美国海军装备采办中“人与系统综合”应用分析∗

王道重 唐金国 刘旭宁 丁广威

（1.海军航空大学 烟台 264001）（2.91206部队 青岛 266108）

1 引言

随着科学技术在军事领域的不断发展，各种武器装备层出不穷，但装备再好，终究还是由人来操作的，所以，在设计军事装备的时候就应该充分考虑人的因素，将人作为武器系统的重要组成部分，而非两个独立的整体。这是一种全新的装备设计理念，力求在提高装备性能的同时减少操作人员的数量，从而在不影响作战效能的前提下减少人员配备的需求，降低全寿命周期费用。

2 HSI的基本内涵

HSI是一种“以人为中心”的系统工程设计方法，整合了人因工程［1～4］（Human Factors Engineering）方面的所有系统元素，它颠覆了传统观念，将人作为武器系统的重要组成部分，强调在装备论证、技术开发、装备制造、装备部署、装备保障和装备报废等领域中始终遵循“以人为中心”的原则。军事装备应该从一开始就围绕“人”来研制，人机接口至关重要，进行人机接口设计，考虑人员配备，减少全寿命周期费用，是提高武器系统性能的重要途径。HSI属于较新的系统工程学，其主要包括以下几个领域［5］，如图1所示。

1）人力。主要解决装备操纵、维护、训练和保障等任务所需人员问题。

2）人事。负责定义装备操纵、维护、训练和保障等任务所需人员的特征、知识和技能标准，并为这些任务配备和挑选适当的人员。

图1 人与系统综合

3）培训。负责制定人员培训的内容、范围、程序和规划，培训和教育装备使用者，使其具备所需的知识和技能，从而能有效运行和维护装备。

4）人因工程。将人员的认知、生理和社交方面的能力与人员的局限性融入到装备设计过程中，强调装备的设计要与人员特点相匹配，并通过有效的系统设计来提高人机性能。

5）生存能力。负责制定和落实装备系统设计的安全特征标准，强调降低人员受伤的风险，保护装备使用人员免受攻击，减少其可能受到的各种伤害，并缓解生理和精神疲劳，配备相应的安全保护设施，从而提高人员的生存能力。

6）环境、安全。分析系统的威胁、使用环境、保障环境等因素，制定和贯彻落实武器装备系统设计的安全标准，降低人员受伤和遭受疾病的概率。

7）职业健康。强调降低装备操作和维护人员遭受慢性疾病、急性疾病、残疾、受伤或死亡的风险。

8）宜居性。人员的物理生活环境要舒适良好，提高人员生活质量，从而提高战斗力。

以上8个领域均应作为重要的装备设计要素融入到系统工程框架中，优化全武器系统。

3 装备生命周期和技术评审时机

装备生命周期包括需求论证阶段［6］、技术开发阶段、工程制造阶段、定型部署阶段、列装与保障阶段［7］。装备生命周期和技术检查时机如图2所示。

3.1 需求论证阶段

武器装备需求论证是武器装备需求的开发和验证过程，是为武器装备发展提供决策依据的研究工作。其研究对象是未来要发展的武器装备要求，输入是作战单元的使命任务，输出是满足使命任务需求的武器装备需求方案，其成果形式一般为论证报告，论证结论作为上级决策部门进行武器装备发展决策的基本依据［8］。HSI需求论证阶段的“V”字工程图如图3所示。

图2 装备生命周期和技术评审时机

A：评估和确定HSI关于环境、系统威胁、作战、资源、基础数据、技术基础等方面的局限性。依据军事装备相关规定，对HSI进行影响因素分析［9］，确保HSI是一个完整的以人为中心的系统。

B：分析和评估每一个概念性文件，权衡HSI各方面因素，定义与人员性能相关的能力需求，确定系统满足计划需求，并在系统性能方面分析HSI的需求。

C：在功能需求中解释HSI的标准（HSI的影响，人类性能局限性，特定领域的风险，战术系统、保障系统、训练系统等）。分析和评估HSI各方面因素，武器装备应具备的功能要和需求论证方案具有一致性。

D：在组件配置方面，分析系统功能，并定义HSI组件设计需求。通过确认计划来测试和评估HSI的需求。

E：在分析、建模和仿真、示范等方面充分考虑HSI，回顾历史信息（如成功信息、事故教训、人的性能等）。

F：评估HSI的影响，评审硬件和软件的建模、仿真、演示的结果，验证组件及HSI需求的满意度。

G：确保HSI系统的完整性与整体的能力。评审硬件和软件的建模、仿真、演示的结果，验证组件及HSI的结果。

H：评估每个系统概念，识别HSI的标准和需求。找出HSI潜在问题，并提出有效措施。

I：鉴定方案的有利因素和不利因素，确保方案是“以人为中心”的设计。

3.2 技术开发阶段

技术开发阶段要尽可能地减少技术风险，开发技术并使其成熟，最后集成一个完整的系统来演示关键技术的原型。技术的发展是持续的，技术开发的过程反映了部队与系统开发人员之间的密切合作，反复的设计与评估技术的可行性，并同时提炼部队需求，是技术开发阶段的主要工作。技术开发阶段的“V”字工程图如图4所示。

图3 需求论证阶段

A：确定HSI的关键技术需求，评估HSI特定领域的技术成熟度，使各方面因素对HSI的影响降到最低。

B：确保HSI起源于系统的功能，识别HSI在任何系统或子系统中的性能，并定义HSI测试要求。

C：在武器系统、保障、培训和训练系统中定义HSI标准，对整个系统进行技术权衡，细化评估HSI的影响，并定义HSI的测试要求与识别技术。

D：是关于HSI标准的更新系统，评估HSI对硬件和软件（物理接口、功能接口、标准和现有技术）的影响，理解复杂系统下HSI的影响，并定义HSI关键系统组件的测试和验证要求。

E：说明HSI在建模与仿真演示中的问题，在整个系统中识别和评估HSI的约束条件以及其他方面的问题，基于技术测试和验证，降低HSI成本和风险。

F：整合评估各功能领域的关键技术，验证技术组件对系统组件关于HSI方面的需求，评估新技术组件对HSI的影响。

G：从HSI的角度评估关键技术，对HSI相关的约束条件、风险评估结果，提出技术、组件取舍或相关的改进措施。

H：确保系统能够很好地融合HSI工程，评估演示结果、HSI的约束条件和风险。评估HSI的影响、可接受的技术风险和系统功能。

I：确保系统性能包括HSI的相关元素和相关系统开发计划。

J：指出HSI的概要文件和整个生命周期的系统边界，在需求和采购方面就要考虑到HSI因素，即初始功能说明、采办计划、系统工程计划、人与系统集成计划、测试和评估总体规划、生命周期管理计划等。将HSI写入整个系统需求，并对其全寿命全过程跟踪。

K：进行HSI的风险指标分析。研究所有子系统的人机界面和HSI需求，审查所有HSI的影响，扩大HSI分析（包括功能规范等），确保系统验证计划包含HSI因素，验证国家政策、法案、行政命令等要求，提出测试和培训方案，提供非军事化的HSI方面的更新与处理计划，根据系统或子系统的要求和规定，确定HSI需求。

L：检查HSI的影响（如危险和风险分析、初步风险分析、系统危害分析、子系统危害分析、后勤保障有关危害分析等）。审查衍生的HSI组件、系统和子系统，提供装备升级处理计划，验证HSI的设计规范中是否包含需求跟踪系统，并详细设计规范与验证计划。

3.3 工程制造阶段

工程制造阶段的目的是开发一个完整的HSI系统，并尽可能地减少成本与风险，这是一个可执行的生产过程，确保系统的可支持性、可生产性，实现人与系统的集成（HSI）。通过实施适当的技术，演示系统集成、互操作性、安全性和实用程序。工程制造阶段的“V”字工程图如图5所示。

A：开发HSI的概要文件和整个生命周期的系统框架，并在装备需求和采购中嵌入HSI，识别、开发HSI的决定性需求，并验证系统确实包括HSI因素。

B：分析度量HSI相关因素，检查和了解所有子系统的需求，研究HSI的影响和功能规范，验证HSI功能规范中是否包含需求跟踪，并开发系统验证计划。验证是否符合国家政策法规要求，不断寻求最优解决方案。

C：检查和更新系统安全，分析环境、安全、职业卫生等风险对HSI的影响。审查HSI组件、系统和子系统（包括测试需求）。分析HSI限制、风险和属性，并给出详细设计与规范，验证HSI设计规范中是否包含需求跟踪。最后进行初步设计审查。

D：评审有关环境、安全、职业卫生和HSI的影响。更新HSI组件、系统和子系统，其中包括测试和检验需求。产品基线确定HSI进程，并构建HSI文档和软件代码文档。

系统功能检查：检查是否解决HSI需求，并确保系统需求和功能基线完整无误，并进行合理的成本估算。

初步设计审查：确保初步设计中包括性能要求，从所有功能区域评估子系统需求并解决HSI问题，审查系统整体设计、HSI风险识别和有关解决方案。确保系统的安全性和完整性，评估可能的风险，审查初步设计，找出设计的不足并加以改正。

关键设计评审：审查系统能力开发需求，确保系统包括HSI因素。保证HSI的要求得到满足，审查产品硬件和软件设计是否符合规范，解决整体和部分的所有问题。

E：制造组装与必要的修改，评审HSI的临时更新系统，验证配置项包括HSI因素，不断发展测试和评估，分析HSI风险的可接受范围。

F：在系统更新的同时，实时分析HSI风险和影响，验证不断更新的测试和评估，验证实弹测试和评估，验证HSI测试和评估。基于发展中的测试和评估，对HSI风险提出适当的控制措施。建立HSI风险可接受范围，并确保符合国家政策法规。

G：确保HSI的所有测试结果都进行了综述，有效控制HSI风险，基于HSI的影响和风险配置更改方案，验证系统评估和HSI的适合性评估，基于测试结果，提出HSI风险缓解措施，确认HSI测试结果符合规范要求。

H：基于配置更新HSI状态，测试与评估相结合，提出必要的HSI风险缓解措施，确保解决HSI测试中出现的问题。

I：确保测试结果符合HSI的相关要求，充分审查和认证HSI的可支持性和互操作性，识别和描述所有残余的HSI风险，提出HSI的风险缓解措施与必要时机。

测试准备检查：确保测试计划解决HSI需求，确保测试程序和计划的兼容性和完整性，确保HSI风险水平是可以接受的。

系统验证检查：在功能基线的基础上，验证系统功能是否符合HSI要求。

生产准备检查：识别和管理HSI风险，包括材料和制造工艺等。

3.4 定型部署阶段

定型部署阶段的目的是实现一个满足任务需求的作战能力，并通过作战测试和评估，确定系统的有效性和适用性。定型部署阶段的“V”字工程图如图6所示。

输入活动：审查HSI系统，为HSI的测试结果提出适当的纠正措施，根据需要，提供全面的HSI程序，实时更新HSI的性能和系统属性。保证HSI风险区域的监控与测试，提供HSI的更新计划，确保系统工程包含HSI战略，并对系统进行持续检测和跟踪。

A：检查HSI的影响和缺陷，并形成报告，跟踪HSI缓解措施的发展，分析国家政策法规，确保缓解措施的有效性。

B：验证HSI系统需求和约束条件，根据HSI的设计和要求，对HSI进行风险审查，平衡HSI系统的成本和性能。

图6 定型部署阶段

C：验证HSI配置项。通过监控测试的方法来验证HSI的改进是否是有效的。

物理配置审计：在整个系统中，确保HSI相关测量和测试都是可行的，测试获得的结果要与竣工配置相一致，以保证HSI相关功能的有效性。

输出的活动：审查所有HSI相关的测试结果，结合测试数据进一步分析HSI的需求，并验证是否符合国家政策和相关规定。最后对HSI的风险和需求进行整合。

3.5 列装与保障阶段

列装与保障阶段要时刻保持武器装备的最佳状态。在整个装备生命周期中，以最节约成本的方式保证系统的稳定性。列装与保障阶段的“V”字工程图如图7所示。

A：提供系统的HSI标准，应用趋势分析法评估HSI所包括的不利因素，分析系统和子系统的事故和HSI相关因素，审查可能影响HSI的技术资料变更请求。

B：应用系统安全分析技术来确定HSI的不利因素，根据HSI的相关数据，分析和跟踪系统风险，找出根本原因。

C：优先降低关于HSI的风险，分析和跟踪整个系统风险，处理系统的危害。修改系统状态并形成报告，正确反映HSI的影响。

D：根据系统安全，分析HSI的纠正措施和优先顺序，并对风险进行跟踪。验证HSI缓解控制措施。

E：评估测试结果和风险缓解效果，确保控制措施不会影响其他潜在问题，分析和跟踪系统风险，修改系统状态报告，正确反映HSI的影响。

图7 列装与保障阶段

F：进行深入的系统分析，以确保纠正措施和改进设计不会产生额外的缺陷或降低人员的性能。

G：继续监视和跟踪，尤其是关于健康和人员性能指标方面，并验证改进措施的有效性，查找是否存在残存的风险。

4 HSI的实施规划指南

HSI的成功应用与良好的规划是密不可分的，应该在装备的设计过程中贯彻实施。美军HSI实时规划指南如下：

1）制定一个正式化、标准化的HSI应用流程，并明确该流程所包含的所有活动和步骤，然后在装备系统工程中贯彻执行。

2）实施自上而下的需求分析［10］（Top-down Requirement Analysis）。在装备设计的早期实施自上而下的需求分析，明确人员和装备在现实系统功能方面的协作和互补，合理进行人与系统的功能分配，减少人员需求，提高人员的工作效率和安全性。自上而下的需求分析是HSI设计流程的第一步，同样也是最核心的一步。

3）将HSI的要求融入到系统需求任务书中。在HSI众多要素中，人员数量及其特性是影响装备全寿命周期费用和系统性能的驱动因素，因此要将HSI的相关要求转换为装备设计的关键性能参数，进而影响整个系统的设计。

4）将HSI融入到系统测试和评估。HSI测试和评估的目标是提出具体的规划和行动，HSI的要求也被视为关键技术参数和关键操作问题进行测试和评估。

5）将HSI的要求融入到系统性能规格书中。一种是纲领性的HSI要求，另一种是具体的人与系统接口细节方面的HSI要求，系统设计要能够满足HSI需求。

6）开发人机接口［11］。定义人机接口的概念和标准，基于任务要求对人机接口进行分析、设计，同时还要注意硬件、软件的设计要符合人员的特征标准，这是人机接口评估中的一项重要内容。

7）建模与仿真。开展HSI建模与仿真，评估人员特征，改进人机接口。通过分析或试验的方法评估装备的功能分配情况，发现并解决HSI设计中所存在的问题［7］。

5 结语

通过对美军装备设计的分析可见，HSI设计方法具有以下三个方面的重要意义。

1）能够促进先进技术的嵌入，改善武器装备性能，提高工作效率。在HSI设计的人与系统分配中，采用大量先进技术，提高系统性能。

2）减少人员需求，降低全寿命周期费用［12］。人员是HSI设计的基本原则，HSI设计是“以人为中心”的设计，在人与系统之间重新分配工作量，促进任务的简化和岗位的合并，从而在先进技术的支持下提高工作效率。

3）提高人员的生活质量与系统的安全性。美军在HSI设计中，特别强调了对人员安全性和生活质量的改进，并遵循“危险任务尽量由机器来完成”的原则，充分体现了HSI设计方法对于人员安全性、宜居性和生存能力的提升。

近年来，美军从下一代装备的论证阶段就嵌入了HSI设计方法。HSI设计方法也得到了英、法、日等国家的推崇。在可预见的未来，HSI设计方法将得到更广泛的发展与应用。