基于人因工程的多屏一体化控制台设计研究

中国电子科技集团公司第三十八研究所 国家级工业设计中心 侯爱军 张亚玎 戴伟

多屏一体化控制台作为一种具有信息传导、情报研判、人机交互能力的电子信息装备载体，在飞控、指控等多领域的控制系统中承担着重要任务分工[1]，不同技术要求、不同的使用环境、不同的功能需求、不同的操作模式和不同的审美观念对显控台设计有不同的要求[2]。控制台的发展历程经历机柜钣金结构控制台、琴式模块化控制台和开放式复合结构控制台三个阶段，应用模式从专一化逐步发展到通用化、模块化、智能化[3]，未来正向复合化提升迈进。文章以多屏一体化控制台为研究对象，基于人因工程理论，开展装备总体设计，并通过数字化建模仿真对其进行人机系统评估，推动人因工程技术在控制台设计中的深入应用。

1 人因工程概述

人因工程学是运用人体测量学、生理学、心理学以及工程学等学科方法综合地进行人体结构、功能、心理等问题研究的学科。它将“人—机—环境”系统作为统一的整体来研究，以设计输出适合于人操作的机械设备和作业环境，使“人—机—环境”系统相协调，从而更能有效发挥系统作用[4]。在多屏一体化控制台的设计研究中，应基于作业操作范围、视域、容膝空间等人员生理特征，结合控制台组成部件的使用特性将人因工程设计与分析方法应用于多屏一体化控制台设计全流程。由此完成控制台人机工效设计，可提升人员的操作安全性、舒适性，增强装备可靠性与抗外界环境干扰性，提高人机交互密切程度，确保任务完成效率，减少人为失误等。

2 多屏一体化控制台发展现状与趋势

2.1 发展现状

控制台作为一种具有显示、控制和人机交互操作功能的设备被广泛应用于各种大型系统中。国内外车/舰/机载控制台运用大范围体块造型及倒角处理，增加整体造型的力量感，塑造稳重、可靠的机械产品风格；地面控制台通过面块切割并和氛围等组合应用，塑造机械造型质感，钣金材质搭配抗倍特板等材料，造型多变，具有较高参考价值；未来概念控制台是控制台设计历程中一只重要分支，前卫的设计思路与的独特的设计效果为控制台的设计提供了无限可能性。其中有机造型类大量使用曲面、圆角和流线特征，配色柔和，造型新颖而有亲和力，符合零重力人体工学，这类控制台突破了固有结构形式的束缚，采用体感互动、环抱式席位、全息投影等设计形式，塑造星际航行、零负荷交互等科幻形象语义。

2.2 设计趋势

通过对国内外现有的不同类型控制台分析得出，未来控制台设计趋势呈多维化，如图1所示。首先具有趋于完善的集成智能化设计，多层次的集成设计提高了用户的作业效率；交互技术不再局限于支持单一的界面交互实现，多维度立体的交互体验将成为未来控制台设计主流。同时用户的需求决定控制台不再是固定单一技术与成本投入的批量化产品，用户通过不同功能的应用与高低配置的选装，为控制台设计提供更为优选的成本和技术投入。未来多屏一体化控制台设计呈现多维化趋势，不同交互形式的糅合与全面的用户需求定位衍生出不同系列化造型的产品，智能集成式设计使控制台不仅能完成基本的任务处理工作，也能全方位的提升控制台人机协同能力。

图1 未来控制台设计趋势

3 基于人因工程的多屏一体化控制台设计分析

3.1 多屏一体化控制台设备组成

现有多屏一体化控制台主要由硬件和软件两部分组成，硬件即操控台，软件即监控配套软件。每个多屏一体化控制台由操作台、显示屏、键鼠、油门台、操纵杆、脚蹬和一套中控台组成。根据控制台多维化设计趋势，现有多屏幕一体化控制台存在人机协同性较弱，智能集成性较低，产品结构组成单一导致用户需求度满足不高，产品造型系列化程度较弱，辨识度不明显等亟待解决的问题。如图2 所示，为提高智能集成性，在多屏幕一体化控制台部件构成的基础上增加多模态交互组件，完成未来多屏一体化控制台部件构成。

图2 未来多屏一体化控制台部件构成

3.2 多屏一体化控制台人因要素分析

多屏一体化控制台作为多任务处理平台，具有部件数量多、处理信息量繁琐等特点，尤其在有限的操作空间内长时间工作，良好的人机和外观设计能增加作业人员舒适度，降低生理、心理疲劳，发挥作业人员最大的工作效能[5]。

1）作业操作范围。操作域分为水平作业域与垂直作业域，多屏一体化控制台空间主要涉及人体坐姿相关构造尺寸，其中作业域是指人的四肢活动范围。实际上是作业人员在不同工作场景中，在某种姿势下四肢能接触到的空间领域[6]。

2）视野范围。多屏显示区与作业员眼位处于上下30°的最佳视域内，最大视域角度不超过85°，上显示器的倾斜角度为20°，如图3 所示。多屏工作区内尺寸狭小，屏幕较多，因此极易造成眩光[7]。为了提升操作人员的舒适性，控制台须保证作业员的头部处于正常姿态观看显示区，头部和眼睛保持不动或眼睛轻松转动时，注重防眩光设计。

图3 控制台视域

3）设备坐姿范围。作业员在执行任务时主要的操作姿态为坐姿，因此应根据坐姿时的人体相关尺寸、按照国军标GJB2873-1997 中中国成年男子人体测量值的相关数据进行分析[8]。控制台人因要素设计以上述设计标准为基础，以典型的我国成年人人因要素特性为依据，基于控制台组成机构开展作业任务分析，根据作业需求提出控制台设备坐姿范围的参考[9]，见表1。

表1 多屏一体化控制台人因设计参考范围

4 多屏一体化控制台设计方案与人机评估

4.1 多屏一体化控制台设计方案

在造型关键词的甄选中，开放式、模块化、科技造型、机械造型、军工力量感等均可成为设计着眼点。在满足基本功能的基础上，增加人脸识别系统、可折叠水杯托、指纹识别系统等。在材质选择方面选择开放式复合材料，较相同尺寸的金属骨架能减轻约40%的重量，更适合搭载运输载体。屏幕角度调节、提示灯、触摸屏等多模态交互技术的前瞻应用致力于控制台设计操作简易化、智能化提高人机交互体验。

4.1.1 整体造型方案

借鉴专业设备的品质感，融入航空器的通用特征来展开，诸如机翼、气流等线条特征来建立控制台的外观雏形[9]。整体外观的设计遵循人因工学准则，该多屏一体化控制台设备提取无人机轮廓线条造型，结合硬朗的型面设计语言塑造出控制台稳重硬派的形象，运用深灰色系色调搭配，由内至外诠释现代显控设备品质。该控制台具有复杂的人机交互特性，包含可升降多屏组合显示终端、多功能人机交互面板、可升降键盘、鼠标、手枕、方向操纵杆、油门台、脚踏、可翻转水杯托架、氛围灯等部分组成。同时具有人脸识别、人机交互特征记忆、机构电动控制等复杂人机交互功能。

根据控制台多屏显示区、工作台面区及桌面以下操作区（包含脚踏）三个区域进行优化设计，台体台面功能分区采用阶梯分布式设计，造型更具有层次感。保留基本功能的前提下，增强人机体验舒适度，引入多模态交互技术，让用户操控更高效，同时多氛围灯的使用增强台体未来感，如图4 所示。

图4 多屏一体化控制台造型方案与功能分区

4.1.2 人机交互设计

多功能人机交互面板包含人脸识别摄像头、人机交互触控屏以及功放等组件。如图5 所示，人脸识别摄像头能够识别作业人员身份信息，并通过电控机构实现键盘升降、多屏组合显示终端升降和角度偏转等人机交互特征和尺寸的记忆及触发。台面键盘内嵌式安装，与水平夹角15°，键盘可通过电控机构凸出台面或嵌入台面，当键盘降至台面下凹槽时，盖板同步拉出盖于凹槽上，并与台面平齐，以方便作业人员伏案记录和操作。台面左右侧各安装一只文件挂钩，同时台面右下方可折叠水杯托设计方便作业人员进出操作区。

图5 多功能人机交互面板

4.2 多屏一体化控制台人机系统评估

人机工效学评价最早采用真人操作实物模拟样机进行测评，耗费时间精力，最终效果达不到预期的结果。因此近年来逐渐使用3D 建模与虚拟评价软件进行人体工效学评价，快速发现设计缺陷，可以有效降低经济成本，节省设计的时间和精力。文章采用Simens JACK 数字人体建模和仿真软件对多屏一体化控制台进行人机系统评估分析。人机工效的评估可有效地检验装备设计可靠性，对设计指标的验证迭代有重要作用。控制台人机工效评估始终贯穿设计全流程，通过“设计—仿真—设计”的循环验证方式，明确人因设计输入，及时更正人因设计误差，为最终基于人因工程的控制台设计输出提供设计支撑。基于被测人体尺寸数据库建立仿真三维人体模型，构建控制台和作业人员的仿真建模环境，通过视锥、可达域和上肢舒适度与静态强度分析等方面的仿真测试考核控制台的人机设计水平。

1）人机系统建模。如图6 所示，将多屏一体化控制台模型置入JACK 软件中，以中国第95 百分位男性人体测量数据为参考同步建立人体模型并调整人员操作姿态，完成人机仿生评估环境下的控制台系统建模。

图6 控制台人机系统建模

2）视域分析。作业人员需要操控控制台以保证监控设备正常运行，高效且准确地执行任务。进而分析处于最佳控制台操作姿势下第95 百分位数尺寸数字人模型的视域范围，保证多屏显示器屏幕与操作面板在人员的最佳视角范围内。如图7 所示，分析得出观察时的视距为514 mm，符合视距尺寸标准。控制台的宽屏组合与边屏处于作业人员的正常视野范围内，作业人员在保持身体和头部不动的情况下可以清楚获得所需信息，符合视野的设计要求。

图7 视域与可达域分析

3）可达域分析。作业人员在执行任务时，需要精准操作控制台各项机构保证对指令的精准输入与完整输出，确保指控等各项任务安全、高效地运行。如图7 所示，在分析过程中，以作业人员标准工作坐姿为主，一般选择中指指尖作为最大可达域的分析基准，判断仪中控台、方向杆、油门台、键鼠、水杯托、挂钩等需要操作的机构位于可达域范围内，表明该工作姿势下工效学设计合理[10]。

4）快速上肢分析。快速上肢分析功能是对某工作姿态下作业人员的上肢状态进行评价。控制台的人员操作任务主要为手部与台面上方机构的交互动作，腿部仅操作脚踏。评价结果共分4个等级，见表2。结果如图8 所示，上臂、前臂和躯干的得分在2—3 分之间，说明上述部位在该姿态下会引起可接受的的疲劳程度，结果表明满足人机设计要求。综合得分为4 分，说明作业人员在使用控制台时上肢疲劳度可接受，满足舒适性要求。

图8 快速上肢与静态强度分析

表2 快速上肢分析评分等级

5）静态强度分析。静态强度分析是通过特定姿势适用人群的百分比来对人体动作程度进行评估，确定人体模型的最大摆动幅度[11]。如图8 所示，在工作状态时上肢部分的强度性能符合人机设计要求，人物膝盖与脚踝也基本能满足75 百分位以上人群使用强度要求。

5 结语

文章针对现有多屏一体化控制台人机交互单一、用户体验差造型设计固化等问题，定义了面向未来发展的控制台技术特征和多维化设计趋势，在设计过程中结合人因设计分析，给出了人因要素的推荐范围，完成硬件造型设计，随后完成人机工效的综合测试与评价。试验结果表明，该控制台具有较好的人机交互体验和较高的人机工效水平，提升装备的用户体验和作业效能，可应用于飞控、指挥控制系统，并对后续控制台的设计提供了重要技术积累。