基于人因工程的多屏一體化控制臺設(shè)計研究

中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 國家級工業(yè)設(shè)計中心 侯愛軍 張亞玎 戴偉

多屏一體化控制臺作為一種具有信息傳導(dǎo)、情報研判、人機(jī)交互能力的電子信息裝備載體，在飛控、指控等多領(lǐng)域的控制系統(tǒng)中承擔(dān)著重要任務(wù)分工[1]，不同技術(shù)要求、不同的使用環(huán)境、不同的功能需求、不同的操作模式和不同的審美觀念對顯控臺設(shè)計有不同的要求[2]?？刂婆_的發(fā)展歷程經(jīng)歷機(jī)柜鈑金結(jié)構(gòu)控制臺、琴式模塊化控制臺和開放式復(fù)合結(jié)構(gòu)控制臺三個階段，應(yīng)用模式從專一化逐步發(fā)展到通用化、模塊化、智能化[3]，未來正向復(fù)合化提升邁進(jìn)。文章以多屏一體化控制臺為研究對象，基于人因工程理論，開展裝備總體設(shè)計，并通過數(shù)字化建模仿真對其進(jìn)行人機(jī)系統(tǒng)評估，推動人因工程技術(shù)在控制臺設(shè)計中的深入應(yīng)用。

1 人因工程概述

人因工程學(xué)是運(yùn)用人體測量學(xué)、生理學(xué)、心理學(xué)以及工程學(xué)等學(xué)科方法綜合地進(jìn)行人體結(jié)構(gòu)、功能、心理等問題研究的學(xué)科。它將“人—機(jī)—環(huán)境”系統(tǒng)作為統(tǒng)一的整體來研究，以設(shè)計輸出適合于人操作的機(jī)械設(shè)備和作業(yè)環(huán)境，使“人—機(jī)—環(huán)境”系統(tǒng)相協(xié)調(diào)，從而更能有效發(fā)揮系統(tǒng)作用[4]。在多屏一體化控制臺的設(shè)計研究中，應(yīng)基于作業(yè)操作范圍、視域、容膝空間等人員生理特征，結(jié)合控制臺組成部件的使用特性將人因工程設(shè)計與分析方法應(yīng)用于多屏一體化控制臺設(shè)計全流程。由此完成控制臺人機(jī)工效設(shè)計，可提升人員的操作安全性、舒適性，增強(qiáng)裝備可靠性與抗外界環(huán)境干擾性，提高人機(jī)交互密切程度，確保任務(wù)完成效率，減少人為失誤等。

2 多屏一體化控制臺發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

2.1 發(fā)展現(xiàn)狀

控制臺作為一種具有顯示、控制和人機(jī)交互操作功能的設(shè)備被廣泛應(yīng)用于各種大型系統(tǒng)中。國內(nèi)外車/艦/機(jī)載控制臺運(yùn)用大范圍體塊造型及倒角處理，增加整體造型的力量感，塑造穩(wěn)重、可靠的機(jī)械產(chǎn)品風(fēng)格；地面控制臺通過面塊切割并和氛圍等組合應(yīng)用，塑造機(jī)械造型質(zhì)感，鈑金材質(zhì)搭配抗倍特板等材料，造型多變，具有較高參考價值；未來概念控制臺是控制臺設(shè)計歷程中一只重要分支，前衛(wèi)的設(shè)計思路與的獨特的設(shè)計效果為控制臺的設(shè)計提供了無限可能性。其中有機(jī)造型類大量使用曲面、圓角和流線特征，配色柔和，造型新穎而有親和力，符合零重力人體工學(xué)，這類控制臺突破了固有結(jié)構(gòu)形式的束縛，采用體感互動、環(huán)抱式席位、全息投影等設(shè)計形式，塑造星際航行、零負(fù)荷交互等科幻形象語義。

2.2 設(shè)計趨勢

通過對國內(nèi)外現(xiàn)有的不同類型控制臺分析得出，未來控制臺設(shè)計趨勢呈多維化，如圖1所示。首先具有趨于完善的集成智能化設(shè)計，多層次的集成設(shè)計提高了用戶的作業(yè)效率；交互技術(shù)不再局限于支持單一的界面交互實現(xiàn)，多維度立體的交互體驗將成為未來控制臺設(shè)計主流。同時用戶的需求決定控制臺不再是固定單一技術(shù)與成本投入的批量化產(chǎn)品，用戶通過不同功能的應(yīng)用與高低配置的選裝，為控制臺設(shè)計提供更為優(yōu)選的成本和技術(shù)投入。未來多屏一體化控制臺設(shè)計呈現(xiàn)多維化趨勢，不同交互形式的糅合與全面的用戶需求定位衍生出不同系列化造型的產(chǎn)品，智能集成式設(shè)計使控制臺不僅能完成基本的任務(wù)處理工作，也能全方位的提升控制臺人機(jī)協(xié)同能力。

圖1 未來控制臺設(shè)計趨勢

3 基于人因工程的多屏一體化控制臺設(shè)計分析

3.1 多屏一體化控制臺設(shè)備組成

現(xiàn)有多屏一體化控制臺主要由硬件和軟件兩部分組成，硬件即操控臺，軟件即監(jiān)控配套軟件。每個多屏一體化控制臺由操作臺、顯示屏、鍵鼠、油門臺、操縱桿、腳蹬和一套中控臺組成。根據(jù)控制臺多維化設(shè)計趨勢，現(xiàn)有多屏幕一體化控制臺存在人機(jī)協(xié)同性較弱，智能集成性較低，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組成單一導(dǎo)致用戶需求度滿足不高，產(chǎn)品造型系列化程度較弱，辨識度不明顯等亟待解決的問題。如圖2 所示，為提高智能集成性，在多屏幕一體化控制臺部件構(gòu)成的基礎(chǔ)上增加多模態(tài)交互組件，完成未來多屏一體化控制臺部件構(gòu)成。

圖2 未來多屏一體化控制臺部件構(gòu)成

3.2 多屏一體化控制臺人因要素分析

多屏一體化控制臺作為多任務(wù)處理平臺，具有部件數(shù)量多、處理信息量繁瑣等特點，尤其在有限的操作空間內(nèi)長時間工作，良好的人機(jī)和外觀設(shè)計能增加作業(yè)人員舒適度，降低生理、心理疲勞，發(fā)揮作業(yè)人員最大的工作效能[5]。

1）作業(yè)操作范圍。操作域分為水平作業(yè)域與垂直作業(yè)域，多屏一體化控制臺空間主要涉及人體坐姿相關(guān)構(gòu)造尺寸，其中作業(yè)域是指人的四肢活動范圍。實際上是作業(yè)人員在不同工作場景中，在某種姿勢下四肢能接觸到的空間領(lǐng)域[6]。

2）視野范圍。多屏顯示區(qū)與作業(yè)員眼位處于上下30°的最佳視域內(nèi)，最大視域角度不超過85°，上顯示器的傾斜角度為20°，如圖3 所示。多屏工作區(qū)內(nèi)尺寸狹小，屏幕較多，因此極易造成眩光[7]。為了提升操作人員的舒適性，控制臺須保證作業(yè)員的頭部處于正常姿態(tài)觀看顯示區(qū)，頭部和眼睛保持不動或眼睛輕松轉(zhuǎn)動時，注重防眩光設(shè)計。

圖3 控制臺視域

3）設(shè)備坐姿范圍。作業(yè)員在執(zhí)行任務(wù)時主要的操作姿態(tài)為坐姿，因此應(yīng)根據(jù)坐姿時的人體相關(guān)尺寸、按照國軍標(biāo)GJB2873-1997 中中國成年男子人體測量值的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[8]。控制臺人因要素設(shè)計以上述設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，以典型的我國成年人人因要素特性為依據(jù)，基于控制臺組成機(jī)構(gòu)開展作業(yè)任務(wù)分析，根據(jù)作業(yè)需求提出控制臺設(shè)備坐姿范圍的參考[9]，見表1。

表1 多屏一體化控制臺人因設(shè)計參考范圍

4 多屏一體化控制臺設(shè)計方案與人機(jī)評估

4.1 多屏一體化控制臺設(shè)計方案

在造型關(guān)鍵詞的甄選中，開放式、模塊化、科技造型、機(jī)械造型、軍工力量感等均可成為設(shè)計著眼點。在滿足基本功能的基礎(chǔ)上，增加人臉識別系統(tǒng)、可折疊水杯托、指紋識別系統(tǒng)等。在材質(zhì)選擇方面選擇開放式復(fù)合材料，較相同尺寸的金屬骨架能減輕約40%的重量，更適合搭載運(yùn)輸載體。屏幕角度調(diào)節(jié)、提示燈、觸摸屏等多模態(tài)交互技術(shù)的前瞻應(yīng)用致力于控制臺設(shè)計操作簡易化、智能化提高人機(jī)交互體驗。

4.1.1 整體造型方案

借鑒專業(yè)設(shè)備的品質(zhì)感，融入航空器的通用特征來展開，諸如機(jī)翼、氣流等線條特征來建立控制臺的外觀雛形[9]。整體外觀的設(shè)計遵循人因工學(xué)準(zhǔn)則，該多屏一體化控制臺設(shè)備提取無人機(jī)輪廓線條造型，結(jié)合硬朗的型面設(shè)計語言塑造出控制臺穩(wěn)重硬派的形象，運(yùn)用深灰色系色調(diào)搭配，由內(nèi)至外詮釋現(xiàn)代顯控設(shè)備品質(zhì)。該控制臺具有復(fù)雜的人機(jī)交互特性，包含可升降多屏組合顯示終端、多功能人機(jī)交互面板、可升降鍵盤、鼠標(biāo)、手枕、方向操縱桿、油門臺、腳踏、可翻轉(zhuǎn)水杯托架、氛圍燈等部分組成。同時具有人臉識別、人機(jī)交互特征記憶、機(jī)構(gòu)電動控制等復(fù)雜人機(jī)交互功能。

根據(jù)控制臺多屏顯示區(qū)、工作臺面區(qū)及桌面以下操作區(qū)（包含腳踏）三個區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，臺體臺面功能分區(qū)采用階梯分布式設(shè)計，造型更具有層次感。保留基本功能的前提下，增強(qiáng)人機(jī)體驗舒適度，引入多模態(tài)交互技術(shù)，讓用戶操控更高效，同時多氛圍燈的使用增強(qiáng)臺體未來感，如圖4 所示。

圖4 多屏一體化控制臺造型方案與功能分區(qū)

4.1.2 人機(jī)交互設(shè)計

多功能人機(jī)交互面板包含人臉識別攝像頭、人機(jī)交互觸控屏以及功放等組件。如圖5 所示，人臉識別攝像頭能夠識別作業(yè)人員身份信息，并通過電控機(jī)構(gòu)實現(xiàn)鍵盤升降、多屏組合顯示終端升降和角度偏轉(zhuǎn)等人機(jī)交互特征和尺寸的記憶及觸發(fā)。臺面鍵盤內(nèi)嵌式安裝，與水平夾角15°，鍵盤可通過電控機(jī)構(gòu)凸出臺面或嵌入臺面，當(dāng)鍵盤降至臺面下凹槽時，蓋板同步拉出蓋于凹槽上，并與臺面平齊，以方便作業(yè)人員伏案記錄和操作。臺面左右側(cè)各安裝一只文件掛鉤，同時臺面右下方可折疊水杯托設(shè)計方便作業(yè)人員進(jìn)出操作區(qū)。

圖5 多功能人機(jī)交互面板

4.2 多屏一體化控制臺人機(jī)系統(tǒng)評估

人機(jī)工效學(xué)評價最早采用真人操作實物模擬樣機(jī)進(jìn)行測評，耗費時間精力，最終效果達(dá)不到預(yù)期的結(jié)果。因此近年來逐漸使用3D 建模與虛擬評價軟件進(jìn)行人體工效學(xué)評價，快速發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷，可以有效降低經(jīng)濟(jì)成本，節(jié)省設(shè)計的時間和精力。文章采用Simens JACK 數(shù)字人體建模和仿真軟件對多屏一體化控制臺進(jìn)行人機(jī)系統(tǒng)評估分析。人機(jī)工效的評估可有效地檢驗裝備設(shè)計可靠性，對設(shè)計指標(biāo)的驗證迭代有重要作用。控制臺人機(jī)工效評估始終貫穿設(shè)計全流程，通過“設(shè)計—仿真—設(shè)計”的循環(huán)驗證方式，明確人因設(shè)計輸入，及時更正人因設(shè)計誤差，為最終基于人因工程的控制臺設(shè)計輸出提供設(shè)計支撐。基于被測人體尺寸數(shù)據(jù)庫建立仿真三維人體模型，構(gòu)建控制臺和作業(yè)人員的仿真建模環(huán)境，通過視錐、可達(dá)域和上肢舒適度與靜態(tài)強(qiáng)度分析等方面的仿真測試考核控制臺的人機(jī)設(shè)計水平。

1）人機(jī)系統(tǒng)建模。如圖6 所示，將多屏一體化控制臺模型置入JACK 軟件中，以中國第95 百分位男性人體測量數(shù)據(jù)為參考同步建立人體模型并調(diào)整人員操作姿態(tài)，完成人機(jī)仿生評估環(huán)境下的控制臺系統(tǒng)建模。

圖6 控制臺人機(jī)系統(tǒng)建模

2）視域分析。作業(yè)人員需要操控控制臺以保證監(jiān)控設(shè)備正常運(yùn)行，高效且準(zhǔn)確地執(zhí)行任務(wù)。進(jìn)而分析處于最佳控制臺操作姿勢下第95 百分位數(shù)尺寸數(shù)字人模型的視域范圍，保證多屏顯示器屏幕與操作面板在人員的最佳視角范圍內(nèi)。如圖7 所示，分析得出觀察時的視距為514 mm，符合視距尺寸標(biāo)準(zhǔn)?？刂婆_的寬屏組合與邊屏處于作業(yè)人員的正常視野范圍內(nèi)，作業(yè)人員在保持身體和頭部不動的情況下可以清楚獲得所需信息，符合視野的設(shè)計要求。

圖7 視域與可達(dá)域分析

3）可達(dá)域分析。作業(yè)人員在執(zhí)行任務(wù)時，需要精準(zhǔn)操作控制臺各項機(jī)構(gòu)保證對指令的精準(zhǔn)輸入與完整輸出，確保指控等各項任務(wù)安全、高效地運(yùn)行。如圖7 所示，在分析過程中，以作業(yè)人員標(biāo)準(zhǔn)工作坐姿為主，一般選擇中指指尖作為最大可達(dá)域的分析基準(zhǔn)，判斷儀中控臺、方向桿、油門臺、鍵鼠、水杯托、掛鉤等需要操作的機(jī)構(gòu)位于可達(dá)域范圍內(nèi)，表明該工作姿勢下工效學(xué)設(shè)計合理[10]。

4）快速上肢分析。快速上肢分析功能是對某工作姿態(tài)下作業(yè)人員的上肢狀態(tài)進(jìn)行評價?？刂婆_的人員操作任務(wù)主要為手部與臺面上方機(jī)構(gòu)的交互動作，腿部僅操作腳踏。評價結(jié)果共分4個等級，見表2。結(jié)果如圖8 所示，上臂、前臂和軀干的得分在2—3 分之間，說明上述部位在該姿態(tài)下會引起可接受的的疲勞程度，結(jié)果表明滿足人機(jī)設(shè)計要求。綜合得分為4 分，說明作業(yè)人員在使用控制臺時上肢疲勞度可接受，滿足舒適性要求。

圖8 快速上肢與靜態(tài)強(qiáng)度分析

表2 快速上肢分析評分等級

5）靜態(tài)強(qiáng)度分析。靜態(tài)強(qiáng)度分析是通過特定姿勢適用人群的百分比來對人體動作程度進(jìn)行評估，確定人體模型的最大擺動幅度[11]。如圖8 所示，在工作狀態(tài)時上肢部分的強(qiáng)度性能符合人機(jī)設(shè)計要求，人物膝蓋與腳踝也基本能滿足75 百分位以上人群使用強(qiáng)度要求。

5 結(jié)語

文章針對現(xiàn)有多屏一體化控制臺人機(jī)交互單一、用戶體驗差造型設(shè)計固化等問題，定義了面向未來發(fā)展的控制臺技術(shù)特征和多維化設(shè)計趨勢，在設(shè)計過程中結(jié)合人因設(shè)計分析，給出了人因要素的推薦范圍，完成硬件造型設(shè)計，隨后完成人機(jī)工效的綜合測試與評價。試驗結(jié)果表明，該控制臺具有較好的人機(jī)交互體驗和較高的人機(jī)工效水平，提升裝備的用戶體驗和作業(yè)效能，可應(yīng)用于飛控、指揮控制系統(tǒng)，并對后續(xù)控制臺的設(shè)計提供了重要技術(shù)積累。