升级换代和作战使用需求的变化不断迭代优化的发展规律,开展舰船MMESE的整合分析及评价工作,然后在此基础上HSI通过引入“专业工程”实现舰船系统的最优1化,如图 所示。

1)舰员人体基础特性研究。1995年,美国针对“尼米兹”级核动力航空母1 017 10舰的设计,对 名舰员进行测定(包括 项人体动、静态数据测量指标),提出了改进武器装备2003~2009设计最新参数依据和指标的要求。Mr.vivid年,美国开发了 人体模型用于检验航空母舰三维设计操纵空间。该人体模型可以模拟站立、坐、蹲、爬等姿态,可伸展手臂操纵设备,关节可旋转并具弯曲自由度限制,主要用于辅助测量作业空间能否顺利进入,各种设备是否可达和便2009 Jena控[30]。于操 年,德国 大学建立了基于体力、智力及情绪周期性波动节律(Physical Sensitive Intellectual,PSI )理论的简易虚拟舰员模型,旨在解释和描述舰员的心理过程和行为特点,以作为虚拟船桥测试工具[31]。2)舰船MMESE总体设计应用。使用与维修作为装备全寿命周期中的关键环MMESE节,是舰船 关注的重要领域。在技战指标要求不断提高的情况下,开始越来越多地考虑产品的费效比、使用与维修问题。为了在总体设计阶段就能充分评估舰船后续过程中的问题,并尽可能提前暴露和解决,进而促进设计的改进,提出了利用计算机仿真与可视化技术,在虚拟环境中[32]开展设计方案验证和优化的解决方案 。2005 Dalpiaz CAD等[33 ]采年, 用 技术,结合人—机—环设计纲领性要求与导则,针对美海军干货弹药补给船进行了工效评估。2007年,洛克希德·马丁公司海空集成实验室的着陆和舰载适F35应性研究小组在 战斗机项目中,利用全尺寸沉浸式投影系统、人体实时动作捕捉系统和力反Virtual Reality,VR馈装置等虚拟现实( )设施,通3D 3D过 激光扫描仪快速捕捉和创建 模型,综合考虑基地和舰船适用性、人机工程、维修性和可靠性等因素,完成了内部武器装载、紧急捕捉钩操 作、联合发电装置维护、加油装置降落检查保护、发动机拆卸、升力风扇拆卸、捆绑装置操作、水上维护时的飞机尾翼操作、噪音控制、外部武器装载、飞机清洗、分布式孔径有效区检查等装备在使用、维修和技术保养等过程中的虚拟仿真模拟分析,其通过在早期发现和解决问题,积极有效地改善了飞机设计,解决了多个核心领域的整合问题, 7.5亿美元[34]。为设计变更节省了3)舰船人—机—环标准和规范的制订。《军事系统、装备和设备的人机工程要求》与《军事系统、装备和设备的人机工程设计标准》是美军人机工程设计的总标准,其中详细叙述了各项设计的要求,包括许多重要的研究成果和在武器发展中积累的宝贵经验[35]。另外,对于水面舰船和潜艇,也有专门的人—机—环标准和规范。我国有关舰船人—机—环方面的标准和规范主要包括《军事装备和设施的人机工程设计准则》、《军用视觉显示器的人机工程设计通用要求》和《舰船人机工程要求》等[36],其中针对设备的人机界面要求、舱室工作环境、居住环境要求[37]以及操作性、维修性、安全性要求等具体的工程问题进行了规定。4)全面引入HSI专业工程学科。Naval根 据 美 国 海 军 研 究 咨 询 委 员 会( Research Advisory Committee,NRAC)的统计,在一用(Total Ownership Cost,TOC)艘舰船的总保有费 70%,而其中舰员及服务保中,使用和保障费用占60%[38]。美国海军成立了HSI障费用就占据了近办公室,对过去舰船设计中因忽略系统工程中由HSI人员因素引起的弊端进行了分析,提出了 设计方法,在综合考虑人因工程、人力、人事、训练、居住性、舰员生存能力以及环境、安全和职业健康等因素的基础上,力求在提高舰船性能的同时以最少的舰员来最有效地操纵舰船,从而在不影响作战效能的前提下减少舰员配置要求,降低全寿[39]期费用 。DDG-1000 HSI非首艘采用 设计方法的舰船, HSI但 的功能和作用却在其研制过程中得到了充HSI分体现,被美海军誉为 设计方法的“最佳实践应用案例”。DDG-1000首次将舰员(148人)作为Key Performance Parameter,关键的性能参 数( KPP)融入到了早期的设计决策中,这就意味着与DDG-51 ⅡA型舰船相比,DDG-1000这艘排水量5 000 52.8%的减员率,比其重 多吨的舰艇将实现同时还将实现比其更高、更复杂的性能要求。为了实现这一高难度的减员目标,DDG-1000以“零

HSI基础人员配备”概念为开端采用了 设计理念,并将其贯穿于系统设计的全过程。在具体的研制HSI过程中, 设计遵循了一种各系统相互关联的重复性、螺旋型设计流程,始终围绕“以舰员为中148心”的核心思想来实现 名舰员的优化配置。例如:分析和明确了舰员的数千个任务及相应的特征,并将其绘制成了任务线索活动表;将任务分HSI析结果输入到了 任务数据库以供重复利用,包括各个任务的操作人员、操作人员的知识技能要求、所需工具、优先权、重要性、持续时间、特征等信息;分析并对比了各个岗位每分钟的工作量以及嵌入自动化技术之后的工作量变化情况,以寻找减员的空间;利用舰员模型进一步细化舰员Engineering Design设计;利用工程设计模型( Model,EDM)和相关技术进行适用性测试,验证舰HSI员编制规模和工作量等。基于 设计方法的应用,DDG-1000最终实现了预期的性能提高、风险控制、费用降低、人员编制规模缩减等目标[40]。

4 舰船人—机—环系统工程的发展趋势

MMESE舰船 的发展呈现多学科交叉和逐步实现模型量化分析的态势,注重人体基础科学与工程技术的有机结合[41],并广泛应用于舰船总体研制全过程。相比欧美等发达国家,由于缺乏完善的理论体系和模型化方法,以及技术手段的不MMESE足,我国舰船 目前仍处于分散和孤立研究的阶段。在分别满足舰船人、机、环境工程设计要求的前提下,如何在总体上进行集成优化设计,从系统的高度来考虑人—机—环的关系问题,使舰船这个巨系统最优化,在我国舰船设计中尚未得到很好的体现。MMESE基于 技术体系,将分别从人机协同设计、人环协同设计、人—机—环特征评价和人机工4 MMESE程仿真 个方面,对我国舰船 的未来发展趋势进行阐述。1)应用HSI设计方法开展舰船设计是当今舰船行业最为热门的技术。以“零基础人员配备”概念为开端,人机功能分配侧重于最大化机器的角色、最小化舰员的角色,在实现减员的同时提高系统性能,始终围绕“以舰员为中心”的核心设计思想[42]开展装备研制并优化人员编制方案,将成为舰船总体设计的重要发展方向。2)传统的设计思想往往局限于经典工效学,着眼于人机界面、人机交互的优化设计,而忽略了 舰船社会环境的特点:舰上人员编制复杂;舰员长期处住在密闭、狭窄、独立的空间中,远离家庭和陆地[43]。可通过引入美学设计方法[44],将船舶科学与设计艺术学融会贯通,追求舰船作战使用特征与审美价值的统一,满足舰员的情感需求[45],从而实现“从单纯的功能实现到注重用户的整体体验”设计理念的转变。3)在装备研制过程中,利用生物医学技术客观判断舰船的物理、化学和运动环境对人的影响。采取新材料、新产品和特殊结构的形式来改善舰船舱室温度、湿度、空气品质,以及振动、噪声、电磁辐射、照明和色彩等微环境条件[25,46],或者根据舰员的耐受特征,在特定环境下提出新的管理手段以适应该环境的特点,将成为未来人环协同技术的研究重点。4)结合生理参数测评、访谈法、观察法、量表调查法和仿真技术等手段,在主观评价方法的基础上逐步引入客观评价方法,并建立结合主、客观评价结果的舰船人—机—环特征评价标准[47-48]。在客观评价方法成熟以后,将形成多层次、多维度、定量的人—机—环特征评价体系,进而牵引实现舰员作为一个有机和主体部分被设计于舰系统中[49]。由于充分考虑了人的能力和局限性对于舰船综合效能的影响,因此可以自上而下地优化人机功能分配,系统地开展舰员工作负荷量化分析评价和总体设计改进。5 )随着计算机仿真技术的不断发展,采用CAE技术进行人—机—环特征评价将成为未来的主流趋势。将利用立体眼睛、数据手套、全人体动VR作捕捉系统等 工具实现人体运动的扩展[50],人机工程仿真将大量应用于舰船空间布局和作业环境中,以进行人体动作的接触可达性和视觉可达性检查以及姿态评估、生物力学分析等。可通过采集舰员生理尺寸、骨肌生物力学和认知功能等基础数据,构建数字人仿真推演平台,开展作业流程仿真,评估舰船人—机—环系统的综合效能,验证全舰人员编制是否能够保障作战使用效能和系统任务的充分发挥以及满足多任务剖面及工况的系统人力需求[51]。

5结语

“以人为本”和“减员增效”是现代舰船设计发展的主旋律。舰船作为复杂的社会技术系统,单纯地依靠技术系统性能的提升来实现其整体性能的最优化和高绩效,实际上已到了瓶颈阶段。如MMESE何利用 原理,实现从强调事后把关,到逐

步转变为将人的因素设计特征提前介入到舰船总体设计全过程,是当前面临的难题。本文提出了MMESE舰船 设计原则,针对其特点、技术体系、发展脉络和未来趋势等进行了系统的梳理和总结,对指导舰船总体集成优化、提高舰船综合效能、缩减人员编制、节省全寿期费用等,实现从“人适应机”到“人—机—环协同”舰船总体设计理念的更新具有一定的参考意义。

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图1 舰船人—机—环系统工程发展脉络图Fig.1 Development venation of warship man-machineenvironment system engineering

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