陈 霞，刘 双

(1. 海军装备信息系统局 北京 100036；2. 中国船舶工业综合技术经济研究院 舰船人因工程实验室，北京 100081)

海军装备领域人因工程研究现状及发展

陈 霞1，刘 双2

(1. 海军装备信息系统局 北京 100036；2. 中国船舶工业综合技术经济研究院 舰船人因工程实验室，北京 100081)

从军事装备领域人因工程的概念和意义、人因工程在我国及美国的相关发展情况出发，针对我国海军装备领域的人因工程，系统梳理海军装备人因工程研究范畴及相关技术手段，提出海军装备人因工程工作实施建议，展望未来海军装备领域新交互技术发展的特点，为我国海军装备领域人因工程研究工作及后续发展思路提供一定的参考。

海军装备；人因工程；人机环系统；人机交互

0 引 言

海军装备是复杂的人机系统，具有多人多机协同关系复杂、恶劣海况环境下长时间作业，有限或特定空间中人流、物流、信息流高度密集、人机界面交互操作繁多等特点[1]。其中，人的因素非常重要，影响着装备系统的“研、建、训、用、管”的多个过程，正确处理人、装备、作战环境这 3 个基本要素的关系，是提高部队战斗力的关键。因此，有必要针对海军装备领域中人的因素开展研究。人因工程学，旨在研究特定任务背景下人的因素与机器、环境之间的相互作用，使机器、环境等设计更加符合人的生理、心理等特点，以提高工作效率、安全性、舒适性等目标，是一门实践性、应用性很强的综合性学科。在海军装备领域开展人为因素研究，一方面使装备系统的设计研制更符合部队用户的认知与操作特性、作战使用需求以发挥人的潜能；另一方面使部队用户最大可能地适应装备及训练、作战等军事活动；从而最大限度提高人机系统的作战效能。

1 海军装备领域人因工程研究范畴

海军装备人因工程相对于其他军事装备领域来说，其具有人机系统界面复杂性、信息复杂性、动态特性复杂性、环境不确定性复杂性、操作复杂性等基本特征。其中，舰员、装备、作战环境，这三者通过相互作用关系形成相互关联的人-机-环境系统整体，其研究范畴如图 1 所示。

以海军装备系统的高效、安全、经济、为目标，针对海军装备人-机-环系统整体，正确处理人、机、环境三大要素之间的关系，本文重点讨论：舰员特性、人-机关系、人-人关系及人-环关系 4 个方面内容[1]。

1.1 舰员特性研究

舰员特性研究是军事装备人因工程研究的基础输入，重点研究基础能力特性、工作负荷、人员可靠性等方面内容。

1）舰员基础能力特性

由于舰上噪声、振动、照明等物理环境因素，温度、湿度、气流、热辐射等舱室微气候环境因素，以及高压力、长航时等作战任务因素对舰员的能力特性会产生一定的影响，因而海军舰员基础能力特性具有一定的特殊性，因此海军舰艇为主要作战平台的武器装备研制中，应研究并结合海军舰员的基础能力特性，为装备研制提供输入，基础能力特性主要包括以下几个方面：认知心理特性：感知、注意、记忆、理解、决策等；生理特性：视觉、听觉、疲劳、觉醒等；物理特性：人体静态尺寸、肢体活动范围、握力、臂力等。

重点研究长航时战备条件下舰员认知能力变化、动作力量变化、情绪和睡眠变化等规律；研究船体不同晃动程度下显控界面颜色匹配、信息量、信息布局、听觉告警频率等因素对舰员感知、判断、决策等能力影响；研究舱室设备布置、生活设施配备、通道及人流疏散方式等。

2）舰员工作负荷

工作负荷评价是衡量舰员工作任务是否分配合理、能否有效完成的重要指标，也是人因工程研究领域的重点和难点。舰员的工作负荷主要包括体力负荷、脑力负荷及心理负荷，通常工作负荷测评主要采用客观绩效、主观问卷、生理参数等方法，而由于舰员作业任务复杂，可重点针对感知监测类、判断决策类、操作执行类等作业任务条件下舰员工作负荷测量方法、评价指标体系、评价模型等开展研究。

3）舰员的可靠性

人为失误虽然是不可避免的自然现象，但对于作战任务中舰员一旦发生人为失误可能引发严重后果，因此需要围绕舰员可靠性研究，避免舰员发生重大失误，减少常规失误并为装备设计提供失误应对措施。一是失误机理分析，研究舰载环境长航时条件下舰员人的认知能力、情绪、生理等因素变化对人误及可靠性的影响研究，分析不同岗位舰员发生失误的类型、时间、部位、场合等一般规律；二是研究失误预防与应对措施，包括制定人因工程标准、工业设计标准、安全性与可靠性标准等，确保系统和人的可靠性，并且迭代的进行人因工程评价；第二种是通过优化任务流程、人机界面设计、增强系统的容错能力等方面研究，减少人误，提高人-系统可靠性。

1.2 人-机关系研究

人机之间的相互作用产生人机关系，海军装备软硬件系统的人机关系问题主要从功能关系、信息关系、位置关系及力的关系 4 个方面展开研究：

1）人机功能关系

① 人机工作任务分工：围绕情报监测类、指挥决策类与操作执行类作业任务为典型，重点研究人与装备系统的优势能力各有哪些、哪些功能应当由系统为主完成、哪些功能应当由舰员为主完成等；

② 人的工作量分配：研究舰员与系统都可以完成且共同完成时，舰员应该参与多少工作量合适，确保舰员保持合理的情感和认知需求和有效的作业效率。

③ 人工干预程度：研究自动化程度较高时，舰员应在那些关键步骤或阶段进行必要的干预，确保系统安全。

2）人机信息关系

① 人机界面信息显示：主要围绕装备软件界面的显示布局、显示格式及显示要素等，研究如何确保人机界面呈现的图形、表页、字符等信息是舰员在执行任务中需要关注的，并保证其易于感知和理解。

② 人机界面交互：主要围绕软件界面的交互反馈、提示、响应时间等，重点研究如何确保人机界面各种类型控件及操作单元的交互满足舰员高效、便捷、舒适的获取信息、执行操作控制的需求。

3）人机位置关系

① 硬件设备外观外形：围绕硬件设备的操作域、视域、容膝空间等内容，重点研究如何确保硬件的外形尺寸满足舰员操作使用的便捷、安全、舒适性需求；

② 舱室布置：结合舰员静态尺寸、活动空间、设备维修性等方面因素，研究工作舱室及生活舱室内部设备布置，确保工作舱室的高效性、生活舱室的适居性。

4）人机力的关系

围绕装备的输入装置，如触摸屏、轨迹球、按键等，研究舰员操作交互装置的手指力、关节力、触感、姿势等有何要求和限制，确保舰员的人机交互操作动作高效、便捷、舒适。

1.3 人-人关系研究

作战舱室人-人之间作业关系复杂，主要研究内容包括以下方面：

1）人人功能关系

① 岗位设置：基于舰员的能力特性、工作负荷及系统功能等因素，研究某特定任务岗位应设置何种能力和特点的舰员，以及如何设置这个岗位的排班制度；

② 台位分配：基于考虑舰员的能力、工作负荷和系统功能因素，研究特定任务要求多少需要分配多少个台位功能；

③ 资源配置：基于人与机的可靠性、人与机的能力等因素，研究特定任务需求下应当分配多少人数的舰员及多少个相匹配的功能台位。

2）人人信息关系

① 团队人机界面显示及交互：研究团队多人多机的界面显示及交互方式如何确保团队高效协作，包括共享大屏显示、团队信息交换方式、团队沟通与协作方式等；

② 团队组织结构关系：研究人与人之间的团队任务规划及团队组织结构，如何优化作战舱室团队间信息的传输流程，提高团队作业绩效。

3）人人位置关系

主要研究团队多人多机的台位布置，包括台位间的距离、角度等内容，确保多个台位的布置有利于团队间的协作与配合。

4）人文关系

基于团队间的组织文化、团队心智模型、团队一致性协议、团队决策等方面内容，研究如何增强作战舱室的团队凝聚力，提高团队作业效率。

1.4 人-环关系研究

人-环关系研究主要研究环境与人之间的相互影响、环境设计及人员防护措施等方面内容。

1）环境对人的影响规律研究

研究噪声、振动、眩光等物理环境因素，温度、湿度、气流等舱室微气候环境因素，以及高压力、长航时等作战任务环境因素，对舰员快速感知、记忆和联想、理性决策、情绪与操作准确度等方面影响。

2）环境优化设计

基于舰员的生理、心理和认知特性与需求，对工作舱室环境、生活舱室环境进行适人性研究，包括舱室空间布局、温湿度和气流、舱室照明与色彩设计等；提出舱室环境设计和研制中需要考虑的因素，以及研制需要达到的指标和要求等。

3）人员防护措施

当环境恶劣对舰员身体健康或作战任务有一定程度危害而不易于改变时，研究如何保护人员安全和健康，或抵抗不良影响提高作业效率等，包括防噪耳机、防辐射服、抗浸防寒服、海上救生着装、抗疲劳药物等方面研究。

2 海军装备领域人因工程技术手段

面向海军装备人机环系统，针对上述主要研究范畴，遵循人机功能分配、人机界面显示及交互等方面基本原则，采用人因工程技术手段，突破相应的关键技术，从而达到特定任务条件下高效、安全、友好，经济的军事目标，如图 2 所示。

2.1 基本原则

海军装备领域人因工程应遵循的基本原则主要包括以下几个方面：

1）人机功能分配基本原则

① 应确保人机之间扬长避短、各尽所能，综合发挥了人机各自优势特点，提高人机系统工作效率与安全性。

② 应考虑人的认知操作极限约束以及人的认知与情感需求，使得工作量在人机之间合理分配、高效合作，提高人机交互友好性与安全性。

③ 应考虑人机执行工作任务的效益和相对成本，以提高系统效益/费用比。并考虑系统的运行阶段，实现动态合理的分配，提高系统整体效能。

2）人机界面显示基本原则

① 显示信息应清晰、直观、简洁、易懂、易学，确保操作者可以迅速、准确地判断和操作；

② 显示信息应当在舒适的范围内，并具有一定的完备性和精度要求，以满足操作者做出正确决策和控制操作；

③ 针对同一事件的相关显示信息，在界面显示时应当保持同步、协调、一致。

3）人机界面交互基本原则

① 交互操作应便捷、灵活、舒适，减少操作者的操作负荷；

② 交互过程中应及时反馈有关系统当前状态、确认及验证等信息。

③ 交互过程中应具有适当的操作失误预防、处理、错误提示以及在线帮助查询等。

2.2 共性技术

共性技术主要面向特定任务条件下人-机、人-人、人-环等关系研究，为装备系统人因工程研制提供解决方案，主要包括人机交互原型构建技术、环境仿真分析技术、人因工程测量技术、人因工程实验技术等[2-3]。

1）人机交互原型构建技术

建立人机交互原型是“以部队用户为中心”装备设计流程中的重要环节和方法，该技术面向装备人机界面显示及交互方式研制，结合人因工程设计要求及典型任务剖面构建低保真、高保真等人机交互原型，为部队用户提供操作体验、需求发掘和意见反馈的一种参与设计的平台。在研制早期进行人机交互原型测试可尽早发现交互设计中不完善问题，以尽快改进和完善，从而节省装备设计的开发、修改和维护成本和时间。该项技术中的主要关键技术包括：人机交互流程分析和总体架构集成、适人性设计的快速呈现和修改、便捷移植性和快速适配性实现等技术手段。

2）环境仿真分析技术

由于装备研制过程中很难直接获得真实的战时环境以及突发、非常规事件发生等条件下的工作环境数据，因此可通过该项技术模拟仿真多种环境条件，包括舱室空间仿真、光照环境仿真、噪声环境仿真、振动环境仿真、电磁环境仿真等，人为控制条件下改变特定的参数来观察仿真模拟环境的响应，预测和分析实际场景的特点，可实现多场景、多变量的快速对比和分析，对装备设计、评估和人员训练具有重要作用，并且可提高装备研制效费比，缩短研制周期。该项技术中的主要关键技术包括：常规作业环境仿真模拟与分析、突发非常规作业环境仿真模拟与分析、多场景、多变量环境快速对比和分析等技术手段。

3）人因工程测量技术

人因工程测量技术主要时对特定任务条件下人因工程指标进行测量的客观或主观方法和手段。主要包括以下几个方面：一是绩效指标测量，如个人或团队的任务完成时间、操作正确率、正确反应时间等，通常通过设计计算机程序进行自动识别和记录；二是眼动指标测量，如注视时间、扫视轨迹、瞳孔直径等，通常由高精度眼动捕捉装置（SMART EYE）进行跟踪和记录；三是生理指标测量，如脑电、心电、皮肤电等，通常由多参数生理测量装置（Bio Pac）进行实时采集和记录；四是工作状态测量，如个体的工作负荷、情境意识、疲劳等，多人群组的团队情境意识、角色混淆程度等，可通过设计计算机程序进行自动识别和提取，或通过设计量表进行计算和提取（如 NASATXL 脑力负荷量表、SART 情境意识量表等）。结合具体任务环境，通常采用多种测量方法和手段进行综合测量和分析。该项技术中的主要关键技术包括：工作负荷表征及指标测量、团队协作绩效表征及指标测量、实船任务条件下多指标综合测量等技术手段。

4）人因工程实验技术

人因工程是一门实践性很强的学科，需要大量实验开展研究，因此人因工程实验技术是一项关键技术手段。该技术主要是在实验控制条件下，寻找自变量与因变量之间的关系，通常以军事装备软硬件设计要素或环境设计要素作为自变量，舰员的作业绩效水平、眼动指标、生理指标、工作负荷、情境意识等心理和行为反应作为因变量。该技术主要包括以下几方面内容：明确实验研究问题和理论假设；通过实验设计明确实验计划，包括被试选择、实验条件构建和控制、反应指标及测试设备选取等；实验操作；实验结果统计和分析；推导结论。该项技术中的主要关键技术包括：人机界面显示及交互方式与舰员认知特性关系实验、照明和摇摆等作业任务环境对作业绩效影响实验、人因工程优化设计指标验证实验等技术手段。

2.3 应用技术

应用技术是基于共性技术，面向军事装备人因工程工作的直接应用和具体实施，主要包括人因工程设计、评估、选拔与训练等综合技术：

1）人因工程设计技术

人因工程设计包括作战软件界面显示及交互设计、装备外观外形设计、控制器设计、舱室设备布置设计、操作任务流程优化设计、工作环境优化设计等。该技术紧密结合装备系统及舱室环境工程研制进度，在各个研制设计节点综合运用人因工程方法何手段解决相应的人因工程技术问题，包括在立项论证阶段提出人因工程总要求、方案阶段形成人因工程设计要求及人机交互原型、技术设计阶段形成相应的优化方案等，为装备或舱室环境设计提供技术支撑。该项技术中的主要关键技术包括：操作任务流程优化设计、舱室设备布置优化设计、装备外观外形及控制器设计、作战软件界面显示及交互设计等技术手段。

2）人因工程评估技术

人因工程评估技术包括建立评估指标体系、评估模型、评估实施程序等，该紧密结合装备系统及舱室环境工程研制进度，在不同节点开展不同性质的测试评估，包括技术设计阶段的模块级诊断性测试评估、试验测试阶段的系统级诊断性测试评估，以及试验鉴定阶段的综合性总结评估等，通过采用相应的测量技术获取不同评估节点对应的评估指标，结合评估模型提出相应的评估结论。该项技术中的主要关键技术包括：紧密结合装备研制过程的评估体系构建、模块级诊断性评估、系统级诊断性评估、实船环境综合性总结性评估等技术手段。

3）选拔与训练技术

选拔与训练技术密不可分，综合运用工作任务分析、人员特性数据采集与分析、人因工程测量技术、实验技术等基础与共性技术方法，对典型任务岗位的人员特性进行充分研究，从而实现一方面在录用之前或人员分配到岗之前对人员进行测评，为特定工作岗位选拔合适的舰员；另一方面通过帮助舰员尽快熟练掌握岗位相关知识和技能，使其高效完成岗位任务。

3 海军装备人因工程工作实施建议

在人因工程相关工作应贯穿于海军装备工程研制全过程，在装备研制初期提出有效的人因工程要求和指标，在研制过程中适时采取合理的评价体系进行测衡量，并及时提出优化方案，具体工作流程如图 3所示。

1）工程研制的立项论证阶段。开展人因工程需求分析及论证工作：调研舰员的作战任务需求、人机交互使用需求等，分析系统、装备及任务、舰员生理心理特点等，提出人因工程指标、人因工程要求。

2）工程研制的方案设计阶段。开展人因工程专项设计工作，细化人因工程设计方案，构建典型任务剖面的人机交互原型，并开展实验室实验及用户体验测试，形成人因工程设计准则或设计要求。

3）工程研制的技术设计阶段。结合人因工程设计要求开展系统设计，开展人因工程模块级诊断性测试，诊断分析各个模块设计过程中是否存在人因工程问题，形成模块测试评估分析报告，为工程研制提出优化设计方案。该阶段装备已具备模块级人机交互任务，可采用专家认知走查法、可用性量表、模块级操作绩效测量、眼动跟踪分析等方法进行测评分析。

4）工程研制的试验测试阶段。开展系统级人因工程诊断性测试，诊断分析系统设计中是否存在人因工程问题，形成系统测试评估分析报告，为工程研制提出优化设计方案。该阶段装备已具备系统级典型任务剖面下的人机交互任务，可采用系统级操作任务绩效测量、眼动跟踪分析、生理测量分析、行为记录分析等方法进行测评分析。

5）工程研制的试验鉴定阶段。基于实际工作环境开展系统级总结性评估，得出评估结论，作为系统试验鉴定的依据之一。该阶段的测评方法根据实际工作环境进行选择和适用性改进。

6）用户使用阶段。装备交付使用后，人因工程参与舰员培训与选拔；持续收集、挖掘和分析用户实际使用过程中的问题及新需求，反馈并运用到装备系统升级和优化提升中。

4 未来海军装备领域新交互技术发展

随着计算机技术、网络技术、信号处理技术、显示技术、软件技术等高新技术快速发展及商用技术在我国海军装备上的逐渐应用，军事装备更新换代不断加快，性能不断提高，同时自然化、人性化的人机交互方式以及和谐的人机关系需求不断提高，未来我国海军装备领域新交互技术可能有以下几方面发展特点[7-8]。

1）三维显示与交互技术

立体三维显示作为一种全新模式的视觉模式，用立体三维可视化代替平面二维显示，未来通过三维显示设计三维海、陆、空态势图、三维军标等，使部队用户具有较强的立体沉浸感，提高战场态势感知。三维控制装置是利用计算机生成一种可对参与者直接施加视觉、听觉和触觉感受，允许人交互的观察和操作，用于操作三维目标的输入设备，未来可设计三维鼠标、三维轨迹球等，提高交互效率。

2）多通道交互技术

多通道交互是近年来迅速发展的一种人机交互技术，适应了“以人为中心”的交互准则，具有自然、高效等特点。多通道涵盖了用户表达意图、执行动作或感知反馈信息的各种通信方法，如言语、眼神、脸部表情、唇动、手动、手势、头动、肢体姿势、触觉、嗅觉或味觉等。未来军事装备中可逐渐采用多通道交互技术，如视线跟踪技术可能代替键盘、轨迹球输入的功能，达到“所视即可得”；触觉通道的力反馈感应技术主要触觉感应和动作感应 2 种，可应用于新型显控台轨迹球或触摸屏设计中；生物特征识别技术，通过对人眼虹膜、掌纹、笔迹、步态、语音、人脸等特征进行识别而确定该岗位人员的身份和权限，从而保障军事装备的安全性。

3）虚拟现实技术

虚拟现实技术是一种综合应用各种技术制造逼真的人工模拟环境，并能有效地模拟人在自然环境中视、听、触觉等各种感知行为的高级人机交互技术，具有沉浸性、交互性和想象性等特点。该项技术未来可结合人因工程研究，通过建立海军装备虚拟舱室环境和虚拟样机开展人因工程可用性评估，包括舱室空间布局及内饰设计测试与评估、装备人机界面及交互测试与评估、装备的运动学和动力学分析，以及虚拟维修、虚拟装配等方面的评估，有助于缩短研制周期，节约后期修改、维护的成本，提高用户满意度。

4）可穿戴智能设备的交互技术

该项技术未来可为舰员设计可穿戴增强现实装备，帮助舰员了解和掌握周边战场态势，包括友军位置、目标距离、当地卫星地图等信息显示在可穿戴屏幕上，还能根据士兵视线方向、远近及其所处位置，有针对性地提供信息在舰员的自然视线范围内；可设计可穿戴健康设备，包括监测心率、呼吸、脑电睡眠状态等指标，对全舰舰员的身体状况进行监测和分析，从而保证在岗执勤舰员能够胜任战备或战时任务；或设计可穿戴电池设备，未来可用于智能化单兵作战装备的电能供应，舰员船上靴子或其他设备即可产生电量维持装备的电力需要。

5）脑机交互技术

该项技术是指不依赖常规的脊髓/外周神经肌肉系统，在脑与外部环境之间建立一种新型的信息交流与控制通道，实现脑与外部设备之间的直接交互。DARPA正在深化这项技术研究，未来可能应用将舰员的大脑与电能通过多个频道互相连接，每个频道同时收集成千上万大脑神经元的信息，通过建立电能与特定大脑区域的神经元精确相连，可使舰员变成与电脑直接连接的半机械人，从而提高舰员的战场态势感知和作战技能[9]。

实现战斗力生成和满足实战化要求是海军装备研制的最终目标，展望未来装备领域的新兴交互技术都是在以人为中心不断挖掘人的需求，实现人与装备之间自然舒适、高效便捷的交互。为此，基于舰员的认知与操作特点和使用需求开展人机交互设计是未来海军装备人机交互系统研制的发展趋势。

5 结 语

海军装备人因工程研制坚持“以部队用户为中心，面向任务”的设计理念，基于海军装备人因工程技术手段，围绕舰员特性、人-机关系、人-人关系、人-环关系等人因工程研究范畴，不断挖掘部队用户使用需求，创新应用新技术，使人因工程工作贯穿于装备研制的全过程，优化舰员、装备系统、作战使用环境三者之间的关系，形成与军事装备紧密相关的人因工程要求、人机交互原型、设计准则、优化解决方案、测试评估建议等，有助于形成符合部队用户特性和作战使用需求的“好用”的军事装备，从而提高军事装备人机系统的使用效能。

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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

陈霞(1967 - )，女，高级工程师，研究方向为电子信息系统。