曹穎穎，王　磊，惠　軼

(上海機電工程研究所，上海　201109)

?

以用戶為中心的防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)人機界面設(shè)計研究

曹穎穎，王磊，惠軼

(上海機電工程研究所，上海201109)

防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)不斷更新?lián)Q代，復(fù)雜功能和簡單操作需求的矛盾成為設(shè)計過程中普遍存在的問題。為優(yōu)化防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)人機界面設(shè)計，運用人機交互學(xué)中以用戶為中心的設(shè)計和評估理論，對防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)人機界面設(shè)計進行研究。將設(shè)計過程分為用戶與需求分析、設(shè)計、評估與改進三個階段，給出了每個階段的工作思路以及工作重點。將方法應(yīng)用于某型防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)人機界面設(shè)計，有效地規(guī)范了設(shè)計流程，提高了設(shè)計水平。

防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)；人機界面；用戶中心

1　武器系統(tǒng)的人機交互現(xiàn)狀

防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)是以保衛(wèi)陣地、隨行部隊、艦艇編隊等免受空襲兵器的打擊為目的的武器系統(tǒng)[1]，由探測制導(dǎo)系統(tǒng)、武器控制系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)和導(dǎo)彈組成，其中武器控制系統(tǒng)是武器系統(tǒng)的指揮中樞，控制著整個系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)，系統(tǒng)最高級指揮員的站位設(shè)置于此，指揮人員通過人機交互系統(tǒng)實時監(jiān)控武器系統(tǒng)的工作狀態(tài)，制定攔截策略，下達作戰(zhàn)命令。可見，人機交互系統(tǒng)是武器系統(tǒng)非常重要的組成部分，其設(shè)計的水平直接影響著系統(tǒng)的反應(yīng)時間[2]，以及任務(wù)完成可靠度。

在以往武器系統(tǒng)的總體設(shè)計中，人機交互多采用經(jīng)驗設(shè)計，某一個或幾個設(shè)計師的主觀因素即決定了系統(tǒng)人機交互的風(fēng)格、具體界面，這既是以前人機交互學(xué)理論尚未發(fā)展及普及的原因，另一方面也體現(xiàn)了在武器系統(tǒng)人機交互設(shè)計領(lǐng)域缺少規(guī)范化的設(shè)計模式。本文以“以用戶為中心的設(shè)計和評估”為理論依據(jù)，對防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的人機交互設(shè)計進行初步研究。

2　以用戶為中心的設(shè)計和評估

以用戶為中心的設(shè)計和評估，也可簡稱為以用戶為中心的設(shè)計，是人機交互學(xué)(HCI)的一個理論方向。其最基本的思想就是將用戶擺在所有過程的首位。在產(chǎn)品生命周期的最初階段，產(chǎn)品的策略應(yīng)當(dāng)以滿足用戶的需求為基本動機和最終目的。在其后的產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)過程中，對用戶的研究和理解應(yīng)當(dāng)作為各類決策的依據(jù)，同時，產(chǎn)品在各個階段的評估信息也應(yīng)當(dāng)來源于用戶的反饋[1]。

拋開產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)過程的特殊性，設(shè)計開發(fā)過程一般遵循如圖1所示的流程。

圖1　以用戶為中心的設(shè)計流程

3　設(shè)計過程

3.1用戶與需求分析

按照以用戶為中心的理論，在對一型防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的人機交互進行設(shè)計之初，應(yīng)從用戶思維模式、系統(tǒng)運行模式、界面設(shè)計者模式三個角度進行需求分析[1]。

1)用戶思維模式：在人機工程中，用戶根據(jù)經(jīng)驗認定的系統(tǒng)工作方式以及他們在使用產(chǎn)品時所關(guān)心和思考的內(nèi)容。防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)作為產(chǎn)品，其用戶是直接操作系統(tǒng)運行的部隊官兵，分析他們在作戰(zhàn)過程以及平時維護過程中所關(guān)心的主要內(nèi)容，大致可包括以下幾個方面。

基本作戰(zhàn)過程是怎么樣的？

如何發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并確定要打擊的目標(biāo)？

何時以及如何分配目標(biāo)？

何時以及如何發(fā)射導(dǎo)彈？

有哪些其它的可干預(yù)操作？

如何進行維護操作？

2)系統(tǒng)運行模式：在人機工程理論中，產(chǎn)品完成其功能的方式和方法，這些方式和方法都由系統(tǒng)的設(shè)計者決定，而人機界面則必須與產(chǎn)品的硬件平臺、軟件實現(xiàn)方法、關(guān)注內(nèi)容等保持一致。因此，在設(shè)計防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的人機界面時，必須要考慮以下幾個因素：

軟件的運行平臺是什么？

采用哪些開發(fā)工具進行界面開發(fā)？

界面實現(xiàn)是否會影響戰(zhàn)術(shù)軟件的運行？

戰(zhàn)術(shù)軟件與界面實現(xiàn)軟件如何信息交互？

3)界面設(shè)計者模式：經(jīng)過用戶思維模式和系統(tǒng)運行模式兩個角度去分析防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)后，應(yīng)當(dāng)已經(jīng)形成了一個較為全面的系統(tǒng)人機界面需求方案，此時，界面的設(shè)計者需要運用專業(yè)的人機工程理論，將需求和系統(tǒng)能夠提供的資源進行有機地整合，形成初步的人機界面方案。主要從以下幾個方面進行考慮：

確定軟件的運行平臺、開發(fā)環(huán)境；

確定人機交互的表現(xiàn)方式(圖像、操作面板、聲音等[2])；

確定圖像界面的主要功能區(qū)域劃分；

確定操作的主要事項以及時機。

3.2設(shè)計過程

3.2.1基本原則

首先明確防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)人機交互設(shè)計的一些基本原則。

1)以用戶為中心

防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的人機交互設(shè)計，目的是滿足防空部隊使用武器系統(tǒng)完成防空反導(dǎo)作戰(zhàn)任務(wù)的需求。當(dāng)部隊使用需求與人機交互技術(shù)實現(xiàn)略有沖突時，設(shè)計上應(yīng)遷就于用戶需求；當(dāng)兩者具備不可調(diào)和的矛盾時，作為工業(yè)設(shè)計方應(yīng)主動尋求技術(shù)上的突破，提高人機交互水平，盡最大可能滿足用戶需求。歷來新型的人機界面設(shè)計都伴隨著硬件技術(shù)的革新[4]。近年來的武器系統(tǒng)中開始大量采用表頁顯示、多層窗口顯示、觸摸屏等方面均體現(xiàn)了這一點。

2)良好的繼承性和一定的創(chuàng)新性

防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)是一類特殊的產(chǎn)品，相較于普通商用產(chǎn)品而言，它更強調(diào)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的發(fā)展。往往一型武器系統(tǒng)在設(shè)計定型后，會在后續(xù)的幾十年中衍生出若干個改進型號，供系統(tǒng)的使用者更新?lián)Q代。因此，防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)有著“用戶較為固定，需要長期保持系統(tǒng)升級”的特點，其人機交互設(shè)計也就要求必須保持良好的繼承性，使后續(xù)發(fā)展的武器系統(tǒng)的操作、顯示與部隊已養(yǎng)成的使用習(xí)慣一致，與前代產(chǎn)品大體一致。與此同時，防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)人機交互設(shè)計還應(yīng)具有一定的創(chuàng)新性，意在適應(yīng)新武器的發(fā)展和用戶使用需求的提高，如支持新制導(dǎo)體制導(dǎo)彈、具備協(xié)同作戰(zhàn)態(tài)勢顯示及相關(guān)操作、提升用戶體驗等。

3)必須滿足可靠性要求

防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)由于其重要的軍事價值及工作強實時性等特點，在可靠性方面有著非常高的要求[5]。人機交互系統(tǒng)作為武器系統(tǒng)的重要組成部分，必須達到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，符合總體設(shè)計的要求。首先在硬件選用上，平臺采用軍方標(biāo)準(zhǔn)的顯控臺及相關(guān)設(shè)備，必要時可采取雙冗余熱備份的硬件設(shè)計模式，提高任務(wù)完成可靠度；在圖像顯示設(shè)計上，保證用戶能夠方便地獲取需要的所有信息；在操作面板設(shè)計上，注意自鎖鍵、觸發(fā)鍵、開關(guān)、觸摸屏等的使用規(guī)范，為每個功能的實現(xiàn)搭配合適的操作方式；在軟件實現(xiàn)上，注意數(shù)據(jù)溢出、邏輯保護等；尤其對發(fā)射這樣至關(guān)重要的操作命令，必須加以多重保護，包括硬件開關(guān)保護、軟件邏輯保護等。

3.2.2設(shè)計

防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)人機交互設(shè)計包括圖像顯示設(shè)計、操作設(shè)計、聲音提示設(shè)計等，其中圖像顯示設(shè)計和操作設(shè)計是重點，也是難點?？梢园磶讉€步驟來完成整個人機交互的設(shè)計以及開發(fā)。

1)對象模型化和對象分析

對象模型化和對象分析是將用戶和任務(wù)分析的結(jié)果轉(zhuǎn)化為用戶界面設(shè)計的第一步。所謂模型化是指將某些概念及其關(guān)系用圖的方式直觀又綜合地表達出來。

目標(biāo)是防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的核心服務(wù)對象，整個武器系統(tǒng)人機交互的設(shè)計應(yīng)當(dāng)圍繞目標(biāo)的屬性和行為展開。目標(biāo)除了本身固有的屬性如類型、位置、速度，更重要的是延伸出的與武器系統(tǒng)作戰(zhàn)相關(guān)的屬性，如威脅等級、攔截可行性、攔截方式等。針對目標(biāo)的行為可以認為是針對攔截該目標(biāo)的火力通道的行為，包括火力資源分配、輔助攔截等一系列操作。目標(biāo)的屬性是對目標(biāo)進行相關(guān)操作的主要決策來源，同時其他對象的屬性也會對目標(biāo)的行為產(chǎn)生影響，例如系統(tǒng)狀態(tài)、彈庫狀態(tài)、上級命令等。

圖2即是某型艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)人機交互內(nèi)容經(jīng)過對象模型化后的表示圖。

圖2　某型武器人機交互對象模型化示例

2)抽象設(shè)計

根據(jù)已完成的對象模型化結(jié)果，對人機交互進行抽象設(shè)計。抽象設(shè)計主要決定系統(tǒng)運行的方式和方法，根據(jù)設(shè)想的系統(tǒng)工作流程進行人機交互的初步設(shè)計，主要設(shè)計內(nèi)容包括視圖內(nèi)容的大致分類、不同視圖模塊之間的因果關(guān)系及相互調(diào)用關(guān)系、操作面板的組成及布局等。

從人機交互角度，根據(jù)關(guān)注的重點不同，防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的工作流程可抽象為火力分配前和火力分配后兩個主要階段。分配前任務(wù)重點在于觀察空情，確定攔截的目標(biāo)以及分配火力資源；分配后任務(wù)重點在于如何快速有效地打擊目標(biāo)。某些系統(tǒng)由于系統(tǒng)配置或作戰(zhàn)需求會將兩個階段的人機交互合并在一起；而某些大系統(tǒng)則劃分獨立的目標(biāo)探測階段。以某型防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)的人機交互分兩級執(zhí)行，主要視圖模塊劃分及內(nèi)容如圖3所示。

第一級為分配前，主要觀察系統(tǒng)狀態(tài)、彈庫狀態(tài)、空情態(tài)勢、目標(biāo)列表等，使操作員能夠全面了解目標(biāo)屬性，同時提供對目標(biāo)屬性進行人工干預(yù)的途徑，完成目標(biāo)分配工作；第二級為分配后，主要由操作者觀察目標(biāo)屬性、發(fā)射區(qū)，完成對導(dǎo)彈的加電、發(fā)射、射擊效果評估等操作。

操作面板設(shè)計與人機交互的兩級設(shè)計相符，提供各級控制所需要的按鍵、開關(guān)、顯示燈、數(shù)字鍵盤、軌跡球等。

圖3　某型武器人機交互抽象設(shè)計示例

3)詳細設(shè)計

在抽象設(shè)計的基礎(chǔ)上，根據(jù)已劃分的主要顯示內(nèi)容，對各視圖模塊進行詳細設(shè)計，包括確定圖表的大小、形式、色彩、文字、圖標(biāo)以及布局，尤其需要考慮不同視圖模塊相互調(diào)用時的操作關(guān)系，即視圖的關(guān)聯(lián)性設(shè)計；操作面板的設(shè)計同樣包括按鍵的種類、大小、布局、功能等。

繼續(xù)以該型防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)為例，其第二級人機交互的一部分界面如圖4所示。采用圖形、表格等直觀的顯示方式；顯示內(nèi)容按照對象(目標(biāo)、分系統(tǒng))以及對對象行為(是否能夠發(fā)射、觀察射擊效果等)的影響因素分區(qū)域顯示。

圖4　某型武器人機交互詳細設(shè)計示例

詳細設(shè)計階段由于受設(shè)計者的主觀因素影響較大，往往需要采取以下兩個方法來提高設(shè)計的可用性：一是充分借鑒成熟產(chǎn)品，尤其是同系列的前代產(chǎn)品經(jīng)驗，以保持較好的繼承性；二是充分發(fā)揮集體的力量，以小組形式展開多輪設(shè)計，尋求認可度較高的設(shè)計方案。在詳細設(shè)計的過程中，可以通過visio圖呈現(xiàn)設(shè)計方案，通過PPT呈現(xiàn)操作邏輯，待最終方案獲得總體及用戶的一致認可后，以此為依據(jù)開展軟件實現(xiàn)工作。

3.3評估與改進

人機工程學(xué)理論非常強調(diào)對產(chǎn)品的設(shè)計開展可評估，并以評估的結(jié)論再優(yōu)化設(shè)計，采取迭代前進的方式逐步達到設(shè)計要求。常用的評估方法主要包括GOMS方法[3]、操作順序圖分析方法、錯誤分析法、聯(lián)系鏈方法、THERP及海洛德法[6]等。這些方法可以量化地測量人機界面中的某些指標(biāo)。GOMS方法可以預(yù)測一個有經(jīng)驗的操作人員完成某項操作需要的時間，THERP統(tǒng)計人因失誤可能性與人因失誤率，海洛德主要分析是否適合操作。但由于人機交互的特殊性，并不能通過一個具體的公式或者理論完美地表征整個設(shè)計的有效性，更不可能完全以理論代替人的主觀感受，因此在現(xiàn)有的所有評估法中，還是傾向于可用性測試中的用戶測試法。

根據(jù)測試地點的不同，用戶測試可分為實驗室測試和現(xiàn)場測試。實驗室測試是在產(chǎn)品研制實驗室里進行的，而現(xiàn)場測試則是由測試人員到用戶的實際使用現(xiàn)場或系統(tǒng)聯(lián)調(diào)現(xiàn)場進行觀察和測試。后者更加貼近實際使用環(huán)境，測試對象也基本與真實產(chǎn)品一致，能夠得到較好的反饋效果，但缺點是費時，且不容易控制；前者實現(xiàn)則較為容易，但需要高質(zhì)量的測試設(shè)計，才有可能得到有價值的結(jié)果。

按照防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的研制情況，在研制過程中應(yīng)當(dāng)盡量多地采取實驗室測試，被測試人員可由其他崗位設(shè)計師或其他型號設(shè)計師擔(dān)任，測試手段包括單機靜態(tài)演示和加入仿真系統(tǒng)的閉合動態(tài)操作等，被測試人員在這些過程中充分感受武器系統(tǒng)人機交互的全過程，通過有聲思考、問卷調(diào)查、訪談等多種方式幫助測試組織者收集數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括兩類：

1)客觀可測量的數(shù)據(jù)：如完成指定作戰(zhàn)任務(wù)所需時間；完成任務(wù)時所犯錯誤數(shù)量；需要外界協(xié)助次數(shù)等。

2)被試者的主觀感受：如參試者無法做出決策的次數(shù)；參試者因注意力被轉(zhuǎn)移而不能集中在真正任務(wù)上的次數(shù)；參試者對產(chǎn)品的觀感、判斷及評價等。

利用收集的數(shù)據(jù)，對產(chǎn)品人機交互設(shè)計的可用性進行統(tǒng)計分析，尋找該方案設(shè)計下的不足之處，為進一步設(shè)計提供改進思路。

根據(jù)人機工程理論，現(xiàn)場測試應(yīng)盡量以用戶代表為測試對象，但考慮到防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的用戶群體為軍方部隊，往往在型號定型批產(chǎn)前很難有滿足要求的現(xiàn)場測試機會，因此通過從已批產(chǎn)型號的部隊使用反饋意見中提取有用的信息，成為了改進設(shè)計的重要手段。

4　結(jié)束語

防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)人機界面設(shè)計是武器系統(tǒng)總體設(shè)計中一項重要的工作，它直接關(guān)系著用戶的使用體驗，對設(shè)計單位的聲譽有著直接的影響。隨著以用戶為中心的設(shè)計與評估這一人機工程理念在商用產(chǎn)品設(shè)計中愈發(fā)普及，軍用產(chǎn)品也應(yīng)以此理論為依托，規(guī)范武器系統(tǒng)人機界面的設(shè)計流程，提高設(shè)計水平，以滿足用戶的使用需求。

[1]董建明,等.人機交互—以用戶為中心的設(shè)計和評估[M].北京: 清華大學(xué)出版社,2010.

[2]汪匯川,等.艦炮武器系統(tǒng)人機界面發(fā)展綜述[J].指揮控制與仿真，2012，34(2):1-4.

[3]谷師泉,等.火控軟件的人機界面測試方法[J].火力與指揮控制,2007(6):113-116.

[4]魏瑋,等.基于用戶體驗的人機界面發(fā)展趨勢[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報,2011(7):868-871.

[5]于亮,等.武器裝備人機界面設(shè)計原則分析[C].濟南：第三屆和諧人機環(huán)境聯(lián)合學(xué)術(shù)會議(HHME2007)論文集.

[6]李珞銘,等.人機工程評價研究概況[J].人類工效學(xué),2010,16(2):78-80.

Human-Computer Interface Design of Air-Defence Missile Weapon System Based on User-Centered Design and Evaluation

CAO Ying-ying,WANG Lei，HUI Yi

(Shanghai Institude of Mechanical & Electrical Engineering ,Shanghai 201109 ,China)

As air defence missile weapon system is constantly upgrading,conflict on the complexity of function and the simplicity of operation becomes obviously.In order to optimize the human-computer interface design of air defence missile weapon system,the theory of user-centered design and valuation in HCI is applied.Based on the theory mentioned above,the design process is divided into three stages: consumer and requirement analysis,design,evaluation and improvement.In each stage,working thoughts and key points are given.Application in actual project indicates that the method discussed can regulate the design process and rasie the design capability.

air defence missile weapon system; human-computer interface; user-centered design

1673-3819(2016)05-0127-04

2016-05-17

2015-05-19

曹穎穎(1985-)，女，山東濰坊人，碩士，工程師，研究方向為武器控制系統(tǒng)設(shè)計。

王磊(1986-)，男，碩士，工程師。

惠軼(1974-)，男，碩士，研究員。

E927；TJ761.1

ADOI:10.3969/j.issn.1673-3819.2016.05.028