船舶操控台显示-控制界面工效学设计研究.pdf

作者简介:王子莹()女江西省上饶市人博士助理研究员研究方向:人因工程(电话)(电子信箱).通讯作者:王川()男山东省青岛市人博士副 研 究 员 研 究 方 向:人 因 工 程(电 话)(电子信箱).船舶操控台显示 控制界面工效学设计研究王子莹彭军王小军经纬王川(.海军军医大学(第二军医大学)海军特色医学中心上海.海军装备部北京.海军军医大学(第二军医大学)附属长海医院上海)【摘要】船舶操控台是复杂的、庞大的、典型的人 机交互系统 本文概述了国内外船舶操控台人机界面工效学设计研究现状介绍了研究船舶操控台显示 控制系统的工作环境、任务特性、功能特点、使用工况以及操纵员的生理、心理和行为特征等内容 建议在进行理论分析、模拟实验及虚拟仿真研究的基础上提出船舶操控台显示 控制界面工效学设计的关键技术及研究路径为船舶操控台显示 控制界面的工效学设计提供参考依据【关键词】船舶工程人因工程工业设计人机交互船舶操控台显示 控制界面工效学设计中图分类号:.文献标识码:文章编号:():./.引言船舶操控台是复杂的、庞大的、典型的人机交互系统 船舶操控台上显示控制界面由若干个子系统组成显示器和控制器在功能上不是孤立的一个控制器一般由相应的显示器反馈其操作的正确性因此显示器和控制器的应用不仅应使其各自的性能最优而且应使他们彼此之间的配合最优 在整个操控台显示控制系统中人始终处于主导地位操作人员的能力、特性、技能、任务、生理和心理特点必须纳入考虑因此针对船舶操控台显示控制系统应从“人显控”三者相互作用和匹配的角度来系统考虑操控台显控界面的综合设计问题 研究船舶操控台显示控制界面人机工效学设计评价对于减少操控台操纵员的人因失误、提高作业效率并保障航行安全有重要意义随着全球贸易增长游弋在海上的船舶越来越多海难事故逐年增加海难事故中 以上事故与人为因素有关 针对深入人机界面研究改进船舶操纵人员的舒适度和操作效率减少疲劳预防海难事故的发生采用操纵人员对船舶设备管理和合理布局保证人员效率研究分析自动化增加船舶操纵安全性论述大风浪合适的座位有效减少冲击载荷提出了合适的照明、仪表的使用、人体测量学的作用和供暖、通风研究为解决人机界面研究提供借鉴 核心在于梳理船舶航行中的涉及到的人机界面的影响因素并采取针对性的预防、改善、优化措施从而为船舶安全航行提供更好的保障 人机交互系统可以视为一个闭环系统如图 所示 操纵员通过视觉和听觉等感官接收来自机器的信息经过大脑的加工、决策做出反应实现人一机之间的信息交互再以神经冲动的形式通过手部等效应器官向人的运动系统做出运动输出指示 如此反复循环使对象系统的运行符合预定的要求在这个过程中要求操作人员与显示器及控制器之间应具有良好的配合关系这种关系在某种程度上要与操作人员的期望相一致这些期望会影响操作人员的工作绩效如反应时间、出错率以及满意度等图 人机交互示意图人类工效学 年 月第 卷第 期 .当前船舶操控台显控界面具有显著的特点一是面临的显示和控制类的信息量极大地增加这些信息需要操作人员及时、准确的加以处理和操作任何信息遗漏或错误操作都有可能导致重大失误二是紧张度增加 这种特点要求操纵员在给定时间内要处理更多的信息进行更多的反馈及操作由此造成操纵员的精神疲劳、脑力和体力负荷程度也较陆上人员更为严重在这种情况下人因失误成为引成系统失效或者事故的重要的根源之一 在复杂的控制系统中很多重大事故和人机系统设计不当所引起的人的失误有关 在历史上仅有的几次却影响重大的核电站事故中美国三里岛核电站事故就是因为操作人员无法依据现有的操作规程和仪表指示判断出稳压器泄压阀不回座而造成的小破口失水事故在当今设计工业企业事故中约有以上直接或间接源于人的因素在国内核工业事故中约有 与人因有关而人的差错基本上都是在人与系统的显控界面进行交互的过程中出现的尤其是在具有较高工作负荷的情况下 由于人行为的复杂性人因失误不可能完全消除但可以最大限度地减少它从而有效降低系统风险针对这种情况尤其需要运用工效学理论、方法对操控台的显示控制界面从整体上进行合理的规划、设计和整合 在进行显控界面的设计中应根据具体的使用环境按照人的生理特点、使用习惯和认知特性进行合理设计以便让操作人员快速、准确获取相关信息并对相关装置进行控制减轻操作过程中的人因失误 因此有必要对船舶操控台显示控制界面设计的工效学要求进行深入研究并将这些要求以标准的形式予以推广使用以提高船舶操控台控制界面设计的使用质量减少船舶控制室人因失误这对于保障船舶航行安全和整体效能的发挥以及船舶操纵员的安全健康都具有重要的作用 国内外现状.国内研究现状陈亮等人采用 建模软件建立舰船舱室的三维模型通过 平台及 编程语言对模型进行实时渲染的应用开发通过获取的物体及视点的坐标查找阻挡视线的遮挡物并将其剔除实现目标对象的无遮挡显示 郑莹研究了 组网系统在船舶导航与通信系统中的应用利用其易于组网的特点对导航信息进行精确的处理以满足航行的要求 文章重点讲述了该网络的主要组成原理并采用了一种优化算法主动降低了网络节点之间的传输延时使得该系统能够满足船舶导航数据的显示要求 张华平介绍了多分割画面显示技术的原理和四分割画面显示的工程实践给出了四分割画面显示的硬件框图 刘志宏等提出了一种应用于大型舰船集网络通信、数据接收处理、信息显示功能于一体的信息综合显示系统使船长可以及时、准确、全面的掌握全船的各种信息以及舰船外部传来的各种信息大大提高舰船的操控性和航行安全性 王宏智针对舰船数据采集与显示、机舱自动控制提出了智能监控系统的设计方案 钱江等采用层次分析法构建驾驶室人机工程设计评价指标体系及指标权重关系建立基于中心点高斯分布白化权的综合价值聚类评价模型以集结人机关系评价信息综合价值灰类应用仿真技术构造驾驶室数字化人机工程设计主、客观综合评价系统以高效、直观地实施人机工程综合评价 最后通过驾驶室人机工程设计评价实例验证了该方法的可用性及有效性 国内针对船舶操控台显示控制界面工效学设计要求研究较少缺乏量化的设计依据.国外研究现状国外组织机构针对船舶驾驶室操控界面研究方面制定了相关标准主要包括:国际海事组织 于 年制定的标准船桥设备和布局的工效学指南(/.)内容涉及船桥(包括驾驶室)布置、作业环境、工作站布置、报警、控制界面、信息显示、交互控制等 个方面的驾驶室人机界面设计要求国际海上人命安全公约 于 年制定的标准船桥设计、设备布局和程序(/)内容涉及驾驶室功能设计、航海系统及设备设计、布置、船桥程序等其显著特点是对于驾驶室团队管理作出相关要求包括船桥程序、船员培训等从各个国家来看美、英等西方国家在军事系统工效学方面的研究已具有较大的规模也制人类工效学 年 月第 卷第 期 .定了一系列军用标准 美国军方军事系统的人机工程学设计准则包括“人机工程系统的分析数据”(.)“军事系统人机工程学设计准则”(.)以及 年修订的“人 机 工 程 过 程 和 程 序 标 准”(.)的第一版发布于 世纪 年代(年)在第二次世界大战期间当时各交战国竞相发展新的高性能武器装备但由于人机界面设计上的不合理人难以掌握这些新性能的武器导致发生了许多事故 因此二次大战结束后首先美国陆航部队(以后成为美国空军)和美国海军建立了工程心理学实验室进行了大量的控制器、显示器等的人因素研究获得了大量的数据并开始将这些研究成果汇编成手册或制订成各种有关人类工程学的标准或规范 是在这样的时代背景下产生的该标准是为军用系统、子系统、设备和设施制定通用人类工程学设计准则由美国陆军、海军和空军等多个单位评审由美国国防部批准并强制性要求美国国防部所有单位和机构使用具有较广泛的影响 该标准在控制 显示综合设计章节有针对显示控制系统通用设计规则的阐述美国在船舶人机工程领域的投入力度也较大不但开展了一系列的船舶人机工程专项试验而且颁布了多项船舶人机工程设计标准和文件主要侧重于研究人机环境对船舶的战斗力的影响 其中 海军系统装备和设施的人因素工程设计标准是一个通用型标准涵盖了控制、显示和告警、楼梯和台阶、标识和计算机、工作空间布局等海军设计的所有元素英国国防部于 年组织建立的船舶 系统对船舶人机界面涉及的多方面问题进行梳理和整合将人机界面研究作为船舶系统设计的一个重要环节以提高人机界面设计在船舶项目中的优先级别 英国国防部 年 项目计划将早期人机界面设计干预纳入到舰艇设计系统中并委任专业公司进行舰艇人机界面设计评估及编制评估报告 研究内容.显示控制界面的相互作用研究深入研究船舶操控台显示控制界面中的主要人因问题从操作人员的生理特点、信息加工特点以及行为习惯出发梳理影响操控台显示控制界面操作绩效的因素研究操作人员特性对显控系统设计的影响规律.显示控制界面工效学综合设计原则研究根据船舶操控台的任务特点和功能形式提取操控台显示控制系统典型特征从系统对任务的适合性、信息的有效性、可控性、容错性等方面研究确定船舶操作台显示控制界面的工效学综合设计原则.显示控制界面工效学布置研究在布局设计中相关的显示器与控制器之间应相互对应和适应即应具有相应性 本研究基于操作人员的操控特点充分考虑显控要素的重要性、使用频率、使用顺序从显示器和控制器的逻辑位置相应性、运动方向相应性、信息表达相应性、信息编组及功能区域表达等方面研究建立显示控制界面布置的工效学要求 关键技术.关键技术()人的特性与显示控制界面使用绩效关系的研究船舶操控台显控界面涉及到的工效学因素较多需对操控台显示控制界面上典型要素的类别、工作条件、使用情境等进行深入分析并综合考虑人体生理和心理特性的复杂性才能使得操控台显控系统工效学设计具有科学性和较好的适用性()显示控制界面设计要求的凝练和提取结合具体的船舶操控台显控界面的特征进行工效学综合分析和整合提炼出能够涵盖船舶操控台显控界面各装置的规律并具有较好的适用性及较强的针对性是显示控制界面工效学设计研究的重点.研究路径针对船舶操控台显控界面工效学设计的技术需求综合运用定性研究与定量研究方法构建船舶操控台显示控制界面综合设计工效学要求 具体研究路径如图 所示人类工效学 年 月第 卷第 期 .图 研究路径()论证分析利用文献查阅、操作人员特性调研、显示控制界面使用情景及任务分析、专家咨询等方法结合显控界面的工效学特性对船舶显控界面各装置进行分类对其工效学指标进行论证分析确定具体研究内容()船舶操控台显示控制界面工效学设计要求框架和工效学指标的确定基于论证分析阶段确定的基本研究内容使用功能分析、需求分析、问卷调研等方法建立船舶操控台显控界面工效学设计框架并确定其中包含的工效学指标为工效学综合分析及实验的开展提供参考()工效学综合分析及实验根据显控界面工效学指标确定实验测试任务设计实验方案对设计指标进行工效学实验测评 实验采用定量实验方法、定性实验方法以及定量定性相结合的方法 定量实验方法主要包括虚拟仿真等方法对操纵员完成给定任务进行定量的评测 定性实验方法主要包括基于任务的检查量表、问卷调查、认知走查、行为观察等对被试的主观感受和使用绩效进行定性评估()技术要求和设计标准的建立在对得到的实验结果进行深入数据挖掘、统计分析和凝练充分咨询工效学领域专家、船舶设计人员、显示控制界面使用人员的意见对结果进行适用性分析形成船舶显示控制界面工效学设计要求 总结船舶操控台显示控制界面设计工效学研究要求其设计更为合理更加适合人的特点用于协调各子系统间的相互关系为显示及控制界面的设计人员做出合理选择和决策以及改进优化提供依据 大大减轻船舶操纵员的认知负荷提高操作效率减少误操作的概率提高操纵员对于突发事件的反应速度确保可靠性和安全性以及各项任务的圆满完成参考文献 李成海胡甚平辛小辰等.船舶航行中的人机界面研究.天津理工大学学报():.陈亮欧阳清刘志强.虚拟舰船舱室的无遮挡显示研究.舰船电子工程():.郑莹.网络在舰船通信与导航终端显示模块的应用.舰船科学技术():.张华平.多画面显示技术及其在舰船中的应用.舰船电子工程():.刘志宏吕云飞吴坚.一种大型舰船的信息综合显示系统研究.船电技术():.王宏智张冬梅贾小平.舰船机舱智能监控系统的设计研究.造船技术():.钱江余昆颜声远等.大型船舶驾驶室数字化人机工程设计评价方法.中国舰船研究():.收稿日期 修回日期 让交通更有序等待让红灯更美丽礼让让让让让让让让让让让让让让让让让让让让让让让让让让让让让让让让让让让让让?让让让让让让让?让让让让让让让让让让让让让让让让让让让让让让让让让让让让让让让让让让让让?让让让让让让让?人类工效学 年 月第 卷第 期 .