0 引　言

深海载人潜水器作为一种特种作业型载人潜器，核心功能是水下精细探测与作业^[1]，拥有复杂的人机交互系统。以航行操控为例，涉及指令就包括有前进、后退、上浮、下潜、回转、悬停、姿态调整等，涵盖主推、辅推、方向舵、升降舵及均衡水等多个设备系统，使深海载人潜水器的多个自由度运动控制形成一个复杂体系，给驾驶操控带来难度。

目前在载人潜水器领域，人因工程正逐渐受到重视，石路等^[2]通过分析不同界面位置下的人员行为学质标和眼动数据，就潜航员关于全海深载人潜水器人机交互界面的使用感受展开评测，为全海深载人潜水器舱室界面设计提供了参考；梁睿思等^[3]对“蛟龙”号载人潜水器交互界面做出以用户为中心的设计探讨，强调了人因参与设计测评的重要性；张熔等^[4]针对无人潜水器的状态监控界面优化的问题，指出界面的优化设计是为了用户能更好的观察与操作，并基于Labview实现了软件界面的设计开发。目前为止，深海载人潜水器的航控软件界面可基本满足潜航员的观察需求，尚未见针对航行操控软件界面成体系的设计及评估优选方法。

深海载人潜水器的航控软件界面作为人机交互的重要对话窗口，其设计的合理程度会直接影响人员的工作效率^[5]，需充分考虑人的因素。本文以某型深海载人潜水器的特定工况任务为背景，甄选典型工况进行需求分析，针对航控界面开展基于人因的优化设计，使航控软件界面的设计更符合人的使用需求，从而提高潜航员关于驾控的工作效率、安全性以及舒适性。

1 深海载人潜水器航控软件界面的需求分析 1.1 航控类软件界面的设计诉求

1）界面层

①清晰的布局

界面布局是软件界面的设计基础，由于人的注意力是有限的，故需从用户角度出发，用最小的视觉处理代价，获得最大的信息识读效率^[6]。具体表现在界面各功能区域的划分及排布形式中，可通过分化信息的主次关系，营造界面的秩序感，降低信息的视觉复杂度。

②简明的层级

航控类软件界面的操作使用具有强时效性，为降低航行操控时用户的认知负荷，需去除冗余信息描述，简化功能信息的显示维度^[7]。

③一致的要素

能帮助提升界面的精致感^[8]，包含界面中出现的文字、数字、图标、符号、按钮、滚动条等元素，统一化处理如大小、样式、颜色、回馈方式等，形成一套界面视觉、交互的设计规范。

2）操作层

①连贯的操作

针对航控类软件界面，通过引入屏幕的触控操作，将信息的输出和指令的输入相融合，保持手眼的联动操控，能有效提高界面的使用效率和复用经验效率^[9]，让用户在界面使用的过程中感受到自然、流畅。

②直观的引导

航控类界面需要的是高效的操作和及时的反馈^[10]。应尽可能优化信息输出和指令输入形式，不给用户做过多的无用思考，通过有效的引导帮助用户更高效使用产品。如在后端预设多种航行模式，突显出各航行模式下所需关注的功能和指令。

3）需求层

①美观的效果

与潜艇类似，深海载人潜水器受密闭的舱室布局影响，潜航员只能依靠人机交互界面来完成信息读取和指令操控，为最大程度上延缓视觉疲劳，航控类软件界面基于直观、易用的基础，应尽可能做到美观，有吸引力^[11]，从而带来愉悦的操作体验。

②多样的交互通道

综合使用多种输入通道何输出通道，用最恰当的方式传递服务，满足用户需求。如在界面中融入音轨通道接口，综合听、说、读的功能，拓宽软件界面的操控维度，提升潜航员的驾控体验^[12]。

1.2 载人潜水器航控软件界面的人因需求分析

为更大程度上满足潜航员关于操控界面不同层级的心理需求，依据界面的人性化设计趋势^[13]，深海载人潜水器航控软件界面的设计优化工作，应做到：

1）以安全为前提，满足潜航员关于操控安全的使用需求。无论在何时何地执行何种任务，安全始终处于第一位^[14]，应着重考虑信息优先级的排布，最大程度的保障潜航员在使用时的注意力集中，规避误操作风险；

2）以效率为导向，满足潜航员关于界面使用效率的心理需求。需关注航控软件界面的易读性与信息可视化^[15]，追求界面的高效、便捷、易用；

3）聚焦用户的使用感受开展情感化设计，提升视觉感受使潜航员达到情感满足，从而改善并稳定潜航员在航行操控时的情绪^[16]，具体可表现在界面风格、色彩、字符及仪表效果等细节上。人因心理需求层级划分如图1所示。

1.3 典型工况下航控功能的需求分析

考虑到深海载人潜水器拥有多种任务形式，就航行操控而言，可分有水面航行、潜浮、水下航行、悬停、坐/离底5种工况。本文以实际任务情境为参考，取水面航行——下潜——水下正常航行——上浮——水面航行这一套工况作为典型，排除航控以外的干扰因素，分析并梳理功能需求。典型工况下各航行状态的功能需求整理情况详见表1。

结合航控界面的使用，将功能需求进一步拆分为显示输出和触控输入两部分。

1.3.1 显示输出要素梳理

在不同航行状态下，需要显示的功能内容存在区别，要素梳理详见表2。

1.3.2 操控输入需求梳理

枚举出各航行状态下需要操控的对象指令，整理如图2所示。

2 深海载人潜水器航控软件界面的设计实施

基于某型号深海载人潜水器航控台的布局规划，如图3所示。航控界面主要涉及航控台主驾前2块1920×1080(16:9)屏与屏下操控面板。本文引入触控操控技术，围绕主控区的2块触控屏展开软件界面的设计研究。

2.1 交互链流程框架

典型工况下的各情境接触点由潜航员操作、航控界面显示、系统后台执行3块内容组成，依据前文梳理的需求要素，结合任务流程，搭建出完整的交互链框架。以低保真形式还原典型工况下2块航控软件界面的使用情境，考虑界面点触、方向滑动和长按等多种交互形式，交互流程。

2.2 低保真界面布局

依据用户视觉重心从左至右和从上往下递减的特性^[17]，对2块触控屏进行界面的信息要素布置，结合前文需求重要性分析及交互链流程框架，将所示信息限制在人的视觉通道容量所允许的范围内，保障潜航员对视野范围内目标认读的迅速与准确。

驾驶位左下屏离主驾驶位最近，定义为航控主界面，除了涵盖如姿态、航向、深度、航行轨迹等基本信息外，也负责自动模式下数据信息的输入输出。

驾驶位中下屏为航行操控次界面，因距离主驾驶位较远，以数据单项显示输出为主，如监控摄像画面、潜浮画面等，兼顾舵角、推进器转速值等的参数输入调整。

2.3 触控输入方式定义

方案触屏输入方式分为点触、长按触控和滑行触控，其中滑行触控需配合点触确认。

2.4 视觉风格定义

考虑潜航员关于航控软件界面各功能间的交互关系及使用频率，对涉及要素内容展开视觉化设计。

1）色彩

根据色调的光谱波长可知，深冷色调的波长最短，散射快且不易传播，不抢视线^[18]，适合作为界面的底色背景。此外，不同状态或类别的界面信息可通过颜色加以区分，如“当前状态模式”、“重要显示参数”、“读取类数值”等。

2）区块

以边界、分隔等形式，将界面内容按照功能的重要性、信息输入的精细程度进行分区排布，保证用户读取和操作的精准度。

3）文字

文字和数字是信息显示的主体，字体形状需保证简明易认^[19]。对汉字而言，需要注意棱角分明。方案界面中文字高宽比取3∶2，数字高宽比取5∶3，字体高度取值不小于观察距离的1/200。

4）符号

合理使用图标可帮助用户提高视觉搜寻的效率。图形化的符号结合文字表述，有助于信息的识取，缩短用户对文本逐字处理的线性过程。

刻盘与指针形状力求简单、指示明确、不加装饰。指针与刻度盘间尽量贴合以提高显示精度，从而保障读取的准确性。

3 深海载人潜水器航控软件界面的评估迭代

界面设计是一个逐步逼近最优设计的重复性过程，需经过设计、评估测试、迭代3个相互重叠的环节，可往复循环^[20]。本文针对典型工况下航控界面，基于Qt开发出的高保真交互界面应用框架，展开可用性评估，收集交互界面的可用性数据进行评定和改进。文中采用启发式评估方法，围绕交互界面在典型工况下的使用效率问题，筛查缺点漏洞，为界面的迭代设计提供参考支持。

通过邀请软件工程师、系统设计师等相关专家了解交互界面，并根据人机界面的相关设计原则，对用户关于指定任务工况下交互界面的使用情况展开评估，实施步骤如图4所示。

针对典型工况下航操界面的可用性进行评估，建立包含安全、效用、效率、满意度4个1级，及各个1级指标下的11个主观性分指标，形成启发式评估的评价体系，如图5所示。受测人员的背景限定为潜器设备操控员、软件工程师、系统设计师等关联性专家，评估统计时间为期1周。

结合评价体系，按安全——效用——效率——满意度由高到低的重要性层级，分配0.4，0.3，0.2，0.1的权重分值，导入公式：

$ P = \sum\limits_{n = 1}^k {p \cdot q}。$

(1)

式中：P为总分；k为评分项目数；p为单项得分；q为单项权重系数。

通过调研结果，总结方案迭代的改进方向逐项改进，产出高保真迭代界面。如有需要，可结合评估进行多次迭代更新。

4 结　语

以某型深海载人潜水器典型工况下的航控界面为载体，基于人因探讨了包含功能分析、流程梳理、构架与风格定义、Qt实现、评估迭代的系统设计方法。在设计的过程中充分考虑了色彩、区块、字体、符号、刻盘、指针等交互界面要素的设计，通过低、高保真的逐步深入，阐述了功能操控的框架逻辑。结合可用性验证方法，展开关于界面设计的主观评价验证，实现了基于人因评估优选的产品界面迭代，提高了人机界面的交互能力。

由于该型深海载人潜水器的航行驾控区域尚处于方案设计阶段，其总体设计并未完全确定，文中缺少对软、硬件功能的综合分析以及交互界面联动操控的体验论证，其可用性评估方法与优化迭代结果只服务于软件界面的交互逻辑和显示效果层面，存在一定的局限性。随着方案的逐步完善，本文研究成果作为该型深海载人潜水器全工况覆盖下系统界面的设计支撑，对后期航行驾控区域实物样机的浸入式人机评估验证有着参考意义。