張梁娟，胡長明，江 帥，田 勝

（1. 南京電子技術研究所，江蘇 南京 210039；2. 中國電子科技集團公司第十四研究所，國家 級工業(yè)設計中心，江蘇 南京 210039）

引 言

雷達裝備作為“三軍之眼”，是獲取陸、海、空、天戰(zhàn)場全天候戰(zhàn)略情報的重要手段之一。在信息化的發(fā)展趨勢下，雷達操作人員需及時關注戰(zhàn)場態(tài)勢并迅速作出決策，雷達裝備的人機功能分配、操作可靠性、人員舒適性與作戰(zhàn)效能密切相關。

雷達顯控臺承擔雷達狀態(tài)的監(jiān)控、信號檢測、目標監(jiān)視及目標參數(shù)讀取等功能，作為雷達裝備中用戶參與度最高的人機系統(tǒng)，具有技術要求高、使用環(huán)境惡劣、安全可靠性要求高、人機交互密切等特性[1]。雷達性能技術指標在持續(xù)提升的同時，操作人員需要處理的信息量也在大幅增加，因此如何提升雷達顯控臺在便捷操作、高效交互、舒適使用等用戶體驗方面的性能成為雷達裝備研制過程中的重要內容[2]。

本文以雷達顯控臺為對象，基于人因工程理論，開展了設備工效性設計和交互界面設計，并通過數(shù)字化建模仿真對設計對象進行人機系統(tǒng)評估，最后對雷達顯控臺人因工程技術的未來發(fā)展方向提出建議，以促進人因工程技術在雷達顯控臺設計中的廣泛應用和蓬勃發(fā)展。

1 人因工程概述

1.1 人因工程定義

目前，人因工程在國際上尚無統(tǒng)一的術語，北美多稱“人因工程學”，歐洲則稱“工效學”，我國學術研究領域稱“人類工效學”，在大多數(shù)實際應用中，可將上述術語視為同義詞。根據(jù)國際工效學聯(lián)合會對人因工程學的定義，人因工程主要研究人在工作環(huán)境中操作機器的工作效率，人的健康、安全和舒適性等問題[3]。人因工程的核心是以人為本，著眼于提高人的工作效率，防止人的失誤，在人員安全舒適的條件下，統(tǒng)一考慮人-機-環(huán)境系統(tǒng)總體性能的優(yōu)化。

1.2 人因工程發(fā)展歷程

人因工程學最早出現(xiàn)于19世紀末20世紀初，美國管理學家F. W. Taylor通過著名的鐵鍬實驗，研究工具對人的生產(chǎn)效率的影響，標志人因工程學的萌芽[4]。第一次世界大戰(zhàn)期間，為了使操作人員適應飛機、潛艇等現(xiàn)代化裝備，各國開始重視人員的選拔和訓練，人因工程學得到進一步發(fā)展，該時期的研究特點是強調人對機器的適應。第二次世界大戰(zhàn)期間，高性能、大威力的武器裝備投入使用，但新式的武器裝備操作復雜，不符合操作人員的生理、心理特點，事故率不斷上升，人們逐漸意識到“人”的重要性，在設計武器裝備時更多地關注人的生理、心理負荷和疲勞特性，該階段人因工程學的研究重點從人對機器的適應轉向機器適應人。20世紀60年代以后，伴隨工業(yè)化水平的提升，自動控制裝置開始廣泛使用，人-機-環(huán)三者之間的關系愈發(fā)復雜，人因工程學的研究重點從人機關系研究變?yōu)槿藱C交互研究，涉及的相關專業(yè)也不斷拓展，主要有生理學、心理學、管理學、解剖學等[5]。美國工程院院士Gavriel Salvendy編撰的《人因和工效學設計手冊（Handbook of Human Factors and Ergonomics）》系統(tǒng)而全面地介紹了人因工程的細分領域，涵蓋了大量研究案例和試驗數(shù)據(jù)，促進了人因工程學在國際上的迅速發(fā)展[6]。

我國人因工程學起步較晚。1985年，文獻[7]基于載人航天的研究工作概括性地提出“人-機-環(huán)系統(tǒng)工程學”的學科概念，強調了人因工程學的廣泛應用和系統(tǒng)工程的特點，推動了人因工程學在國內的起步及發(fā)展。1989年，中國人類工效學學會（Chinese Ergonomics Society, CES）的成立，標志著我國人因工程學進入快速發(fā)展階段。在民用產(chǎn)品方面，人因工程學在汽車行業(yè)和民機行業(yè)得到迅速發(fā)展，在產(chǎn)品的設計過程中充分融入了人因工程設計和評估方法，有效提升了產(chǎn)品的用戶滿意度[8-10]。在軍事裝備方面，航天航空和海軍裝備相關單位在人因工程學領域開展了大量研究工作。中國航天員中心成立了人因工程國家級重點實驗室，系統(tǒng)研究航天飛行中人的防護需求和能力變化規(guī)律，為載人航天工程發(fā)展提供技術支撐[11]。中國船舶工業(yè)綜合技術經(jīng)濟研究院成立了艦船人因工程實驗室，完成深海隔離密閉訓練系統(tǒng)、艦船人因工程輔助設計系統(tǒng)、人因工程學座椅等科研項目，助推海軍裝備人機系統(tǒng)使用效能的提升[12]。在雷達裝備領域，針對顯控臺人機交互密切的特性，國內學者結合人體尺寸數(shù)據(jù)、操作習慣和造型風格，開展了基于工作空間、視野和操作范圍、顯控交互界面的顯控臺人性化設計研究[13-16]。

以中國電子科技集團公司第十四研究所工業(yè)設計中心為代表的科研單位結合我國雷達裝備研制的實踐經(jīng)驗和人因工程理論，研制了一系列造型美觀、交互高效、使用舒適的雷達顯控臺，如圖1所示。艦載系列顯控臺具有環(huán)境適應性強的特點，以海燕為形象參照，塑造靈動、穩(wěn)健、剛柔并濟的風格形象；車載、地面系列顯控臺具有可靠性高的特點，以盾牌為形象參照，塑造硬朗穩(wěn)健、富有威懾的風格形象；機載系列顯控臺具有輕量化的特點，以雄鷹為形象參照，塑造銳利機警、輕盈精巧的風格形象。家族化的造型設計結合鑄造、鈑金、機加工、碳纖維鋪層、親膚涂層等多種工藝方式，提升顯控臺在力學、美學、人因工程學等方面的綜合性能，在方艙、指揮大廳等多種場景（圖2）下得到充分驗證和應用，獲得用戶的一致好評。

圖1 雷達顯控臺設計案例

圖2 雷達顯控臺應用場景

1.3 雷達顯控臺人因工程設計要點

人因工程作為綜合性、多學科融合的交叉學科，在工程技術領域的應用十分廣泛，人因工程設計逐漸成為產(chǎn)品設計流程中的重要環(huán)節(jié)。為滿足現(xiàn)代化作戰(zhàn)需求，雷達顯控臺需要顯示的目標信息量成倍增長，給操作人員的生理和心理帶來巨大的工作負荷。雷達顯控臺的人因工程設計需從設備工效性設計、交互界面設計和人機系統(tǒng)評估三方面著手，以降低操作人員的工作負荷和疲勞度，提升操作效率和體驗舒適性。

1.3.1 設備工效性設計

作為復雜人機系統(tǒng)，雷達顯控臺設備工效性的優(yōu)劣影響到操作人員能否及時接收和處理大量的監(jiān)測信息，與雷達裝備的任務完成效率息息相關。顯控臺的設備工效性設計應基于容膝空間、人體手部操作范圍、人體視線區(qū)域等人員生理特征，結合顯控臺的顯示器、按鈕、鍵盤、鼠標、操作面板等器件的使用特性，更多從操作和維護便捷、用戶體驗舒適等方面考慮，提出設備工效性的系統(tǒng)解決方案。

1.3.2 交互界面設計

雷達顯控軟件需要滿足各種復雜作戰(zhàn)場景下的作戰(zhàn)要求，其交互界面具有功能復雜、要素繁多、信息量巨大等特點。信息量的增加和交互方式的多元化導致用戶對人機交互界面在穩(wěn)定性、易用性、高效性方面的要求越來越高。雷達顯控交互界面的設計應該以提高用戶的認知效率和交互體驗、提高作戰(zhàn)效率為目標導向，通過信息可視化、設計美學等技術方法，完成信息架構、操作流程、交互方式以及風格、布局、色彩等視覺顯示要素的設計，為用戶提供一個高效自然的人機交互界面。

1.3.3 人機系統(tǒng)評估

人機系統(tǒng)的評估是產(chǎn)品研制過程中評價人因工程設計水平優(yōu)劣的必要環(huán)節(jié)，對設計指標的迭代優(yōu)化有重要作用。雷達顯控臺的人機系統(tǒng)評估主要分為試驗測試和仿真分析。在試驗測試方面，美國以國際標準ISO13407（以人為中心的設計方法）為基礎，在NASA裝備研制中形成人因測試相關標準并加以應用[17]。國內目前缺乏系統(tǒng)化、標準化的雷達顯控臺人機系統(tǒng)測試方法，未建立統(tǒng)一的測試流程和可量化的評價指標。在仿真分析方面，美國的Simens JACK，德國的RAMSIS，英國的SAMMIE等商業(yè)軟件可基于人體尺寸數(shù)據(jù)建立三維數(shù)字人體模型，完成雷達顯控臺人機系統(tǒng)的數(shù)字化建模，實現(xiàn)操作人員在疲勞、負荷、作業(yè)能力等方面的預測，節(jié)約產(chǎn)品研發(fā)時間和成本。

2 雷達顯控臺設備工效性設計

雷達顯控臺設備工效性設計從用戶實際需求出發(fā)，以人體尺寸數(shù)據(jù)為基礎，確保結構尺寸的緊湊、合理，滿足人員視覺和觸覺的操作要求。同時充分考慮設備維護性和人員舒適性，從快速連接件、座椅、臺面等方面營造良好的用戶體驗。

2.1 工作空間設計

雷達顯控臺操作人員執(zhí)行任務時的主要場所一般為雷達車的方艙、艦艇的船艙等，具有空間狹小、環(huán)境較差的特點。為確保操作人員安全、高效、舒適地完成各項操作任務，顯控臺工作空間設計應考慮顯控臺單席位及多席位時的布局關系，結合人體基本尺寸參數(shù)，為操作人員留有足夠的活動余量。雷達顯控臺自身的工作空間設計主要涉及臺面高度和容膝空間。顯控臺操作人員的工作狀態(tài)主要為坐姿操作，當人處于上臂自然下垂、前臂接近水平的狀態(tài)時最不易疲勞，因此臺面高度應與坐姿下人的肘高一致。容膝空間應保證人員腿部的自由伸展，由臺體的深度和臺面厚度決定。為保證大多數(shù)操作人員的使用需求，工作空間設計一般以男子第95百分位數(shù)（P95）尺寸來確定[18]。

2.2 可操作性設計

設備的可操作性設計是雷達顯控臺設備工效性設計的重要方面，與坐姿狀態(tài)下人員的工作區(qū)間和視線區(qū)間密切相關。顯控臺工作區(qū)間設計應結合手操作區(qū)域和臺面設備操作頻率需求。鍵盤和鼠標為操作頻率最高的設備，布置在手的舒適操作區(qū)。觸控一體機、標準操控模塊、語音通訊終端操作頻率次之，布置于有效操作區(qū)內。坐姿顯控臺基準眼位是設計視覺條件和確定控制室盲區(qū)的基準，顯控臺視線區(qū)間應以基準眼位來設計。操作人員處于正直坐姿時，眼位在控制臺臺面前緣的垂直基準線上，其高度為座椅面高度和坐姿眼高之和。人的坐姿自然視線要與顯示器屏幕垂直，顯示器屏幕與垂直面夾角的最佳值為15°。雷達顯控臺的工作區(qū)間和視線區(qū)間示意圖如圖3和圖4所示。

圖3 工作區(qū)間示意圖

圖4 視線區(qū)間示意圖

2.3 維護性設計

維護性的好壞決定雷達顯控臺故障修復時的難易程度和對現(xiàn)有功能改進的可能性，影響平均修復時間的長短。雷達顯控臺的維護任務主要包含顯示器維護、臺面設備（如鍵盤、鼠標、操控模塊）維護、后部線纜維護以及臺體下方內部機箱、插件（如顯控模塊、KVM模塊、電源模塊）的維護。雷達顯控臺站姿和蹲姿的維護狀態(tài)如圖5所示。

圖5 維護狀態(tài)

維護性設計應充分考慮人員維護時的動作特點。因顯控臺設備尺寸的限制，人員進行機箱、插件的維護操作時通常處于蹲姿狀態(tài)，帶來了極大的工作負荷和生理疲勞，因此需重點關注該維護狀態(tài)下的維護性設計。此外，臺面上部設備的維護空間應滿足人員手部操作的最大范圍。因此，利用快速連接件實現(xiàn)顯控臺基座轉動、鍵盤翻轉、臺面上翻等（圖6）設計，減輕人員維護時的生理負荷，是提升雷達顯控臺維護性的有效措施。

圖6 維護性提升設計

2.4 舒適性設計

由于服役環(huán)境的特殊性，在設計雷達裝備時會充分考慮振動、沖擊等惡劣條件對設備正常運行的影響，而對惡劣環(huán)境下操作人員的舒適性關注度不夠。雷達顯控臺舒適性設計可從人體的感官需求（觸覺、聽覺、視覺）出發(fā)，結合雷達顯控臺的自身特點及艙室環(huán)境的外部影響，基于用戶體驗數(shù)據(jù)的調查和分析，形成個性化的舒適性解決方案。針對常見的臺面冰冷、座椅體感較硬、艙室噪聲大、顯示器屏幕眩光等顯控臺舒適性問題，可通過臺面自適應加熱和親膚涂層、座椅軟材料填充、設備降噪設計、艙室自適應燈光等手段進行優(yōu)化。

3 雷達顯控臺交互界面設計

雷達顯控交互界面設計面向用戶和作戰(zhàn)，以用戶體驗為中心，涵蓋顯控信息層、交互層、表現(xiàn)層等要素設計，設計架構如圖7所示。

圖7 雷達交互界面設計架構

信息層通過目標導向設計、認知降維設計等技術方法，完成用戶目標確認、功能需求分析和信息架構設計，提供清晰的信息組織、信息導航和邏輯結構，輔助用戶更好地完成信息決策。交互層通過人因工效分析、交互原型設計等技術方法，完成操作流程、交互框架和交互方式設計，構建交互原型DEMO，為用戶帶來高效快捷的操作體驗。表現(xiàn)層通過信息可視化、設計美學等技術方法，完成界面風格、布局、色彩、控件、圖標等顯示要素設計，輸出高保真界面效果圖，實現(xiàn)人機交互界面的友好易用。

3.1 信息架構設計

雷達顯控界面信息由目標信息、狀態(tài)信息和操控信息等構成，包括圖像、文本、控件和圖表等信息元素。信息架構設計可以有效改善雷達界面的整體導航性，提升操作效率，降低雷達操作員的認知成本，是雷達顯控界面質量的保證。

首先要根據(jù)雷達探測的作戰(zhàn)場景、操作員的用戶角色、不同席位的功能劃分和任務目標下對信息的不同使用需求，對界面信息進行整理，確保不同階段獲取的信息完備清晰。獲取信息后，從信息分類、信息結構和信息優(yōu)先級三個方面對信息進行組織。在雷達顯控界面設計中，為了減少人因失誤，一般采用模糊分類與精準分類相結合的方式對信息進行分類。信息結構方式一般采用層級結構或矩陣結構，根據(jù)信息的重要性進行優(yōu)先級排序和布局。此外，導航系統(tǒng)、標簽系統(tǒng)和搜索系統(tǒng)決定著信息構架的完整性和易用性[19]。

3.2 交互操作設計

雷達顯控交互操作設計的目標是提高系統(tǒng)的可用性，提高用戶在使用過程中的流暢性[20]。現(xiàn)有雷達顯控界面交互一般以鍵鼠交互為主，也存在語音、觸控、手勢等交互方式。語音用于快速傳達或接收指令，觸控和手勢相比鍵鼠操作更符合人的生理習慣。通過多模態(tài)交互協(xié)同操作，可以幫助用戶更快適應顯控界面操作，操作更加方便快捷，可提高人機工效。手勢和語音交互示例如圖8所示。

圖8 手勢和語音交互

交互操作應以簡單快捷為原則進行設計。同類操作模塊關聯(lián)集成，常用操作入口清晰易找，多步操作提供操作引導；操作步驟簡潔，提供及時的操作反饋；提供缺省值和快捷鍵，支持用戶快速輸入數(shù)據(jù)，以減輕用戶在操作過程中的記憶負荷；有時序要求或邏輯關系的界面操作，交互方式保持一致，以降低用戶學習成本；對于關鍵性操作，在執(zhí)行前提供操作確認，以減少用戶誤操作。

3.3 視覺表現(xiàn)設計

雷達顯控界面的設計要素包括風格、布局、色彩、文字、控件、圖標等[21]。某雷達顯控交互界面如圖9所示。

圖9 某雷達顯控交互界面設計

雷達顯控界面的設計風格應以簡潔直觀為主，多用深色背景，色彩以偏藍、灰色調為主，視覺刺激相對較小，不易造成視覺疲勞。顯控界面主屏通常以P顯、H顯或地理信息系統(tǒng)等態(tài)勢顯示為中心，將其他功能模塊置于四周。副屏以信息顯示為主，各功能模塊布局依據(jù)顯控任務可定制化顯示，按需顯隱?？丶捎帽馄交萍几袠邮剑笮⌒璺弦曈X認知，圖標應簡潔直觀，語義明確，易于識別。

雷達顯控交互場景包含大量的可視化元素，如雷達裝備、目標航跡、提示信息等。通過信息可視化設計，可以提高對關鍵信息的認知效率，色彩編碼和圖形化是最常用的方法。色彩編碼應當符合標準規(guī)范和用戶習慣，通過色彩突顯重點態(tài)勢目標，弱化信息干擾，加強視覺分割，提供視覺線索，達到有效引導用戶視覺注意的目的，提升認知績效。圖形包括圖表和圖標等類型。圖表通常采用餅狀圖、柱狀圖、折線圖、散點圖、雷達圖、甘特圖等可視化方式?？梢暬纠鐖D10所示。

圖10 信息可視化示例

4 雷達顯控臺人機系統(tǒng)評估

雷達顯控臺人機系統(tǒng)評估作為人因工程設計的校核環(huán)節(jié)，其主要目的是利用測試儀器、仿真軟件等手段對人體尺度、舒適度、疲勞值等人的生理、心理指標進行評價，協(xié)助設計的迭代優(yōu)化。目前缺乏標準化的雷達顯控臺人因測試流程和評估指標，因此通過數(shù)字化建模仿真開展雷達顯控臺人機系統(tǒng)評估的研究方式更為主流[22]。

在工程產(chǎn)品研發(fā)制造數(shù)字化的大趨勢下，計算機技術迅速發(fā)展，設計師利用人因工程設計仿真軟件進行數(shù)字化建模和仿真能夠在短時間內獲得較為精準的結果，可節(jié)約50%以上的產(chǎn)品研發(fā)時間和成本，在汽車、航天航空等領域的產(chǎn)品設計中得到了廣泛應用。本文采用Simens JACK數(shù)字人體建模和仿真軟件對雷達顯控臺進行可視域分析、可達域分析、快速上肢分析和舒適性分析。

4.1 人機系統(tǒng)建模

將雷達顯控臺模型導入JACK軟件中，以中國軍人人體測量數(shù)據(jù)為參考同步建立人體模型。根據(jù)實際情況調整人員操作姿態(tài)，完成JACK環(huán)境下的顯控臺人機系統(tǒng)建模，如圖11所示。

圖11 顯控臺人機系統(tǒng)建模

4.2 可視域分析

雷達顯控臺的屏幕、操控模塊、觸控模塊、鍵盤等與人體視覺相關的設備應布置在人的視野范圍內，盡可能使操作人員不必移動身體和轉動頭部就可看清所需信息。利用Vision Analysis工具分析處于最優(yōu)顯控臺操作姿勢下第50百分位數(shù)（P50）尺寸數(shù)字人模型的可視域，觀察時的視距設定為560 mm，結果如圖12（a）所示。從圖可知顯示器上下雙屏及臺面操作設備均涵蓋在可視域中，符合視野的設計要求。

4.3 可達域分析

設備布局是否滿足人的正常操作距離要求與雷達顯控臺的安全、高效息息相關。利用Reach Zones工具分析第5百分位數(shù)（P5）尺寸數(shù)字人模型的手部最大觸及范圍，分析條件中補充引入肩部和腰部的運動，仿真結果如圖12（b）所示。從圖可知操作人員手部的運動軌跡圖包含了所有臺面設備，符合可達域的設計要求。

圖12 可操作性分析

4.4 快速上肢分析

快速上肢分析功能（Rapid Upper Lamb Assessment, RULA）是對某工作姿態(tài)下操作人員的上肢狀態(tài)進行評價。雷達顯控臺的人員操作任務主要為手部與臺面上方設備的交互動作，腿部基本為靜止狀態(tài)，適用于RULA的使用要求。

評價結果共分4個等級，人員姿態(tài)與人機設計要求越接近分數(shù)越低：1～2分表示可接受；3～4分表示需進一步研究或可能需要改變姿態(tài)；5～6分表示要盡快研究和改變姿態(tài)；7分表示要立即研究并改變姿態(tài)。如表1所示，上臂、前臂和軀干的得分在2～3分之間，說明上述部位在該姿態(tài)下會引起一定的疲勞；其余部位得分均為1分，說明完全滿足人機設計要求。綜合得分為2分，說明操作人員在使用雷達顯控臺時上肢疲勞度可接受，滿足舒適性要求。

表1 快速上肢評價結果

4.5 舒適性分析

舒適性分析工具中的Porter舒適性參數(shù)是對操作人員在工作狀態(tài)下的關節(jié)彎曲合理性進行評價。評價結果表征人員關節(jié)彎曲角度實測值與典型值（大多數(shù)人員可接受的數(shù)值）之間的差值。評價結果的數(shù)值越接近0，表示舒適性越高，反之，則舒適性越低。若數(shù)值在限定的關節(jié)彎曲角度范圍內（圖13中短黃線位置），則評價結果為綠色，表示當前狀態(tài)下的人員工作姿態(tài)滿足人因工程要求；若數(shù)值超過限定的關節(jié)彎曲角度范圍（圖13中短黃線位置），則評價結果為黃色，表示需對人員工作姿態(tài)進行調整。

雷達顯控臺的Porter舒適性參數(shù)分析結果如圖13和表2所示。從圖13可知：頭部、大腿的實測值與典型值比較接近，舒適性好；上臂、肘部、膝蓋、小腿的實測值與典型值的差值相對較大，與臨界值接近，但仍在可接受范圍內，滿足人因工程的舒適性設計要求。

圖13 Porter舒適度分析

表2 舒適性參數(shù)分析結果(°)

5 結束語

人因工程是新興的綜合性交叉學科，聚焦于解決“如何提升產(chǎn)品的好用程度”的工程問題。在智能化背景下，為解決傳統(tǒng)雷達顯控臺交互方式操作步驟多、操控時間長、控制不靈活等問題，多模態(tài)交互技術在顯控臺設計中的應用已成為未來發(fā)展趨勢，通過觸控、語音、手勢、眼控等多種方式完成交互操作，對視覺、聽覺、體感等多種感官進行融合，具有直接、快速、自然的交互特點。此外，伴隨人工智能技術的不斷發(fā)展，監(jiān)視控制、信號檢測、目標監(jiān)控等雷達顯控臺所需處理的任務極有可能由人工智能來完成。如何處理好人的主觀信息與機器的客觀數(shù)據(jù)之間的協(xié)調關系、實現(xiàn)人-智能相互融合將成為促進雷達顯控技術進步需要考慮的問題。

未來雷達顯控臺設計應結合新技術、新方向，進一步加強人因工程理論和技術在產(chǎn)品研制全生命周期中的應用，不斷提升雷達裝備的用戶體驗和作戰(zhàn)效能。