基于人因工程的声呐探测显控软件设计方法

王 蕾，孙晨辉

（杭州应用声学研究所，浙江 杭州 310023）

0 引言

声呐系统是海军装备水下目标警戒探测的核心装备。声呐探测显控软件承担着声呐系统设备控制、综合信息可视化、状态监控及人机交互等功能，在声呐系统中具有举足轻重的地位。由于声呐系统涉及的设备关系复杂、信息高度密集，且受环境不确定性影响，其探测模式与特性变化复杂，这对长时间航行作业任务中的交互操作流程、信息配置呈现以及实时判断决策提出了更高要求。

本文以声呐探测显控软件为对象进行人因工程研究，通过对用户的认知特性和作业任务需求进行分析，开展声呐探测显控软件人因工程设计方法研究，使声呐探测显控软件的设计更加符合人的生理心理特点，从而最大限度地发挥系统的总体性能。

1 人因工程在声呐探测中的应用

1.1 人因工程概述

人因工程主要研究特定任务背景下人、机、环境三者之间的相互关系，从而提高系统的绩效、增进系统的安全、提高人员的满意度。人因工程贯穿于整个产品设计生命周期，涉及领域包括人类工效学、工程心理学及认知工程学等[1]。

美国对研究舰船人因工程的研究走在世界前列，多项技术研究成果已在新一代DDG 1000“朱姆沃尔特”级驱逐舰、CVN 78“福特”级航母、“宙斯盾”基线9 等系统得到应用。DDG1000 通过开展人-系统整合的人因工程研究[2]，包括人员优化配置、以用户为中心的人机交互设计，提高了系统的集成化、自动化，提升了系统作战效能。

我国海军装备领域人因工程研究[3]处于起步阶段。近年来，在舰船系统设计[4]、舰艇指控系统[5]、舰载态势生成系统[6]、显控台设计[7]等方面有一些人因工程研究。这些研究将人因工程与海军装备系统相结合，对系统任务功能、人机交互设计等进行了分析，从而使人-机、人-人、人-环境间的关系得到最大效能的发挥。

1.2 用户需求和特征分析

以用户为中心进行设计，是人因工程的重要原则。系统设计应以满足用户需求为目标，而不是让用户来适应系统。用户在使用中不仅需要监视系统反馈，也要对各种呈现信息进行分析判断，这直接影响着系统的效率。声呐探测显控软件面向的是声呐操作员，他们需要在作战任务中，通过显控软件进行设备控制和水下目标侦察。声呐操作员不像专家拥有广泛的专业知识。因而，针对声呐操作员的软件设计更倾向于软件的易学性、易记性、易用性。

在长时间的海上任务中，舰船噪声、振动、海况、舱室密闭性等环境因素，会对声呐员的视觉、听觉、体力、情绪等造成一定的影响，从而影响其注意力、记忆力、分析力，进而可能造成其系统认知和决策错误。所以在软件设计中要充分考虑声呐员的体力负荷、脑力负荷及心理负荷。声呐显控软件设计应画面简洁、交互便捷、层次清晰、突出重点，避免复杂信息，具备一致性和标准性，以减少记忆负荷。若信息量过多，声呐员在疲劳状态下会出现判断困难，认知负担过重，进而导致漏情和错情[8]。对于人为操作可能引起的失误，应进行错误预防和识别纠正，提供应对保护措施，以提升操作的灵活性和效率，提高人机系统可靠性。

1.3 任务分析

声呐探测显控软件用于海上警戒任务时，对主、被动声呐设备进行控制，对信息处理进行参数调整，并对其结果进行呈现。声呐员通过主被动探测可视化界面进行人机交互、多信息分析、提取关注目标，并对水下目标跟踪、确认，进行决策判情。其任务分析如图1 所示。

图1 声呐探测显控软件任务分析图

2 声呐显控软件人因工程设计

2.1 信息要素组织分层

声呐主被动探测涉及信息种类多、体量大、密度高，长时高压工作环境易对声呐员的注意力、记忆力、认知力产生影响。为使声呐员在复杂多变的作战场景中准确获取重要信息，实时辨别水下目标，需要对声呐探测信息要素进行分层、分类、分级，如图2 所示。

图2 信息要素分层

2.2 交互操作

声呐探测显控软件在设计之初应充分考虑作战人员的使用习惯，操作流程复杂、步骤多、响应长，都会对作业任务的执行效率造成影响。从人机对话方式、用户控制自由度、系统状态可见性及用户帮助系统等方面均可以提高人机交互效率，提高声呐员对任务状态的感知。

主被动处理参数专业性强、种类多，因此在多界面多任务中应采用格式化、用户熟知的标准词汇对信息进行描述，且相似交互过程状态变化应保持一致，从而使界面更加直观，声呐员可高效快捷做出判断，反之则会使声呐员认知负荷和记忆负荷加重。

对于参数和流程设置等交互中易发生的时序错误、数值错误应极力避免，以免导致系统错误。交互操作中应全面考虑可能出现的输入组合，对操作错误和响应超时进行提示，帮助声呐员纠正错误输入。对于发射阵开始发射等涉及人员和设备安全的设置命令，应要求声呐员再次确认，以免造成严重后果，导致任务中断。

交互过程中，应充分利用人的视觉、听觉给予信息反馈，反馈与控制过程应接近同步。对系统状态控制的反馈越多，越有利于声呐员进行下一步决策。

对系统信息进行智能推送，可以有效地帮助声呐员在作业任务流程、作战环境感知、异常状态处理等方面加深认知、聚焦重点，从而科学决策。可以在人机交互中采用浮动窗口为声呐员提供目标跟踪操作提示、威胁目标关注提醒、跟踪目标丢失提醒以及本船转向提示等，在光标悬停处对图形或参数进行释义。

2.3 信息可视化

人机界面的信息可视化是对文字、色彩、图形等动态和静态元素的直观表现，在设计时应充分考虑颜色搭配规律、信息组织规律以及视觉搜索规律，以避免声呐员对信息的理解、过滤、识别、关联及决策产生失误。

在作业任务中，声呐员会精神高度集中地长时间聚焦于屏幕，因而色彩搭配应使各信息模块醒目，利于区分识别，减少饱和度高的色彩以免造成视觉疲劳。界面主色调可选择刺激性弱、不易分散注意力的中性色，如灰色、灰蓝色，以突出其他彩色性的重点信息，避免对其他呈现造成视觉干扰。在历程图的显示中，灰度图的映射具有更强的对比敏感度，有利于弱信号的检测。杂乱的色彩搭配会分散声呐员的注意力，干扰对有用信息的获取。

信息的分类、布局、密度都会影响人的视觉认知，视野中离散的刺激经由人的信息存储和提取，从而产生了信息加工，科学有效的信息组织可降低声呐员的思维和记忆负担。声呐探测显控软件的主要呈现信息可以分为人机交互区、信息处理结果显示区。人机交互区应对各类控制参数进行精简，并设置默认值；信息处理结果显示区可对主动和被动信息处理结果进行上下对齐显示，方便声呐员对主被动跟踪目标的比较和关联。而历程图是谱图通过迹迹相关效应累计呈现的，应显示于对应谱图下方。

在人的视觉搜索过程中，不同显示区域的凝视时间与次数、扫视时间与次数都会对人的认知产生影响，混乱的显示和搜索环境会使声呐员无法直接、快速地进行目标搜索和判情。人在视觉搜索时视线的变化习惯于从左至右、从上至下，且人在观察显示屏幕时，对左上角区域的注意力最多，由于声呐员需要长时聚焦主动调频扫描画面寻找目标，可以将主动调频扫描布局在左上位置，主动目标布局于调频扫描画面的右侧，而被动探测画面可置于主动探测画面下方，这样可以充分利用人的视觉分布规律。

3 结语

声呐探测显控软件以用户为中心，结合任务的设计方法，将人因工程应用于人机交互和信息可视化过程。结合声呐员的特征和需求，信息的输入、输出、控制、反馈、布局及显示等设计原则充分考虑了人、系统、环境的相互关系，使其作为一个整体相互配合，可以有效提升声呐员的操作效率和分析决策能力，从而降低漏情和错情概率，提升系统作战效能。