电子信息装备人机工效试验评价

房灿新,杨望灿

(解放军91404部队,河北 秦皇岛 066001)

0 引 言

人机工效也称人因工程,以人、机、使用环境等为研究对象,将人的生理学、解剖学、生物力学、心理学等跨学科知识应用于武器装备的设计,使人的行为及精神特征与各种作战使用要求相适应,以提高武器装备整体的作战效能与作战适用性,并最大程度满足部队指战员的身心健康以及作战、训练的舒适度[1-2]。开展人机工效试验、进行人机工效评价,是武器装备定型试验的最新要求。人机工效评估报告,成为武器装备定型系列文件不可或缺的组成部分。在高强度(大纵深、长战时、高威胁、快节奏、进程紧迫、电磁环境复杂等)实战对抗条件下,电子信息装备能否满足不同场景中人机工程方面的作战适用要求,是电子信息系统定型试验中必须要客观评价的问题[3-4]。

1 电子信息装备人机工效试验需求

电子信息装备区别于飞行驾驶、机械动力以及火力操控等其它较为复杂的武器装备,其人机工效评价方面有着独特的技术要求。电子信息装备的主要任务更多集中在电子信息的获取、处理、分发及综合利用等方面(包括更顺畅地与人的感知、认知与意识相交合)。例如,舰载电子对抗系统旨在监视海空环境电磁态势,测量、分选通信、光电及雷达参数后进行必要的辐射源个体识别(SEI)、威胁判断及告警,然后在舰艇作战指挥系统或自主控制条件下,运用舷外、舷内的无源/有源电子对抗设备,遂行舰艇自防御或远程防空与信息作战。电子信息装备人机工效的信息特征更为明显,机械特征相对弱化。在电子信息技术迅猛发展的今天,如何在信息化、智能化装备之中赋予武器装备更多的人性化品质,是电子信息装备人机工效的新挑战。

依据作战试验相关法规要求,“人”是指具有正常装备操控能力、经训练达标考核后的指战员。作战试验需要“人”操作装备,但是一般不把“人”单独作为试验的考核对象,而是将人的生理、心理真实测量数据作为装备人机工效的客观证据和评价信息来源。“机”是指人所操作控制的电子信息装备,包括装备组成、功能性能、硬件状态、软件版本以及通用技术要求等等。“环”是指人、机共配共用的特定工作场所和使用条件,例如温湿度、照明、噪音、气象水文、地貌特征等环境因素。电子信息装备人机工效关系如图1所示。

图1 电子信息装备人机工效关系

电子信息装备的研制应当满足人的基本需求和装备的作战使用要求,具体就是指相关法规、国军标所规定的人机工效要求,研制总要求、试验总案所明确规定的人机工效要求,以及一些隐含的作战使用要求;以达到“人剑合一”的目的,使武器装备系统的工效和人的安全、健康与舒适相互协调、顺畅。

2 电子信息装备人机工效试验内容

电子信息装备人机工效试验可视为作战试验中的一个独立分支,而电子信息装备作战试验是在近似实战环境条件下,对装备作战效能和作战适用性等进行考核与评估,检验装备完成规定作战任务的适用条件和满足度(含有人的满足程度)[5-6]。

当前,人机工效试验在武器装备性能鉴定、列装定型等相关工作中还处于起步探索阶段。因此,人机工效试验项目、考核指标的选取,应本着考核评估电子信息装备使用者在作战、训练过程之中提高电子信息装备应用效能和增进作战、训练效率(包括便捷性、友好型、容错性),在符合人体解剖学、生理学和心理学等综合特性的前提下,评估电子信息装备实现“人”的价值以获得良好用装体验的综合人机工效水准,达到增进电子信息装备积极因素(安全性、舒适性、工作满意度等),降低其消极因素(焦虑烦躁、疲劳厌倦、事故隐患等)的试验目的。试验项目及评估指标宜全面准确、简明规范、实用可行,而不必过多追求人机工效试验设计及评估技术的复杂度。

针对电子信息装备的技术特点,人机工效试验一般可主要进行以下6类试验项目:

(1) 人装结合综合评估类。从总体层次上考核评估电子信息装备是否满足作战使用要求,信息的获取(人工与自动分类、拥塞控制、容错设计)、显示(显示内容、方式、主备关系、消隐关系)、处理及综合运用(显控组合、界面配置、操作逻辑、控制关系)的人机功能是否健全齐备,是否符合装备操控的安全性、舒适性基本规范,是否符合研制总要求在人机工效方面的所有功能要求和性能规格。

(2) 人-环交互评估类。考核评估电子信息装备是否满足高寒、丘陵等地域使用特点,水文气象及特殊海情使用要求,车、舱室内颜色和照度要求,车、舱噪声范围,主观感知噪声要求,电磁辐射测量阈值是否满足相关技术规范要求等。

(3) 人-机(硬件)关系评估类。考核评估电子信息装备的硬件人机交互在状态指示清晰性、视觉信号可达性、信息可辨识性和操作便捷性(触摸屏触感)以及防止意外操纵的安全性等。

(4) 人-机(软件)关系评估类。这是人机电子信息装备类的重点考核评估内容,主要检验人机界面中的屏幕布局、系统信息、显示要素、交互能力、引导帮助、系统能力等,达到人适应软件、软件适应人的目的。

(5) 人-人关系评估类。评价战位设置是否合理、战位之间工作关系是否协调,在体系作战、编队作战、单元作战中,各类层级的指挥关系是否顺畅,指挥端与操作端、操作端的各操作员之间作业是否免于竞争性冲突。

(6) 任务工效评估类。根据电子信息装备任务剖面,对完成通信、导航、侦察、探测、干扰、指挥控制和战术决策等各类作战任务工效进行统计类分析,评估任务完成的时间、总量、质效。

3 电子信息装备人机工效评估方法

国内外对武器装备作战效能、作战适用性的评估方法研究比较深入规范,评估效果各有优缺短长[5-6],但是对人机工效的研究还处于起步发展阶段。人机工效涉及到人的生理、环境科学、机电设计等系统工程学科,体现了多学科交叉融合的特点。人机工效的评估方法主要有观察测量、理论分析、系统仿真、综合实验等,电子信息装备人机工效的评估方法主要集中在生理指标测量、专家意见(Delphi法)、灰色系统及层次分析等综合评估方法。

3.1 人机工效指标体系

舰载电子信息装备的人机工效指标体系的选取需要从多视角、多层次角度进行选取,在构建过程中宜遵循系统性、针对性、独立简明性以及可扩展性原则。根据舰载电子信息装备的主要技术特点和运用规范,可将评估指标分为6类一级指标。这6类一级指标分别与上一章中的试验项目相对应,即人装结合综合评估类、人-环交互评估类、人-机(硬件)关系评估类、人-机(软件)关系评估类、人-人关系评估类和任务工效评估类。

限于文章篇幅,本文仅重点讨论人-机(软件)关系评估[7],对某型舰载电子信息系统的人机工效评估方法进行分析。人-机(软件)关系的评估指标体系如图2所示。在人-机(软件)关系的一级指标下,分解设置了屏幕布局、系统信息、显示要素、交互能力、引导帮助、系统能力这6个二级指标。以交互能力二级指标而论,又下设了界面认知一致性、交互界面简洁性、交互界面灵活性、交互信息共享性、数据信息规范性、图表结构合理性、交互视野等同性、提示告警激活度、人机界面亲和力这9个二级指标。

图2 电子信息装备-人-机(软件)关系评估指标

这类指标的选取,有些来自于试验鉴定的思考和体会。如某型电子信息装备,作战系统已经将大气气压以压强(kPa)为量纲通过网络协议方式传输过来,而该软件界面并没有直接提示,却要求人从另外一个窗口粘贴过来,但量纲却又指代不明,间接导致了某海域定型试验航次的失效。某型电子信息装备,软件设计者主观认定数据链与民用局域网一样基本是无误码率传输的,从而导致窗口迭代、人机操控效率相对低下。人机工效评估指标体系的选取,还需要从作战、训练实践中不断去优化调整。

3.2 基于灰色系统的人-机(软件)关系的评估

电子信息装备人机工效,在复杂作战场景中具有较大的不确定性。随着信息化、智能化技术的发展,人-机(软件)关系在电子信息装备中越来越处于主导地位。人-机(软件)关系评估会存在信息不充分、不全面的情况,比较适合采用灰色理论方法进行综合评估。

人-机(软件)关系评估指标中,客观测量的数据项较少,以人的主观评价居多。灰色理论以贫信息、小样本的不确定系统为分析对象,逐步来增加对客观世界掌握的“透明度”。其主要通过对被试对象的外部特征、内部机理的研究分析,对现有已知模糊、交叉、非线性的信息进行处理、挖掘,实现对被试对象功能特征、性能范围、运行效能等内涵规律的鉴定分析和综合评价。灰色白化权函数聚类法,比较适用于对多指标、多因素的复杂系统进行评估[8-9]。

这里以人-机(软件)关系中的交互能力二级指标为案例进行分析。对于图2中所列出的9个三级指标,采用发放调查问卷专家打分的方法获取三级指标的量化分值,如表1所示。根据专家打分量化值,采用灰色聚类理论对人-机(软件)关系中的交互能力进行评估。根据评估指标特性,将评估指标的灰类数设定为4类,分别为优、良、中、差,征求装备论证方意见,分析人-机(软件)关系中交互能力的特点,确定优、良、中、差4个灰类阈值的取值范围,建立如表2所示的灰类白化权函数。

表1 人-机(软件)关系交互能力调查问卷打分数据

表2 灰类的白化权函数

对于界面认知一致性,将每位专家评分代入上述灰类白化权函数,计算每位专家的评分值分别属于优、良、中、差4个灰类的隶属度,然后计算灰色聚类评估向量。经计算得到界面认知一致性的灰色评估向量R=[0.388 9,0.444 4,0.166 7,0]。根据灰色理论模型,界面认知一致性的专家评估量化值为P=R·FT,其中F=[0.9,0.7,0.5,0.3],则界面认知一致性的量化值P=0.744 4。同理可以计算出交互界面简洁性的量化值为0.711 1,交互界面灵活性的量化值为0.788 9,交互信息共享性的量化值为0.744 4,数据信息规范性的量化值为0.777 8,图表结构合理性的量化值为0.788 9,高交互视野等同性的量化值为0.711 1,提示告警激活度的量化值为0.688 9,人机界面亲和力的量化值为0.722 2。人-机(软件)关系交互能力由界面认知一致性、交互界面简洁性、交互界面灵活性、交互信息共享性、数据信息规范性、图表结构合理性、交互视野等同性、提示告警激活度、人机界面亲和力这9个二级指标进行评估,因此可以得到人-机(软件)关系交互能力的量化值为0.742 0,评价结果为良。

3.3 人机工效综合评估

人机工效评估有助于在未来战争中,及时暴露和发现武器装备在复杂作战体系中对抗运用时,人、机、环相互适应中所存在的各种问题,避免因人机工效设计缺陷而影响作战效能发挥,力求杜绝装备操作使用方面所引发的各类事故。武器装备人机工效的评估方法主要有层次分析法、模糊综合评判法、观察法、测量法、指数法、系统仿真法、专家意见法等。评价方法需要根据测量装备保障能力、试验周期以及被试装备的技术特点等情况酌情选取。

电子信息装备人机工效的评估方法主要基于生理指标测量、专家意见(Delphi法)、灰色系统及层次分析的综合评估方法进行。生理指标测量作为一种客观评价方法,主要适用于电子信息装备的物理环境(振动、噪音)、电磁环境、操纵舒适度、软件界面的友好性等方面的辅助评价,常用的仪器主要有眼动仪(注意力相关)、脑电仪、动作捕捉系统等。

任务工效评估类是非常重要的一级指标,在试验设计时,可以聚焦电子信息装备运用以及技战术方法,拟定好作战对抗的强度(强、较强、一般、弱)以及电磁环境的复杂程度[10]。根据电子信息装备任务剖面,进行全系统、全流程的模拟对抗,在此前提下,对完成各类作战任务工效进行统计分析,评估任务完成的时间、总量和质效。

通过上述评估方法的组合应用,可以得出图2所示的6个一级指标,再广泛征求设计方、论证方以及接装部队的意见来确立其评估权重,最后再运用层次分析方法即可获得对电子信息装备的综合评价。

4 结束语

电子信息装备人机工效评价是一项复杂的系统工程,涉及到作战试验理论、作战效能与作战适用性评估方法,涉及到人的生理心理、环境科学、电子信息技术等方方面面,以及主观分析、客观测量等不同的技术途径,试验项目设置、作战场景构建、测量处理设备选取、试验数据分析、仿真VV&A、评估指标体系、项目分析等多个试验的组织实施和总结环节。本文在分析电子信息装备作战试验需求的基础上,结合作战试验、演习和训练实践,初步提出了电子信息装备人机工效的评价方法。限于试验手段和评价方法上的局限性,人机工效仍然需要在试验理论和实践总结中不断修正与发展完善。