以用户为中心的防空导弹武器系统人机界面设计研究

曹颖颖，王　磊，惠　轶

(上海机电工程研究所，上海　201109)



以用户为中心的防空导弹武器系统人机界面设计研究

曹颖颖，王磊，惠轶

(上海机电工程研究所，上海201109)

防空导弹武器系统不断更新换代，复杂功能和简单操作需求的矛盾成为设计过程中普遍存在的问题。为优化防空导弹武器系统人机界面设计，运用人机交互学中以用户为中心的设计和评估理论，对防空导弹武器系统人机界面设计进行研究。将设计过程分为用户与需求分析、设计、评估与改进三个阶段，给出了每个阶段的工作思路以及工作重点。将方法应用于某型防空导弹武器系统人机界面设计，有效地规范了设计流程，提高了设计水平。

防空导弹武器系统；人机界面；用户中心

1　武器系统的人机交互现状

防空导弹武器系统是以保卫阵地、随行部队、舰艇编队等免受空袭兵器的打击为目的的武器系统[1]，由探测制导系统、武器控制系统、发射系统和导弹组成，其中武器控制系统是武器系统的指挥中枢，控制着整个系统的运转，系统最高级指挥员的站位设置于此，指挥人员通过人机交互系统实时监控武器系统的工作状态，制定拦截策略，下达作战命令。可见，人机交互系统是武器系统非常重要的组成部分，其设计的水平直接影响着系统的反应时间[2]，以及任务完成可靠度。

在以往武器系统的总体设计中，人机交互多采用经验设计，某一个或几个设计师的主观因素即决定了系统人机交互的风格、具体界面，这既是以前人机交互学理论尚未发展及普及的原因，另一方面也体现了在武器系统人机交互设计领域缺少规范化的设计模式。本文以“以用户为中心的设计和评估”为理论依据，对防空导弹武器系统的人机交互设计进行初步研究。

2　以用户为中心的设计和评估

以用户为中心的设计和评估，也可简称为以用户为中心的设计，是人机交互学(HCI)的一个理论方向。其最基本的思想就是将用户摆在所有过程的首位。在产品生命周期的最初阶段，产品的策略应当以满足用户的需求为基本动机和最终目的。在其后的产品设计和开发过程中，对用户的研究和理解应当作为各类决策的依据，同时，产品在各个阶段的评估信息也应当来源于用户的反馈[1]。

抛开产品设计开发过程的特殊性，设计开发过程一般遵循如图1所示的流程。

图1　以用户为中心的设计流程

3　设计过程

3.1用户与需求分析

按照以用户为中心的理论，在对一型防空导弹武器系统的人机交互进行设计之初，应从用户思维模式、系统运行模式、界面设计者模式三个角度进行需求分析[1]。

1)用户思维模式：在人机工程中，用户根据经验认定的系统工作方式以及他们在使用产品时所关心和思考的内容。防空导弹武器系统作为产品，其用户是直接操作系统运行的部队官兵，分析他们在作战过程以及平时维护过程中所关心的主要内容，大致可包括以下几个方面。

基本作战过程是怎么样的？

如何发现目标并确定要打击的目标？

何时以及如何分配目标？

何时以及如何发射导弹？

有哪些其它的可干预操作？

如何进行维护操作？

2)系统运行模式：在人机工程理论中，产品完成其功能的方式和方法，这些方式和方法都由系统的设计者决定，而人机界面则必须与产品的硬件平台、软件实现方法、关注内容等保持一致。因此，在设计防空导弹武器系统的人机界面时，必须要考虑以下几个因素：

软件的运行平台是什么？

采用哪些开发工具进行界面开发？

界面实现是否会影响战术软件的运行？

战术软件与界面实现软件如何信息交互？

3)界面设计者模式：经过用户思维模式和系统运行模式两个角度去分析防空导弹武器系统后，应当已经形成了一个较为全面的系统人机界面需求方案，此时，界面的设计者需要运用专业的人机工程理论，将需求和系统能够提供的资源进行有机地整合，形成初步的人机界面方案。主要从以下几个方面进行考虑：

确定软件的运行平台、开发环境；

确定人机交互的表现方式(图像、操作面板、声音等[2])；

确定图像界面的主要功能区域划分；

确定操作的主要事项以及时机。

3.2设计过程

3.2.1基本原则

首先明确防空导弹武器系统人机交互设计的一些基本原则。

1)以用户为中心

防空导弹武器系统的人机交互设计，目的是满足防空部队使用武器系统完成防空反导作战任务的需求。当部队使用需求与人机交互技术实现略有冲突时，设计上应迁就于用户需求；当两者具备不可调和的矛盾时，作为工业设计方应主动寻求技术上的突破，提高人机交互水平，尽最大可能满足用户需求。历来新型的人机界面设计都伴随着硬件技术的革新[4]。近年来的武器系统中开始大量采用表页显示、多层窗口显示、触摸屏等方面均体现了这一点。

2)良好的继承性和一定的创新性

防空导弹武器系统是一类特殊的产品，相较于普通商用产品而言，它更强调标准化、系列化的发展。往往一型武器系统在设计定型后，会在后续的几十年中衍生出若干个改进型号，供系统的使用者更新换代。因此，防空导弹武器系统有着“用户较为固定，需要长期保持系统升级”的特点，其人机交互设计也就要求必须保持良好的继承性，使后续发展的武器系统的操作、显示与部队已养成的使用习惯一致，与前代产品大体一致。与此同时，防空导弹武器系统人机交互设计还应具有一定的创新性，意在适应新武器的发展和用户使用需求的提高，如支持新制导体制导弹、具备协同作战态势显示及相关操作、提升用户体验等。

3)必须满足可靠性要求

防空导弹武器系统由于其重要的军事价值及工作强实时性等特点，在可靠性方面有着非常高的要求[5]。人机交互系统作为武器系统的重要组成部分，必须达到相应的标准，符合总体设计的要求。首先在硬件选用上，平台采用军方标准的显控台及相关设备，必要时可采取双冗余热备份的硬件设计模式，提高任务完成可靠度；在图像显示设计上，保证用户能够方便地获取需要的所有信息；在操作面板设计上，注意自锁键、触发键、开关、触摸屏等的使用规范，为每个功能的实现搭配合适的操作方式；在软件实现上，注意数据溢出、逻辑保护等；尤其对发射这样至关重要的操作命令，必须加以多重保护，包括硬件开关保护、软件逻辑保护等。

3.2.2设计

防空导弹武器系统人机交互设计包括图像显示设计、操作设计、声音提示设计等，其中图像显示设计和操作设计是重点，也是难点。可以按几个步骤来完成整个人机交互的设计以及开发。

1)对象模型化和对象分析

对象模型化和对象分析是将用户和任务分析的结果转化为用户界面设计的第一步。所谓模型化是指将某些概念及其关系用图的方式直观又综合地表达出来。

目标是防空导弹武器系统的核心服务对象，整个武器系统人机交互的设计应当围绕目标的属性和行为展开。目标除了本身固有的属性如类型、位置、速度，更重要的是延伸出的与武器系统作战相关的属性，如威胁等级、拦截可行性、拦截方式等。针对目标的行为可以认为是针对拦截该目标的火力通道的行为，包括火力资源分配、辅助拦截等一系列操作。目标的属性是对目标进行相关操作的主要决策来源，同时其他对象的属性也会对目标的行为产生影响，例如系统状态、弹库状态、上级命令等。

图2即是某型舰空导弹武器系统人机交互内容经过对象模型化后的表示图。

图2　某型武器人机交互对象模型化示例

2)抽象设计

根据已完成的对象模型化结果，对人机交互进行抽象设计。抽象设计主要决定系统运行的方式和方法，根据设想的系统工作流程进行人机交互的初步设计，主要设计内容包括视图内容的大致分类、不同视图模块之间的因果关系及相互调用关系、操作面板的组成及布局等。

从人机交互角度，根据关注的重点不同，防空导弹武器系统的工作流程可抽象为火力分配前和火力分配后两个主要阶段。分配前任务重点在于观察空情，确定拦截的目标以及分配火力资源；分配后任务重点在于如何快速有效地打击目标。某些系统由于系统配置或作战需求会将两个阶段的人机交互合并在一起；而某些大系统则划分独立的目标探测阶段。以某型防空导弹武器系统为例，该系统的人机交互分两级执行，主要视图模块划分及内容如图3所示。

第一级为分配前，主要观察系统状态、弹库状态、空情态势、目标列表等，使操作员能够全面了解目标属性，同时提供对目标属性进行人工干预的途径，完成目标分配工作；第二级为分配后，主要由操作者观察目标属性、发射区，完成对导弹的加电、发射、射击效果评估等操作。

操作面板设计与人机交互的两级设计相符，提供各级控制所需要的按键、开关、显示灯、数字键盘、轨迹球等。

图3　某型武器人机交互抽象设计示例

3)详细设计

在抽象设计的基础上，根据已划分的主要显示内容，对各视图模块进行详细设计，包括确定图表的大小、形式、色彩、文字、图标以及布局，尤其需要考虑不同视图模块相互调用时的操作关系，即视图的关联性设计；操作面板的设计同样包括按键的种类、大小、布局、功能等。

继续以该型防空导弹武器系统为例，其第二级人机交互的一部分界面如图4所示。采用图形、表格等直观的显示方式；显示内容按照对象(目标、分系统)以及对对象行为(是否能够发射、观察射击效果等)的影响因素分区域显示。

图4　某型武器人机交互详细设计示例

详细设计阶段由于受设计者的主观因素影响较大，往往需要采取以下两个方法来提高设计的可用性：一是充分借鉴成熟产品，尤其是同系列的前代产品经验，以保持较好的继承性；二是充分发挥集体的力量，以小组形式展开多轮设计，寻求认可度较高的设计方案。在详细设计的过程中，可以通过visio图呈现设计方案，通过PPT呈现操作逻辑，待最终方案获得总体及用户的一致认可后，以此为依据开展软件实现工作。

3.3评估与改进

人机工程学理论非常强调对产品的设计开展可评估，并以评估的结论再优化设计，采取迭代前进的方式逐步达到设计要求。常用的评估方法主要包括GOMS方法[3]、操作顺序图分析方法、错误分析法、联系链方法、THERP及海洛德法[6]等。这些方法可以量化地测量人机界面中的某些指标。GOMS方法可以预测一个有经验的操作人员完成某项操作需要的时间，THERP统计人因失误可能性与人因失误率，海洛德主要分析是否适合操作。但由于人机交互的特殊性，并不能通过一个具体的公式或者理论完美地表征整个设计的有效性，更不可能完全以理论代替人的主观感受，因此在现有的所有评估法中，还是倾向于可用性测试中的用户测试法。

根据测试地点的不同，用户测试可分为实验室测试和现场测试。实验室测试是在产品研制实验室里进行的，而现场测试则是由测试人员到用户的实际使用现场或系统联调现场进行观察和测试。后者更加贴近实际使用环境，测试对象也基本与真实产品一致，能够得到较好的反馈效果，但缺点是费时，且不容易控制；前者实现则较为容易，但需要高质量的测试设计，才有可能得到有价值的结果。

按照防空导弹武器系统的研制情况，在研制过程中应当尽量多地采取实验室测试，被测试人员可由其他岗位设计师或其他型号设计师担任，测试手段包括单机静态演示和加入仿真系统的闭合动态操作等，被测试人员在这些过程中充分感受武器系统人机交互的全过程，通过有声思考、问卷调查、访谈等多种方式帮助测试组织者收集数据，这些数据包括两类：

1)客观可测量的数据：如完成指定作战任务所需时间；完成任务时所犯错误数量；需要外界协助次数等。

2)被试者的主观感受：如参试者无法做出决策的次数；参试者因注意力被转移而不能集中在真正任务上的次数；参试者对产品的观感、判断及评价等。

利用收集的数据，对产品人机交互设计的可用性进行统计分析，寻找该方案设计下的不足之处，为进一步设计提供改进思路。

根据人机工程理论，现场测试应尽量以用户代表为测试对象，但考虑到防空导弹武器系统的用户群体为军方部队，往往在型号定型批产前很难有满足要求的现场测试机会，因此通过从已批产型号的部队使用反馈意见中提取有用的信息，成为了改进设计的重要手段。

4　结束语

防空导弹武器系统人机界面设计是武器系统总体设计中一项重要的工作，它直接关系着用户的使用体验，对设计单位的声誉有着直接的影响。随着以用户为中心的设计与评估这一人机工程理念在商用产品设计中愈发普及，军用产品也应以此理论为依托，规范武器系统人机界面的设计流程，提高设计水平，以满足用户的使用需求。

[1]董建明,等.人机交互—以用户为中心的设计和评估[M].北京: 清华大学出版社,2010.

[2]汪汇川,等.舰炮武器系统人机界面发展综述[J].指挥控制与仿真，2012，34(2):1-4.

[3]谷师泉,等.火控软件的人机界面测试方法[J].火力与指挥控制,2007(6):113-116.

[4]魏玮,等.基于用户体验的人机界面发展趋势[J].北京航空航天大学学报,2011(7):868-871.

[5]于亮,等.武器装备人机界面设计原则分析[C].济南：第三届和谐人机环境联合学术会议(HHME2007)论文集.

[6]李珞铭,等.人机工程评价研究概况[J].人类工效学,2010,16(2):78-80.

Human-Computer Interface Design of Air-Defence Missile Weapon System Based on User-Centered Design and Evaluation

CAO Ying-ying,WANG Lei，HUI Yi

(Shanghai Institude of Mechanical & Electrical Engineering ,Shanghai 201109 ,China)

As air defence missile weapon system is constantly upgrading,conflict on the complexity of function and the simplicity of operation becomes obviously.In order to optimize the human-computer interface design of air defence missile weapon system,the theory of user-centered design and valuation in HCI is applied.Based on the theory mentioned above,the design process is divided into three stages: consumer and requirement analysis,design,evaluation and improvement.In each stage,working thoughts and key points are given.Application in actual project indicates that the method discussed can regulate the design process and rasie the design capability.

air defence missile weapon system; human-computer interface; user-centered design

1673-3819(2016)05-0127-04

2016-05-17

2015-05-19

曹颖颖(1985-)，女，山东潍坊人，硕士，工程师，研究方向为武器控制系统设计。

王磊(1986-)，男，硕士，工程师。

惠轶(1974-)，男，硕士，研究员。

E927；TJ761.1

ADOI:10.3969/j.issn.1673-3819.2016.05.028