0 引　言

人因工程学（Human Factors Engineering）作为一门交叉学科，重点研究人−机器−环境之间的相互关系。通过深入剖析三者之间的相互作用，找出制约该学科发展的瓶颈，以期使得系统设计尽可能符合人的身体结构和生理、心理特点，从而达到系统的最佳组合^[1]。在海军装备领域，海军装备系统作为一种复杂的人机系统，具有多人多机协同、长航时作业、作业环境因素多变、人机接口繁杂等特性，正确处理人、装备、作战环境等基本要素之间的关系，是提高部队战斗力的关键^[2]。因此，开展人因工程研究正逐渐成为海军装备领域的热点。

作为国之重器的潜艇以其隐蔽性强、命中率高等特性成为水下战中的主力军，其具备处理信息多样、功能强大、流程复杂、重要性高等特点，在系统设计的全过程中应充分考虑艇员的实际需求与现实约束条件，尽可能的使系统为人服务，以提高艇员在认知、理解、判断、决策、操纵上的精准度和人机交互效率，从而发挥出人机系统的最大效能与艇员的主动性。

1 潜艇指控系统人因工程技术发展分析

潜艇指控系统硬件部分经历了专用机-通用加固机、专用共用台、标准共用台、通用共用台几个发展阶段^[3]；软件界面开发工具由WindML、Tilcon发展到QtCreator等。系统在软硬件层面的不断改进使得处理能力持续提升，实时性、可靠性、安全性均得到有效保证，部分原本需要由人完成的操作可交由系统自动处理，艇员因此可以重点关注其他层面；同时由于良好的图形用户界面函数接口，使得界面设计更加快速便捷，显示方式不再局限于简单的表格、文字方式，而是以态势图、折线图、曲线图、电子海图等形式呈现，在美观性大幅提升的同时使得作战效果更加直观，便于艇员从中迅速捕捉到有效信息并做出反应，减小了指控艇员从大量信息中进行手动筛选的压力。

为适应新时代潜艇作战能力的持续提升，指控系统功能日趋复杂，对其技术标准的控制也更加严格，致使指控系统需处理的信息更多、允许的反应时间更短，从而导致该专业艇员的实际工作量未减反增。针对潜艇指控系统的发展现状，分析艇员任务量并提炼出整个系统可优化部分进行适应性改进便尤为重要。

1.1 作战环境恶劣的现实约束条件

潜艇长时间运行于复杂多变的海洋环境之中，作为一个封闭体长时间隐蔽航行于水下，艇员长期远离陆地与水面，无法区分白天黑夜，易产生生理紊乱；艇员要承受空间密闭、狭小、通气不畅产生的心理、生理障碍等；恶劣海况还将导致艇员的生理不适，进而致使注意力下降，操作、认知理解、逻辑判断等能力降低；航行过程中需时刻注意保持安静，减小艇体噪声，使艇员身心均面临较大程度的挑战；由于操作环境和实战、训练的任务背景因素易使艇员产生紧张心理，也将导致其认知负荷过大。以上现实约束条件都将对艇员能力的发挥产生较大程度的影响，对意志力也是极大的考验，而良好的人因工程设计能够减小其工作量并缓解其精神压力，有效降低认知负荷，减少艇员失误次数，从而保证作战任务的顺利完成。

1.2 系统性能不断提升的要求

随着计算机技术、传感器探测能力、武器攻防能力以及对外通信能力的提升，使得潜艇可探测、收集的目标数、可攻防目标数均有较大提升，因而要求指控能够在短时间内正确计算出各目标的威胁程度，进而依据当前攻防能力对多批次目标实施多型武器的攻防。传感器探测目标数的增加导致指控系统的态势图界面同时显示的目标数目较多，当越来越多的数据信息汇集于软件界面时，其来源渠道多、信息量大、结构关系复杂，易导致艇员在人机交互过程中的认知过载问题；当目标数目呈倍数形式增长时，艇员难以对当前整体态势进行全局把握。此时应由系统完成绝大部分的绘算与决策功能，将各目标攻防效果以图形形式显示，艇员可根据直观效果图掌握战场信息以分析敌我态势，并将最优方案上报艇指挥官，以辅助其决定使用何种武器通过何种方式进行攻击或防御动作。

1.3 战位复用及艇员跨专业值更要求

近年来，潜艇作战系统提出台位复用概念^[4]，对于使用共用台进行人机交互的多个作战子系统，各共用台均需具备可正常运行多个专业软件的功能，共用台的设计与配置需考虑通用性，因而运行于共用台的指控系统同时需兼顾其他子系统对台位的软硬件环境配置。艇员跨专业值更则要求其在掌握自身专业的同时熟练操控其他专业基本功能，需完成战位的短时间内切换，脑负荷增加，因此各专业软件的操作方式应保持一致性，界面设计应遵循统一规范。融入人因工程理念后，对所有作战子系统软件进行统一风格界面设计，显示方式更加直观易懂，可有效缓解艇员在进行专业切换后因显示风格、界面操作方式等不同带来的心理压力，从而保证其能够快速完成各作战任务。

1.4 多通道人机交互技术要求

自然用户界面和多通道交互是目前快速发展的领域，需要人因学设计理论的贡献。潜艇指控系统的人机通道交互方式由早期的数字小键盘、轨迹球逐渐发展为标准机械键盘、摸球、专用按键、自定义触摸屏及触控显示屏操控方式，极大方便了艇员的操作，多通道交互技术要求艇员在实际作战或训练的过程中能够根据需要，随时在多种通道之间自由切换使用方式，因而要求艇员掌握的信息有所增加。另外，受限于台面整体布局，导致触摸屏、专用按键难以具备所有的操控功能，仅能具备较为重要、简短的指令下达或界面切换等操作，大部分操作需通过使用摸球、键盘或触控显示器完成。当对显示内容中位置距离较远的2个控件之间进行交互操作时，由于需频繁在2个控件之间移动摸球光标，导致耗时较长，严重影响作战效率。

2 潜艇指控系统现存问题及改进方案

指控系统将潜艇的多个系统进行协同处理，其作战效能有了很大提高。多系统协同的分布结构也能够为潜艇指控系统未来接入更多的系统提供了开放接口^[5]。指控系统近十年来取得了巨大的发展与进步，指控系统信息处理需求与武器发控能力提升，能够不断满足指挥官及指控站位人员的作战需要。但从部队用户体验反馈可知，由于早期缺乏人因工程角度的考量，不能够完全理解用户的使用习惯等，因此系统设计存在一定的不足之处，影响指控人员的操控效率，此类人因问题主要表现为人机各自优势能力定位不准、人机分工不明确、人参与操作过多或缺乏必要的人工干预；人机界面显示不友好、不够直观、不同界面间切换频繁、信息显示、交互方式不一致等^[6]。

2.1 指控界面布局优化设计

随着信息技术和智能技术的发展，舰艇作战系统越来越多的功能和性能由软件来保证^[7]。潜艇指控系统软件功能庞大复杂，指控界面作为人机交互信息输出的主要渠道，其布局的合理性一定程度上影响了用户体验，并决定了系统功能实现程度。软件的界面设计应基于该系统使命任务，以用户的能力特性为输入，以用户的行为动作为研究焦点。系统人机界面的软件元素包括：图形、菜单、文本框、按钮和表格等，是人机信息交互的直接途径，应按照军用软件标准和用户使用习惯合理设计，软件元素要简单、清晰，方便用户使用^[8]。

以配置有上下2台显示器的潜艇指控系统为例，按照模块化设计思路，将操控功能较少的子模块显示于上屏，操控功能较多的子模块显示于下屏。设计指控上下屏页面布局如下：

在各显示模块内部，顶部设计50～100 px高度的导航栏标签，该栏显示指控系统较为重要的系统信息，如导航信息、时间信息、重点提示信息等。

底部设计50～100 px高度的任务栏按钮，任务栏显示当前台位所有模块名称的按钮，用户点击各按钮可将该屏切换至对应模块显示，是模块切换显示的主要区域。

为减少用户输入耗时，同时考虑到用户习惯于使用右手操控摸球、键盘等作为主要输入方式，将操控部件集中显示于该屏右侧约1/4位置，该区域内主要布局有普通按钮、单选框、复选框、编辑框、下拉框等控件，是用户对参数输入及功能控制的主要区域。

左侧约3/4位置为主显区，在原有以表格形式显示数值为主，以相对/绝对态势图形显示为辅的基础上增加多种折线图、曲线图、波形图、历程图、电子海图及功能相关图片的显示，是模块内最主要的显示区域，也是用户观察分析、做出决策最直接、最主要的依据。在设计主显区页面时，可对模块显示内容互相独立的部件进行折叠显示。

在主显区与操控区之间设计宽度为80～120 px的工具栏按钮，该栏按钮主要由3个部分组成，一是图形控制用的移动/固定、放大/缩小、一键中心等按钮；二是左侧主显区页面切换显示按钮；三是右侧操控区页面切换按钮。工具栏是用于主显区图形控制、主显区与操控区页面切换的主要区域。

基于实验室环境，分别统计优化前后用户在多个模块内移动摸球至各典型控件并完成操作的时间，统计其耗时信息如表1所示。

可知，将操控区与主显区优化区分布局后，可有效提高用户操控的效率。此外，针对定位与编辑输入耗时较长的编辑框控件，可通过定制触屏按键形式，将焦点快速移至编辑框内，从而进一步减少用户操作时间。

2.2 自动化定制功能改进

融入人因工程的理念后，为便于用户实际使用，潜艇指控系统需具备自动化定制的功能。

由于个人经验、熟练程度、心理状态不同，导致用户的使用习惯各异，同一套指控系统软件难以满足所有用户的需求，但针对每个艇员用户量身定制该软件并不现实。而若将所有用户的个性化需求全部融入软件中势必带来CPU、内存等硬件资源的大量占用，严重影响系统执行效率，同时过多的信息也将对艇员产生严重干扰。

一种可行的方式是针对影响较小的个性化需求在界面中添加实时切换功能，用户通过点击按钮实时更换需求。此类需求包括界面中距离速度参数显示单位为国标还是海标；态势图显示类型默认显示为电子海图、相对态势图还是绝对态势图；态势图中目标详情是否显示、目标航向线是否绘制、航向线长度是否与速度关联、目标与我艇的方位线是否绘制、目标方位线是否需区分左红右绿、是否需根据目标源过滤显示态势图，以及设置训练误差级别等。而针对影响较大、耗时较长的显示需求变更，可由用户在维护管理模块进行个性化定制，定制完成后，指控软件将定制内容保存为本地文件存储于设备中，待系统再次启动时，读取设备中的定制内容进行加载显示。此类需求如页面风格的显示、电子海图图层的显示、电子海图类型的更换等。

2.3 维护管理功能的改进

提供友好的维护管理功能有助于事后的数据分析复盘。指控的维护管理功能适用于指控执行正常作战任务前期的状态检查或后期的数据保存、回显。现有的维护管理功能较为局限，数据保存为用户手动增加记录文件形式，在高度紧张的作战环境下，该操作可能被遗忘而导致数据丢失，此外现有数据的回显效果难以满足用户需求。

首先，分析用户实际作战需求可知，典型作战流程一般以开始攻击或开始防御为起始点，以结束攻击或结束防御为结束点，因此可提供一种自动增加记录文件的方式，指控进行开始攻击或防御时，维护管理模块启动监测接收网络数据，实时写入指控数据缓存区，当缓存区满或指控结束攻击或结束防御时，系统自动将缓存区内数据写入本地文件，从而解决需用户手动增加记录文件的问题。

其次，在数据回显改进方面，一方面可按照信息类型显示，回显界面中根据需求显示信息序号、接收时间等关键信息，并提供按照序号、接收时间、信息类型进行查询显示的功能。另一方面可按照一次作战流程回显数据，该模式下仅显示与该流程有关数据，自动过滤与之无关的信息，如回显攻击过程中不显示防御信息。

此外，增加数据回放功能，将记录数据读取至内存后进行数据动态回放。回放过程支持加速、暂停、继续、开始、结束等人工干预操作，便于艇员事后复盘分析及研学等。

改进后的数据回显、回放流程如图1所示。

最后，除传统文本数据信息的保存与回显回放外，指控软件运行过程中可通过调用图形软件界面设计工具的图片生成函数进行屏幕的截取与保存，并通过图片加载函数进行事后的图形重显、网络打印与电子截图导出功能。该功能对用户复盘态势图、攻防效果图等图形类信息极为实用。

2.4 其它改进

除上述改进外，基于仿真环境下的用户体验表明在以下几个方面进行优化设计从技术层面分析具有较强地可行性，且可有效提高作战、训练的效率。

2.4.1 战斗、训练模式热切换功能改进

用户建议在指控系统进行战斗、训练模式切换时不再进行设备断电重启，通过指令下发形式实现指控系统内部历史数据的完整清空或重置，加快模式切换效率。

由于指控系统运行过程中，各模块数据均存储于设备内存中，因此在对指控系统设计时，可为各模块增加清空历史数据的处理逻辑，待各模块接收到模式切换指令后，调用清空函数清空历史数据，从而实现历史数据的快速清除与系统初始化，完成战斗、训练模式热切换功能改进。

2.4.2 增加上下屏快速切换功能

用户体验表明基于下屏的操作更加快捷高效，上屏显示器与用户眼部距离较远且将摸球移动至上屏耗时较长。建议增加上下屏快速切换功能，当需对上屏页面进行操作时，可一键将其切换至下屏页面操作。

通过图形软件界面设计工具设计的指控系统软件在界面创建时可指定父窗口parentWidget，在父窗口移动时，子窗口可自动变更其绝对位置，从而保证其在父窗口内的相对位置不变。因此在界面设计时指定好子窗口与父窗口的关系，除顶层窗口外，避免出现过多的NULL类型父窗口，在进行上下屏切换时调用move(x,y)函数可快速地实现上下屏的切换。从而实现上下屏快速切换功能。

2.4.3 嵌入仿真训练软件功能

仿真训练软件与指控系统软件运行于不同舱室的不同设备内，使用时需专人操作仿真软件进行态势题的运行控制与态势控制，建议将此类控制功能移植至指控软件内，从而减少人员配置。

仿真训练软件与指控软件之间通过网络数据进行交互，在已有仿真训练软件的基础上，可增加指控软件对其运行控制与态势控制的接口，并增加操控页面。仿真过程中，在指控软件的仿真控制页面内点击相应的操控按钮下发命令至仿真训练软件，仿真训练软件根据指控下发的仿真控制命令执行相应动作，从而实现在指控站位对仿真训练软件的操控功能。

3 结　语

以人为中心，追求人与装备的最佳结合，设计出友好、实用、好用的系统，保证能够在复杂战场态势条件下正常发挥指挥与控制功能，尽量减少不必要的人机交互，是潜艇指控系统不断追求的目标。本文从潜艇指控系统的作战需求出发，论述了引入人因工程的必要性，对指控软件界面布局、自动化定制、维护管理等多个方面提出了较为具体的改进意见，具有一定的科研价值。考虑到当前的发展现状与技术条件，未来潜艇指控系统的人机工程交互形式可向语音识别交互、全息三维立体显示、脑机接口自动跟踪定位等几方面发展。