曾鵬，何中文，張小凡，李若巖，唐震

(中國船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院，北京 100094)

0 引言

兩伊戰(zhàn)爭期間，美國海軍在波斯灣地區(qū)連續(xù)發(fā)生“斯塔克”號護衛(wèi)艦遇襲事件和“文森斯”號巡洋艦誤擊伊朗客機事件，事后調(diào)查表明，事發(fā)時兩艦的作戰(zhàn)系統(tǒng)均工作正常，主要是因為人的錯誤判斷和決策造成了前者的“漏警”事件和后者的“虛警”事件[1]。此后行業(yè)內(nèi)普遍認識到，即使是當時最先進的“宙斯盾”系統(tǒng)，光有探測距離遠、精度高、目標容量大、處理速度快、火力強也不能完全滿足實戰(zhàn)需要，必須做好人因工程設(shè)計，解決實戰(zhàn)壓力下的人機結(jié)合輔助決策問題，才能迅速作出合理決策，充分發(fā)揮先進作戰(zhàn)系統(tǒng)的效能,并由此開展了一系列指控的人因工程設(shè)計優(yōu)化工作。

1 國內(nèi)外研究情況評述

1.1 國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域研究進展

中國船舶工業(yè)綜合技術(shù)經(jīng)濟研究院于2013 年成立了艦船人因工程實驗室，將人因工程的理論方法引入到艦艇指控系統(tǒng)的研制過程中。廖鎮(zhèn)等[2]指出，目前的指揮控制信息系統(tǒng)中存在一些影響指控人員操控效率的人因問題，一是人機功能分配類問題，二是人機界面顯示與交互問題。陳霞等[3]指出，海軍裝備人因工程相對于其他軍事裝備領(lǐng)域更為復雜。

目前在國內(nèi)，載人航天領(lǐng)域的人因工程發(fā)展相對成熟[4-5]，人因工程是載人航天裝備研制的關(guān)鍵節(jié)點和重要環(huán)節(jié)。而我國的艦船人因工程則還處于起步階段[6-9]。

1.2 國外相關(guān)領(lǐng)域研究進展

美國是當今研究和應用人因工程最發(fā)達的國家。美國國防裝備系統(tǒng)采辦中人因工程設(shè)計的優(yōu)劣是系統(tǒng)整體采辦必須考慮的重要一環(huán)，是系統(tǒng)發(fā)揮整體效能的關(guān)鍵因素。美國海軍對艦船人因工程的研究非常重視，為此設(shè)立的專門研究機構(gòu)。

美國海軍對人因工程和指控系統(tǒng)改進優(yōu)化的工作持續(xù)了20多年，“壓力下的戰(zhàn)術(shù)決策支持”(tactical decision making inder stress，TADMUS)項目就是其中的代表。該項目針對時間緊迫、信息不確定、勝負壓力大這樣的海軍戰(zhàn)術(shù)指揮官常見場景，引入自然決策和專家決策理論，以及決策偏好、認知工作量等因素，面向“宙斯盾”系統(tǒng)戰(zhàn)情中心、航母旗艦指揮中心、聯(lián)合行動指揮中心戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)役級指揮決策系統(tǒng)，開發(fā)相應的人機交互、決策支持系統(tǒng)(decision support system，DSS)原型，用于測試評估，最終實現(xiàn)對現(xiàn)有和未來各級指揮控制系統(tǒng)的優(yōu)化。

項目一期1997財年啟動，1999財年完成軟硬件開發(fā)，2000財年上艦演示評估，效果明顯[10]。與當時裝備的“宙斯盾”系統(tǒng)相比，在DSS系統(tǒng)的幫助下，“宙斯盾”系統(tǒng)操作團隊在復雜環(huán)境和作戰(zhàn)壓力下的威脅目標識別正確率提高、虛警率降低，效果顯著[11]。

圖1是“宙斯盾”系統(tǒng)戰(zhàn)情中心(combat information center，CIC)決策支持系統(tǒng)第2個版本DSS-2的界面設(shè)計方案[12]。一般部署在戰(zhàn)情中心正對大屏幕的“宙斯盾”系統(tǒng)決策支持系統(tǒng)席位，供艦長和戰(zhàn)術(shù)執(zhí)行官使用，其他對空作戰(zhàn)席位也可以調(diào)用。

圖2是美國海軍提供的一張比較模糊的圖片，展示了DSS系統(tǒng)在聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)旗艦指揮中心試用的場景。

此外，美軍已將人因工程思想應用于各個方面，很多成果已在新一代DDG 1000“朱姆沃爾特”級驅(qū)逐艦、CVN 78“福特”級航母、“宙斯盾”基線9系統(tǒng)中得以體現(xiàn)，涉及各級指揮所整體布局、流程戰(zhàn)位設(shè)計、軟硬件設(shè)計等方面，如圖3所示。所有的這些安排，均是經(jīng)過對艦員、生理、心理和行為進行研究，以最大限度地發(fā)揮艦員和戰(zhàn)艦的戰(zhàn)斗力為目標而定的。

2 美海軍DSS系統(tǒng)測試

美海軍組織8個指控團隊，每個團隊有25名官兵組成，包括資深艦長和戰(zhàn)術(shù)執(zhí)行官，設(shè)計了4個測試用例，分別包括了瀕海作戰(zhàn)、維和行動、對空和對海作戰(zhàn)等場景，每個團隊要分別使用現(xiàn)役決策系統(tǒng)和DSS決策系統(tǒng)，分別進行2個用例的測試，總計32個測試用例。

測試的目的是反饋DSS系統(tǒng)的整體有效性，以及各個單元模塊的效能。

測試針對系統(tǒng)有效性、態(tài)勢感知能力、團隊溝通能力、系統(tǒng)可用度等4個方面展開，同時采用了測試評估系統(tǒng)后臺數(shù)據(jù)分析和參試官兵調(diào)查問卷與面談的方式。

在定量測試評估中，用例場景都是目標密集瀕海區(qū)域，在大量的“不確定”目標中混雜了少量威脅目標，要求團隊能夠正確識別出其中的威脅目標，同時忽略那些非威脅目標，系統(tǒng)后臺統(tǒng)計虛警率(非威脅目標被關(guān)注)和漏警率(威脅目標被忽略)。測試結(jié)果如表1。

可以看出，采用DSS系統(tǒng)后，虛警減少46.8%；漏警率減少36.4%；威脅目標識別率提高21.3%。

其他主要測試結(jié)果包括：

(1) 系統(tǒng)有效性方面

1) 問卷調(diào)查表明，66%的指揮官使用了DSS系統(tǒng)提供的功能。

表1 DSS定量測試Table 1 DSS quantitative test

2) 統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，艦長比戰(zhàn)術(shù)執(zhí)行官使用DSS系統(tǒng)的頻度更高，原因是前者更希望維護整體態(tài)勢和掌握特定目標情況；而后者花了更多時間了解具體目標信息的情況和傳感器數(shù)據(jù)。

3) 調(diào)查問卷表明，艦長和戰(zhàn)術(shù)執(zhí)行官都歡迎單目標詳情、單目標側(cè)視圖、預案管理器的設(shè)計。

4) 系統(tǒng)有效性滿分定為7分，被測官兵給出了5.97的整體評分。

(2) 態(tài)勢感知

1) 測試數(shù)據(jù)表明，使用DSS系統(tǒng)后CIC團隊能在規(guī)定時間內(nèi)識別出更多的威脅目標，從而盡早采取應對行動。

2) 在對空防御測試中，因為使用DSS系統(tǒng)后CIC團隊有充裕的時間采取應對措施，數(shù)據(jù)表明，CIC團隊明顯采用了更多的“防御型戰(zhàn)術(shù)行動”，而不是具有挑釁性、風險更高的“警告”、“照射”行動，這在實戰(zhàn)中是更加合理的。

(3) 團隊溝通

1) 測試中錄取了CIC團隊所有的內(nèi)外部通話，以判斷DSS系統(tǒng)對CIC團隊溝通頻度、內(nèi)容和溝通流程的影響；結(jié)果表明，使用DSS系統(tǒng)后，CIC團隊內(nèi)部單位時間內(nèi)溝通次數(shù)減少了至少5%，證明DSS系統(tǒng)起到了“提供更多有用信息，消除不確定性”的設(shè)計目的。

2) 測試結(jié)果表明，雖然溝通次數(shù)整體減少，但不同成員間的溝通比例、流程并沒有明顯變化，說明DSS系統(tǒng)的采用，沒有影響原有的溝通流程和模式。

3) 對所有溝通內(nèi)容分為“信息、狀態(tài)、解釋、評估、指令”五大類，使用DSS系統(tǒng)后，“信息”、“評估”類溝通明顯減少，證明DSS系統(tǒng)在基礎(chǔ)信息呈現(xiàn)與傳遞、輔助用戶去準確理解、目標信息的輔助預處理預判等方面起到了作用。

(4) 系統(tǒng)可用性

1) 在滿分為5分的可用度調(diào)查中，用戶給出了4.16分的整體評價。

2) 圖形化單元模塊普遍得到了較高評分，基于文本信息的模塊單元的分較低。

3 藍軍艦艇指控系統(tǒng)的人因工程設(shè)計

在深入學習美海軍DSS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，開展了藍軍艦艇指控系統(tǒng)的DSS系統(tǒng)人因工程研仿工作，見圖4，5。

在藍軍艦艇指控系統(tǒng)中具體的人因工程設(shè)計主要包括5個方面。

3.1 2D雙視圖立體態(tài)勢顯示

防空作戰(zhàn)是發(fā)生在立體空間的，3D顯示理應比2D更有優(yōu)勢，但經(jīng)過測試證明，目前看到的“左側(cè)俯視圖+右側(cè)側(cè)視圖”組合的模式，效果優(yōu)于3D顯示。主要原因[13]在于：

(1) 無論是現(xiàn)階段的顯示屏，還是人的視網(wǎng)膜，本質(zhì)上還是二維面成像原理。

(2) 人的3D視覺的形成，其實是通過兩眼焦距的變化，甚至視角和距離的變化，通過大腦的運算后形成的，即需要“動起來”，這在分秒必爭的防空作戰(zhàn)中是不允許的，也對計算機資源要求過高。

(3) 雖然美軍也嘗試過一些類似游戲的“偽3D”顯示，但試驗表明會帶來一系列混淆。如下面這個案例，假設(shè)屏幕上為北，則難以判斷這架飛機是向東南方向平飛，還是向東作俯沖(見圖6)。

(4) 在研究中也曾嘗試加上高度線、陰影、速度矢量線來消除誤解，但發(fā)現(xiàn)消除歧義的效果并不理想，且過多的線條讓界面更加雜亂。

最終藍軍系統(tǒng)設(shè)計中采用了“俯視圖+側(cè)視圖”的雙視圖的組合模式。雖然是2張圖，但任何具備高中幾何知識的人均都可看懂這種多視圖，并在腦海中建立起正確的三維空間認知，就像工程制圖一樣準確無歧義[14]。

圖7(側(cè)視圖)的視角不是常見的正東西向或正南北向側(cè)視。無論選擇哪個目標，均把本艦放在左下角原點，目標從右上方飛來，其實就是以本艦為原點的一種極坐標表示法，橫坐標是水平距離，縱坐標是高度差，非常直觀地表示了目標與本艦的相對位置。同時上面還用不同顏色表示了敵我雙方傳感器、武器的威力邊界等信息。能較好滿足防空作戰(zhàn)需要。

3.2 目標信息塊模式

藍軍系統(tǒng)采用16個“多目標信息塊”來表示威脅程度最高的16個空中目標，按威脅程度從高到低，自左向右排列。這些“目標塊”有2個用途：一是選擇和切換右屏目標顯示的觸摸按鈕，二是顯示了每個目標的簡要信息。

“多目標信息塊”模式采用一系列數(shù)字和符號來表示相關(guān)信息，以其中一個為例，如圖8所示。

第1行：目標批號7037，黃色底色表示“中等威脅”；

第2行：類型，是“超美洲豹”；

第3行：直升機；

第4行：目標方位160°，距離25 n mile (1 n mile=1 852 m)；

第5行：箭頭表示正在平飛飛離本艦，高度3 000 ft(1 ft=0.304 8 m)；

第6行：電子戰(zhàn)信號特征；

第7行：IFF敵我識別無應答；

第8行：Alerts提示信息小按鈕，如果該目標有新的情況變化需要注意，就會亮起，提示操作人員去點擊察看最新的提示或告警信息。

與傳統(tǒng)表格相比，“目標信息塊”更為簡單而直觀，數(shù)據(jù)更精準，體現(xiàn)了人機界面設(shè)計里“詳細而精確的，不如模糊但直觀的”思路。

3.3 甘特圖模式對空作戰(zhàn)預案管理

在右屏的單個目標詳細區(qū)，除了有目標的詳細信息，更有對它的應對措施，即“甘特圖”風格的距離驅(qū)動的對空作戰(zhàn)預案管理器，見圖9。

甘特圖與側(cè)視圖共享一個橫坐標，即目標到本艦的距離。一根表示目標當前距離的白線貫穿上下。而甘特圖里面的時間條，為事先編輯好的各種軟硬對抗手段。以此圖為例，是假設(shè)戰(zhàn)艦以中立身份執(zhí)行波斯灣巡邏任務時，中低威脅情況下，針對“美洲豹”這樣的直升機目標，交戰(zhàn)規(guī)則ROE較為克制的防空預案。隨著目標距離的接近，將自動/半自動梯次采取下列應對措施：

80～40 n mile：空間確認；

80～45 n mile：第1次警告；

75～00 n mile：近防炮啟動/防空系統(tǒng)戒備；

60～30 n mile：第2次警告；

58～30 n mile：人員隱蔽警報；

55～10 n mile：電子戰(zhàn)系統(tǒng)啟動；

55～22 n mile：第3次警告；

50～20 n mile：導彈制導雷達跟蹤照射；

75～5 n mile：中間夾雜著2次向上級指揮官請示；

40～00 n mile：防空導彈備妥；

38～00 n mile：釋放誘餌；

38～00 n mile：曳光彈射擊/警告射擊；

50～00 n mile：開火或不開火的最終決定。

同時還提供作戰(zhàn)預案的編輯功能，即艦上的每一種對空軟硬手段和措施均可對應為甘特圖中的一個對策條。作戰(zhàn)預案就是由多個這種對策條排列組合而成。戰(zhàn)前操作者需要選擇不同的對策條組合，調(diào)整各個對策條的先后順序，拖動每個對策條的長短跨度來設(shè)定發(fā)揮作用的距離，即可便捷而直觀地把艦上的各種對空軟硬手段和措施組合為一個個對空作戰(zhàn)預案。

戰(zhàn)時，則根據(jù)可能的戰(zhàn)場情況、作戰(zhàn)意圖和交戰(zhàn)規(guī)則，為每類目標手動或自動加載相應的作戰(zhàn)預案即可，執(zhí)行過程中，操作人員只需進行必要的重要決策或“否決式”干預。

這樣就較好地解決了對空交戰(zhàn)復雜性與決策快速性之間的矛盾。

3.4 基于正反判據(jù)的威脅判斷

在藍軍系統(tǒng)決策界面，如圖10所示，不是直接顯示“敵、我、中立、不明”，而是按照“有威脅、沒威脅、不明”來分類，畢竟后者更具有實際意義。同時還列出正反判據(jù)和有關(guān)假設(shè)，供操作人員對自動識別結(jié)果進行必要變更。

如針對這個批號為7037的“美洲豹”直升機目標，被識別為“威脅”，給出的判據(jù)分為3部分：

(1) 正方判據(jù)：平臺ID號可疑，沒有敵我識別IFF應答，來自敵人空軍基地，來自敵方領(lǐng)空，正在直接接近我們，該型機可以攜帶有威脅武器。

(2) 反方證據(jù)：距離尚遠不足以構(gòu)成威脅。

(3) 有關(guān)假設(shè)：可能是為敵方做目標指示的，可能攜帶武器，可能IFF識別器關(guān)閉。

基于上述3方面信息，系統(tǒng)自動判別為“威脅”。這種方式發(fā)揮了計算機信息搜集全面、基于規(guī)則快速計算的長處，又兼顧了人擅長綜合多方面因素作更復雜判斷的權(quán)力。而且提供了“威脅、非威脅、不明”3個按鈕，可以一鍵修改目標屬性，直接影響后續(xù)的交戰(zhàn)過程。

3.5 人機界面設(shè)計優(yōu)化

好系統(tǒng)不是設(shè)計出來的，而是不斷試用和修改出來的。指控系統(tǒng)界面的區(qū)域劃分、版式布局的優(yōu)化，運用了眼球視線跟蹤技術(shù)。包括組織作戰(zhàn)軍官進行任務測試，記錄操作人員的視線焦點在界面上的停留和變化過程，涉及2種優(yōu)化布局的原則[15]：

(1) 統(tǒng)計每個要素被注視的時間，理論上最常被注視的要素放中間，不常看的要素放置角落，見圖11。

(2) 統(tǒng)計視線在不同要素間的轉(zhuǎn)移順序，理論上讓順序注視的要素，按照一定順序相鄰排列，避免視線在屏幕上的大幅度跳躍，而是順理成章地從一個要素轉(zhuǎn)移到旁邊的下一個要素，如圖12。

在軟件人機界面設(shè)計往往被認為是“主觀性”最強的內(nèi)容，人人都能提意見，但人人都不滿意。因此，人機界面設(shè)計不僅要聽取用戶的直接意見反饋，更看重大樣本的用戶實際操作測試結(jié)果，通過對測試結(jié)果的對比分析，來排除用戶主觀好惡。

4 結(jié)論

人因工程的設(shè)計水平對指控系統(tǒng)乃至作戰(zhàn)系統(tǒng)的效能發(fā)揮有著非常重要的作用，在搭建藍軍指控系統(tǒng)中應用人因工程的工作中獲得如下啟示：

(1) 人是系統(tǒng)的重要組成部分，做好人機設(shè)計才能讓整個系統(tǒng)發(fā)揮最大效益。

既不是代替人的全自動系統(tǒng)，也不是把所有工作踢給人，必須合理界定人機角色，發(fā)揮各自所長，有機配合，否則縱有強大的軟硬件能力，在實戰(zhàn)中也難以發(fā)揮戰(zhàn)斗力。

(2) 設(shè)計應符合人類認知、決策、行動的規(guī)律，追求最合適的技術(shù)途徑，而非盲目采用新技術(shù)。

如2D與3D顯示的選擇，精確詳細的表格“顯示”不等于快速準確的“認知”，對目標的威脅判斷應該充分發(fā)揮計算機和人的各自長處。

(3) 面向應用，具體問題具體分析，不強求界面風格的標準統(tǒng)一。

無論是對美軍指控人機交互優(yōu)化設(shè)計的分析，還是自身藍軍系統(tǒng)的設(shè)計，其實不僅限于“宙斯盾”系統(tǒng)防空作戰(zhàn)，還有協(xié)同反潛、對海打擊、對岸打擊、電子戰(zhàn)等多個領(lǐng)域，跨越單平臺、編隊、聯(lián)合作戰(zhàn)指揮、國家級決策指揮中心等多個層面，人機界面設(shè)計方案風格迥異，哪怕有的就部署在同一個戰(zhàn)情中心，沒有追求標準化、風格統(tǒng)一。究其原因，倒不是缺乏統(tǒng)籌，而是針對不同作戰(zhàn)樣式和業(yè)務需求，針對性設(shè)計的成果，就像防空作戰(zhàn)用了距離驅(qū)動“甘特圖”，“戰(zhàn)斧”導彈任務規(guī)劃系統(tǒng)用了時間驅(qū)動的網(wǎng)絡進度圖，戰(zhàn)役決策中心用了“知識墻”，甚至“戰(zhàn)斧”導彈發(fā)射控制系統(tǒng)和任務規(guī)劃系統(tǒng)界面風格也是迥異，都是需求和應用使然。

(4) 優(yōu)化設(shè)計，需要先進的方法手段和客觀的用戶實踐反饋。

如何通過科學的技術(shù)手段來收集用戶使用結(jié)果，同時通過合理的大樣本統(tǒng)計分析方法，來減少開發(fā)人員、專家領(lǐng)導、用戶的主觀好惡影響，非常關(guān)鍵。

(5) 人因工程不局限于軟件界面，在多個層面均可發(fā)揮作用。

藍軍系統(tǒng)不僅限于某個防空作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)的開發(fā)，其實包含了戰(zhàn)役級聯(lián)合作戰(zhàn)決策支持中心、編隊旗艦指揮中心、驅(qū)逐艦戰(zhàn)情中心、多功能顯控臺，以及具體的指揮控制軟件設(shè)計等各個層面。

從實踐來看，人因工程的設(shè)計思想可以應用于多個方面，如整個聯(lián)合作戰(zhàn)指揮控制體系的優(yōu)化設(shè)計，某個指揮中心內(nèi)部的戰(zhàn)位設(shè)置優(yōu)化、業(yè)務交互流程優(yōu)化、空間布局設(shè)計，基于人機工效多功能指揮臺硬件的優(yōu)化設(shè)計，具體軟件人機界面的優(yōu)化設(shè)計，甚至軍標圖符的優(yōu)化等。各個局部的優(yōu)化與整體的優(yōu)化設(shè)計綜合在一起，效果更明顯。