潜艇作战系统人机界面综合评估∗

王永洁 龚 纯 田立业

（1.海军潜艇学院 青岛 266199）（2.中国舰船研究设计中心 武汉 430064）

1 引言

人机界面（Human-Computer Interface，HCI）是人与软件、硬件的交互部分，凡参与人机信息交流的一切领域都属于人机界面［1］。潜艇作战系统由潜艇火控系统和武器组成，而火控系统多功能显控台的人机界面是操作人员与作战系统完成信息交互的主要途径。潜艇作战系统技术密集、信息域多变、人机界面显示及操作复杂，人机界面设计是优化作战系统人机匹配，充分提升作战系统效能的重要保证。潜艇作战系统多功能显控台人机界面设计应使多功能显控台更好地满足作战使用的要求，使多功能显控台的操作高效、可靠，降低对设备数量、人员数量和人员训练的要求。

潜艇作战系统人机界面评估的目的是根据评估结果，对潜艇作战系统多功能显控台人机界面进行改进，消除不利因素，以达到操作人员与潜艇作战系统的最优融合。人机界面的评估方法主要有主成分分析法、模糊聚类分析法和模糊集合理论等［2～3］，这些评估方法计算过程复杂、实际应用困难。本文采用基于改进层次分析法的评估方法，简单有效，通过专家可信度来综合不同专家的评估结果，使评估结果更加全面客观。

2 潜艇作战系统人机界面评估指标体系

2.1 潜艇作战系统人机界面的评估标准

潜艇作战系统人机界面设计的目的是让用户更加方便、高效使用潜艇作战系统，潜艇作战系统人机界面综合评估标准主要包括以下六个方面：

1）屏幕布局的合理性

潜艇作战系统人机界面设计，要根据显控台的功能，合理安排显控台屏幕布局，划分屏幕功能区域，合理安排屏幕功能区域的对齐方式、相互间距和视觉层次等，符合用户的操作习惯，让用户可以快速、准确地发现操作对象。潜艇作战系统各多功能显控台的屏幕布局风格要保持一致，方便用户操作。

2）色彩搭配的合理性

颜色的使用在人机界面设计中非常重要，成功的色彩搭配令人过目不忘。潜艇作战系统人机界面的色彩要按照行业标准和用户视觉习惯，合理进行搭配，色彩种类不宜过多，主色基调沉稳、冷静，各界面色彩搭配风格保持一致，降低用户的视觉疲劳感，增加用户的舒适感［4］，重要信息用颜色凸显出来，方便用户迅速识别。

3）软件元素设计的合理性

潜艇作战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，要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。

4）功能显示的完备性

潜艇作战系统人机界面反映的是多功能显控台的作战功能，人机界面要把用户所有需要输入和输出的功能信息全部显示出来，以便完备地发挥潜艇作战系统的所有作战功能，同时要根据信息的重要程度，合理控制信息冗余量。

5）人机工程的合理性

潜艇作战系统多功能显控台的设计要符合操作人员的人体特征、心里特征和耐受能力。显控台的显示器、触摸屏、鼠标和键盘等操控部件布局合理，符合操作人员的使用习惯，操作时互相不受影响，不影响观察屏幕，操作最频繁的部件应当安装在最可达的位置。显控台需要设置敌情、故障等重要信息的声、光告警装置，且告警信息要及时、准确、鲜明［5］。

6）人机交互的便捷性

潜艇作战系统多功能显控台屏幕界面信息量巨大，人机交互的便捷性至关重要，人机界面需要容易学习［6］、容易使用、操作速度快、交互方式简单高效，让用户能够快速、便捷地使用显控台的软、硬件资源。同时要根据装备功能特点合理控制人工干预的比例，人工干预的比例高，人机交互的灵活性好但会降低人机交互的速度，人工干预的比例低，人机交互的速度快但会降低人机交互的灵活性。

2.2 潜艇作战系统人机界面评估指标体系的建立

美国海军AN/BSY-2潜艇作战系统使用11个具有基于标准键盘、跟踪球控制、触摸屏技术和六数据显示人机交互接口的AN/UYQ-70显控台［7］。德国海军ISUS90潜艇作战系统多功能通用显控台使用两个高分辨率20英寸平面彩色显示器和商用组件，采用基于Windows操作系统的人机交互接口［8］。有关潜艇作战系统结构组成和人机界面具体内容见参考文献。

潜艇作战系统人机界面评估指标体系是由多种评估指标组成的指标系统，在指标体系中，每个指标对潜艇作战系统人机界面的某种特征进行度量，共同形成对其的完整描述。潜艇作战系统人机界面评估涉及的因素很多，结合潜艇作战系统人机界面评估标准和技术使用特点，潜艇作战系统人机界面评估指标体系包括：显示能力、任务能力、控制能力、共用性、易用性、协同性和友好性七个方面，见图1。

潜艇作战系统人机界面的显示能力是指能够及时、准确、详细、可靠地显示各火控系统显控台的内容，包括各种图形、视频和数据等。任务能力是指潜艇作战系统在执行各种作战任务时，人机界面都能够满足数据处理的能力［9］。共用性是指在共用计算显控设备上，根据作战任务需要，通过动态配置相关的应用功能软件，实现计算显控设备的共用。易用性是指人机界面容易理解和容易操作，人机界面容易理解，操作人员获取有效信息的时间短，人机界面容易操作，人员操作的速度快、正确率高［5］。协同性是指潜艇作战系统在完成攻击或防御等任务时，火控系统相关显控台互相配合，操作方便。友好性是指潜艇作战系统各显控台人机界面不仅要符合一般软件界面的友好原则，而且要符合军用软件的使用习惯，符合潜艇文化。控制能力是指显控台人机界面能够精确、可靠地控制信息交互，并且具有良好的可维修性和适人性。

图1 潜艇作战系统人机界面评估指标体系

3 潜艇作战系统人机界面综合评估方法

本文采用层次分析法（AHP）来评估潜艇作战系统人机界面性能优劣，把影响潜艇作战系统人机界面的各种因素进行层次分解，然后通过两两比较的方法确定每一层的各因素相对重要性的权系数，最后计算综合评估结果。由于层次分析法中大量使用专家打分的方式建立判断矩阵，所以专家的可信度至关重要，参加打分的专家既有科研人员也有使用人员，不同类型专家打分的角度不同，评估结果可能会有一定的冲突［10］，所以本文对层次分析法进行改进，采用专家可信度来提高评估结果的客观性和全面性。

具体评估过程如下：

1）建立层次结构

潜艇作战系统人机界面综合评估的目标层是人机界面的综合性能，准则层包括潜艇作战系统人机界面的显示能力、任务能力、控制能力、共用性、易用性、协同性和友好性七个方面，指标层是准则层具体体现，见图1。

2）确定专家可信度

层次分析法采用专家打分时，由于专家类型不同、水平高低不同，专家的权重也应当不同［11］。本文用学历、职称和相关项目曾获奖情况来量化评估科研型专家的可信度，用学历、职务和装备使用年限来量化评估用户型专家的可信度，专家可信度如表1所示。

表1 专家可信度

假设专家数量为l个，第k个专家的的可信度为

专家可信度向量为S=[S1，S2，S3，…，Sl]。

3）建立评估判断矩阵并进行一致性检验

在进行元素两两比较时，本文采用1-9比例标度法来量化元素的相对重要性［12］，比例标度的内容如表2所示。

表2 比例标度内容

按照表2中的比例标度对各层元素进行两两比较，得到数值aij，建立评估判断矩阵：

判断矩阵的特征方程为［10］

判断矩阵的权重向量为W，最大特征根为λmax，通过计算一致性比例CR来进行一致性检验，通过调整判断矩阵的元素取值，使CR的值小于0.1，达到一致性要求，具体计算过程见参考文献［10］。

4）计算评估结果

根据潜艇作战系统人机界面综合评估的层次结构，单个专家的评估结果：

根据图1所示，指标层的元素数量m=22，准则层的元素数量n=7。结合专家可信度向量和单个评估计算结果，可以计算出综合评估结果：

本文把专家可信度向量与各个专家评估结果相乘，不但可以减少计算量［10］，还可以提高评估结果的客观性。如果对多个不同的潜艇作战系统进行人机界面评估比较，可以根据综合评估计算值U的大小，进行人机界面综合性能的优劣排序。

4 算例分析

本文选取5位专家对某国外潜艇作战系统仿真显控台人机界面进行综合评估，专家可信度评估表数据如表3所示。

表3 可信度评估表

由式（1）得到专家可靠度向量：

评估指标采用五级划分［10］：90～100分为优、80～89分为良、70～79分为中、60～69分为差、0～59分为劣，专家的指标打分见如表4所示。

表4 指标打分表

由于潜艇作战系统人机界面评估的判断矩阵数量比较多，这里不再罗列，评估计算结果如表5所示。

表5中的综合评估结果是5位专家评分结果与专家可信度向量乘积的和，该潜艇作战系统仿真显控台人机界面综合评估结果为良。计算结果表明：本文的评估方法计算简单、全面客观，适用于潜艇作战系统人机界面的综合评估。

表5 评估结果

5 结语

随着武器装备的不断发展，人机交互越来越发挥重要作用，用户在装备软件的友好性、可操作性和操作舒适性等方面提出了更高的要求。人机界面设计是潜艇作战系统研制的一个重要环节，直接影响到潜艇作战系统作战效能的发挥。本文对潜艇作战系统人机界面的评估方法简单有效，人机界面评估指标体系科学合理，对潜艇作战系统人机界面的设计有很好的指导意义。