0 引　言

船舶指挥控制系统是一个由众多机械设备和计算机界面、语音通信设备等人机接口组成的复杂人机交互系统。随着现代船舶操控和指挥自动化水平的不断提高，各分系统操控功能更加复杂，这使得船员的脑力负荷不断加大，同时船舶工作环境的噪声、照明的眩光等其他设计问题也加剧了人因风险的产生^[1]。人因问题会导致船员反应速度和判断问题的能力变差，影响船内人员的工作以及相互之间信息传达的效率，增加人误风险和二次改造的资金成本^[2]。

以往的船舶设计着眼于其本身的工程问题，以技术为中心的系统设计忽视了交互过程中广泛存在的人因问题。人因工程设计有助于克服人因问题，其在一定程度上缓解了人因风险的发生^[3]。人因工程设计提出以人为中心的系统设计思想，其将设计的焦点从机器转移到人类。设计者不仅关注自动化的技术指标，同时也需考虑使用者的作业绩效^[4]。人因工程标准提供了以人为中心的交互式系统设计流程，为工作环境、显示和控制执行器、计算机界面等众多人机交互控制涉及的因素提供设计准则和依据^[5]。但是人因设计准则的基本设计难以应对人因问题产生的复杂影响，设计准则的冲突或交互任务的干涉可能影响人因设计准则的实施与应用。因此，为了确保船舶指挥控制系统安全可靠地运行，有必要从船员的角度出发分析人因问题，探讨如何使用人因准则指导船舶控制系统的设计。

人因问题通常是指人为因素对整个系统绩效产生负面影响的问题，分析人因问题不仅有助于明确系统需求中的人为因素，而且有助于人因分析活动的开展。因此，需提出一种由人因问题介导的工程设计方法。船舶指挥控制系统的设计需要依据人-机-环工程的相关指导，其对于人-系统整合活动的实施至关重要^[6]。人因工程设计是支撑人-系统整合的必要前提，并且人因问题分析是探索人因设计要素的基础。人因问题分析已成功应用于城市轨道交通运营控制中心设计^[7]，车间布局设计^[8]和安全性设计^[9]等多个领域。通过将人因问题分解为子问题，并构建子问题与设计原则之间映射^[10]，有助于确定复杂人机系统中的人因设计要素，并以此为指导提出以人为中心的人因设计方案。

船舶的人因工程设计主要聚焦于环境设计^[11]、交互界面设计^[12]及项目任务规划^[13]等多个方面，这些研究从人机交互的不同侧面入手，详细分析了具体的人因设计方案。但目前仍缺乏关于船舶指挥控制系统整体性人因设计的研究，其将为人-系统整合活动的规划与实施提供必要支撑。在轨道交通领域，蔡佳妮等^[14]分析了轨道交通指挥控制中心的现状，分析现行系统的相关特征，对控制中心的布局设计以及各个环节的人因工程设计流程进行了探讨。在核电工程领域，周彧等^[15]对人因工程的设计要素进行分析，并据此制定了对应的工程实施计划。曾鹏等^[16]通过人因工程仿真方法提出了针对舰艇指挥系统的界面设计研究。上述研究均基于人因设计的相关原则提出了人因工程的设计方案，但船舶指挥控制系统的人因工程设计更关注人因风险产生的深层问题，以支撑人机之间的有效交互。

因此，本文以人因问题分析为导向，结合人因设计原则对目标系统进行人因分析，最终得到人因工程设计方案。以人为中心的设计方法将人因工程原则整合到船舶系统的设计中去，为船员提供高效的作业环境。最后，还对人因工程设计的实施和管理体系进行了探讨，将人因方法以及质量管理原则融入到设计流程，并将人因设计的要素映射到船舶的研制阶段，为船舶系统的人-系统整合设计提供指导。

1 船舶指挥控制系统的特征 1.1 人员及专业多样化

船舶指挥控制系统操作人员的专业多样，在船舶内较小且封闭的空间需大量的指挥与操作人员，每个人员都扮演着不可或缺的角色，需合作完成船舶的指挥与控制任务。船舶控制系统的操作人员有时要执行分布式团队工作，需在多种任务场景下执行信息获取任务、通信任务及团队决策任务^[17]。因此指挥控制系统的设计应当考虑人员及专业的多样化，分析操作人员的个人及团队作业任务特征。

1.2 工作环境信息密集化及不确定性

船舶系统环境封闭且狭窄，空间内信息流高度密集，信息量大幅增加，操控界面上的显示信息越来越复杂^[18]。尤其在系统异常的情况下，信息量的进一步增加导致人的认知负荷过载。在系统的使用过程中的声音信息，会加剧整个工作环境的信息密集化程度^[19]。船舶系统的工作环境可能受到外界环境的干扰，因此其环境也存在不确定性特征，并且船舶操控环境也对任务的执行产生影响，如船舶摇摆对系统人员获取信息和控制操作的影响等。因此，指挥控制系统的设计应当考虑工作环境信息密集化及不确定性特征，分析船舶指挥控制系统的人机交互环境对团队任务的影响。

1.3 人机界面操作的复杂化

船舶系统的复杂化导致人机界面趋于复杂，且人机界面的复杂化会导致人误发生的可能性增加。随着系统实现功能的日渐复杂，信息的显示方式也更具多样性，这些因素将导致系统人机界面的多样化和复杂化^[20]。随着指挥与控制系统的综合程度不断提高，系统不仅涉及多个交互界面以及操作器件，而且操控布局也日趋多样。因此，指挥控制系统的设计须考虑人机界面操作复杂化的特点，使用相关人因标准指导指挥控制任务的操作设计。

2 船舶指挥控制系统人因工程设计

船舶指挥控制系统人因工程设计的目标是确保系统的正常运行，同时保证船员在工作中的安全与舒适性及实现提高效率的目标。本文获取了现行的船舶系统在全生命周期中面临的一些主要的人因问题共20余项，参考欧洲空中航行安全组织提出的流程对人因问题进行了分析，并提出具体的人因工程设计方法^[21]。即首先识别问题中包含的所有可能的要素，然后将要素进行分类并提出元素可能的影响，最后根据以上分析给出改善措施得到人因分析的设计要素。

人因工程标准是人因工程设计的基础和依据，科学客观地运用人机工程学的设计标准和方法可有效缓解使用过程中故障和事故的发生风险。因此，选用合适的人因标准指导人因工程设计是至关重要的。调研了航空、船舶、核电、轨道交通等领域控制中心任务在物理和认知层面，人-计算机交互，人-系统整合以及职业健康与安全等方面的相关标准，对人体工效学技术委员会的分委员会（ISO/TC 159），欧洲标准化委员会（CEN）及美国和中国国家标准的相关主题进行归纳和整理，提取了人体测量与生物力学、工作环境及人-系统整合的相关标准，并且参考我国制定的国家军用标准GJB 2873-97，其规定了军用系统及其子系统、装备和设施的人机工程设计准则。依据相关标准提出的人因工程设计原则，制定了船舶指挥控制系统的人因工程设计要求。使用以上流程对相关问题展开分析，总结出船舶系统在全生命周期中面临的人因工程设计要素，如图1所示。

参考相关系统的设计经验^{[11 − 13]}，总结了20余项影响船舶操作人员工作效率的人因问题。由于人因问题的模糊性，对问题的影响、可能的解决方案以及拟实现的目标进行了分类讨论，提出了图1中与7个子问题相对应的人因工程设计要素，在不同的设计需求这些问题可能会发生变化，但是本文所使用的方法具有普适性。另外，图1的设计要素覆盖了7个相对独立的人因问题，在实际应用中这些问题之间可能存在交叉和冲突。因此如何分析人因问题的组成，将本文提出的设计要素平衡地整合到系统设计中是关键。

所有的人因工程设计要素均需要采用必要的人因工程标准所推荐的流程，即“说明问题”、“分析与定义”、“概念设计”、“详细设计”及“操作反馈”5个步骤。因为有效的设计应当基于迭代的设计与验证过程，所以设计应当从问题出发，经由概念化、详细化的设计流程，对相关的操作反馈予以验证。

2.1 布局设计

指挥控制中心布局设计的主要内容包括人机功能分配，作业岗位人员以及设备的确定，各功能区及各个岗位联系作业空间以及公共区域设计。针对空间布局开展设计，需综合现有的用户需求来展开设计。用户需求以及系统需求共同组成整个布局优化设计的需求。根据需求分析的结果得到系统的总功能，总功能包含作业、任务和职责，将其在人与机器之间进行分配。将布局的整体空间进行分配，根据每个工作站的任务得到功能布局图。完成功能布局图后，开展工作站和非工作站共享显示布局、辅助工作站和设备的布局的设计。利用人因工程准则和实验进行操作要求测试，并在测试结果的基础上对各个岗位的布局结果进行反馈，从而得到最终的布局方案，空间优化布局设计流程图如图2所示。

2.2 人机功能分配设计

人机功能分配以整个人机系统实现的总功能为基础，通过识别整个系统中机器以及人员的工作特点，将任务重且单调性较强的作业分配给机器，并且将需灵活处理的任务交由人员来实现，以此流程来实现人机功能的分配，最后根据分配的结果展开评价，进而进行再设计。

人机功能分配设计是整个系统中至关重要的步骤，其设计结果将直接影响整个系统的绩效及可靠性，且设计会涉及到大量的任务分析工作，每个岗位的人员任务均十分复杂。以船长为例，需通过大量的询问以及观察系统的相关状态来进行决策指挥工作，其需与系统中各个岗位的人员进行沟通与交流。其工作内容包括获取各个岗位的人机交互界面信息，因此船长的任务是十分复杂繁琐的。所以，人机功能分配需详细分析不同人员的任务特征及要求。

2.3 操作任务设计

任务设计是以人机功能分配的结果为基础，得到人员所需执行的任务后将任务执行流程以及任务执行情况展开分析。通过对现状的调研给出可改善的任务，利用人因方法及相关设计准则开展初步的任务概念设计。依据概念设计的框架展开详细的设计，将引起人体不舒适以及任务负荷较高的任务进行改善或消除，进而达到任务的优化设计目标。最后，将设计的结果进行评价与再设计，不断优化任务。任务设计的人因工程设计流程如图3所示。

在任务设计时，要充分考虑每个岗位所需实现的功能，并且要考虑人员在工作过程中的负荷以及情景意识等内容。以船长为例，在整个任务的执行过程中，需频繁地与航海、操纵等人员交流，且船长的交流成功与否是实现系统任务目标的关键，因此任务设计时要充分考虑其功能。

2.4 设备功能设计

设备功能设计以系统的需求为基础，分析各个岗位所需的系统功能，并根据功能分析定义和人因标准进行辅助功能设计。同时，也需设计实时反馈和防错机制。设计完成后，需利用人因工程学标准及理论进行评价与再设计，最终得出设计方案。系统功能的优化设计的流程图如图4所示。

设备功能设计包含整个船舶的指挥控制室中各个系统实现的功能设计。在各个子系统中应当考虑辅助功能的需求分析、针对操作进行实时反馈防错机制的设计、根据实际需求推送信息以及辅助决策信息的设计。如船长的主要交互设备比较繁杂，其所需的综合指控平台要满足其对船员综合指挥的需求。

2.5 人机交互设备设计

人机交互设备设计是在系统功能确定的条件下开展的设计工作。调研当前人机交互设备的现状可得到设计的目标及约束。在得到设计约束后即可进行设计约束的分析。进而分析可行设计点，并针对该设计点开展概念设计。接着需通过概念设计开展人机交互设备的具体设计。此时，需招募被试人员进行试验以获得设备的操作反馈意见。使用相应的体力负荷及生理指标的分析后进行再设计，最后得到确定的设计方案。人机交互设备的人因工程设计流程如图5所示。

人机交互设备设计包含多个方面。如工作岗位设备对操作人员的适配性，声呐操作人员需长期佩戴监听设备，对设备佩戴的舒适性要求极高。因此对于长期操作任务使用的设备需不断优化设计方案进行改进。

2.6 界面显示设计

界面显示设计是在人机功能分配且对每个人员完成定岗，明确需完成的任务后展开的设计。设计之初要确定整体的设计目标，并分析现有的设计约束。通过绩效分析识别人机交互界面的改善点，接着针对改善点展开详细设计。最后通过设计人因试验对界面进行评估与再设计。界面显示设计的人因工程设计流程如图6所示。

船舶系统人机交互界面的设计主要考虑屏幕显示的可读性，辅助决策信息的实时推送，界面告警信息的设计，屏幕信息量的合理显示、信息的组织方式。

2.7 提升环境舒适性

船舶的舱内环境设计尤为重要。一个好的工作环境不仅会使工作中的人员感到舒适，也可提升工作人员的绩效。环境中的光照、声源、温度均需按照人体要求开展设计。船舶指挥控制系统环境设计应考虑的因素主要分为光、声和热3个维度，其设计考虑的主要因素如图7所示。

由于船舶的指挥控制系统是一个全封闭的系统，因此系统的光环境设计主要是照明环境的设计。为了达到正常工作要求，确定照明设计需遵循以下原则：为有关任务提供充足照明；分别考虑正常和紧急情况；提供均匀照明；避免眩光和反光；避免亮点和阴影；避免闪烁；灯具易于维护保养和操作；灯具在预期部署区域耐用。在光环境设计中，主要考虑人员的任务、活动，相关的操作界面、工作台以及与人员活动相关的各类照明元素。

传统的声环境包含自然噪声和人工噪声两类，而在船舶系统中很少涉及到自然噪声，这里主要考虑对人工噪声的防治设计。船舶中的噪声主要来自设备以及人员交流，且噪声的消除主要考虑消除噪声源或是噪声防护2种措施。设备的噪声防护可考虑选用噪声较少的设备，采用防止噪声传播的噪声隔离装置或进行吸声和消声措施来防治。人员交流的噪声防治可考虑将需要密切交流的人员分布在距离较近的位置。

在热环境的设计中，空气温度、空气湿度、空气流动速度和热辐射是影响热环境的主要条件，这4个因素会对人体的热平衡产生影响。人体舒适的工作环境的温度为15.6~21℃。过热或过低的工作环境温度都会对人的体力以及脑力工作能力产生负面影响。因此，若环境的温度远大于或小于舒适温度，就需要采取相应的防护措施。在热环境的设计中，主要考虑作业空间的尺寸，作业空间的人员数量，作业空间设备的散热情况，控制室的门窗设置以及各个作业区的分布。

3 人因工程设计实施和管理体系

人因工程设计是系统工程设计的必要组成，然而在实际工程的实施和管理过程中，工程师仅依据相关人因工程设计规范提出设计方案，缺乏系统的人因工程设计流程的指导，难以解决潜在的人因问题。因此，传统的工程设计仍难以满足系统用户对安全性、舒适性及高效作业的需求。另外，人因工程设计活动也不能因传统的工程设计活动完全脱离，应当将本文提出的人因工程设计流程整合到工程设计中去。人因工程设计整合方法确定了人因工程设计实施和管理体系的重要性^[22]，其将人因工程融入生产设计过程的各个步骤，并将人因工程设计与工程活动相结合。

人因工程设计实施和管理体系需将质量管理融入到整个工程设计过程。另外，人因工程设计的实施还需采用相应的人因评估方法。人因评估方法包含数据收集技术，认知与操作任务分析，过程图法，任务识别与事故分析，情景意识评估，负荷评估，界面分析方法，设计方法，执行时间预测方法以及环境专业分析技术及工具^[23]。人-系统整合的流程将整个系统的运行阶段分为6个阶段，分别为概念阶段、评估阶段、论证阶段、制造阶段以及使用与废弃阶段^[24]。可将以上提及的7大设计要素分配到人-系统整合不同的阶段，通过将设计要素对应到不同的人-系统整合阶段，可直观理解人-系统整合过程中应重点考虑人为因素的阶段，使其与工程设计阶段相结合。人-系统整合流程与设计要素见表1。

将设计要素整合到人-系统整合的流程中后，可将人-系统整合的流程与船舶的研制程序相结合，船舶的研制程序包含立项阶段、论证阶段、方案阶段、研制阶段、定型阶段以及使用退役阶段。通过将人-系统整合流程与船舶的研制程序相结合，可得到船舶研制程序中涉及到的每个设计要素，如表2所示。

为了实现人-系统的整合目标，要将船舶研制的全部生命周期阶段与人因工程设计要素相结合。由表2可知，在立项阶段应当依据设计需求对相关设计概念进行确认，此时也需要分析人因问题并讨论后续阶段的设计内容。在论证阶段，要依据相关人因工程标准考虑布局设计以及人机功能分配设计；在方案阶段，主要对指挥控制系统的操作任务进行设计。而在研制阶段，要充分考虑设备功能设计、人机交互设备设计、界面显示设计以及环境舒适性的设计。定型阶段处于人因工程设计的后期，一般通过半实物仿真的方法对上述设计要素进行测试。退役阶段需对人因设计的全部阶段进行充分研讨，总结相关经验用于下次设计。通过以上流程，实现设计要素和船舶设计阶段的整合，进而为船舶系统的人-系统整合提供指导，提出了在每个阶段应考虑的设计要素，以最大程度地实现人-系统整合流程设计。

4 结　语

本文以船舶研制周期存在的人因问题为出发点，通过问题分析流程展开分析，得到船舶人因工程设计中应考虑的7个设计要素，并参考相关标准提出每个设计要素的设计流程。最后将本文提出的人因工程设计内容与工程设计过程相结合，并且将质量管理结合到整体的设计与运行过程中。通过开展上述流程，可使整个船舶系统更加安全有效的运行，降低整个系统工作中出现失误的频率，将人因思想整合到船舶研制的全周期过程中。