蓝军舰艇指控系统人因工程设计

曾鹏，何中文，张小凡，李若岩，唐震

(中国船舶工业系统工程研究院，北京 100094)

0 引言

两伊战争期间，美国海军在波斯湾地区连续发生“斯塔克”号护卫舰遇袭事件和“文森斯”号巡洋舰误击伊朗客机事件，事后调查表明，事发时两舰的作战系统均工作正常，主要是因为人的错误判断和决策造成了前者的“漏警”事件和后者的“虚警”事件[1]。此后行业内普遍认识到，即使是当时最先进的“宙斯盾”系统，光有探测距离远、精度高、目标容量大、处理速度快、火力强也不能完全满足实战需要，必须做好人因工程设计，解决实战压力下的人机结合辅助决策问题，才能迅速作出合理决策，充分发挥先进作战系统的效能,并由此开展了一系列指控的人因工程设计优化工作。

1 国内外研究情况评述

1.1 国内相关领域研究进展

中国船舶工业综合技术经济研究院于2013 年成立了舰船人因工程实验室，将人因工程的理论方法引入到舰艇指控系统的研制过程中。廖镇等[2]指出，目前的指挥控制信息系统中存在一些影响指控人员操控效率的人因问题，一是人机功能分配类问题，二是人机界面显示与交互问题。陈霞等[3]指出，海军装备人因工程相对于其他军事装备领域更为复杂。

目前在国内，载人航天领域的人因工程发展相对成熟[4-5]，人因工程是载人航天装备研制的关键节点和重要环节。而我国的舰船人因工程则还处于起步阶段[6-9]。

1.2 国外相关领域研究进展

美国是当今研究和应用人因工程最发达的国家。美国国防装备系统采办中人因工程设计的优劣是系统整体采办必须考虑的重要一环，是系统发挥整体效能的关键因素。美国海军对舰船人因工程的研究非常重视，为此设立的专门研究机构。

美国海军对人因工程和指控系统改进优化的工作持续了20多年，“压力下的战术决策支持”(tactical decision making inder stress，TADMUS)项目就是其中的代表。该项目针对时间紧迫、信息不确定、胜负压力大这样的海军战术指挥官常见场景，引入自然决策和专家决策理论，以及决策偏好、认知工作量等因素，面向“宙斯盾”系统战情中心、航母旗舰指挥中心、联合行动指挥中心战术战役级指挥决策系统，开发相应的人机交互、决策支持系统(decision support system，DSS)原型，用于测试评估，最终实现对现有和未来各级指挥控制系统的优化。

项目一期1997财年启动，1999财年完成软硬件开发，2000财年上舰演示评估，效果明显[10]。与当时装备的“宙斯盾”系统相比，在DSS系统的帮助下，“宙斯盾”系统操作团队在复杂环境和作战压力下的威胁目标识别正确率提高、虚警率降低，效果显著[11]。

图1是“宙斯盾”系统战情中心(combat information center，CIC)决策支持系统第2个版本DSS-2的界面设计方案[12]。一般部署在战情中心正对大屏幕的“宙斯盾”系统决策支持系统席位，供舰长和战术执行官使用，其他对空作战席位也可以调用。

图2是美国海军提供的一张比较模糊的图片，展示了DSS系统在联合战术旗舰指挥中心试用的场景。

此外，美军已将人因工程思想应用于各个方面，很多成果已在新一代DDG 1000“朱姆沃尔特”级驱逐舰、CVN 78“福特”级航母、“宙斯盾”基线9系统中得以体现，涉及各级指挥所整体布局、流程战位设计、软硬件设计等方面，如图3所示。所有的这些安排，均是经过对舰员、生理、心理和行为进行研究，以最大限度地发挥舰员和战舰的战斗力为目标而定的。

2 美海军DSS系统测试

美海军组织8个指控团队，每个团队有25名官兵组成，包括资深舰长和战术执行官，设计了4个测试用例，分别包括了濒海作战、维和行动、对空和对海作战等场景，每个团队要分别使用现役决策系统和DSS决策系统，分别进行2个用例的测试，总计32个测试用例。

测试的目的是反馈DSS系统的整体有效性，以及各个单元模块的效能。

测试针对系统有效性、态势感知能力、团队沟通能力、系统可用度等4个方面展开，同时采用了测试评估系统后台数据分析和参试官兵调查问卷与面谈的方式。

在定量测试评估中，用例场景都是目标密集濒海区域，在大量的“不确定”目标中混杂了少量威胁目标，要求团队能够正确识别出其中的威胁目标，同时忽略那些非威胁目标，系统后台统计虚警率(非威胁目标被关注)和漏警率(威胁目标被忽略)。测试结果如表1。

可以看出，采用DSS系统后，虚警减少46.8%；漏警率减少36.4%；威胁目标识别率提高21.3%。

其他主要测试结果包括：

(1) 系统有效性方面

1) 问卷调查表明，66%的指挥官使用了DSS系统提供的功能。

表1 DSS定量测试Table 1 DSS quantitative test

2) 统计数据表明，舰长比战术执行官使用DSS系统的频度更高，原因是前者更希望维护整体态势和掌握特定目标情况；而后者花了更多时间了解具体目标信息的情况和传感器数据。

3) 调查问卷表明，舰长和战术执行官都欢迎单目标详情、单目标侧视图、预案管理器的设计。

4) 系统有效性满分定为7分，被测官兵给出了5.97的整体评分。

(2) 态势感知

1) 测试数据表明，使用DSS系统后CIC团队能在规定时间内识别出更多的威胁目标，从而尽早采取应对行动。

2) 在对空防御测试中，因为使用DSS系统后CIC团队有充裕的时间采取应对措施，数据表明，CIC团队明显采用了更多的“防御型战术行动”，而不是具有挑衅性、风险更高的“警告”、“照射”行动，这在实战中是更加合理的。

(3) 团队沟通

1) 测试中录取了CIC团队所有的内外部通话，以判断DSS系统对CIC团队沟通频度、内容和沟通流程的影响；结果表明，使用DSS系统后，CIC团队内部单位时间内沟通次数减少了至少5%，证明DSS系统起到了“提供更多有用信息，消除不确定性”的设计目的。

2) 测试结果表明，虽然沟通次数整体减少，但不同成员间的沟通比例、流程并没有明显变化，说明DSS系统的采用，没有影响原有的沟通流程和模式。

3) 对所有沟通内容分为“信息、状态、解释、评估、指令”五大类，使用DSS系统后，“信息”、“评估”类沟通明显减少，证明DSS系统在基础信息呈现与传递、辅助用户去准确理解、目标信息的辅助预处理预判等方面起到了作用。

(4) 系统可用性

1) 在满分为5分的可用度调查中，用户给出了4.16分的整体评价。

2) 图形化单元模块普遍得到了较高评分，基于文本信息的模块单元的分较低。

3 蓝军舰艇指控系统的人因工程设计

在深入学习美海军DSS系统的基础上，开展了蓝军舰艇指控系统的DSS系统人因工程研仿工作，见图4，5。

在蓝军舰艇指控系统中具体的人因工程设计主要包括5个方面。

3.1 2D双视图立体态势显示

防空作战是发生在立体空间的，3D显示理应比2D更有优势，但经过测试证明，目前看到的“左侧俯视图+右侧侧视图”组合的模式，效果优于3D显示。主要原因[13]在于：

(1) 无论是现阶段的显示屏，还是人的视网膜，本质上还是二维面成像原理。

(2) 人的3D视觉的形成，其实是通过两眼焦距的变化，甚至视角和距离的变化，通过大脑的运算后形成的，即需要“动起来”，这在分秒必争的防空作战中是不允许的，也对计算机资源要求过高。

(3) 虽然美军也尝试过一些类似游戏的“伪3D”显示，但试验表明会带来一系列混淆。如下面这个案例，假设屏幕上为北，则难以判断这架飞机是向东南方向平飞，还是向东作俯冲(见图6)。

(4) 在研究中也曾尝试加上高度线、阴影、速度矢量线来消除误解，但发现消除歧义的效果并不理想，且过多的线条让界面更加杂乱。

最终蓝军系统设计中采用了“俯视图+侧视图”的双视图的组合模式。虽然是2张图，但任何具备高中几何知识的人均都可看懂这种多视图，并在脑海中建立起正确的三维空间认知，就像工程制图一样准确无歧义[14]。

图7(侧视图)的视角不是常见的正东西向或正南北向侧视。无论选择哪个目标，均把本舰放在左下角原点，目标从右上方飞来，其实就是以本舰为原点的一种极坐标表示法，横坐标是水平距离，纵坐标是高度差，非常直观地表示了目标与本舰的相对位置。同时上面还用不同颜色表示了敌我双方传感器、武器的威力边界等信息。能较好满足防空作战需要。

3.2 目标信息块模式

蓝军系统采用16个“多目标信息块”来表示威胁程度最高的16个空中目标，按威胁程度从高到低，自左向右排列。这些“目标块”有2个用途：一是选择和切换右屏目标显示的触摸按钮，二是显示了每个目标的简要信息。

“多目标信息块”模式采用一系列数字和符号来表示相关信息，以其中一个为例，如图8所示。

第1行：目标批号7037，黄色底色表示“中等威胁”；

第2行：类型，是“超美洲豹”；

第3行：直升机；

第4行：目标方位160°，距离25 n mile (1 n mile=1 852 m)；

第5行：箭头表示正在平飞飞离本舰，高度3 000 ft(1 ft=0.304 8 m)；

第6行：电子战信号特征；

第7行：IFF敌我识别无应答；

第8行：Alerts提示信息小按钮，如果该目标有新的情况变化需要注意，就会亮起，提示操作人员去点击察看最新的提示或告警信息。

与传统表格相比，“目标信息块”更为简单而直观，数据更精准，体现了人机界面设计里“详细而精确的，不如模糊但直观的”思路。

3.3 甘特图模式对空作战预案管理

在右屏的单个目标详细区，除了有目标的详细信息，更有对它的应对措施，即“甘特图”风格的距离驱动的对空作战预案管理器，见图9。

甘特图与侧视图共享一个横坐标，即目标到本舰的距离。一根表示目标当前距离的白线贯穿上下。而甘特图里面的时间条，为事先编辑好的各种软硬对抗手段。以此图为例，是假设战舰以中立身份执行波斯湾巡逻任务时，中低威胁情况下，针对“美洲豹”这样的直升机目标，交战规则ROE较为克制的防空预案。随着目标距离的接近，将自动/半自动梯次采取下列应对措施：

80～40 n mile：空间确认；

80～45 n mile：第1次警告；

75～00 n mile：近防炮启动/防空系统戒备；

60～30 n mile：第2次警告；

58～30 n mile：人员隐蔽警报；

55～10 n mile：电子战系统启动；

55～22 n mile：第3次警告；

50～20 n mile：导弹制导雷达跟踪照射；

75～5 n mile：中间夹杂着2次向上级指挥官请示；

40～00 n mile：防空导弹备妥；

38～00 n mile：释放诱饵；

38～00 n mile：曳光弹射击/警告射击；

50～00 n mile：开火或不开火的最终决定。

同时还提供作战预案的编辑功能，即舰上的每一种对空软硬手段和措施均可对应为甘特图中的一个对策条。作战预案就是由多个这种对策条排列组合而成。战前操作者需要选择不同的对策条组合，调整各个对策条的先后顺序，拖动每个对策条的长短跨度来设定发挥作用的距离，即可便捷而直观地把舰上的各种对空软硬手段和措施组合为一个个对空作战预案。

战时，则根据可能的战场情况、作战意图和交战规则，为每类目标手动或自动加载相应的作战预案即可，执行过程中，操作人员只需进行必要的重要决策或“否决式”干预。

这样就较好地解决了对空交战复杂性与决策快速性之间的矛盾。

3.4 基于正反判据的威胁判断

在蓝军系统决策界面，如图10所示，不是直接显示“敌、我、中立、不明”，而是按照“有威胁、没威胁、不明”来分类，毕竟后者更具有实际意义。同时还列出正反判据和有关假设，供操作人员对自动识别结果进行必要变更。

如针对这个批号为7037的“美洲豹”直升机目标，被识别为“威胁”，给出的判据分为3部分：

(1) 正方判据：平台ID号可疑，没有敌我识别IFF应答，来自敌人空军基地，来自敌方领空，正在直接接近我们，该型机可以携带有威胁武器。

(2) 反方证据：距离尚远不足以构成威胁。

(3) 有关假设：可能是为敌方做目标指示的，可能携带武器，可能IFF识别器关闭。

基于上述3方面信息，系统自动判别为“威胁”。这种方式发挥了计算机信息搜集全面、基于规则快速计算的长处，又兼顾了人擅长综合多方面因素作更复杂判断的权力。而且提供了“威胁、非威胁、不明”3个按钮，可以一键修改目标属性，直接影响后续的交战过程。

3.5 人机界面设计优化

好系统不是设计出来的，而是不断试用和修改出来的。指控系统界面的区域划分、版式布局的优化，运用了眼球视线跟踪技术。包括组织作战军官进行任务测试，记录操作人员的视线焦点在界面上的停留和变化过程，涉及2种优化布局的原则[15]：

(1) 统计每个要素被注视的时间，理论上最常被注视的要素放中间，不常看的要素放置角落，见图11。

(2) 统计视线在不同要素间的转移顺序，理论上让顺序注视的要素，按照一定顺序相邻排列，避免视线在屏幕上的大幅度跳跃，而是顺理成章地从一个要素转移到旁边的下一个要素，如图12。

在软件人机界面设计往往被认为是“主观性”最强的内容，人人都能提意见，但人人都不满意。因此，人机界面设计不仅要听取用户的直接意见反馈，更看重大样本的用户实际操作测试结果，通过对测试结果的对比分析，来排除用户主观好恶。

4 结论

人因工程的设计水平对指控系统乃至作战系统的效能发挥有着非常重要的作用，在搭建蓝军指控系统中应用人因工程的工作中获得如下启示：

(1) 人是系统的重要组成部分，做好人机设计才能让整个系统发挥最大效益。

既不是代替人的全自动系统，也不是把所有工作踢给人，必须合理界定人机角色，发挥各自所长，有机配合，否则纵有强大的软硬件能力，在实战中也难以发挥战斗力。

(2) 设计应符合人类认知、决策、行动的规律，追求最合适的技术途径，而非盲目采用新技术。

如2D与3D显示的选择，精确详细的表格“显示”不等于快速准确的“认知”，对目标的威胁判断应该充分发挥计算机和人的各自长处。

(3) 面向应用，具体问题具体分析，不强求界面风格的标准统一。

无论是对美军指控人机交互优化设计的分析，还是自身蓝军系统的设计，其实不仅限于“宙斯盾”系统防空作战，还有协同反潜、对海打击、对岸打击、电子战等多个领域，跨越单平台、编队、联合作战指挥、国家级决策指挥中心等多个层面，人机界面设计方案风格迥异，哪怕有的就部署在同一个战情中心，没有追求标准化、风格统一。究其原因，倒不是缺乏统筹，而是针对不同作战样式和业务需求，针对性设计的成果，就像防空作战用了距离驱动“甘特图”，“战斧”导弹任务规划系统用了时间驱动的网络进度图，战役决策中心用了“知识墙”，甚至“战斧”导弹发射控制系统和任务规划系统界面风格也是迥异，都是需求和应用使然。

(4) 优化设计，需要先进的方法手段和客观的用户实践反馈。

如何通过科学的技术手段来收集用户使用结果，同时通过合理的大样本统计分析方法，来减少开发人员、专家领导、用户的主观好恶影响，非常关键。

(5) 人因工程不局限于软件界面，在多个层面均可发挥作用。

蓝军系统不仅限于某个防空作战指挥系统的开发，其实包含了战役级联合作战决策支持中心、编队旗舰指挥中心、驱逐舰战情中心、多功能显控台，以及具体的指挥控制软件设计等各个层面。

从实践来看，人因工程的设计思想可以应用于多个方面，如整个联合作战指挥控制体系的优化设计，某个指挥中心内部的战位设置优化、业务交互流程优化、空间布局设计，基于人机工效多功能指挥台硬件的优化设计，具体软件人机界面的优化设计，甚至军标图符的优化等。各个局部的优化与整体的优化设计综合在一起，效果更明显。