海軍裝備領域人因工程研究現狀及發展

陳 霞，劉 雙

(1. 海軍裝備信息系統局 北京 100036；2. 中國船舶工業綜合技術經濟研究院 艦船人因工程實驗室，北京 100081)

海軍裝備領域人因工程研究現狀及發展

陳 霞1，劉 雙2

(1. 海軍裝備信息系統局 北京 100036；2. 中國船舶工業綜合技術經濟研究院 艦船人因工程實驗室，北京 100081)

從軍事裝備領域人因工程的概念和意義、人因工程在我國及美國的相關發展情況出發，針對我國海軍裝備領域的人因工程，系統梳理海軍裝備人因工程研究范疇及相關技術手段，提出海軍裝備人因工程工作實施建議，展望未來海軍裝備領域新交互技術發展的特點，為我國海軍裝備領域人因工程研究工作及后續發展思路提供一定的參考。

海軍裝備；人因工程；人機環系統；人機交互

0 引 言

海軍裝備是復雜的人機系統，具有多人多機協同關系復雜、惡劣海況環境下長時間作業，有限或特定空間中人流、物流、信息流高度密集、人機界面交互操作繁多等特點[1]。其中，人的因素非常重要，影響著裝備系統的“研、建、訓、用、管”的多個過程，正確處理人、裝備、作戰環境這 3 個基本要素的關系，是提高部隊戰斗力的關鍵。因此，有必要針對海軍裝備領域中人的因素開展研究。人因工程學，旨在研究特定任務背景下人的因素與機器、環境之間的相互作用，使機器、環境等設計更加符合人的生理、心理等特點，以提高工作效率、安全性、舒適性等目標，是一門實踐性、應用性很強的綜合性學科。在海軍裝備領域開展人為因素研究，一方面使裝備系統的設計研制更符合部隊用戶的認知與操作特性、作戰使用需求以發揮人的潛能；另一方面使部隊用戶最大可能地適應裝備及訓練、作戰等軍事活動；從而最大限度提高人機系統的作戰效能。

1 海軍裝備領域人因工程研究范疇

海軍裝備人因工程相對于其他軍事裝備領域來說，其具有人機系統界面復雜性、信息復雜性、動態特性復雜性、環境不確定性復雜性、操作復雜性等基本特征。其中，艦員、裝備、作戰環境，這三者通過相互作用關系形成相互關聯的人-機-環境系統整體，其研究范疇如圖 1 所示。

以海軍裝備系統的高效、安全、經濟、為目標，針對海軍裝備人-機-環系統整體，正確處理人、機、環境三大要素之間的關系，本文重點討論：艦員特性、人-機關系、人-人關系及人-環關系 4 個方面內容[1]。

1.1 艦員特性研究

艦員特性研究是軍事裝備人因工程研究的基礎輸入，重點研究基礎能力特性、工作負荷、人員可靠性等方面內容。

1）艦員基礎能力特性

由于艦上噪聲、振動、照明等物理環境因素，溫度、濕度、氣流、熱輻射等艙室微氣候環境因素，以及高壓力、長航時等作戰任務因素對艦員的能力特性會產生一定的影響，因而海軍艦員基礎能力特性具有一定的特殊性，因此海軍艦艇為主要作戰平臺的武器裝備研制中，應研究并結合海軍艦員的基礎能力特性，為裝備研制提供輸入，基礎能力特性主要包括以下幾個方面：認知心理特性：感知、注意、記憶、理解、決策等；生理特性：視覺、聽覺、疲勞、覺醒等；物理特性：人體靜態尺寸、肢體活動范圍、握力、臂力等。

重點研究長航時戰備條件下艦員認知能力變化、動作力量變化、情緒和睡眠變化等規律；研究船體不同晃動程度下顯控界面顏色匹配、信息量、信息布局、聽覺告警頻率等因素對艦員感知、判斷、決策等能力影響；研究艙室設備布置、生活設施配備、通道及人流疏散方式等。

2）艦員工作負荷

工作負荷評價是衡量艦員工作任務是否分配合理、能否有效完成的重要指標，也是人因工程研究領域的重點和難點。艦員的工作負荷主要包括體力負荷、腦力負荷及心理負荷，通常工作負荷測評主要采用客觀績效、主觀問卷、生理參數等方法，而由于艦員作業任務復雜，可重點針對感知監測類、判斷決策類、操作執行類等作業任務條件下艦員工作負荷測量方法、評價指標體系、評價模型等開展研究。

3）艦員的可靠性

人為失誤雖然是不可避免的自然現象，但對于作戰任務中艦員一旦發生人為失誤可能引發嚴重后果，因此需要圍繞艦員可靠性研究，避免艦員發生重大失誤，減少常規失誤并為裝備設計提供失誤應對措施。一是失誤機理分析，研究艦載環境長航時條件下艦員人的認知能力、情緒、生理等因素變化對人誤及可靠性的影響研究，分析不同崗位艦員發生失誤的類型、時間、部位、場合等一般規律；二是研究失誤預防與應對措施，包括制定人因工程標準、工業設計標準、安全性與可靠性標準等，確保系統和人的可靠性，并且迭代的進行人因工程評價；第二種是通過優化任務流程、人機界面設計、增強系統的容錯能力等方面研究，減少人誤，提高人-系統可靠性。

1.2 人-機關系研究

人機之間的相互作用產生人機關系，海軍裝備軟硬件系統的人機關系問題主要從功能關系、信息關系、位置關系及力的關系 4 個方面展開研究：

1）人機功能關系

① 人機工作任務分工：圍繞情報監測類、指揮決策類與操作執行類作業任務為典型，重點研究人與裝備系統的優勢能力各有哪些、哪些功能應當由系統為主完成、哪些功能應當由艦員為主完成等；

② 人的工作量分配：研究艦員與系統都可以完成且共同完成時，艦員應該參與多少工作量合適，確保艦員保持合理的情感和認知需求和有效的作業效率。

③ 人工干預程度：研究自動化程度較高時，艦員應在那些關鍵步驟或階段進行必要的干預，確保系統安全。

2）人機信息關系

① 人機界面信息顯示：主要圍繞裝備軟件界面的顯示布局、顯示格式及顯示要素等，研究如何確保人機界面呈現的圖形、表頁、字符等信息是艦員在執行任務中需要關注的，并保證其易于感知和理解。

② 人機界面交互：主要圍繞軟件界面的交互反饋、提示、響應時間等，重點研究如何確保人機界面各種類型控件及操作單元的交互滿足艦員高效、便捷、舒適的獲取信息、執行操作控制的需求。

3）人機位置關系

① 硬件設備外觀外形：圍繞硬件設備的操作域、視域、容膝空間等內容，重點研究如何確保硬件的外形尺寸滿足艦員操作使用的便捷、安全、舒適性需求；

② 艙室布置：結合艦員靜態尺寸、活動空間、設備維修性等方面因素，研究工作艙室及生活艙室內部設備布置，確保工作艙室的高效性、生活艙室的適居性。

4）人機力的關系

圍繞裝備的輸入裝置，如觸摸屏、軌跡球、按鍵等，研究艦員操作交互裝置的手指力、關節力、觸感、姿勢等有何要求和限制，確保艦員的人機交互操作動作高效、便捷、舒適。

1.3 人-人關系研究

作戰艙室人-人之間作業關系復雜，主要研究內容包括以下方面：

1）人人功能關系

① 崗位設置：基于艦員的能力特性、工作負荷及系統功能等因素，研究某特定任務崗位應設置何種能力和特點的艦員，以及如何設置這個崗位的排班制度；

② 臺位分配：基于考慮艦員的能力、工作負荷和系統功能因素，研究特定任務要求多少需要分配多少個臺位功能；

③ 資源配置：基于人與機的可靠性、人與機的能力等因素，研究特定任務需求下應當分配多少人數的艦員及多少個相匹配的功能臺位。

2）人人信息關系

① 團隊人機界面顯示及交互：研究團隊多人多機的界面顯示及交互方式如何確保團隊高效協作，包括共享大屏顯示、團隊信息交換方式、團隊溝通與協作方式等；

② 團隊組織結構關系：研究人與人之間的團隊任務規劃及團隊組織結構，如何優化作戰艙室團隊間信息的傳輸流程，提高團隊作業績效。

3）人人位置關系

主要研究團隊多人多機的臺位布置，包括臺位間的距離、角度等內容，確保多個臺位的布置有利于團隊間的協作與配合。

4）人文關系

基于團隊間的組織文化、團隊心智模型、團隊一致性協議、團隊決策等方面內容，研究如何增強作戰艙室的團隊凝聚力，提高團隊作業效率。

1.4 人-環關系研究

人-環關系研究主要研究環境與人之間的相互影響、環境設計及人員防護措施等方面內容。

1）環境對人的影響規律研究

研究噪聲、振動、眩光等物理環境因素，溫度、濕度、氣流等艙室微氣候環境因素，以及高壓力、長航時等作戰任務環境因素，對艦員快速感知、記憶和聯想、理性決策、情緒與操作準確度等方面影響。

2）環境優化設計

基于艦員的生理、心理和認知特性與需求，對工作艙室環境、生活艙室環境進行適人性研究，包括艙室空間布局、溫濕度和氣流、艙室照明與色彩設計等；提出艙室環境設計和研制中需要考慮的因素，以及研制需要達到的指標和要求等。

3）人員防護措施

當環境惡劣對艦員身體健康或作戰任務有一定程度危害而不易于改變時，研究如何保護人員安全和健康，或抵抗不良影響提高作業效率等，包括防噪耳機、防輻射服、抗浸防寒服、海上救生著裝、抗疲勞藥物等方面研究。

2 海軍裝備領域人因工程技術手段

面向海軍裝備人機環系統，針對上述主要研究范疇，遵循人機功能分配、人機界面顯示及交互等方面基本原則，采用人因工程技術手段，突破相應的關鍵技術，從而達到特定任務條件下高效、安全、友好，經濟的軍事目標，如圖 2 所示。

2.1 基本原則

海軍裝備領域人因工程應遵循的基本原則主要包括以下幾個方面：

1）人機功能分配基本原則

① 應確保人機之間揚長避短、各盡所能，綜合發揮了人機各自優勢特點，提高人機系統工作效率與安全性。

② 應考慮人的認知操作極限約束以及人的認知與情感需求，使得工作量在人機之間合理分配、高效合作，提高人機交互友好性與安全性。

③ 應考慮人機執行工作任務的效益和相對成本，以提高系統效益/費用比。并考慮系統的運行階段，實現動態合理的分配，提高系統整體效能。

2）人機界面顯示基本原則

① 顯示信息應清晰、直觀、簡潔、易懂、易學，確保操作者可以迅速、準確地判斷和操作；

② 顯示信息應當在舒適的范圍內，并具有一定的完備性和精度要求，以滿足操作者做出正確決策和控制操作；

③ 針對同一事件的相關顯示信息，在界面顯示時應當保持同步、協調、一致。

3）人機界面交互基本原則

① 交互操作應便捷、靈活、舒適，減少操作者的操作負荷；

② 交互過程中應及時反饋有關系統當前狀態、確認及驗證等信息。

③ 交互過程中應具有適當的操作失誤預防、處理、錯誤提示以及在線幫助查詢等。

2.2 共性技術

共性技術主要面向特定任務條件下人-機、人-人、人-環等關系研究，為裝備系統人因工程研制提供解決方案，主要包括人機交互原型構建技術、環境仿真分析技術、人因工程測量技術、人因工程實驗技術等[2-3]。

1）人機交互原型構建技術

建立人機交互原型是“以部隊用戶為中心”裝備設計流程中的重要環節和方法，該技術面向裝備人機界面顯示及交互方式研制，結合人因工程設計要求及典型任務剖面構建低保真、高保真等人機交互原型，為部隊用戶提供操作體驗、需求發掘和意見反饋的一種參與設計的平臺。在研制早期進行人機交互原型測試可盡早發現交互設計中不完善問題，以盡快改進和完善，從而節省裝備設計的開發、修改和維護成本和時間。該項技術中的主要關鍵技術包括：人機交互流程分析和總體架構集成、適人性設計的快速呈現和修改、便捷移植性和快速適配性實現等技術手段。

2）環境仿真分析技術

由于裝備研制過程中很難直接獲得真實的戰時環境以及突發、非常規事件發生等條件下的工作環境數據，因此可通過該項技術模擬仿真多種環境條件，包括艙室空間仿真、光照環境仿真、噪聲環境仿真、振動環境仿真、電磁環境仿真等，人為控制條件下改變特定的參數來觀察仿真模擬環境的響應，預測和分析實際場景的特點，可實現多場景、多變量的快速對比和分析，對裝備設計、評估和人員訓練具有重要作用，并且可提高裝備研制效費比，縮短研制周期。該項技術中的主要關鍵技術包括：常規作業環境仿真模擬與分析、突發非常規作業環境仿真模擬與分析、多場景、多變量環境快速對比和分析等技術手段。

3）人因工程測量技術

人因工程測量技術主要時對特定任務條件下人因工程指標進行測量的客觀或主觀方法和手段。主要包括以下幾個方面：一是績效指標測量，如個人或團隊的任務完成時間、操作正確率、正確反應時間等，通常通過設計計算機程序進行自動識別和記錄；二是眼動指標測量，如注視時間、掃視軌跡、瞳孔直徑等，通常由高精度眼動捕捉裝置（SMART EYE）進行跟蹤和記錄；三是生理指標測量，如腦電、心電、皮膚電等，通常由多參數生理測量裝置（Bio Pac）進行實時采集和記錄；四是工作狀態測量，如個體的工作負荷、情境意識、疲勞等，多人群組的團隊情境意識、角色混淆程度等，可通過設計計算機程序進行自動識別和提取，或通過設計量表進行計算和提取（如 NASATXL 腦力負荷量表、SART 情境意識量表等）。結合具體任務環境，通常采用多種測量方法和手段進行綜合測量和分析。該項技術中的主要關鍵技術包括：工作負荷表征及指標測量、團隊協作績效表征及指標測量、實船任務條件下多指標綜合測量等技術手段。

4）人因工程實驗技術

人因工程是一門實踐性很強的學科，需要大量實驗開展研究，因此人因工程實驗技術是一項關鍵技術手段。該技術主要是在實驗控制條件下，尋找自變量與因變量之間的關系，通常以軍事裝備軟硬件設計要素或環境設計要素作為自變量，艦員的作業績效水平、眼動指標、生理指標、工作負荷、情境意識等心理和行為反應作為因變量。該技術主要包括以下幾方面內容：明確實驗研究問題和理論假設；通過實驗設計明確實驗計劃，包括被試選擇、實驗條件構建和控制、反應指標及測試設備選取等；實驗操作；實驗結果統計和分析；推導結論。該項技術中的主要關鍵技術包括：人機界面顯示及交互方式與艦員認知特性關系實驗、照明和搖擺等作業任務環境對作業績效影響實驗、人因工程優化設計指標驗證實驗等技術手段。

2.3 應用技術

應用技術是基于共性技術，面向軍事裝備人因工程工作的直接應用和具體實施，主要包括人因工程設計、評估、選拔與訓練等綜合技術：

1）人因工程設計技術

人因工程設計包括作戰軟件界面顯示及交互設計、裝備外觀外形設計、控制器設計、艙室設備布置設計、操作任務流程優化設計、工作環境優化設計等。該技術緊密結合裝備系統及艙室環境工程研制進度，在各個研制設計節點綜合運用人因工程方法何手段解決相應的人因工程技術問題，包括在立項論證階段提出人因工程總要求、方案階段形成人因工程設計要求及人機交互原型、技術設計階段形成相應的優化方案等，為裝備或艙室環境設計提供技術支撐。該項技術中的主要關鍵技術包括：操作任務流程優化設計、艙室設備布置優化設計、裝備外觀外形及控制器設計、作戰軟件界面顯示及交互設計等技術手段。

2）人因工程評估技術

人因工程評估技術包括建立評估指標體系、評估模型、評估實施程序等，該緊密結合裝備系統及艙室環境工程研制進度，在不同節點開展不同性質的測試評估，包括技術設計階段的模塊級診斷性測試評估、試驗測試階段的系統級診斷性測試評估，以及試驗鑒定階段的綜合性總結評估等，通過采用相應的測量技術獲取不同評估節點對應的評估指標，結合評估模型提出相應的評估結論。該項技術中的主要關鍵技術包括：緊密結合裝備研制過程的評估體系構建、模塊級診斷性評估、系統級診斷性評估、實船環境綜合性總結性評估等技術手段。

3）選拔與訓練技術

選拔與訓練技術密不可分，綜合運用工作任務分析、人員特性數據采集與分析、人因工程測量技術、實驗技術等基礎與共性技術方法，對典型任務崗位的人員特性進行充分研究，從而實現一方面在錄用之前或人員分配到崗之前對人員進行測評，為特定工作崗位選拔合適的艦員；另一方面通過幫助艦員盡快熟練掌握崗位相關知識和技能，使其高效完成崗位任務。

3 海軍裝備人因工程工作實施建議

在人因工程相關工作應貫穿于海軍裝備工程研制全過程，在裝備研制初期提出有效的人因工程要求和指標，在研制過程中適時采取合理的評價體系進行測衡量，并及時提出優化方案，具體工作流程如圖 3所示。

1）工程研制的立項論證階段。開展人因工程需求分析及論證工作：調研艦員的作戰任務需求、人機交互使用需求等，分析系統、裝備及任務、艦員生理心理特點等，提出人因工程指標、人因工程要求。

2）工程研制的方案設計階段。開展人因工程專項設計工作，細化人因工程設計方案，構建典型任務剖面的人機交互原型，并開展實驗室實驗及用戶體驗測試，形成人因工程設計準則或設計要求。

3）工程研制的技術設計階段。結合人因工程設計要求開展系統設計，開展人因工程模塊級診斷性測試，診斷分析各個模塊設計過程中是否存在人因工程問題，形成模塊測試評估分析報告，為工程研制提出優化設計方案。該階段裝備已具備模塊級人機交互任務，可采用專家認知走查法、可用性量表、模塊級操作績效測量、眼動跟蹤分析等方法進行測評分析。

4）工程研制的試驗測試階段。開展系統級人因工程診斷性測試，診斷分析系統設計中是否存在人因工程問題，形成系統測試評估分析報告，為工程研制提出優化設計方案。該階段裝備已具備系統級典型任務剖面下的人機交互任務，可采用系統級操作任務績效測量、眼動跟蹤分析、生理測量分析、行為記錄分析等方法進行測評分析。

5）工程研制的試驗鑒定階段。基于實際工作環境開展系統級總結性評估，得出評估結論，作為系統試驗鑒定的依據之一。該階段的測評方法根據實際工作環境進行選擇和適用性改進。

6）用戶使用階段。裝備交付使用后，人因工程參與艦員培訓與選拔；持續收集、挖掘和分析用戶實際使用過程中的問題及新需求，反饋并運用到裝備系統升級和優化提升中。

4 未來海軍裝備領域新交互技術發展

隨著計算機技術、網絡技術、信號處理技術、顯示技術、軟件技術等高新技術快速發展及商用技術在我國海軍裝備上的逐漸應用，軍事裝備更新換代不斷加快，性能不斷提高，同時自然化、人性化的人機交互方式以及和諧的人機關系需求不斷提高，未來我國海軍裝備領域新交互技術可能有以下幾方面發展特點[7-8]。

1）三維顯示與交互技術

立體三維顯示作為一種全新模式的視覺模式，用立體三維可視化代替平面二維顯示，未來通過三維顯示設計三維海、陸、空態勢圖、三維軍標等，使部隊用戶具有較強的立體沉浸感，提高戰場態勢感知。三維控制裝置是利用計算機生成一種可對參與者直接施加視覺、聽覺和觸覺感受，允許人交互的觀察和操作，用于操作三維目標的輸入設備，未來可設計三維鼠標、三維軌跡球等，提高交互效率。

2）多通道交互技術

多通道交互是近年來迅速發展的一種人機交互技術，適應了“以人為中心”的交互準則，具有自然、高效等特點。多通道涵蓋了用戶表達意圖、執行動作或感知反饋信息的各種通信方法，如言語、眼神、臉部表情、唇動、手動、手勢、頭動、肢體姿勢、觸覺、嗅覺或味覺等。未來軍事裝備中可逐漸采用多通道交互技術，如視線跟蹤技術可能代替鍵盤、軌跡球輸入的功能，達到“所視即可得”；觸覺通道的力反饋感應技術主要觸覺感應和動作感應 2 種，可應用于新型顯控臺軌跡球或觸摸屏設計中；生物特征識別技術，通過對人眼虹膜、掌紋、筆跡、步態、語音、人臉等特征進行識別而確定該崗位人員的身份和權限，從而保障軍事裝備的安全性。

3）虛擬現實技術

虛擬現實技術是一種綜合應用各種技術制造逼真的人工模擬環境，并能有效地模擬人在自然環境中視、聽、觸覺等各種感知行為的高級人機交互技術，具有沉浸性、交互性和想象性等特點。該項技術未來可結合人因工程研究，通過建立海軍裝備虛擬艙室環境和虛擬樣機開展人因工程可用性評估，包括艙室空間布局及內飾設計測試與評估、裝備人機界面及交互測試與評估、裝備的運動學和動力學分析，以及虛擬維修、虛擬裝配等方面的評估，有助于縮短研制周期，節約后期修改、維護的成本，提高用戶滿意度。

4）可穿戴智能設備的交互技術

該項技術未來可為艦員設計可穿戴增強現實裝備，幫助艦員了解和掌握周邊戰場態勢，包括友軍位置、目標距離、當地衛星地圖等信息顯示在可穿戴屏幕上，還能根據士兵視線方向、遠近及其所處位置，有針對性地提供信息在艦員的自然視線范圍內；可設計可穿戴健康設備，包括監測心率、呼吸、腦電睡眠狀態等指標，對全艦艦員的身體狀況進行監測和分析，從而保證在崗執勤艦員能夠勝任戰備或戰時任務；或設計可穿戴電池設備，未來可用于智能化單兵作戰裝備的電能供應，艦員船上靴子或其他設備即可產生電量維持裝備的電力需要。

5）腦機交互技術

該項技術是指不依賴常規的脊髓/外周神經肌肉系統，在腦與外部環境之間建立一種新型的信息交流與控制通道，實現腦與外部設備之間的直接交互。DARPA正在深化這項技術研究，未來可能應用將艦員的大腦與電能通過多個頻道互相連接，每個頻道同時收集成千上萬大腦神經元的信息，通過建立電能與特定大腦區域的神經元精確相連，可使艦員變成與電腦直接連接的半機械人，從而提高艦員的戰場態勢感知和作戰技能[9]。

實現戰斗力生成和滿足實戰化要求是海軍裝備研制的最終目標，展望未來裝備領域的新興交互技術都是在以人為中心不斷挖掘人的需求，實現人與裝備之間自然舒適、高效便捷的交互。為此，基于艦員的認知與操作特點和使用需求開展人機交互設計是未來海軍裝備人機交互系統研制的發展趨勢。

5 結 語

海軍裝備人因工程研制堅持“以部隊用戶為中心，面向任務”的設計理念，基于海軍裝備人因工程技術手段，圍繞艦員特性、人-機關系、人-人關系、人-環關系等人因工程研究范疇，不斷挖掘部隊用戶使用需求，創新應用新技術，使人因工程工作貫穿于裝備研制的全過程，優化艦員、裝備系統、作戰使用環境三者之間的關系，形成與軍事裝備緊密相關的人因工程要求、人機交互原型、設計準則、優化解決方案、測試評估建議等，有助于形成符合部隊用戶特性和作戰使用需求的“好用”的軍事裝備，從而提高軍事裝備人機系統的使用效能。

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Present status and trend of naval equipment human factors engineering

CHEN Xia1, LIU Shuang2
(1. Information Systems Agecy, Naval Equipment Department, Beijing 100036, China; 2. Marine Human Factors Engineering Laboratory, Institute of Marine Technology and Economy, Beijing 100081, China)

In this paper, the concept and role of MEHFE, state of the art in China and the USA were introduced. Focusing on Naval Equipment Human Factors Engineering (NEHFE), this paper analyzed the research contents and technical methods, presented suggestions on NEHFE implementation measures and the growth of new interactive technology, which was contributed for the future research of NEHFE.

naval equipment；human factors engineering；man-machine environment system；human computer interaction

TP18

A

1672 - 7619(2017)04 - 0008 - 06

10.3404/j.issn.1672 - 7619.2017.04.002

2017 - 01 - 12；

2017 - 02 - 21

陳霞(1967 - )，女，高級工程師，研究方向為電子信息系統。