齊 敏，張向東，呂軍鋒，崔自蓬，王丹丹

（西安北方光電科技防務(wù)有限公司，西安 710043）

0 引言

隨著信息化技術(shù)的發(fā)展和外部信息感知的強(qiáng)烈需求，頭盔顯示器作為重要人機(jī)交互控制設(shè)備，其應(yīng)用平臺(tái)從飛機(jī)拓展到了地面，包括戰(zhàn)車、單兵，以及維修保障，戰(zhàn)場(chǎng)應(yīng)用日益廣泛。為了武器平臺(tái)列裝選用和裝備效能評(píng)價(jià)，對(duì)頭盔顯示器進(jìn)行全面的全壽命效能評(píng)估必要而迫切。

1 頭盔顯示器

頭盔顯示器/頭盔瞄準(zhǔn)具從20 世紀(jì)60 年代開(kāi)始研制，70 年代少量裝機(jī)，到90 年代各國(guó)在固定翼和旋翼飛機(jī)上大量裝備，以離軸顯示和攻擊能力、寬大的視場(chǎng)和較強(qiáng)的夜視能力，逐漸取代平視顯示器成為主飛行顯示器，從而有效地提高飛行員的態(tài)勢(shì)感知能力和戰(zhàn)斗效率，美國(guó)F-35 頭盔顯示器是國(guó)內(nèi)外首例取代平視顯示器的頭盔顯示器。

頭盔顯示器在載機(jī)起飛/著陸、空空/空地作戰(zhàn)及編隊(duì)飛行中支持完成載機(jī)平臺(tái)/戰(zhàn)域態(tài)勢(shì)信息顯示、火控隨動(dòng)、頭面防護(hù)、交互通訊等任務(wù)，具體功能如下：1）圖文顯示功能——顯示盔裝傳感器（夜視裝置）或機(jī)載傳感器信息（載機(jī)數(shù)據(jù)或戰(zhàn)場(chǎng)信息）；2）火控隨動(dòng)功能——飛行員利用頭盔顯示器的準(zhǔn)直顯示瞄準(zhǔn)標(biāo)記，直接控制武器或引導(dǎo)其他機(jī)載傳感器（如雷達(dá)、炮塔）進(jìn)行攻擊或輔助攻擊，達(dá)到不需要飛機(jī)做大機(jī)動(dòng)動(dòng)作就可以先敵發(fā)現(xiàn)先敵攻擊的目的；3）頭面防護(hù)功能——保護(hù)飛行員不受面部強(qiáng)光、激光、眩光和頭部外力的碰撞、穿刺等傷害；4）交互功能——提供飛行員對(duì)外語(yǔ)音交互和隔離降噪能力。

2 頭盔顯示器效能評(píng)估任務(wù)分析

系統(tǒng)的效能是指系統(tǒng)在規(guī)定條件下滿足特定任務(wù)需求的程度。對(duì)系統(tǒng)效能的評(píng)估、綜合評(píng)價(jià)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，要考慮“規(guī)定條件”、“特定任務(wù)”。對(duì)于具體裝備而言，效能評(píng)估必須是基于任務(wù)環(huán)境的，規(guī)定條件包括不限于作戰(zhàn)環(huán)境、作戰(zhàn)任務(wù)、部署、作戰(zhàn)流程和裝備性能等；特定任務(wù)指時(shí)間、空間、數(shù)量等；程度是指定性與定量相結(jié)合，百分比、概率、時(shí)間、空間和數(shù)量等。因此，效能評(píng)估問(wèn)題是綜合評(píng)價(jià)問(wèn)題，即要對(duì)多個(gè)對(duì)象進(jìn)行評(píng)價(jià)。

裝備效能評(píng)估的目的主要有3 個(gè)：選擇、設(shè)計(jì)和改進(jìn)。選擇綜合效能最高的裝備，達(dá)到最優(yōu)的效費(fèi)比；為裝備的設(shè)計(jì)和實(shí)施提供理論基礎(chǔ)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最佳設(shè)計(jì)和配制；對(duì)已有的裝備進(jìn)行完善和改進(jìn)，提高運(yùn)行效率。頭盔顯示器在機(jī)載平臺(tái)承擔(dān)人與飛機(jī)直接信息傳遞（視覺(jué)/聽(tīng)覺(jué)）和人體頭面部防護(hù)功能，既是人體穿戴防護(hù)裝備，又是航電設(shè)備。從頭盔顯示器產(chǎn)品誕生之日起，人們就在不停地提出并回答“它能干什么，它帶來(lái)哪些能力的提升，這些能力能提升多少”的效能評(píng)估問(wèn)題，并據(jù)此進(jìn)行裝備的完善和改進(jìn)。但是現(xiàn)有的頭盔顯示器效能評(píng)估多為作戰(zhàn)任務(wù)視角的作戰(zhàn)能力評(píng)估，存在缺少人為因素和裝備經(jīng)濟(jì)性等重要因素的考量和評(píng)估等問(wèn)題，未建立基于全壽命周期的綜合效能評(píng)估，不能給武器平臺(tái)的選擇、方案的設(shè)計(jì)和裝備的改進(jìn)提供充分必要的支撐。

針對(duì)機(jī)載平臺(tái)頭盔顯示器任務(wù)需求和裝備評(píng)估需求，頭盔顯示器效能評(píng)估任務(wù)確定為對(duì)機(jī)載頭盔顯示器完成作戰(zhàn)/飛行任務(wù)的全壽命綜合效能分析，包括定量/定性分析與評(píng)估，重點(diǎn)對(duì)設(shè)備與人、設(shè)備與平臺(tái)等方面分析評(píng)估。

圖1 給出通用的頭盔顯示器效能評(píng)估工作流程：在頭盔顯示器平臺(tái)作戰(zhàn)任務(wù)明晰的前提條件下，分析效能評(píng)估任務(wù)，識(shí)別效能評(píng)估要素，建立效能評(píng)估模型，評(píng)估計(jì)算給出評(píng)估報(bào)告，迭代改進(jìn)。頭盔顯示器工程研制階段和裝備使用全壽命周期均可進(jìn)行效能評(píng)估，不同階段的效能評(píng)估要素和指標(biāo)權(quán)重可適當(dāng)調(diào)整，階段的劃分參照武器裝備全壽命過(guò)程，包括論證、方案、工程研制、生產(chǎn)和部署、使用保障及退役處理6 個(gè)階段。

圖1 頭盔顯示器效能評(píng)估工作流程圖

3 頭盔顯示器效能評(píng)估要素識(shí)別

面對(duì)裝載平臺(tái)應(yīng)用任務(wù)繁重的使用環(huán)境，頭盔顯示器效能評(píng)估考慮因素眾多。參照SHEL 模型分析頭盔顯示器效能評(píng)估任務(wù)交互界面，如圖2 所示。頭盔顯示器效能評(píng)估要素包括頭盔顯示器與人、頭盔顯示器與飛機(jī)、頭盔顯示器與管理域等任務(wù)界面主要要素。

圖2 頭盔顯示器效能評(píng)估任務(wù)交互界面示意圖

1）頭盔顯示器——人

飛行員佩戴頭盔顯示器進(jìn)行飛行/作戰(zhàn)任務(wù)操作中，頭盔顯示器的操作性、舒適性直接影響作戰(zhàn)效能。操作性主要包括操作便捷性、工作負(fù)荷。操作便捷性評(píng)估頭盔顯示器設(shè)備自身操作是否易用、對(duì)于其他設(shè)備操作是否方便可達(dá)；工作負(fù)荷評(píng)估人體佩戴頭盔顯示器體力/生理反應(yīng)和腦力/心理反應(yīng)是否可承受。舒適性主要評(píng)估頭盔顯示器對(duì)于人體聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)、觸覺(jué)、皮膚覺(jué)等感官效能影響。

2）頭盔顯示器——飛機(jī)

對(duì)于航空器而言，加裝任何一個(gè)設(shè)備，必須綜合考慮設(shè)備電源消耗、重量、體積占比等因素影響，評(píng)估其功能增加與綜合消耗的性價(jià)比。

3）頭盔顯示器——管理域

避免設(shè)備“用不起”或“不好用”，則設(shè)備的評(píng)估選用必須全壽命周期考慮。在功能性滿足的前提條件下，經(jīng)濟(jì)性、安全性、可靠性、維修性是不可或缺的評(píng)估要素。

4 頭盔顯示器效能評(píng)估模型建立

評(píng)估指標(biāo)體系、評(píng)估信息和評(píng)估方法是效能評(píng)估的三大要素，三者之間相互關(guān)聯(lián)，相互影響。評(píng)估指標(biāo)體系建立是評(píng)估的首要任務(wù)，是評(píng)估的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)估指標(biāo)的選取直接關(guān)系到綜合評(píng)估的結(jié)果。

要全面科學(xué)地評(píng)價(jià)，需要建立合理的評(píng)估指標(biāo)體系。評(píng)估體系是指為評(píng)估而確定的層次化的準(zhǔn)則和與之相關(guān)的屬性集的總稱。指標(biāo)體系的規(guī)模及具體指標(biāo)差別還會(huì)牽扯到評(píng)估過(guò)程的復(fù)雜性，效能評(píng)估指標(biāo)體系的指標(biāo)并非越多越好，否則大量的時(shí)間和人力成本浪費(fèi)在無(wú)謂的微小因素評(píng)價(jià)上。效能評(píng)估關(guān)鍵在于指標(biāo)體系能夠全面反映各決策方案的主要方面，在系統(tǒng)的眾多指標(biāo)中確定出綜合效能評(píng)估的指標(biāo)體系，是頭盔顯示器效能評(píng)估的基礎(chǔ)問(wèn)題。

依照最簡(jiǎn)性、可測(cè)性、客觀性、系統(tǒng)性、獨(dú)立性等多準(zhǔn)則評(píng)價(jià)指標(biāo)集的要求。對(duì)于功能復(fù)雜的頭盔顯示器進(jìn)行效能評(píng)估，首先運(yùn)用層次分析法（AHP）分解評(píng)價(jià)目標(biāo)，建立頭盔顯示器效能評(píng)估指標(biāo)體系，構(gòu)建頭盔顯示器效能評(píng)估層次結(jié)構(gòu)模型；然后，對(duì)評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行分解細(xì)化，給出詳細(xì)的評(píng)估指標(biāo)。

從“頭盔顯示器——人、頭盔顯示器——飛機(jī)、頭盔顯示器——管理域”3 個(gè)界面識(shí)別頭盔顯示器效能評(píng)估要素，建立頭盔顯示器效能評(píng)估體系如圖3 所示，效能評(píng)估內(nèi)容如表1 所示。

表1 頭盔顯示器效能評(píng)估內(nèi)容詳表

圖3 頭盔顯示器效能評(píng)估指標(biāo)體系示意圖

5 頭盔顯示器效能評(píng)估

5.1 評(píng)估信息的收集和量化

對(duì)效能評(píng)估三大要素中評(píng)估信息和評(píng)估方法而言，效能評(píng)估方法眾多，有層次法、ADC 法、系統(tǒng)效能分析法、指數(shù)法等，這些評(píng)估方法各有優(yōu)缺，難點(diǎn)在于評(píng)估信息的收集和量化，評(píng)估信息就是效能評(píng)估的素材。評(píng)估指標(biāo)包括定量指標(biāo)和定性指標(biāo)兩類。對(duì)于定量指標(biāo)，評(píng)估信息直接采集數(shù)據(jù)收集，定性指標(biāo)則先信息收集后量化，量化的方法有直接打分法、量化標(biāo)尺量化法。根據(jù)單項(xiàng)效能評(píng)估指標(biāo)特性確定信息收集方法和量化方法，詳見(jiàn)下頁(yè)表2。

表2 中，問(wèn)卷法中問(wèn)卷設(shè)計(jì)采用主觀語(yǔ)言分解闡述分項(xiàng)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為評(píng)價(jià)問(wèn)題，問(wèn)卷框架設(shè)計(jì)包括導(dǎo)語(yǔ)、評(píng)價(jià)目的、受試人員信息采集、問(wèn)題表等。為便于后期統(tǒng)計(jì)分析，問(wèn)卷評(píng)價(jià)問(wèn)題設(shè)計(jì)為封閉式問(wèn)題，采用五級(jí)尺度量表。

表2 頭盔顯示器評(píng)估信息收集/量化方法表

5.2 評(píng)估指標(biāo)分析

5.2.1 操作性

操作性評(píng)估主要包括兩部分分項(xiàng)指標(biāo)：一是頭盔顯示器設(shè)備操作性評(píng)估，包括頭盔脫戴操作、功能模塊裝卸/收放等方便友好，易于辨識(shí)；二是佩戴頭盔顯示器條件下其他設(shè)備操作可達(dá)性和便捷性評(píng)估。

操作性評(píng)估以調(diào)查問(wèn)卷形式呈現(xiàn)。問(wèn)卷設(shè)計(jì)是在對(duì)頭盔顯示器操作性評(píng)估時(shí)，結(jié)合頭盔顯示器本身及機(jī)載平臺(tái)使用特點(diǎn)，采用主觀語(yǔ)言分解闡述相關(guān)指標(biāo)并轉(zhuǎn)化為評(píng)價(jià)問(wèn)題，明確調(diào)查對(duì)象，并規(guī)定調(diào)查結(jié)果分析與運(yùn)用方法。

5.2.2 舒適性

生理健康和工作效能本質(zhì)上是關(guān)聯(lián)的，工作效能是量變的評(píng)價(jià)，影響生理健康是量變積累后的質(zhì)變。舒適性評(píng)估主要評(píng)估頭盔顯示器佩戴生理因素影響。具體頭盔顯示器而言，影響工作效能乃至生理健康的主要在熱、壓力、噪音、強(qiáng)光/激光等方面。因此，舒適性評(píng)估指標(biāo)包括頭部壓力分布、熱舒適性、防噪聲性能、光防護(hù)性能等。

舒適性評(píng)估以實(shí)驗(yàn)法和調(diào)查問(wèn)卷/訪談法相結(jié)合進(jìn)行，可量化分項(xiàng)指標(biāo)與主觀評(píng)述互相印證綜合評(píng)估。

5.2.3 功能性

頭盔顯示器功能性評(píng)估主要評(píng)估所承擔(dān)功能完成程度，包括戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知能力評(píng)估、頭盔防護(hù)能力評(píng)估、武器隨動(dòng)控制能力評(píng)估、人機(jī)交互能力評(píng)估4 個(gè)分項(xiàng)指標(biāo)。

功能性評(píng)估以調(diào)查問(wèn)卷形式呈現(xiàn)。在對(duì)頭盔顯示器功能性評(píng)估主要因素研究基礎(chǔ)上，規(guī)定評(píng)價(jià)問(wèn)題。

5.2.4 消耗度

頭盔顯示器的消耗度評(píng)估主要評(píng)估對(duì)裝載平臺(tái)電源、體積、重量3 個(gè)方面。

評(píng)估方法為采集數(shù)據(jù)進(jìn)行解析計(jì)算。

5.2.5 經(jīng)濟(jì)性

經(jīng)濟(jì)性評(píng)估評(píng)估設(shè)備全壽命周期費(fèi)用，包括研發(fā)費(fèi)用、采購(gòu)費(fèi)用、使用維護(hù)費(fèi)用。

設(shè)備全壽命周期費(fèi)用是事前評(píng)估，因此，對(duì)于不確定和尚未發(fā)生的費(fèi)用采用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)估算獲得。

評(píng)估方法為采集數(shù)據(jù)進(jìn)行解析計(jì)算。

5.2.6 安全性

安全性評(píng)估包括的方面諸多，設(shè)備壽命期間，設(shè)備-人、設(shè)備-環(huán)境之間兩兩相互安全影響的評(píng)估。具體到頭盔顯示器安全性評(píng)估，包括飛行員佩戴頭盔顯示器的安全、頭盔顯示器自身的設(shè)備安全等。需要注意的是，安全性的評(píng)估需要在多個(gè)維度上進(jìn)行，包括物理上的安全、數(shù)據(jù)信息的安全等。

安全性評(píng)估方法采用直接打分法。專家根據(jù)頭盔顯示器設(shè)備功能、操作流程和工作環(huán)境給出安全性評(píng)估表，評(píng)估專家按照對(duì)應(yīng)內(nèi)容評(píng)估打分。

5.2.7 可靠性

可靠性主要評(píng)估頭盔顯示器在規(guī)定條件下規(guī)定時(shí)間內(nèi)無(wú)故障地完成規(guī)定任務(wù)的能力?？煽啃园四途眯?、可維修性、設(shè)計(jì)可靠性等三大要素，典型評(píng)價(jià)指標(biāo)有可靠度、失效率、平均無(wú)故障時(shí)間間隔等。

可靠性評(píng)估方法為采集數(shù)據(jù)進(jìn)行解析計(jì)算。數(shù)據(jù)的采集來(lái)源根據(jù)產(chǎn)品階段變換，方案階段可靠性預(yù)計(jì)獲得，工程研制過(guò)程中詳細(xì)設(shè)計(jì)階段可靠性仿真獲得，樣機(jī)階段可靠性試驗(yàn)獲得。

5.2.8 維修性

維修性主要評(píng)估頭盔顯示器是否達(dá)到規(guī)定的維修性要求，以滿足戰(zhàn)備完好性和任務(wù)成功性要求，減少保障資源、維修人力和壽命周期費(fèi)用，設(shè)備典型評(píng)價(jià)指標(biāo)主要為平均修復(fù)時(shí)間（MTTR）。

維修性評(píng)估方法為采集數(shù)據(jù)進(jìn)行解析計(jì)算。數(shù)據(jù)的采集來(lái)源根據(jù)產(chǎn)品階段變換，方案階段維修性預(yù)計(jì)獲得，工程研制過(guò)程中詳細(xì)設(shè)計(jì)階段維修性建模分析獲得，樣機(jī)階段維修性驗(yàn)證試驗(yàn)獲得。

5.3 指標(biāo)權(quán)重的確定

效能評(píng)估中，科學(xué)地確定權(quán)重是效能評(píng)估的核心。根據(jù)頭盔顯示器效能評(píng)估模型的特點(diǎn)選取層次分析法確定權(quán)重，初步搭建框架，如下頁(yè)表3 所示，再結(jié)合德?tīng)柗品ǎw行員/專家）對(duì)指標(biāo)體系賦權(quán)，最終形成頭盔顯示器效能評(píng)估指標(biāo)權(quán)重矩陣：一級(jí)指標(biāo)權(quán)重依次為=（0.085，0.13，0.163，0.122，0.14，0.12，0.12，0.12）。

表3 頭盔顯示器效能評(píng)估指標(biāo)權(quán)重

5.4 綜合評(píng)估

頭盔顯示器功能復(fù)雜，評(píng)估信息既包含定性數(shù)據(jù)又包含定量數(shù)據(jù)，因此，選用層次分析法（AHP）進(jìn)行頭盔顯示器的綜合效能評(píng)估，將復(fù)雜任務(wù)轉(zhuǎn)化為有序的層次結(jié)構(gòu)。

依據(jù)頭盔顯示器效能評(píng)估模型采集相關(guān)數(shù)據(jù)，采用給定的方法將評(píng)估信息量化，代入評(píng)估模型進(jìn)行評(píng)估計(jì)算，頭盔顯示器綜合效能計(jì)算算子見(jiàn)式（1）。

其中，E 為頭盔顯示器綜合效能評(píng)估值；W為頭盔顯示器第i 個(gè)分項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)值；為頭盔顯示器效能評(píng)估第i 個(gè)指標(biāo)權(quán)重。

將計(jì)算所得頭盔顯示器效能評(píng)估值，按照表4等級(jí)給出評(píng)估結(jié)論。

頭盔顯示器效能評(píng)估的評(píng)定等級(jí)分為優(yōu)秀（Ⅰ）、良好（Ⅱ）、及格（Ⅲ）、不及格（Ⅳ）4 個(gè)等級(jí)，各等級(jí)指標(biāo)量值如表4 所示。

表4 評(píng)估等級(jí)指標(biāo)量值表

6 結(jié)論

國(guó)內(nèi)已裝備頭盔顯示器多年，受益于微電子和近眼顯示技術(shù)的發(fā)展，以及戰(zhàn)斗人員對(duì)于戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知能力提升的迫切需求，頭盔顯示器在空、車、單兵等裝備領(lǐng)域迅速拓展?？茖W(xué)合理地進(jìn)行頭盔顯示器效能評(píng)估要素識(shí)別，建立頭盔顯示器效能評(píng)估模型，給出頭盔顯示器的量化評(píng)價(jià)數(shù)值，改善頭盔顯示器的佩戴體驗(yàn)，降低裝備成本，進(jìn)而充分發(fā)揮我軍武器裝備的作戰(zhàn)效能，意義深遠(yuǎn)。

針對(duì)評(píng)價(jià)的多維度和評(píng)價(jià)指標(biāo)的多樣性，頭盔顯示器效能評(píng)估，開(kāi)展定量、定性分析與評(píng)估，綜合運(yùn)用解析計(jì)算、調(diào)查問(wèn)卷、直接打分法等多種評(píng)價(jià)方法手段，對(duì)操作性、舒適性、功能性、消耗度、經(jīng)濟(jì)性、安全性、可靠性、維修性等進(jìn)行科學(xué)合理、全面系統(tǒng)的分析評(píng)價(jià)。

需要說(shuō)明的是，效能評(píng)估的結(jié)果不是一成不變的，在裝備研制及列裝使用的全壽命周期，如同產(chǎn)品的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，裝備的效能評(píng)估亦建議在各個(gè)階段開(kāi)展，并將評(píng)估結(jié)果落實(shí)于裝備的升級(jí)改進(jìn)。