熊端琴，刘庆峰，王嫣嫣，戈含笑，白玉，林榕，杜健，刘娟，贺青，郭小朝

(空军军医大学空军特色医学中心,北京 100142)

1 引言

20世纪90年代开始，无人机(Unmanned Aerial Vehicle UAV)进入了快速发展阶段[1]，美国开发使用了“捕食者”以及海军通用无人机等地面控制站[2-3]，我国也先后研发了多款无人机地面控制站[4]。作为无人机系统重要组成部分的地面控制站，专门用于对无人机进行地面控制与管理，是操作员操控无人机完成各项任务的重要场所。其人机工效设计合理与否，直接影响到操作员对无人机的控制效率，进而影响整个无人机系统的任务效能[5]。合理的无人机地面控制站设计能够使操作员更好地对无人机进行控制与监视，完成任务载荷、规划任务航路及通信设备等工作[6]。地面控制站的作业环境和操作席位是无人机地面控制站人机工效设计的重要部分，需要考虑操作席位的外形尺寸是否能保证人体具有良好舒适的作业姿势[7]；操纵机构是否符合人体尺寸要求和肢体用力范围、是否满足人手操作的舒适性[8]；方舱布局和位置设计是否考虑了操作员视角、视距的合理性[9]等。

本次评估主要针对某无人机地面控制站的空间布局、席位布置、操纵装置和脚蹬等静态设计状态，目的在于考察无人机地面控制站人机工效静态设计的合理性，提出主要设计点的调整改进量及意见建议，为地面控制站的人机工效优化设计提供依据。

2 对象与方法

2.1 对象

为保证评估操作员身材的代表性，按照身材大小选取有操作经验的男性无人机操作员14人参加评估实验，年龄26-58岁。操作员分为3组：小身材组即第5百分位操作员4人，中等身材组即第50百分位操作员9人，大身材组即第95百分位操作员1人。

2.2 方法

三维坐标测量机(含测量软件、计算机)：用于测量操作员眼位，操纵杆、油门台和脚蹬的可达性指标。

操作员主观评估记录表：用于记录操作员对于控制站方舱环境的主观感受、改进意见与建议。针对各项评估内容，采用Q-Q 测试法(Qualitative and Quantitative test)[10-11]，操作员主观感受设置为3个评估等级：①不接受，②勉强接受，③接受。

2.3 实验步骤

评估实验前，首先依据地面控制站的人机工效静态设计状态，制定评估方案，内容包括评估目的、设备状态、评估内容、评估指标、评估方法、评估人员、评估条件与环境、实验步骤、数据处理等。待评估方案评审确认后，作为评估实验的直接依据。

其次对参试操作员进行岗前培训，内容主要为：(1)评估的目的和意义；(2)评估的内容和方法；(3)评估对象的技术状态；(4)评估的注意事项和相关要求。操作员按分组顺序对评估内容逐项进行现场评估。

第三，开展现场实验，采取客观和主观相结合的方法对地面控制站进行人机工效静态评估。客观评估以三维坐标测量机作为测试设备，针对操作员眼位和操纵杆、油门台和脚蹬的可达性指标，对操作员理想工作坐姿眼位、双手握杆操作坐姿眼位、飞行操纵杆中间位置、油门台固定位置、脚蹬固定位置的三维数据点进行测量，分别获得各个测点的三维坐标值(x、y、z)，其中x为空间直角坐标系(O-xyz)中横轴方向对应数值、y为纵轴方向对应数值、z为竖轴方向对应数值，将其与设计值进行差值计算，获得各测试点实际测值与设计值之间的平均差值(Δx、Δy、Δz)，作为各设计点相应改进量的数据依据；主观评估则针对所要评估的项目内容，请操作员对其人机工效设计合理性进行评定并提出自己的改进意见和建议。评估内容包括：方舱布局中的席位布局和进出通道，操作员席位中的台架尺寸、台架颜色、座椅、主显示器、辅助显示器、操纵杆、油门台、脚蹬、键盘鼠标和硬按键。

2.4 数据处理

采用SPSS 16.0统计软件对实测数据进行分析，分组统计第5百分位、第50百分位、第95百分位三个样本组的实测值与设计初值(x0舱,y0舱,z0舱)之间的平均差值；对主观评估记录数据进行汇总、归类整理和分析。

3 结果

通过客观评估，获得了56个三维数据点共计168个客观数据，分别计算第5、第50和第95百分位操作员的理想工作坐姿眼位、双手握杆操作坐姿眼位、飞行操纵杆中间位置、油门台固定位置、脚蹬固定位置的实测数据与设计值之间的平均差值，推算出了地面控制站方舱设计眼位高度下调量、飞行操纵杆前后调节量和高度下调量、脚蹬前后调节量等量化指标(结果见表1)。

表1 无人机地面控制站工效学指标实测值与设计值之间的平均差值 (单位：mm)

通过对操作员主观评估记录数据进行汇总处理，分别得到了各项评估内容不同接受度的操作员人数和419条意见建议(见表2)，通过评估组、工效专家和专业设计人员共同合议，形成共识性意见37条，其中18项内容必须改进，19项内容视情改进。必须改进的主要是设计眼位、飞行操纵杆安装高度、飞行操纵杆启动力和杆力、脚蹬安装位置(可调性)、脚蹬踏板安装角度、脚蹬行程、键盘鼠标设计、座椅设计等方面；视情改进的主要是主屏边框、辅屏安装角度、辅屏敏感性、硬按键颜色和防护设计、座椅宽度、飞行操纵杆握径和杆头、飞行操纵杆按键设计、油门台手柄尺寸、油门台档位设计、油门台阻尼和摩擦阻力、油门台按键和防护设计等方面。

表2 无人机地面控制站操作员主观评估结果(示例)

4 讨论

设计眼位是地面控制站整个方舱席位的设计基准位，其设计合理与否，直接影响操作员的信息观察和操作效率[12]。实际评估中经由设计方确认，理想工作坐姿眼位和握杆操作坐姿眼位均没有Y轴方向的设计值，故表1中这两个指标的平均差值Δy均为“无”。将实测结果与设计值比较，需将设计眼位的高度再下降(Δz)63 mm-87 mm，才能满足95%以上操作员理想工作坐姿条件下的眼位要求。设计眼位作为整个方舱席位的设计基准位，建议设计上增加Y轴的设计值。

关于飞行操纵杆前后调节量：由于飞行操纵杆在设计初始位置能够向后调节(-Y方向)150 mm，在进行迭代改进优化设计时，应以满足95%操作员使用为宜，取Δy差值的第95百分位值，飞行操纵杆的可调节范围应该加大至(Δy)203 mm。由于飞行操纵杆的理想位置均比初始位置靠后，最小距离为55 mm，因此也可考虑将初始位置向后移，而不加大调节量；关于飞行操纵杆安装高度：经三维坐标测试，测出操作员认为飞行操纵杆的理想高度位置(Δz)，计算出飞行操纵杆理想安装高度应再降低41 mm-52 mm。

对于油门台设计，仅有1名操作员对油门台安装位置和调节量提出了意见，可考虑保持原设计。但由于上述飞行操纵杆位置必须进行调整，因此必须考虑油门台和飞行操纵杆二者位置的协调性。

关于脚蹬设计，小身材、中等身材组所有参试操作员对脚蹬的安装位置和调节量都提出了意见，只有大身材组未提意见，因此建议脚蹬可保持现有安装位置，向后可调节。如果调整现有安装位置，则应保证调节能覆盖现有安装位置到(Δy)209 mm的范围。

在主观评估方面，获得各参试操作员的评估意见和改进建议后，首先分别由小身材组、中等身材组和大身材组进行了小组合议，对各人的意见进行充分讨论，形成小组意见提交评估大会；评估大会再针对各小组提交的意见，集合评估组、工效专家和专业设计人员共同合议，对各组的意见及重点问题进行重点讨论，最终形成了37条共识性意见，这些意见再反馈进入到控制站的人机工效优化设计过程。

5 结论

本研究针对某无人机地面控制站的方舱布局、席位设置、杆舵设计和座椅设计等，对其人机工效设计合理性开展了静态实验评估。通过客观测试，获得了第5、第50和第95百分位操作员共5个设计点的实测值与设计值之间的平均差值，推算出了地面控制站方舱设计眼位高度下调量、飞行操纵杆前后和高度下调量、脚蹬前后调节量等量化指标数据；主观评估获得了操作员对于各项设计内容的改进意见和建议，18项内容必须改进，19项内容视情改进。评估结果反馈进入到设计过程，为无人机地面控制站的人机工效优化设计提供了重要依据。