0 引　言

导航系统是确保舰船安全航行的重要设备^[1]，而人机交互界面设计则是影响导航系统可用性和效率的关键因素。随着科技的不断发展，人机交互界面设计在舰船导航系统领域得到了广泛关注^[2-3]。通过良好的人机界面设计，用户可以更容易地理解舰船导航系统的各项功能和使用方法，从而更有效地利用系统进行舰船导航^[4]。高志方等^[5]研究以人为本的交互界面评价方法。但该方法主要依赖于用户的反馈和评价，因此评价结果存在一定的主观性和不准确性。

为解决上述问题，研究舰船导航系统的人机交互界面设计及评价方法，提高舰船航行的安全性和效率。

1 人机交互界面设计及评价 1.1 舰船导航系统的人机交互界面设计

舰船导航系统人机交互界面内存在 $ m $ 个界面元件，舰船导航系统人机交互界面内第 $ i $ 、 $ j $ 个元件为v_i、v_j。v_i与v_j间的色彩对比度为：

$ {z_{ij}} = \sqrt {{{\left[ {\left( {{L_i} - {L_j}} \right) + \left( {{a_i} - {a_j}} \right) + \left( {{b_i} - {b_j}} \right)} \right]}^2}}。$

(1)

其中：v_i与v_j的亮度是L_i、L_j；L_ab模型内 $ a $ 色彩通道值是a_i、a_j； $ b $ 色彩通道值是b_i、b_j。

v_i与v_j间的相关程度是k_ij。如果舰船导航系统的人机交互界面内，元件间相关性强时，那么将这2个元件放置较近距离的位置上，防止人机交互界面色彩太乱，影响操作人员视觉效果，降低舰船导航系统人机交互界面的操作效果，进而影响舰船航行安全性。v_i与v_j间的距离色彩对比度为：

$ {G_i} = \left\{ \begin{gathered} \sum\limits_{j = 1}^m {\sum\limits_{i = 1}^m {\frac{{{z_{ij}}}}{{{d_{ij}}}}} } ,{k_{ij}} \geqslant \varepsilon，\\ \sum\limits_{j = 1}^m {\sum\limits_{i = 1}^m {{z_{ij}}} } {d_{ij}},{k_{ij}} < \varepsilon。\\ \end{gathered} \right. $

(2)

其中：d_ij为v_i与v_j间的距离； $ \varepsilon $ 为元件相关程度划分阈值。

d_ij的计算公式如下：

$ {d_{ij}} = \sqrt {{{\left[ {\left( {{x_i} - {x_j}} \right) + \left( {{y_i} - {y_j}} \right)} \right]}^2}} 。$

(3)

其中：舰船导航系统的人机交互界面内，v_i与v_j的坐标是(x_i,y_i)、(x_j,y_j)。

舰船导航系统的人机交互界面内元件距离对比度为D_i，代表舰船导航系统人机交互界面元件间视觉对比程度和相对距离的关系，与相对距离具有负相关关系，D_i越大，人机交互界面内关系密切的元件间距离越小，利于提升舰船导航系统操作人员的操作便利性，进一步提升舰船航行安全性。D_i的计算公式如下：

$ {D_i} = \sum\limits_{j = 1}^m {\sum\limits_{i = 1}^m {\frac{{{w_i}}}{{{d_{ij}}}}} }，$

(4)

其中，w_i为权值。

依据式（2）与式（4），在元件布局时的约束条件下，建立以最大距离色彩对比度、最大距离对比度为目标的人机交互界面设计模型，公式如下：

$ f{\left( i \right)_{best}} = \max \left[ {\sum\limits_{i = 1}^m {\left( {{\alpha _1} \cdot {G_i} + {\alpha _2} \cdot {D_i}} \right)} } \right]，$

(5)

其中， $ {\alpha _1} $ 、 $ {\alpha _2} $ 为G_i与D_i的权值。

约束条件为：

$ \left\{ \begin{gathered} \frac{{{l_i} + {l_j}}}{2} + \left| {{x_i} - {x_j}} \right| \leqslant 0 ，\\ \frac{{{\omega _i} + {\omega _j}}}{2} + \left| {{y_i} - {y_j}} \right| \leqslant 0 。\\ \end{gathered} \right. $

(6)

其中： $ {v_i} $ 与 $ {v_j} $ 的长度是 $ {l_i} $ 、 $ {l_j} $ ； $ {v_i} $ 与 $ {v_j} $ 的宽度是 $ {\omega _i} $ 、 $ {\omega _j} $ 。

通过式（6）能够确保元件在人机交互界面设计时不存在干涉问题，提升舰船导航系统人机交互界面操作的便利性。通过求解式（5）的模型，便可获取最大距离色彩对比度、最大距离对比度对应的人机交互界面设计方案。

1.2 舰船导航系统的人机交互界面设计评价

利用逼近理想解排序法（Technique for order Preference by Similarity to ideal solution，TOPSIS），对得到的舰船导航系统人机交互界面设计方案进行评价，了解人机交互界面设计方案中的不足，并加以改进，得到更佳的人机交互界面设计方案，提升舰船导航系统人机交互界面的视觉效果与操作效果。

舰船导航系统人机交互界面设计的评价指标体系如表1所示。

舰船导航系统人机交互界面设计的评价指标体系，主要从4个方面进行考虑，分别是视觉显著性、界面可用性、操作经济性、情感体验性，通过评价舰船导航系统人机交互界面，确保操作人员在操作导航界面时，能够简洁明了并清晰地展示航行信息，使用户能快速获取并理解这些信息，从而做出准确的航行决策。同时使用户在与舰船导航系统交互时感到舒适和愉悦，从而提高用户对舰船导航系统的满意度和信任度。利用TOPSIS评价舰船导航系统人机交互界面设计方案的具体步骤如下：

步骤1　建立原始舰船导航系统人机交互界面设计评价指标矩阵 $ {\boldsymbol{O}} $ ，表达式如下：

$ {\boldsymbol{O}} = {\left( {{o_{i'j'}}} \right)_{n\eta }}\left( {i' = 1,2, \cdots ,n;j' = 1,2, \cdots ,\eta } \right) ，$

(7)

其中， $ n $ 为一级指标数量， $ \eta $ 为二级指标数量。

步骤2　确定人机交互界面设计评价指标权重，建立加权矩阵。通过变异系数法，确定各人机交互界面设计评价指标的权重 $ {\varpi _{i'}} $ ，归一化处理 $ {\boldsymbol{O }}$ ，能够获取标准化矩阵 $ {{\boldsymbol{Q}}'_{i'j'}} $ 与加权标准化矩阵 $ {{\boldsymbol{Q}}_{i'j'}} $ ， $ {{\boldsymbol{Q}}_{i'j'}} $ 的计算公式如下：

$ {{\boldsymbol{Q}}_{i'j'}} = {\varpi _{i'}}{{\boldsymbol{Q}}'_{i'j'}} 。$

(8)

步骤3　求解舰船导航系统人机交互界面设计方案评价的正负理想解 $ {P^ + } $ 与 $ {P^ - } $ ，公式如下：

$ {P}^+=\mathrm{max}\left\{{Q}_{{i}^{\prime }{j}^{\prime }}\right\}\text{，}{P}^-=\mathrm{min}\left\{{Q}_{{i}^{\prime }{j}^{\prime }}\right\} 。$

(9)

步骤4　求解舰船导航系统人机交互界面设计方案，和 $ {P^ + } $ 与 $ {P^ - } $ 的欧式距离，公式如下：

$ \begin{gathered} H_{i'}^ + = \sqrt {\sum\limits_{i' = 1}^n {{{\left( {{B_{i'}} - P_{i'}^ + } \right)}^2}} } ，\\ H_{i'}^ - = \sqrt {\sum\limits_{i' = 1}^n {{{\left( {{B_{i'}} - P_{i'}^ - } \right)}^2}} } 。\\ \end{gathered} $

(10)

其中， $ {B_{i'}} $ 为第 $ i' $ 个舰船导航系统人机交互界面设计方案。

步骤5　求解 $ {B_{i'}} $ 和理想解的相对贴近度，公式如下：

$ {S_{i'}} = \frac{{{B_{i'}}}}{{H_{i'}^ + + H_{i'}^ - }} 。$

(11)

以 $ {S_{i'}} $ 为舰船导航系统人机交互界面设计方案的评价标准，其值越高，舰船导航系统人机交互界面设计效果越佳。

利用变异系数法确定人机交互界面设计评价指标权重的具体步骤如下：

1）标准化处理界面设计评价指标体系，获取第 $ i' $ 个一级人机交互界面设计评价指标的第 $ j' $ 个二级评价指标的标准值 $ {r_{i'j'}} $ 。

2）求解各人机交互界面设计评价指标标准值的平均值 $ {\bar r_{i'}} $ 与标准差 $ {\delta _{i'}} $ ，公式如下：

$ {\overline{r}}_{{i}^{\prime }}=\frac{{\displaystyle \sum _{{i}^{\prime }=1}^{n}{r}_{{i}^{\prime }{j}^{\prime }}}}{n}\text{，}{\delta }_{{i}^{\prime }}=\sqrt{\frac{1}{n-1}}{\displaystyle \sum _{{i}^{\prime }=1}^{n}{\left({r}_{{i}^{\prime }{j}^{\prime }}-{\overline{r}}_{{i}^{\prime }}\right)}^{2}}。$

(12)

3）计算各舰船导航系统人机交互界面设计评价指标相应的变异系数，公式如下：

$ {U_{i'}} = \frac{{{\delta _{i'}}}}{{{{\bar r}_{i'}}}}。$

(13)

4） 归一化处理 $ {U_{i'}} $ ，得到各指标的权重。

2 结果与分析

以某舰船导航系统为实验对象，该舰船导航系统包括无线电导航系统、卫星导航系统、惯性导航系统、天文导航系统、声呐导航系统等。其无线电测定卫星服务的接收频点是2491.75 MHz，接收通道数是10，接收灵敏度为−160.6 dBW。

利用本文方法设计人机交互界面，结果如图1所示。图中，本文方法可有效设计舰船导航系统人机交互界面，且交互界面色彩并不杂乱，搭配更为和谐，操作人员在长时间使用后仍能保持较好的视觉舒适度，色彩选择不仅符合人机交互设计的通用准则，更考虑到了舰船导航系统的实际使用环境。同时本文方法设计的人机交互界面主要功能元件基本集中在左侧，便于操作人员进行任务操作，使得操作人员可以更快地找到并理解所需操作，大大降低了误操作的可能性。

利用本文方法对舰船导航系统人机交互界面设计方案进行评价，评价标准如表2所示，评价结果如表3所示。从表3可以发现，本文方法可有效评价舰船导航系统人机交互界面设计方案，从评价结果中了解到，仅有界面美观指标的评价结果为较好，其余指标的评价结果均为非常好。为此，需要对人机交互界面的界面美观性进行改进，改进后的人机交互界面设计效果如图2所示。从图2可以发现，对界面美观性进行改进后，本文方法设计的舰船导航系统人机交互界面，能够更加符合人眼的审美需求。各元件之间的空白适当，避免了视觉上的拥挤感，使得整个界面看起来既不空旷也不拥挤，这样的设计既考虑到了实用性，也考虑到了艺术性。

3 结　语

本文对舰船导航系统的人机交互界面设计及评价进行研究，并提出了相对应的设计与评价方法。研究结果表明，本文方法可有效设计人机交互界面，提升界面的用户体验效果。未来可深入研究用户行为和心理，了解用户对界面设计的需求和偏好；探索新的交互方式和设计模式，提高界面设计的创新性和实用性；结合人工智能、虚拟现实等技术，提升舰船导航系统的智能化和可视化程度。