0 引　言

作为无人艇总体系统组成中的重要部分，显控台是一种具有数据处理、网络通信、信息显示、人机交互功能的无人装备平台^[1]，对于无人艇的自主控制、任务以及航行安全等起着至关重要的作用。

显控台主要以主体（结构）、显示屏、核心处理单元、输入/输出单元、软件等组成^[2]，显控台的发展基本上经历了专用显控台、通用( 标准) 显控台、多功能显控台等阶段^[3]。显控台的技术体制已经由专用化、单一化逐步发展到通用化、模块化。现阶段无人装备显控台均采用分布式系统的多功能显控台^[4]，如法国ECA group 为韩国潜艇配备的Jangbogo系列显控台，法国SCIOTEQ公司的Vista系列舰艇显控台。

无人艇作为一种智能自主无人装备，其自主能力等级大多处于L2～L4级之间，即无人艇需要人员介入下执行各类任务。目前无人艇的驾控设备多以临时构建的PC操作环境和集成无人机操作逻辑的显控台为主，其设计包含硬件部分以及软件交互部分，其中硬件部分的设计主要指标为人机工程学需求的满足^[5]，操作人员的生理和心理需求成为设计的主要参考内容。随着无人艇自主控制技术水平的提高，现有的驾控设备也暴露出了与无人艇自主功能需求不匹配、人机交互单一、交互信息过多、操作体验差、决策效率低等诸多问题，依据功能需求进行设计成为重要理念^[6]。因此，通过针对无人艇自主功能需求分析，合理分配无人艇显控台交互信息的内容与人机设计布局，提出无人艇显控台软硬件的优化设计方案，为水面无人装备驾控设备的设计开发提供借鉴价值。

1 无人艇自主功能需求分析

水面无人艇（Unmanned Surface Vehicle，USV）是一种具备自主导航、自主避障和自主探测目标区域环境感知等功能的特殊水面无人平台。水面无人艇的自主能力水平是无人艇具备独立执行任务能力的基础，而自主性等级是对自主性强弱的一种量化标准。目前无人系统的自主性等级以美国无人系统自主性等级（Autonomy Levels for Unmanned System，ALFUS）工作组制定的规范为基准，发展较为成熟的无人飞行器、无人车领域已划分出了较为细致的自主能力等级标准，水面无人艇以无人飞行器自主性的等级为参考^[7]，制定了L0～L5的6个自主性等级，即人员控制、人员辅助、人员委派、人员监督、混合启动、完全自主。了解无人系统自主能力等级衡量的策略，对研制无人艇相关的智能设备的功能需求进行衡量，进而得到该设备的设计评价标准，这对于无人艇驾控设备的设计研究有指导作用。对于无人艇自主性等级的主要特征和描述，其自主性等级是对无人艇系统自主能力强弱的一种量化，而这种量化与系统所需的交互信息量成反比^[8]，如图1所示。

可看出，无人艇系统体现的交互信息量越大，对人为操作的依赖性就越强，自主能力也就越低；反之体现的交互信息越少，对于外部协助的依赖越弱，就表示其自主性等级越高。这种自主性等级量化比例体现于显控设备软硬件的交互设计中，如人机交互界面布局、功能模块等。

通过对无人艇系统自主等级的划分和交互信息量化比例，可对设计开发相关的显控设备交互系统设计提供设计方法和依据，无人艇的显控台需同时满足6个方面的功能需求，如图2所示。

2 无人艇显控台的技术特征和人机设计要求

根据无人艇显控设备的功能需求逆推其技术特征与设计要求，技术特征中包含显示信息的可读性、交互控制人性化以及控制布局符合人机工程，因此在设计上须从视觉满足、操作满足与布局合理性满足3个层面予以分析。

2.1 无人艇显控台技术特征

结合现阶段无线移动通信，物联网以及混合现实和软硬件技术的发展趋势，以及国内外无人装备显控设备的发展现状，无人艇的显控台技术特征有以下3个方面：

1）交互信息显示特征。高保真高分辨率触摸液晶屏显模块，具备多种显示方式模块化变更，可实现固定显示与移动显示的有机结合。

2）控制特征。可支持基于表面光波技术的多点触控交互控制；保留指令控制模块的物理操作功能，防止误操作；可支持多种设备间无线通信和数据传输；支持基于光学和惯性感测体感技术的手势识别指令控制；满足多种姿势操作要求。

3）布局特征。融入以人为中心的人机工程设计和人性化设计理念；模拟船艇操作环境，以应对真实海况下无人艇的远程控制；模块化与通用化硬件组件和接口动态配置；显控设备的灵活运输与便捷维护性。

2.2 人机设计要求

无人艇显控台人机工程设计的中心是显控台的整体设施在外观、尺寸、人机界面、舒适度等方面与人为中心匹配，以人为中心的人机设计保证使用者在显控台控制无人艇执行任务时工作效率最大、最优，减少人为操作失误，并且保证舒适性^[9]，主要要求如下：

1）可达域要求。保证所有操作区域，外设设备均在使用人员的可达最大范围内。

2）可视性要求。使用人员视野内无遮挡，显示设备及主要操作组件均在人眼最佳可视范围内。

3）规范性要求。下达收发指令时，操作动作有关联性和先后顺序性，如下达无人艇离岗指令前需进行启机—通信检查—航行状态检查等，因此这些按键应该按照使用顺序的原则布局^[9]。

4）净空要求。满足使用者舒适性的净空要求，躯干，四肢，以及活动区域净空等。

5）维修性要求。显控台各设备、设施具有良好的维修性。

6）适用性要求。将常用操作组件布局于可达域最舒适范围内，同类型功能组件布局于统一区域。

3 显控台交互系统的总体设计 3.1 设计目标

作为无人艇总体系统的重要组成部分，显控台交互系统的总体设计关系到向使用人员准确清晰地传达无人艇的状态，以便控制人员能够快速判断并下达指令，是无人艇控制体系中的“视窗”和“指挥部”。现阶段处于无人艇行业技术快速发展期，显控设备的软硬件人机布局、交互技术特征尚未形成行业标准，无人艇显控设备多与发展较为成熟的无人机显控设备共用，但始终无法满足无人艇海上执行任务的特殊性需求。为此提出下几点设计目标：

首先，须关注人因要素设计，充分考虑操作人员在显控台设计中的作用和重要性，满足人机设计要求，显控台的交互系统组件和元素要合理布局。

其次，为满足设计的通用性，选择模块化设计。显控台的硬件组件及接口满足模块化通用性要求，软件系统界面UI设计也是如此。

在满足无人艇的功能需求方面根据无人艇显控台的技术特征，针对无人艇执行任务的功能需求，配备相应的专用控制组件（如加装船艇侧推控制杆、声呐数据采集仪等）以满足其海上作业需求。

使得显控台各模块部件具有良好的可视、可达性以及容身空间和操作空间，软件界面交互逻辑清晰，简洁。

3.2 人机交互设计原则

在进行无人艇显控台的设计时，为保障使用人员在舒适、安全可靠的状态下工作，提升人机协同效率，要充分考利到使用人员在显控台设计中的重要性，人机交互设计原则如下：

1）视界/操作可达域。根据使用者的生理及心理因素，观察区域和操作按键区域按照人体尺度范围准则进行科学布局，将主要观察的主辅显示区域和操作频率高的键盘摇杆布置于手眼协调区域内，指令开关面板布置于视觉舒适区内，使用频次不高的按键布置于人体最大作业范围内^[10]。

2）功能原则。即将有相似或相近功能的按键置于同一纬度区域，方便作业（如通信载荷指令按钮、感知载荷等 ），又如航行控制的手柄和按钮，这些同类型的按键应放置在显控台同一纬度区域。

3）操作顺序。在实际的下发任务和航行中，各个指令和操作之间具有一定关联性，应根据使用顺序原则符合人的操作习惯，控制器件如果沿垂直排列时应自上而下排布；水平排列时，应从左至右布置控制器件。

4）尺度适应性。控制台控制器件之间应保持合理间距；显控台整体操作尺度可满足单人操作使用，整体尺寸满足《GJB 2476-95舰艇多功能标准显控台通用规范》、《GJB5194-2003军用运输机装载准则》中的GB/T 16471运输包装尺寸界限，可布置于岸基指挥中心、A～D型国际标准集装箱、9～12座轻型客车、各类中大型运输车、舰艇指挥舱以及运输机机舱等多种场景。

5）可靠性设计。显控台显示区域两侧布置防滑把手，以防止显控台布置于移动平台时，产生颠簸而导致人员受伤；显示区域背部、显控台底部分别布置墙壁固定孔位及液压减震器，防止因运输造成的设备损坏^[10]。显控台在背部设置散热口，直接连通操作空间内的通风孔，保障设备正常运行。

3.3 硬件模块设计

外观造型阶段首先完成创意思维及元素构成设计，确立主要设计特征元素后，整体设计以人体工学设计方法为指导，以设计目标围绕开展相应的造型设计，整体外观从视觉、手部操作、腿部防止等方面考量人机工程学因素，显控台的净空也进行了优化布局，台面采用内凹型设计，布局精简。图3为显控台外观结构，相关成果专利号为CN202122106338.3；CN202030276068.9。

硬件模块器件组成如表1所示。

显控台的硬件模块布局充分考虑人因设计的重要性，对于人机界面的各个控制器件要依据人因要素进行合理排布，如图4所示。

1）关键性操作布置。显控台的观察区和操作按键区域将使用频率高的关键性指令开关面板操的键盘摇杆布置于手眼最佳协调区域内，显示屏单元布置于视觉舒适区内，使用频次不高的按键布置于人体最大作业范围内。

2）功能分区。相似功能的按钮分区布置，方便快捷操作，如通信按钮面板、动力系统、载荷设备、船艇模拟控制杆，这些同类型的器件应组合分区布置。

3）操作顺序。在开展无人艇控制任务时，指令和操作之间具有一定关联性，应根据使用顺序原则符合人的操作习惯，控制器件如果沿垂直排列时应自上而下排布；水平排列时，应从左至右布置控制器件。

4）尺度适应性。显控台控制器件之间应保持合理间距，减少物理按键误触发生引发故障；显控台的空间尺度应考虑人体坐姿操作空间：台面高度，视觉空间、容膝空间，维修空间等。

3.4 软件模块设计

软件功能模块组成与逻辑结构，如表2与图5所示。

作为控制人员与显控台的交互平台，无人艇显控台的人机交互界面体验是否良好对于控制人员迅速掌握操作要领、直观观察航行状态和数据并进行指令参数调整起很大作用。航行状态信息作为主要显示界面，布置于主显示屏中；艇端图传画面布置于左下方16∶9的显示屏中，可实时观察周围海域环境；各类载荷、感知设备信息状态显示与操作界面布置于右下方显示屏中，便于操作实时观察感知信息数据，控制任务载荷设备进行作业。

其中，航行状态信息界面顶端的功能菜单主要设置各功能区域入口如：主页、航行设计、地图系统、设备管理、报警信息、数据库、时间、语言及登录等功能；下方海图作为主要显示区域，占界面主体2/3，其中包含实时海图、无人艇位置信息、经纬度以及导航组件；船艇状态信息作为重要显示区域，遵循人眼视觉特性习惯，视线变化从左到右，从上到下的原则，布局界面左上方，方便控制员第一时间观察无人艇状态。其中，包含无人艇姿态、航速航向仪表盘、控制模式以及动力系统状态等信息；航线信息列表主要显示当前航线任务的航行状态，控制人员可在此区域进行快捷航线管理，也可根据需求更换该区域的功能模块，如图6所示。

4 人机功效测试与评估

为保证设计的人机合理性，设计完成后须进行人机功效测试并评估，选用人机工程学分析软件Jack进行人机合理性分析，其分析流程如图7所示。

为保证人机工程学分析更加全面，对显控台的人机工程学分析分为常规状态下和最大范围操作下2个层面。通过Solidworks建立实际尺寸的显控台模型，将其导入JACK中，为满足绝大多数工作人员舒适操作，选用95百分位中国成年男性人体尺寸作为数字人进行虚拟仿真分析。

根据需要，人机工程学仿真分析从舒适度分析、快速上肢分析、工作姿势分析^[11]以及视觉可达域4个层面进行。

舒适度分析（Comfort Assessment）用于评价工作人员某个姿势下关节及整体姿势的舒适度。

快速上肢分析（Rapid Upper Limb Assessment，RULA）工具能够分析工作人员在上肢动作中的危险。该工具基于人体的姿势、肌肉的使用、负荷的重量、任务的持续时间和频率变量来评价上肢动作的危险性。

工作姿势分析（Ovako Working Posture Analysis，OWAS）基于背部、腿部和负载三部分的综合评价以快速检查工作姿势^[11]。该工具会提供一个姿势不适度得分来评估该姿势下工作人员的不适度，并提供纠正必要性等级来评价姿势纠正的必要性，共分为四个等级分别是：

1）级别1。姿势正常的，没有纠正的必要。

2）级别2。姿势可能有一定不良影响，虽不需要立即采取行动，但也要近期调整。

3）级别3。姿势有不良影响，应尽快纠正。

4）级别4。姿势非常有害，必须立即纠正。

视觉可达域分析表示工作时间视觉可达区域，该区域能够反映工作人员工作状态下，视觉能够识别到的区域，能够准确判断显控台视觉交互区域是否在视觉可视区域。

运用以上4个分析工具对显控台人机工程学满足度进行虚拟仿真。从分析结果来看，舒适度分析中11个测量部位均处于正常范围，表示操作该显控台满足人体舒适度要求；快速上肢分析最终得分为3，表示较长时间应改变姿势，考虑到工作人员操作显控台姿势并不固定，因此该得分也处于安全范围；工作姿势分析为级别1，表示该姿势是正常的，没有纠正的必要，因此满足人体工作姿势需求。

最大范围操作选取手部操作空间最大的区间，对其进行虚拟仿真，从分析结果来看，舒适度分析中11个测量部位均处于正常范围，表示工作人员在双手最大范围操作状态下该显控台满足人体舒适度要求；快速上肢分析最终得分为3，表示较长时间应改变姿势，因工作人员操作时需实时变动姿势，因此该状态下处于安全范围；工作姿势分析为级别1，表示该姿势是正常的，没有纠正的必要，因此满足人体工作姿势需求。

5 结　语

针对现有无人艇驾控设备交互单一、交互信息繁多操作体验差等问题，综合分析了无人艇的自主功能需求，从设计要素分析、硬件及软件3个方面展开设计研究，完成水面无人艇显控台交互设计的评估与验证。新的无人艇显控台设计方案有效地提高交互系统的人机协同效率，为水面无人艇领域的集控设备拓展了新的思路与设计标准。