舰船系统人因工程应用要点

施红旗，赵俊涛，李毅舟

(武汉第二船舶设计研究所, 湖北 武汉, 430064)

0 引 言

本文主要对舰船系统人因工程（HFE）内涵、难点、设计方法和工具进行探讨。人因工程作为系统工程学科，旨在将人类整合到复杂的系统中，该学科对行为科学和工程学进行整合，在系统设计中充分考虑使用、维修、管理等方面人员的能力、限制、需求和期望。人因工程在欧洲也被称为人体工程学（ergonomics），美国国防部和美国海军称为人系统集成（HIS），美国陆军称为人力资源与人事管理一体化（MANPRINT），NASA 的乘员系统集成（CSI）以及美国海岸警卫队的人员预防（PTP）[1]。人因工程作为系统工程学科，研究内容主要包括：1）人为因素；2）人与系统整合目标；3）人与系统整合分析方法；4）设计原则和标准，以及人员绩效能力特征数据；5）人与系统整合有效性评判[2]。

1 舰船系统人因工程要求

1.1 人为因素

人因工程中需要考虑人为因素，在系统设计中应充分考虑用户角色、责任和要求，系统硬件、软件和程序设计中应充分满足个体、团队需求，并满足环境安全。人因工程中所主张的系统集成，将人作为系统的一部分，并对其与其他系统元件进行整合，整合对象包括硬件、软件、程序、环境、信息、组织因素、其他人员和系统产品等。

1.2 人与系统整合目标

人与系统整合的第一目标是将人整合到系统中。主要评判标准包括：1）系统设计充分考虑人为因素；2）减少人为失误的发生率和影响；3）降低船员配备水平以及技能和培训要求；4）提高培训效果；5）提高操作和应急程序的有效性；6）消除或管控对人类安全和健康的危害。

1.3 人与系统整合分析方法

人与系统整合工作从人机系统需求分析开始，通过识别、分析和集成，将系统功能分配给操作人员或自动化操作，从而明确人员在系统中的角色。在确定和分析人员角色和人员能力之后，重点解决人机界面设计问题。设计重点包括：降低人为失误设计、信息产品设计、作业和程序设计、人机界面设计和环境设计等。整合设计总体目标是提高系统中人员的绩效、生产力和安全性，从而提高系统性能、生产力和有效性。人与系统整合效果评估内容包括：1）可用性，该指标考察系统对用户需求的响应程度；2）可操作性，系统更易于操作，人为失误、培训负担、人员数量以及执行任务时间都得以减少，任务得到了简化，操作员更满意，心理压力降低；3）可维护性，在充分考虑人员局限性，并提供安全工作环境基础上，设计良好维护流程，以易于理解的方式提供维护者所需的信息，以及通过提供决策辅助来支持诊断和维修决策，提高系统的可维护性；4）安全性，设计中充分考虑系统人员的安全，通过系统设计、警报和警告设置以及培训来识别潜在的危险情况并减少危害。

1.4 特征数据库

人因工程学科依赖于人类能力数据来确定在系统运行中支持人类能力的需求，人员基础能力包括：1）生理特性，即视觉、听觉、睡眠、疲劳和生物节律等；2）认知心理特性，即感觉、记忆、判断、理解和决策等；3）物理特性，即人体静动态尺寸、生物力学和操作力量等[3]。该学科在人机界面的详细设计中还依赖于人因工程设计原则、指南和标准[4]。

1.5 人因工程有效性评估

人因工程有效性评估包括：1）人因工程应用的充分性；2）系统对人因工程要求的满足情况；3）基于人因工程的系统替代方案考虑；4）系统设计中人员效能和安全性问题。

人因工程在舰船系统设计、开发和评估方面应用范围很广，需要涵盖人员效能和安全因素的所有方面，但最具挑战性的3 个问题为：1）如何减少人为失误的发生率和影响；2）如何减少人力负荷和系统人员配备水平；3）如何确保人员达到所需要的认知能力水平。

2 舰船系统人因工程设计目标

舰船系统人因工程的最大目标是能够提高人员认知能力并最大限度地减少或消除人为失误。工程技术人员经过通盘分析验证，在不对操作技能或培训提出新的要求，且人员可靠性和安全性得到保证的前提下，尽可能减少人员编制。

2.1 提高认知能力

人类认知功能高度复杂，涉及理论体系庞杂，但基本遵循经典信息处理理论的经典控制理论。认知行为简单模型如图1 所示。

图1 认知行为简单模型Fig.1 Simple model of cognitive behavior

现代舰船配置了大量的传感器，向信息决策系统上传大量信息数据，这些数据往往会影响舰船指挥人员的快速决策能力。舰船系统人因工程需要解决信息管理问题，包括：信息的流动，信息的完整性、准确性、及时性和可用性，信息在需要时的可用性。随着数据来源的提升，舰船人因工程研究迫切需要开发和集成信息管理技术，以确保信息传输的及时性、响应性，以及适当的颗粒度，并且信息传达到用户时应根据需要差异化提供，以减少人员反应时间和人为失误。一旦人机界面设计不良，导致信息传递不满足快速决策要求，往往会要求增加额外的培训。而培训通常过于关注知识获取，而不是信息管理技能的获取；其次对培训后人员表现的衡量重视程度太低，对团队培训获取团队能力往往关注不够。

2.2 减少人为失误

人为失误是影响舰船安全的主要威胁。国际海事组织秘书长在1994 年世界海事日指出，高达80%的海上事故是由人为失误造成的[5]。Meister[6]根据错误的原因区分了3 种类型的人为失误：系统引起的错误、设计引起的错误和操作员引起的错误。1）系统引起的错误反映了整个系统设计方法上的缺陷，缺陷包括人员数量和类型、培训、数据资源、逻辑、后勤以及维护保障方面的错误；2）设计引起的错误源于特定设备设计缺陷，由此导致操作员使用不当，增加出错可能；3）操作员引起的错误主要原因为个人能力不足，包括能力不够、培训不足、技能欠缺、动机或疲劳而导致的错误。

人员状态与犯错概率有一定关系，状态因素包括疲劳、迷失方向、分心、动机、遗忘、自满、混乱、不正确的期望、过度的压力、无聊、技能和知识不足，以及知觉或认知能力不足或受损。这些因素肯定会导致错误的发生，在某些情况下甚至会导致错误。

众所周知，外部因素会影响人为失误的可能性。工作或任务的要素，设备的设计，操作程序和培训都会导致潜在的错误。这些外部因素可以分为情境因素和设计因素。情境因素包括：任务困难、时间限制、干扰活动、通信不良和工作量过大。设计因素主要是在系统硬件、软件、流程、环境和培训等方面可能存在的人为失误。设计因素包括：人机界面设计特点，信息特征（可用性、可访问性、可读性、时效性、准确性等），工作空间设置，操作流程，环境和培训等。

2.3 减少人员编制

现代舰船系统对人员配置以及人员能力提出了严格要求，对操作人员感官、运动和认知技能以及决策能力要求极高。舰船系统、设备和人员的复杂组合，以及任务环境中快速规划、安排和部署任务要素的要求，可能相互交织在一起，给舰员带来难以为继的工作量，并且对不同来源数据的整合、协调和辨识工作已经接近达到人类能力极限[7]。传统上，可通过增加人员编制的办法解决工作量增加问题。然而，由于人口趋势以及预算降低要求，缩减新研装备人员编制正成为发展方向。人因工程学科的挑战就是适应人员缩编，无需增加技能或培训的额外成本，且对人员可靠性、效能和安全性方面无不利影响前提下，优化人机界面。

3 人机界面设计

3.1 人机功能界面

在硬件设计时，人机功能界面需要考虑的因素包括：1）人与自动化在系统操作、控制、维护和管理中的作用；2）人的职能和任务；3）人员在自动化过程中的作用（监视、管理、监督、干预等）。

在需求设计梳理时，理清人与自动化的功能分配，重点考虑人在系统中的角色。该角色功能包括系统中人的功能或任务的要求，或者可能涉及自动化性能的监视，人员角色可能会随着操作条件的变化而变化。因此，综合考虑工作负荷、工作时长或任务优先级等因素，由人员执行某些任务相反而有利于系统自动化。

3.2 人机信息界面

人机信息界面主要用于人员完成其在系统中功能或任务，界面特征包括信息访问、信息录入、信息更新、信息验证、信息传输和存贮，以及这些信息交互的方式等。现代舰船系统人机信息界面注重设计理念、标准、工具和数据研究，以管理整个系统中的信息流，提高信息准确性、及时性和可用性。信息化管理已成为系统有效性的主要问题，也是人与系统整合面临的主要挑战。良好的人机信息界面往往在操作员需要时以易于阅读和理解的形式提供信息，并在不同任务场景下以差异化最优形式呈现。

3.3 环境界面

环境界面包括：物理环境（照明、噪声、温度、振动、舰船运动、气候影响等），工作空间布置，设施配置以及环境控制。设计中应根据任务场景配置人员生活、工作环境，充分考虑人员耐受、舒适以及安全要求，同时要考虑人员的长期和短期暴露健康风险。环境设计要充分考虑人员工作模式、空间桥接、物资中转需求，也要考虑环境健康标准、生物医学要求和风险识别。

3.4 操作界面

操作界面包括：操作、维护和应急处置程序，工作负荷，人力技能要求，人员配备水平，系统时间响应。操作界面的主要影响是人为失误概率和安全性。人因工程科学通过标准流程完善设计，确保与人员的阅读/语言/技能水平兼容，通过降低人员工作负荷达到降低错误概率，提升安全性的目的。主要优化方法包括：1）通过系统自动化水平降低人员工作负荷，进而减少人为失误；2）简化人员操作功能，减少对人员体力、认知和运动感知任务需求；3）对系统中人员角色进行识别分析，采取业务整合和交叉培训方式，降低人员平均工作负荷，降低人为失误；4）探讨功能消减的可能性，或将某些功能转移到外部系统，优化人员技能和人员配置解决人员可用性和能力约束条件下的有效安全执行分配任务的能力。

3.5 组织界面

组织界面是指对运行管理、政策实施、人员作业安排和运行数据具有影响作用的要素。优化工作包括岗位职责、作业、权责、任务及决策，每个岗位职责和任务必须现实可行，岗位职责符合规章制度要求，执行任务所需数据信息真实有效、直观显示。

3.6 协作界面

该界面主要与沟通、协作和团队绩效有关。人因工程设计中针对协作界面的优化目标旨在改善界面和信息。界面优化工作包括语音清晰度和通信设备的可操作性等。信息优化工作包括信息标准化、规范用语、规范语法、特定词汇、信息优先级描述、人为失误预防机制等。在团队协作和管理中，强调团队互动、领导力/执行力、沟通的清晰性、工作量分配、团队合作优化等。

3.7 认知界面

认知界面主要包括决策规则、信息集成、问题处置、培训材料和系统、短期记忆辅助工具、认知结构图和情境感知。对于认知界面，重点保证信息、数据等的可用性和真实性。具体要求包括：1）人机界面符合操作人员的认知、感知和记忆能力；2）软件操作命令易懂；3）标准化显示器，且显示内容便于阅读，易于理解；4）便于情景感知，操作员总是知道在哪里找到问题；5）操作流程逻辑一致；6）用户文档清晰易读；7）在线专家系统可快速响应操作员需求；8）仅在用户需要时提供所需信息数据；9）用户熟悉如何获取索取信息数据。

3.8 物理界面

物理接口是指人员在执行特定任务时与之交互的装备，结构、站位要素，包括：工作站、控制面板和控制台，显示器和显示元件（屏幕、窗口、图标、图形），控制器，数据输入和操作设备（键盘、动作按钮、开关、手控制器），标签和标记，结构组件（门、梯子、把手等）以及其特征。物理界面优化工作内容包括：1）符合人因工程指南和标准；2）采用实体模型、几何模型和虚拟仿真等方式验证其可操作性、可用性、可维护性和安全性。

经过人因工程优化的物理界面具有以下特点：

1）显示信息意图明确、可读、完整、准确、实时、完善、清晰、整洁，易于与操作动作及其他显示信息关联，信息反馈及时有效；2）控制器易于操作、易于辨识、可达性好、重复性好、复合预期和操作惯例；3）控制面板和控制台按照功能、操作顺序和优先级设置显控功能；4）操作流程应逻辑正确、结果一致、简单直接，并提供反馈信息；5）满足人员耐受、舒适和安全的环境，考虑任务条件下的长期和短期暴露风险。

4 人员减配设计

人因工程方法在面临人员减配问题时，首先基于人机功能分配明确人员编制要求，并据此设计人机界面，确保系统操作和维护工作在人员减配情况下可安全有效执行。人员减配目标的实现，有赖于减少人为失误和提高认知能力，并采用人因工程方法优化操作流程，降低人员生理、认知和感知负荷。优化操作流程方法包括：重新分配艇员、机器，以及其他艇员工作量；岗位优化整合，简化岗位任务。通过简化岗位任务以及优化人机界面设计，减少人员配置的同时降低人为失误已经有较多成功案例。

现代舰船中大量应用自动化系统，系统一般很少为纯手动或纯自动，大多数为半自动的，人在自动化操作中角色往往是启停者、监控者、管理者，某些情况下为干预决策者，需要从自动化过程中接管控制权，人机交互工作量日益增加。因此，人因工程优化的重点是明确人员在系统中的角色，而不是简单将系统功能分配给人或机器。为此，人员减配应用到的主要技术包括：1）人因工程设计原则、标准和方法；2）任务简化策略；3）决策辅助和人力辅助技术。前2 种技术是面向过程的，采用人因工程设计流程来减少工作量和人员配备；第3 种技术是面向产品的，开发各种面向岗位人因或维护人员的辅助工具，如当前较多舰船要求提供电子交互手册。人员减配工作流程如图2 所示，流程步骤如表1 所示。

表1 人员减配流程步骤Tab.1 Personnel reduction process steps

图2 人员减配工作流程Fig.2 Work flow of personnel reduction

5 人因工程辅助工具

5.1 人机系统设计分析工具

为了深化和拓展人因工程在船舶系统的设计与应用，需要建立能够描述、解释和预测人员行为与决策的计算仿真模型，建立人机系统整合模型及仿真系统，以及开发相关的人因建模与仿真软件平台。重点开展疲劳和负荷的生物学模型、人员作业能力的可计算模型、人机系统演化过程建模、不同任务及环境的人机系统仿真、人机系统演化过程建模、不同任务及环境的人机系统仿真、人机系统建模与仿真等工具平台。在孪生技术和认知知识图谱技术的推动下，构建智能化人机系统仿真的理论方法及工具，对舰船系统的效能和安全性做出及时的评估和预测[8]。

5.2 认知能力工具

针对设计结果构建认知分析设计工具，针对人机界面中有关信息收集和整合、任务决策、问题处理、短时记忆、故障诊断、态势分析等认知需求分析工作，结合认知任务中可能的持续时间、频率、信息有效性、可投入人力等因素快速预计和评估。

针对关键设备开发智能决策支持工具，将数据库、联机分析处理、数据挖掘、模型库、知识库结合起来形成智能决策支持系统，具备在线帮助、智能辅导、人机协同运行、远程维护、智能交互、运维人员辅助等功能，将可提高船员认知能力、缩短决策时间、聚焦重点事项能力。

5.3 人为失误分析工具

针对人机交互原型或实际装备，开发人为失误分析工具，该工具的目标是识别船员执行的每个任务中潜在的或实际发生的人为失误及提示情况，分析失误对船员效能、安全、环境、系统/设备运行、任务成功的影响，并对每种失误情况进行规避风险分析，给出处理措施。

5.4 人员编制优化工具

开发编制优化工具，其核心作用是识别船员在系统运行和维护中的作用，并开展替代可行性分析。具体优化工作是按照将系统功能分配给人、机器或者两者的任意组合，评估最佳效果，给出最佳方案。针对单个操作员和维修人员以及乘组根据任务序列进行建模，评估工作负荷分配的合理性以及任务分配方案合理性。

6 结 语

将人员整合到复杂舰船系统中，并确保其安全、高效工作的方法、工具和数据，即为人因工程设计方法。这些方法、工具和数据可有效解决舰船系统设计中持续面临的3 个设计挑战：提升人员认知能力；减少人为失误；降低工作负荷并缩减人员编制。

人因工程设计方法给出的解决方案包括：1）人因工程设计过程中贯彻自上而下的系统工程方法；2）强调系统中人的核心作用、效能、创造力、可靠性和安全性；3）利用建模和仿真等工具开展人因工程分析、设计和评估，并形成规范化文本；4）针对硬件、软件、程序、环境、信息、组织因素、其他人和系统产品，重点分析和设计船员与其之间的所有接口；5）对人因工程设计理念和落实情况进行有效性评估；6）开发人因工程设计工具和数据库，推进人因工程设计方法在工程中的应用[9]。