潜水员水下操控作业多用途工效测试系统研制

范维，盛立，方以群

(1.上海杉达学院，上海 201209;2.海军研究院，北京 100094;3.海军特色医学中心，上海 200003)

1 引言

潜水员在水下操控作业时的作业工效问题是直接影响到其水下工作效率、安全性及能否正常完成任务的重要因素，因而在水下进行实时的工效学指标测试十分重要[1]。现有的一些测试工效学系统，只能在常压空气中使用，要等潜水员出水后进行补测，这种方法已经无法对其水下工效学指标数据进行实时、准确地测量。现阶段高压水下环境主要通过两种手段模拟，一种是开放式水池，另一种是封闭式加压舱[2]。开放式水池缺点是深度有限，只能在一定深度范围内进行潜水作业，但其在浅深度下的操作使用较为方便；封闭式加压舱可以通过注水、加压实现较大深度的潜水作业，但其舱体容积有限，无法实现较复杂的潜水作业训练。因而，本文为了满足潜水员水下作业多功能工效测试系统，合理地优化两种高压水环境下潜水员工效学测试装备的使用需求，建立了一套可两种环境使用的多用途测试装置，旨在解决各种深度下潜水员操控作业工效学指标的实时监测问题。

2 测试系统构建

本系统可对潜水员进行水下操控作业的仿真模拟训练，并在一定时间的水下操控作业后对其进行工效学指标测试，主要通过水下模拟器对其进行反应能力的各种不同类型测试，然后通过网线通讯将其测试画面同步显示于外界操控台处，使操作台处的人员能实时监控潜水员水下作业工效。同时，通过视频监控系统和语音通讯系统将潜水员水下作业的视频情况、对话内容实时传输至水面控制台，实现水面对水下的全方位的监控[3]。

潜水员水下作业工效多用途测试系统由水下工效模拟器、水面控制台、视频监控与通讯系统组成，如图1所示。

图1 系统总图

水下模拟器是将工控机密封于水密外壳内，仿真操作软件与人员反应能力测试软件安装于工控机内，在水密外壳上加装防水按键可对外壳内的工控机进行水下操控作业，同时也可进行反应能力测试的操作，其整体外形图如图2所示。

图2 水下模拟器外形视图

水下模拟器是水下作业工效测试的核心部分，内置了仿真操作软件与反应能力测试软件[4]。仿真操作软件通过潜水员模拟操控潜水器前进、后退、转弯、上浮、下潜等动作来进行水下潜水器的模拟操控，画面显示包含航行页、避碰页、航迹页、观察页面四大类，分别代表在水下操控潜水器时需要用到的四种界面，如图3所示，仿真操作软件构架如图4所示。

图3 仿真操作软件的4种界面

图4 仿真操作软件构架

反应能力测试软件通过将专用的心理学测试软件植入到模拟器工控机中，在潜水员进行一段时间水下操作后由水面控制台切换界面至反应能力测试软件，并通过语音通知潜水员进行反应能力测试。测试部分主要通过视觉、听觉、记忆、学习、颜色、错觉、旋转等方面对潜水员的反应能力进行综合测试[5]。

水面控制台为置于水面的控制设备，用于实验保障人员对水下作业人员的实时监测与控制[6]。水面控制台中一台电脑用于对水下模拟器工控机进行控制操作，作为主控计算机，另外两台用于同步显示水下模拟器画面。水面与水下信号的传输通过以太网相连接，实现水面对水下的远程监测。

本装置的视频监控系统通过位于每个潜水员的侧后方的有防水摄像头来实现，通过此摄像头可以清晰地看到测试者处理控制台所发布的指令的情况，防止误操作，并可对人员坐姿、操作动作、呼吸装置佩戴情况以及水下环境进行监控。在每个水下模拟器的上部，嵌入式安装有人员面部监控摄像头。通过此摄像头可以清晰地看到测试者的面部及全身状态，若发现极度疲劳的情况控制台可以进行应急处理。

为保证水下测试者的安全，本装置设置了通讯系统，该系统主要为水面与水下、舱外与舱内实现语音通讯。通讯系统由电话机、水下对讲系统、连接电缆构成。当进行开放水池实验时，电话机放置于水面控制台，水下对讲系统由测试者佩戴至某一深度，电话机与水下对讲系统通过电缆连接。当进行封闭加压舱实验时，电话机放置于舱外控制台，水下对讲系统由测试者佩戴至舱内，电话机与水下对讲系统通过电缆连接。电缆通过水舱上的生理接线柱接入水舱内部，与水舱内的水下对讲系统相连接。如图5所示。

图5 通讯系统组成

3 系统验证

3.1 开放式水池实验

水池为圆形，深度约30 m，池上设有升降平台，可停留至水池任一深度。实验时，将舱段模拟平台吊装至水池升降平台上，安装好固定台架、座椅、控制气路等辅助设备，将模拟器安装在固定台架上并接通与水面控制台的数据传输。设备功能调试完毕后受试人员佩戴呼吸装置进入模拟舱段，将升降平台下降至实验所需的某一深度开始实验，如图6所示。

图6 开放式水池内实验图

水面控制台按照预先设定好的运载器操作流程进行指挥，通过控制计算机发布操作指令，测试者确认收到指令后，首先通过水下模拟器的计算机回复指令，再通过语音向水面控制台回复收到指令[7]。当操作过程达到一定时间，水面控制台认为需要进行水下反应能力测试时，由控制台向测试者发布进行反应能力测试的指令，并将水下显示界面切换至反应能力测试平台，测试者开始进行反应能力测试。测试完毕后，水面控制台再次切换水下界面至运载器操作界面，则测试者继续开始进行运载模拟实验。实验结束时，由水面控制台发布结束指令，水池平台上升出水，人员出舱[8]。

3.2 封闭式加压舱实验

如果需要做大于30 m水深的实验或生理指标的实时检测时，可将舱段模拟平台中的固定台架、座椅、控制气路等拆下，安装在高压水舱中，将模拟器安装于固定台架并接通与舱外控制台的数据传输。设备功能调试完毕后受试人员佩戴呼吸装置进入高压水舱，在高压水舱内注水、加压至实验所需的某一深度开始实验，如图7所示。

图7 封闭式加压舱内实验图

舱外控制台按照预先设定好的运载器操作流程进行指挥，通过控制计算机发布操作指令，测试者确认收到指令后，首先通过水下模拟器的计算机回复指令，再通过语音向舱外控制台回复收到指令。当操作过程达到一定时间，舱外控制台认为需要进行水下反应能力测试时，由控制台向测试者发布进行反应能力测试的指令，并将水下显示界面切换至反应能力测试平台， 测试者开始进行反应能力测试。测试完毕后，可对测试者进行生理指标的实时检测。

4 实验结果

4.1 开放式水池实验结果

开放式水池进行了总长5 h的长时间水下工效学试验，测试时间点分别选取了2 h、3 h、3.5 h、4 h、5 h共5个时间停留点，进行了视觉反应时测试、听觉反应时测试、知觉测试实验。实验结果如下：

(1)反应时间测试

表1 开放式水池反应时测试评价表

表2 开放式水池听觉反应时测试评价表

(2)知觉测试：

表3 开放式水池知觉测试评价表

4.2 封闭式加压舱实验结果

封闭式加压舱进行了总长4 h的长时间水下工效学试验，测试时间点分别选取了2 h、3 h、3.5 h 、4 h共4个时间停留点，进行了视觉反应时测试、听觉反应时测试、知觉测试实验。实验结果如下：

(1)反应时间测试：

表4 封闭式加压舱视觉反应时测试评价表

表5 封闭式加压舱听觉反应时测试评价表

(2)知觉测试：

表6 封闭式加压舱知觉测试评价表

5 讨论

根据潜水员水下作业常规作业深度要求，其一般在潜水深度为可不减压出水的安全深度内，一般为10米以浅，则可是使用开放式水池进行水下操控作业及工效学测试；在特殊要求下，其作业深度要求会达到40米以浅，开放式水池无法满足该深度的要求，则使用封闭式加压舱的方式进行水下操控作业及工效学测试。在本系统研制完成后，对以上两种深度下的潜水员水下作业均进行了工效学指标的测试。首先进行潜水员水下常规作业动作，让潜水员在水下仿真操控，进行潜水器的前进、后退、上升、下潜、转弯等动作的训练，在1小时后水面控制台切换反应能力测试界面并通知潜水员进行反应能力测试，测试结束后潜水员继续进行水下仿真操控训练，在直到第2小时后再次进行反应能力测试。如此程序，直到潜水员在水下执行5小时的操控训练及反应能力测试后，整个实验结束。在此实验中，可以测试潜水员在水下从1小时到5小时各个不同时间段后作业的工效学指标情况，从而分析其不同水下工作时间对潜水员作业能力的影响程度。

6 结论

本研究设计的潜水员水下操控作业工效多用途测试系统，将潜水常用的浅深度、中等深度水下操控训练和反应能力训练方式集成在一起而形成多种应用深度下使用的水下操控工效测试系统，解决了潜水员在不出水情况下进行不同时间作业后工效学指标实时监测的问题，为潜水员水下作业的安全评价提供了重要的技术装备。