王 蕾，孫晨輝

（杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所，浙江 杭州 310023）

0 引言

聲吶系統(tǒng)是海軍裝備水下目標(biāo)警戒探測(cè)的核心裝備。聲吶探測(cè)顯控軟件承擔(dān)著聲吶系統(tǒng)設(shè)備控制、綜合信息可視化、狀態(tài)監(jiān)控及人機(jī)交互等功能，在聲吶系統(tǒng)中具有舉足輕重的地位。由于聲吶系統(tǒng)涉及的設(shè)備關(guān)系復(fù)雜、信息高度密集，且受環(huán)境不確定性影響，其探測(cè)模式與特性變化復(fù)雜，這對(duì)長(zhǎng)時(shí)間航行作業(yè)任務(wù)中的交互操作流程、信息配置呈現(xiàn)以及實(shí)時(shí)判斷決策提出了更高要求。

本文以聲吶探測(cè)顯控軟件為對(duì)象進(jìn)行人因工程研究，通過(guò)對(duì)用戶的認(rèn)知特性和作業(yè)任務(wù)需求進(jìn)行分析，開展聲吶探測(cè)顯控軟件人因工程設(shè)計(jì)方法研究，使聲吶探測(cè)顯控軟件的設(shè)計(jì)更加符合人的生理心理特點(diǎn)，從而最大限度地發(fā)揮系統(tǒng)的總體性能。

1 人因工程在聲吶探測(cè)中的應(yīng)用

1.1 人因工程概述

人因工程主要研究特定任務(wù)背景下人、機(jī)、環(huán)境三者之間的相互關(guān)系，從而提高系統(tǒng)的績(jī)效、增進(jìn)系統(tǒng)的安全、提高人員的滿意度。人因工程貫穿于整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)生命周期，涉及領(lǐng)域包括人類工效學(xué)、工程心理學(xué)及認(rèn)知工程學(xué)等[1]。

美國(guó)對(duì)研究艦船人因工程的研究走在世界前列，多項(xiàng)技術(shù)研究成果已在新一代DDG 1000“朱姆沃爾特”級(jí)驅(qū)逐艦、CVN 78“福特”級(jí)航母、“宙斯盾”基線9 等系統(tǒng)得到應(yīng)用。DDG1000 通過(guò)開展人-系統(tǒng)整合的人因工程研究[2]，包括人員優(yōu)化配置、以用戶為中心的人機(jī)交互設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的集成化、自動(dòng)化，提升了系統(tǒng)作戰(zhàn)效能。

我國(guó)海軍裝備領(lǐng)域人因工程研究[3]處于起步階段。近年來(lái)，在艦船系統(tǒng)設(shè)計(jì)[4]、艦艇指控系統(tǒng)[5]、艦載態(tài)勢(shì)生成系統(tǒng)[6]、顯控臺(tái)設(shè)計(jì)[7]等方面有一些人因工程研究。這些研究將人因工程與海軍裝備系統(tǒng)相結(jié)合，對(duì)系統(tǒng)任務(wù)功能、人機(jī)交互設(shè)計(jì)等進(jìn)行了分析，從而使人-機(jī)、人-人、人-環(huán)境間的關(guān)系得到最大效能的發(fā)揮。

1.2 用戶需求和特征分析

以用戶為中心進(jìn)行設(shè)計(jì)，是人因工程的重要原則。系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)以滿足用戶需求為目標(biāo)，而不是讓用戶來(lái)適應(yīng)系統(tǒng)。用戶在使用中不僅需要監(jiān)視系統(tǒng)反饋，也要對(duì)各種呈現(xiàn)信息進(jìn)行分析判斷，這直接影響著系統(tǒng)的效率。聲吶探測(cè)顯控軟件面向的是聲吶操作員，他們需要在作戰(zhàn)任務(wù)中，通過(guò)顯控軟件進(jìn)行設(shè)備控制和水下目標(biāo)偵察。聲吶操作員不像專家擁有廣泛的專業(yè)知識(shí)。因而，針對(duì)聲吶操作員的軟件設(shè)計(jì)更傾向于軟件的易學(xué)性、易記性、易用性。

在長(zhǎng)時(shí)間的海上任務(wù)中，艦船噪聲、振動(dòng)、海況、艙室密閉性等環(huán)境因素，會(huì)對(duì)聲吶員的視覺、聽覺、體力、情緒等造成一定的影響，從而影響其注意力、記憶力、分析力，進(jìn)而可能造成其系統(tǒng)認(rèn)知和決策錯(cuò)誤。所以在軟件設(shè)計(jì)中要充分考慮聲吶員的體力負(fù)荷、腦力負(fù)荷及心理負(fù)荷。聲吶顯控軟件設(shè)計(jì)應(yīng)畫面簡(jiǎn)潔、交互便捷、層次清晰、突出重點(diǎn)，避免復(fù)雜信息，具備一致性和標(biāo)準(zhǔn)性，以減少記憶負(fù)荷。若信息量過(guò)多，聲吶員在疲勞狀態(tài)下會(huì)出現(xiàn)判斷困難，認(rèn)知負(fù)擔(dān)過(guò)重，進(jìn)而導(dǎo)致漏情和錯(cuò)情[8]。對(duì)于人為操作可能引起的失誤，應(yīng)進(jìn)行錯(cuò)誤預(yù)防和識(shí)別糾正，提供應(yīng)對(duì)保護(hù)措施，以提升操作的靈活性和效率，提高人機(jī)系統(tǒng)可靠性。

1.3 任務(wù)分析

聲吶探測(cè)顯控軟件用于海上警戒任務(wù)時(shí)，對(duì)主、被動(dòng)聲吶設(shè)備進(jìn)行控制，對(duì)信息處理進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行呈現(xiàn)。聲吶員通過(guò)主被動(dòng)探測(cè)可視化界面進(jìn)行人機(jī)交互、多信息分析、提取關(guān)注目標(biāo)，并對(duì)水下目標(biāo)跟蹤、確認(rèn)，進(jìn)行決策判情。其任務(wù)分析如圖1 所示。

圖1 聲吶探測(cè)顯控軟件任務(wù)分析圖

2 聲吶顯控軟件人因工程設(shè)計(jì)

2.1 信息要素組織分層

聲吶主被動(dòng)探測(cè)涉及信息種類多、體量大、密度高，長(zhǎng)時(shí)高壓工作環(huán)境易對(duì)聲吶員的注意力、記憶力、認(rèn)知力產(chǎn)生影響。為使聲吶員在復(fù)雜多變的作戰(zhàn)場(chǎng)景中準(zhǔn)確獲取重要信息，實(shí)時(shí)辨別水下目標(biāo)，需要對(duì)聲吶探測(cè)信息要素進(jìn)行分層、分類、分級(jí)，如圖2 所示。

圖2 信息要素分層

2.2 交互操作

聲吶探測(cè)顯控軟件在設(shè)計(jì)之初應(yīng)充分考慮作戰(zhàn)人員的使用習(xí)慣，操作流程復(fù)雜、步驟多、響應(yīng)長(zhǎng)，都會(huì)對(duì)作業(yè)任務(wù)的執(zhí)行效率造成影響。從人機(jī)對(duì)話方式、用戶控制自由度、系統(tǒng)狀態(tài)可見性及用戶幫助系統(tǒng)等方面均可以提高人機(jī)交互效率，提高聲吶員對(duì)任務(wù)狀態(tài)的感知。

主被動(dòng)處理參數(shù)專業(yè)性強(qiáng)、種類多，因此在多界面多任務(wù)中應(yīng)采用格式化、用戶熟知的標(biāo)準(zhǔn)詞匯對(duì)信息進(jìn)行描述，且相似交互過(guò)程狀態(tài)變化應(yīng)保持一致，從而使界面更加直觀，聲吶員可高效快捷做出判斷，反之則會(huì)使聲吶員認(rèn)知負(fù)荷和記憶負(fù)荷加重。

對(duì)于參數(shù)和流程設(shè)置等交互中易發(fā)生的時(shí)序錯(cuò)誤、數(shù)值錯(cuò)誤應(yīng)極力避免，以免導(dǎo)致系統(tǒng)錯(cuò)誤。交互操作中應(yīng)全面考慮可能出現(xiàn)的輸入組合，對(duì)操作錯(cuò)誤和響應(yīng)超時(shí)進(jìn)行提示，幫助聲吶員糾正錯(cuò)誤輸入。對(duì)于發(fā)射陣開始發(fā)射等涉及人員和設(shè)備安全的設(shè)置命令，應(yīng)要求聲吶員再次確認(rèn)，以免造成嚴(yán)重后果，導(dǎo)致任務(wù)中斷。

交互過(guò)程中，應(yīng)充分利用人的視覺、聽覺給予信息反饋，反饋與控制過(guò)程應(yīng)接近同步。對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)控制的反饋越多，越有利于聲吶員進(jìn)行下一步?jīng)Q策。

對(duì)系統(tǒng)信息進(jìn)行智能推送，可以有效地幫助聲吶員在作業(yè)任務(wù)流程、作戰(zhàn)環(huán)境感知、異常狀態(tài)處理等方面加深認(rèn)知、聚焦重點(diǎn)，從而科學(xué)決策?？梢栽谌藱C(jī)交互中采用浮動(dòng)窗口為聲吶員提供目標(biāo)跟蹤操作提示、威脅目標(biāo)關(guān)注提醒、跟蹤目標(biāo)丟失提醒以及本船轉(zhuǎn)向提示等，在光標(biāo)懸停處對(duì)圖形或參數(shù)進(jìn)行釋義。

2.3 信息可視化

人機(jī)界面的信息可視化是對(duì)文字、色彩、圖形等動(dòng)態(tài)和靜態(tài)元素的直觀表現(xiàn)，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮顏色搭配規(guī)律、信息組織規(guī)律以及視覺搜索規(guī)律，以避免聲吶員對(duì)信息的理解、過(guò)濾、識(shí)別、關(guān)聯(lián)及決策產(chǎn)生失誤。

在作業(yè)任務(wù)中，聲吶員會(huì)精神高度集中地長(zhǎng)時(shí)間聚焦于屏幕，因而色彩搭配應(yīng)使各信息模塊醒目，利于區(qū)分識(shí)別，減少飽和度高的色彩以免造成視覺疲勞。界面主色調(diào)可選擇刺激性弱、不易分散注意力的中性色，如灰色、灰藍(lán)色，以突出其他彩色性的重點(diǎn)信息，避免對(duì)其他呈現(xiàn)造成視覺干擾。在歷程圖的顯示中，灰度圖的映射具有更強(qiáng)的對(duì)比敏感度，有利于弱信號(hào)的檢測(cè)。雜亂的色彩搭配會(huì)分散聲吶員的注意力，干擾對(duì)有用信息的獲取。

信息的分類、布局、密度都會(huì)影響人的視覺認(rèn)知，視野中離散的刺激經(jīng)由人的信息存儲(chǔ)和提取，從而產(chǎn)生了信息加工，科學(xué)有效的信息組織可降低聲吶員的思維和記憶負(fù)擔(dān)。聲吶探測(cè)顯控軟件的主要呈現(xiàn)信息可以分為人機(jī)交互區(qū)、信息處理結(jié)果顯示區(qū)。人機(jī)交互區(qū)應(yīng)對(duì)各類控制參數(shù)進(jìn)行精簡(jiǎn)，并設(shè)置默認(rèn)值；信息處理結(jié)果顯示區(qū)可對(duì)主動(dòng)和被動(dòng)信息處理結(jié)果進(jìn)行上下對(duì)齊顯示，方便聲吶員對(duì)主被動(dòng)跟蹤目標(biāo)的比較和關(guān)聯(lián)。而歷程圖是譜圖通過(guò)跡跡相關(guān)效應(yīng)累計(jì)呈現(xiàn)的，應(yīng)顯示于對(duì)應(yīng)譜圖下方。

在人的視覺搜索過(guò)程中，不同顯示區(qū)域的凝視時(shí)間與次數(shù)、掃視時(shí)間與次數(shù)都會(huì)對(duì)人的認(rèn)知產(chǎn)生影響，混亂的顯示和搜索環(huán)境會(huì)使聲吶員無(wú)法直接、快速地進(jìn)行目標(biāo)搜索和判情。人在視覺搜索時(shí)視線的變化習(xí)慣于從左至右、從上至下，且人在觀察顯示屏幕時(shí)，對(duì)左上角區(qū)域的注意力最多，由于聲吶員需要長(zhǎng)時(shí)聚焦主動(dòng)調(diào)頻掃描畫面尋找目標(biāo)，可以將主動(dòng)調(diào)頻掃描布局在左上位置，主動(dòng)目標(biāo)布局于調(diào)頻掃描畫面的右側(cè)，而被動(dòng)探測(cè)畫面可置于主動(dòng)探測(cè)畫面下方，這樣可以充分利用人的視覺分布規(guī)律。

3 結(jié)語(yǔ)

聲吶探測(cè)顯控軟件以用戶為中心，結(jié)合任務(wù)的設(shè)計(jì)方法，將人因工程應(yīng)用于人機(jī)交互和信息可視化過(guò)程。結(jié)合聲吶員的特征和需求，信息的輸入、輸出、控制、反饋、布局及顯示等設(shè)計(jì)原則充分考慮了人、系統(tǒng)、環(huán)境的相互關(guān)系，使其作為一個(gè)整體相互配合，可以有效提升聲吶員的操作效率和分析決策能力，從而降低漏情和錯(cuò)情概率，提升系統(tǒng)作戰(zhàn)效能。