装备人-机-环系统工程技术发展

1.人-机-环系统工程军事领域发展

随着信息时代的到来，信息技术在军事领域得到普遍运用，人们越来越认识到，人在战斗力诸因素中的决定性地位，并没有因战场机器人和无人驾驶飞机的出现而改变，武器装备包括信息化武器装备的发展仍是人的能力的延伸，决定未来高技术战争胜负的是掌握了科技知识和战争规律的人。因此，武器装备系统中人机要素的重要性日益得到重视，武器只有与使用者的身心特点匹配时才能安全而有效地发挥作用。从系统分析角度看，在原有设备基本不变的情况下，由于考虑了人的动态特性而进行系统分析，再适当改动设备，就能显著提高工效。也就是说，武器装备的技术进步，仅限于性能的提高是不够的，还应实现武器装备人-机-环系统整体相互匹配、相互适应，以充分挖掘人的潜能，使其能力得到最大限度的发挥，使人与装备、环境有机地融为一体，这样方可最大限度地发挥装备的作战潜能。

现代战争对军用装甲车辆的越野能力、行驶速度、机动性及功能的要求有大幅度的提高，军用车辆配备的武器系统的火力大大增强，各种仪表、器件也急剧增多，来自战场的敌方高科技武器的威胁也越来越大。这些都使军用车辆乘员工作越来越繁重、复杂，危险性增加，所处的人-机-环条件急剧恶化，如果不对军用装甲车辆的人-机-环加以改善，不但将会对作战人员身体健康产生较大的损害，还会对车辆、战场环境产生较大的破坏，不利于战斗力的发挥，甚至对战斗力产生极大的削弱，直接影响战斗的效果。总之，先进的武器装备不仅取决于优良的战术技术性能，同时还应为发挥其性能提供的可操作环境。精良的武器装备需要人去操纵控制，在人-机-环系统之间，人是诸多因素中最重要的因素，因此，调动人的主观能动性，最大限度地发挥人的各种潜能，为战斗人员操作创造良好的工作空间及生存环境，是充分发挥军品装备的各种性能的基本条件。在各种武器装备中，如果人所处的人-机-环不良好，无疑是对武器的作战效能打了很大的折扣。

从人-机-环系统工程的整体发展角度看，从诞生到现在的半个多世纪里，人-机-环系统工程已经取得长足的发展。在21世纪，计算机技术、信息技术、生命科学、心理学、工程科学和设计学等领域的迅速发展，为人-机-环系统工程提供了重要的理论和技术支持，同时也为人-机-环系统工程的研究带来了许多新的研究领域。

我国的坦克装甲车辆人-机-环系统工程的研究虽然起步晚，但这些年来已引起装备使用部门、专家及科研工作者的充分重视，在车辆顶层设计流程中引入人-机-环总体设计流程，是适应坦克装甲车辆未来发展的必然趋势。

2.国外设计技术发展

国外对坦克装甲车辆人机工程学的研究起始于20世纪50年代，并通过大量的测绘分析和基础性研究工作，提出了很多推荐性标准，有的已被国际标准组织所采用，如三维H点人体模型、眼椭圆等。至20世纪90年代，国外军事装备设计部门已将先进的研究成果大量应用于军事领域，对航空、航天、坦克装甲车辆人-机-环的设计已有相应的研究与应用，通过先进技术的应用及车辆改进，美、英、法等国的现役军用乘员作战环境与五六十年代相比有了极大的进步。具体应用在军事领域的人-机-环技术主要包括：1）应用先进的计算机软件进行人-机-环系统工程分析、设计和评价随着计算机应用的日益广泛，CAD技术和计算机图形技术的日趋成熟，一些国家的研究机构相继开发了一些人机计算机仿真软件。最早的人机系统仿真软件是英国诺丁汉大学开发的SAMMIE系统。该系统采用多面体人体模型，并建立了姿态库，可以生成各种常见的姿态和完成特定任务的姿态；宾夕法尼亚大学开发的Jack人机系统仿真软件的人体模型包含68个关节点、69个节段、135个自由度和逼真的肩膀/锁骨关节模型，美国Army Research Office人类工程学实验室用它评价车辆驾驶员的可达性、舒适性、力量、工作负荷等人机工程学仿真参数。

2）在车辆总体设计流程中引入人-机-环设计流程及设计规范

国外设计对于人机工程的应用极为重视，如日本、美国等在设计新车型时都要做相应的人机工程检查和校核，并且抽取不同的人群进行主观评价。德国若干工业巨头联合开发的RAMSIS软件，建立了详细的从欧美到日韩三维人体模型，并提供各种年代参考，用户还可以根据自己的数据建立自己的三维人体模型。国外已建立一个较为完整的设计开发流程和评价标准。

3）利用计算机仿真技术对车辆噪声、冲击进行先期预测和设计

以美、英为首的欧美国家在噪声虚拟设计方面已进入全面应用的阶段，波音公司在新机型问世前，必先用噪声分析软件对飞机虚拟样机的振动与噪声进行虚拟仿真，再在此基础上进行隔声、吸声与结构优化设计。目前，这些技术也已应用到美国、德国等其他国家的军用坦克装甲车辆的研制领域，并取得了良好的效果。美国以及欧洲国家的军用车辆车内噪声要远好于我国的现有水平，其装甲车以及车内A 计权噪声可以达到90dB左右，目前美国陆军普遍使用的悍马吉普车可用于普通的运兵车，也可以作为轻型装甲车，其车内噪声水平已经接近普通车辆的车内噪声，匀速行驶时，噪声可以达到80dB以下。

4）坦克装甲车辆车内环境控制技术已得到广泛应用

在国外研制的最新坦克装甲车辆中，许多型号装备了新型的具有空气调节装置和空气净化等功能的综合环境控制系统，并且也开展了坦克装甲车辆内部环境改善方面的研究。在美国未来战斗系统中，明确提出了ECS（环境控制系统）单元、环境控制系统集成产品和三防系统，并强调了环境相关单元协调控制、联合工作的重要性，通过舱室内环境的一体化控制，以更小的体积和功率，实现了舱内环境舒适性、安全性的提升。

5）虚拟现实技术应用到车辆人-机-环设计、评价中(www.zuozong.com)

目前，以美国为首的三大汽车公司在新车型的设计中进行以实体建模为基础的虚拟现实与仿真研究，使设计人员带上头盔后可以见到设计中的汽车“真实”图形，再戴上特制手套还可以触摸到计算机中的汽车模型，并允许设计人员“进入”这种虚拟环境中，直接检查车内部件的设计、安装是否正确、合理。虚拟现实技术在军事上的应用也较为广泛，研究部门先利用计算机生成一种模拟环境（如驾驶舱、舰船的指挥控制中心、导弹的发射操作平台等），通过多种传感器设备使试验驾驶员“沉浸”到该环境中，实现用户与该环境直接进行自然交互的研究技术。

3.我国设计技术发展

在国内，由于我国武器装备工业的发展要比西方相对落后几十年，对于车辆人-机-环方面的研究要相对滞后。对于军用坦克装甲车辆，尤其是受苏联装备研制思想的影响，只强调了武器的作战效能，对军用坦克装甲车辆的人-机-环没有足够的重视，相关的技术一直落后于国际先进水平。但近些年来，随着武器装备使用部门对人-机-环设计的重视的逐渐提高，坦克装甲车辆人-机-环系统工程的设计手段和设计方法也在不断提升与发展。1）从设计之初采用人-机-环仿真分析软件进行早期人机界面规划、设计和评价目前，国内所选用的人机界面仿真分析软件大多采用Jack人机系统仿真分析软件和达索公司的Dassault Delm ia人机系统仿真分析软件。利用坦克装甲车辆创新平台项目引进Delmia人机系统仿真分析软件，并在原有软件基础上建立了中国装甲兵标准人体模型（图9-3），利用标准百分数人体模型进行车辆舱室作业空间与人机界面设计性能分析、舱内布局与乘员工效分析、乘员舒适性、可视性、可达性等人机工效的设计、分析与评价工作。2）从顶层设计出发，将人-机-环系统工程设计逐渐加入整车设计流程中国内坦克装甲车辆设计中正在逐步完善整车人-机-环设计流程，组建专业的人-机-环设计团队，图9-4所示为在某型电子样车整车设计流程中有关人-机-环分析定义的内容。

图9-3　中国装甲兵标准人体模型

（a）5百分位人体模型；（b）50百分位人体模型；（c）95百分位人体模型

图9-4　某型电子样车整车设计流程中有关人-机-环分析定义的内容

3）整车减振降噪系统设计在坦克装甲车辆设计流程中不断加强

目前，国内民用在噪声振动分析设计方面已取得显著的效果，一些企业、高校和研究院所相应配置了一系列大型的整车半消声室、隔声测量室、零部件异响和模态实验室、零部件性能耐久实验室等试验体系，在此基础上进行车辆舱室隔声、吸声与结构优化设计。与之相比，国内坦克装甲车辆噪声水平控制技术还较落后，舱内噪声设计指标还采用军标的113dB标准要求，具有很大的差距。目前坦克装甲车辆内噪声源部位较多，由于对部件噪声水平研究不够透彻，与整车构成一体后噪声环境更为复杂，需要从部件控制、坦克装甲车辆接口、整车匹配等多角度开展噪声结构设计，并在整车设计过程中加入被动降噪和有源降噪设计。

4）坦克装甲车辆舱室微环境控制技术上属于起步阶段

在舱室微环境方面，对坦克装甲车辆以热舒适性为主的舱室环境研究还处于起步阶段，在应用方面几乎还处于空白状态。近几年来，率先对坦克装甲车辆的舱室小气候环境展开了研究，并与有关厂家合作研制出坦克装甲车辆用空调，但由于研究刚刚起步，技术与设计手段还不成熟，其研究成果在坦克装甲车辆上应用不佳；在三防中的防生化武器能力方面，一般是通过安装通风机与滤毒罐来加以解决的，只有少数近期研制定型的车辆装有超压式集体三防系统，不仅数量少，而且技术落后，防护能力差，不能满足未来生化条件下的战争要求。由此可见，我军坦克装甲车辆舱室内的小气候环境与防生化武器能力急需提高，其技术问题急需加快研究解决，以适应当代和未来战争的需求。

5）将虚拟现实技术应用到坦克装甲车辆整车设计流程中

我国在利用虚拟现实技术的研究上起步较晚，近年来由于对虚拟现实技术的重视，该技术在我国取得了很大的进步。清华大学、北京科技大学、北京航空航天大学等单位都针对虚拟现实技术展开了相关研究。目前，各新型坦克装甲车辆设计已步入“顶层设计—虚拟样机”模式，以往仅仅依赖物理实物试验的时代即将终结。因此，型号研制的过程中往往需要在工程样机展开试制之前解决潜在和未知的问题，甚至在虚拟样机搭建的同时就摸清装备的各项性能预期并落实优化设计。另外，虚拟现实技术在进行装备维修性的研究方面也有很大的应用。所以，为了解决坦克装甲车辆上难以开展专业人-机-环系统实车试验的现状，并追赶国外先进车辆的技术水平，实现坦克装甲车辆研发体系的进一步跨越，综合利用和发挥现有的技术成果，应大力增强人-机-环虚拟现实试验技术的基础发展工作。