基于人因工程的雷達(dá)顯控臺(tái)設(shè)計(jì)研究*

張梁娟，胡長明，江 帥，田 勝

（1. 南京電子技術(shù)研究所，江蘇 南京 210039；2. 中國電子科技集團(tuán)公司第十四研究所，國家 級工業(yè)設(shè)計(jì)中心，江蘇 南京 210039）

引 言

雷達(dá)裝備作為“三軍之眼”，是獲取陸、海、空、天戰(zhàn)場全天候戰(zhàn)略情報(bào)的重要手段之一。在信息化的發(fā)展趨勢下，雷達(dá)操作人員需及時(shí)關(guān)注戰(zhàn)場態(tài)勢并迅速作出決策，雷達(dá)裝備的人機(jī)功能分配、操作可靠性、人員舒適性與作戰(zhàn)效能密切相關(guān)。

雷達(dá)顯控臺(tái)承擔(dān)雷達(dá)狀態(tài)的監(jiān)控、信號檢測、目標(biāo)監(jiān)視及目標(biāo)參數(shù)讀取等功能，作為雷達(dá)裝備中用戶參與度最高的人機(jī)系統(tǒng)，具有技術(shù)要求高、使用環(huán)境惡劣、安全可靠性要求高、人機(jī)交互密切等特性[1]。雷達(dá)性能技術(shù)指標(biāo)在持續(xù)提升的同時(shí)，操作人員需要處理的信息量也在大幅增加，因此如何提升雷達(dá)顯控臺(tái)在便捷操作、高效交互、舒適使用等用戶體驗(yàn)方面的性能成為雷達(dá)裝備研制過程中的重要內(nèi)容[2]。

本文以雷達(dá)顯控臺(tái)為對象，基于人因工程理論，開展了設(shè)備工效性設(shè)計(jì)和交互界面設(shè)計(jì)，并通過數(shù)字化建模仿真對設(shè)計(jì)對象進(jìn)行人機(jī)系統(tǒng)評估，最后對雷達(dá)顯控臺(tái)人因工程技術(shù)的未來發(fā)展方向提出建議，以促進(jìn)人因工程技術(shù)在雷達(dá)顯控臺(tái)設(shè)計(jì)中的廣泛應(yīng)用和蓬勃發(fā)展。

1 人因工程概述

1.1 人因工程定義

目前，人因工程在國際上尚無統(tǒng)一的術(shù)語，北美多稱“人因工程學(xué)”，歐洲則稱“工效學(xué)”，我國學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域稱“人類工效學(xué)”，在大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用中，可將上述術(shù)語視為同義詞。根據(jù)國際工效學(xué)聯(lián)合會(huì)對人因工程學(xué)的定義，人因工程主要研究人在工作環(huán)境中操作機(jī)器的工作效率，人的健康、安全和舒適性等問題[3]。人因工程的核心是以人為本，著眼于提高人的工作效率，防止人的失誤，在人員安全舒適的條件下，統(tǒng)一考慮人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)總體性能的優(yōu)化。

1.2 人因工程發(fā)展歷程

人因工程學(xué)最早出現(xiàn)于19世紀(jì)末20世紀(jì)初，美國管理學(xué)家F. W. Taylor通過著名的鐵鍬實(shí)驗(yàn)，研究工具對人的生產(chǎn)效率的影響，標(biāo)志人因工程學(xué)的萌芽[4]。第一次世界大戰(zhàn)期間，為了使操作人員適應(yīng)飛機(jī)、潛艇等現(xiàn)代化裝備，各國開始重視人員的選拔和訓(xùn)練，人因工程學(xué)得到進(jìn)一步發(fā)展，該時(shí)期的研究特點(diǎn)是強(qiáng)調(diào)人對機(jī)器的適應(yīng)。第二次世界大戰(zhàn)期間，高性能、大威力的武器裝備投入使用，但新式的武器裝備操作復(fù)雜，不符合操作人員的生理、心理特點(diǎn)，事故率不斷上升，人們逐漸意識到“人”的重要性，在設(shè)計(jì)武器裝備時(shí)更多地關(guān)注人的生理、心理負(fù)荷和疲勞特性，該階段人因工程學(xué)的研究重點(diǎn)從人對機(jī)器的適應(yīng)轉(zhuǎn)向機(jī)器適應(yīng)人。20世紀(jì)60年代以后，伴隨工業(yè)化水平的提升，自動(dòng)控制裝置開始廣泛使用，人-機(jī)-環(huán)三者之間的關(guān)系愈發(fā)復(fù)雜，人因工程學(xué)的研究重點(diǎn)從人機(jī)關(guān)系研究變?yōu)槿藱C(jī)交互研究，涉及的相關(guān)專業(yè)也不斷拓展，主要有生理學(xué)、心理學(xué)、管理學(xué)、解剖學(xué)等[5]。美國工程院院士Gavriel Salvendy編撰的《人因和工效學(xué)設(shè)計(jì)手冊（Handbook of Human Factors and Ergonomics）》系統(tǒng)而全面地介紹了人因工程的細(xì)分領(lǐng)域，涵蓋了大量研究案例和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，促進(jìn)了人因工程學(xué)在國際上的迅速發(fā)展[6]。

我國人因工程學(xué)起步較晚。1985年，文獻(xiàn)[7]基于載人航天的研究工作概括性地提出“人-機(jī)-環(huán)系統(tǒng)工程學(xué)”的學(xué)科概念，強(qiáng)調(diào)了人因工程學(xué)的廣泛應(yīng)用和系統(tǒng)工程的特點(diǎn)，推動(dòng)了人因工程學(xué)在國內(nèi)的起步及發(fā)展。1989年，中國人類工效學(xué)學(xué)會(huì)（Chinese Ergonomics Society, CES）的成立，標(biāo)志著我國人因工程學(xué)進(jìn)入快速發(fā)展階段。在民用產(chǎn)品方面，人因工程學(xué)在汽車行業(yè)和民機(jī)行業(yè)得到迅速發(fā)展，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程中充分融入了人因工程設(shè)計(jì)和評估方法，有效提升了產(chǎn)品的用戶滿意度[8-10]。在軍事裝備方面，航天航空和海軍裝備相關(guān)單位在人因工程學(xué)領(lǐng)域開展了大量研究工作。中國航天員中心成立了人因工程國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，系統(tǒng)研究航天飛行中人的防護(hù)需求和能力變化規(guī)律，為載人航天工程發(fā)展提供技術(shù)支撐[11]。中國船舶工業(yè)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院成立了艦船人因工程實(shí)驗(yàn)室，完成深海隔離密閉訓(xùn)練系統(tǒng)、艦船人因工程輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)、人因工程學(xué)座椅等科研項(xiàng)目，助推海軍裝備人機(jī)系統(tǒng)使用效能的提升[12]。在雷達(dá)裝備領(lǐng)域，針對顯控臺(tái)人機(jī)交互密切的特性，國內(nèi)學(xué)者結(jié)合人體尺寸數(shù)據(jù)、操作習(xí)慣和造型風(fēng)格，開展了基于工作空間、視野和操作范圍、顯控交互界面的顯控臺(tái)人性化設(shè)計(jì)研究[13-16]。

以中國電子科技集團(tuán)公司第十四研究所工業(yè)設(shè)計(jì)中心為代表的科研單位結(jié)合我國雷達(dá)裝備研制的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和人因工程理論，研制了一系列造型美觀、交互高效、使用舒適的雷達(dá)顯控臺(tái)，如圖1所示。艦載系列顯控臺(tái)具有環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，以海燕為形象參照，塑造靈動(dòng)、穩(wěn)健、剛?cè)岵?jì)的風(fēng)格形象；車載、地面系列顯控臺(tái)具有可靠性高的特點(diǎn)，以盾牌為形象參照，塑造硬朗穩(wěn)健、富有威懾的風(fēng)格形象；機(jī)載系列顯控臺(tái)具有輕量化的特點(diǎn)，以雄鷹為形象參照，塑造銳利機(jī)警、輕盈精巧的風(fēng)格形象。家族化的造型設(shè)計(jì)結(jié)合鑄造、鈑金、機(jī)加工、碳纖維鋪層、親膚涂層等多種工藝方式，提升顯控臺(tái)在力學(xué)、美學(xué)、人因工程學(xué)等方面的綜合性能，在方艙、指揮大廳等多種場景（圖2）下得到充分驗(yàn)證和應(yīng)用，獲得用戶的一致好評。

圖1 雷達(dá)顯控臺(tái)設(shè)計(jì)案例

圖2 雷達(dá)顯控臺(tái)應(yīng)用場景

1.3 雷達(dá)顯控臺(tái)人因工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)

人因工程作為綜合性、多學(xué)科融合的交叉學(xué)科，在工程技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛，人因工程設(shè)計(jì)逐漸成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程中的重要環(huán)節(jié)。為滿足現(xiàn)代化作戰(zhàn)需求，雷達(dá)顯控臺(tái)需要顯示的目標(biāo)信息量成倍增長，給操作人員的生理和心理帶來巨大的工作負(fù)荷。雷達(dá)顯控臺(tái)的人因工程設(shè)計(jì)需從設(shè)備工效性設(shè)計(jì)、交互界面設(shè)計(jì)和人機(jī)系統(tǒng)評估三方面著手，以降低操作人員的工作負(fù)荷和疲勞度，提升操作效率和體驗(yàn)舒適性。

1.3.1 設(shè)備工效性設(shè)計(jì)

作為復(fù)雜人機(jī)系統(tǒng)，雷達(dá)顯控臺(tái)設(shè)備工效性的優(yōu)劣影響到操作人員能否及時(shí)接收和處理大量的監(jiān)測信息，與雷達(dá)裝備的任務(wù)完成效率息息相關(guān)。顯控臺(tái)的設(shè)備工效性設(shè)計(jì)應(yīng)基于容膝空間、人體手部操作范圍、人體視線區(qū)域等人員生理特征，結(jié)合顯控臺(tái)的顯示器、按鈕、鍵盤、鼠標(biāo)、操作面板等器件的使用特性，更多從操作和維護(hù)便捷、用戶體驗(yàn)舒適等方面考慮，提出設(shè)備工效性的系統(tǒng)解決方案。

1.3.2 交互界面設(shè)計(jì)

雷達(dá)顯控軟件需要滿足各種復(fù)雜作戰(zhàn)場景下的作戰(zhàn)要求，其交互界面具有功能復(fù)雜、要素繁多、信息量巨大等特點(diǎn)。信息量的增加和交互方式的多元化導(dǎo)致用戶對人機(jī)交互界面在穩(wěn)定性、易用性、高效性方面的要求越來越高。雷達(dá)顯控交互界面的設(shè)計(jì)應(yīng)該以提高用戶的認(rèn)知效率和交互體驗(yàn)、提高作戰(zhàn)效率為目標(biāo)導(dǎo)向，通過信息可視化、設(shè)計(jì)美學(xué)等技術(shù)方法，完成信息架構(gòu)、操作流程、交互方式以及風(fēng)格、布局、色彩等視覺顯示要素的設(shè)計(jì)，為用戶提供一個(gè)高效自然的人機(jī)交互界面。

1.3.3 人機(jī)系統(tǒng)評估

人機(jī)系統(tǒng)的評估是產(chǎn)品研制過程中評價(jià)人因工程設(shè)計(jì)水平優(yōu)劣的必要環(huán)節(jié)，對設(shè)計(jì)指標(biāo)的迭代優(yōu)化有重要作用。雷達(dá)顯控臺(tái)的人機(jī)系統(tǒng)評估主要分為試驗(yàn)測試和仿真分析。在試驗(yàn)測試方面，美國以國際標(biāo)準(zhǔn)ISO13407（以人為中心的設(shè)計(jì)方法）為基礎(chǔ)，在NASA裝備研制中形成人因測試相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)并加以應(yīng)用[17]。國內(nèi)目前缺乏系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化的雷達(dá)顯控臺(tái)人機(jī)系統(tǒng)測試方法，未建立統(tǒng)一的測試流程和可量化的評價(jià)指標(biāo)。在仿真分析方面，美國的Simens JACK，德國的RAMSIS，英國的SAMMIE等商業(yè)軟件可基于人體尺寸數(shù)據(jù)建立三維數(shù)字人體模型，完成雷達(dá)顯控臺(tái)人機(jī)系統(tǒng)的數(shù)字化建模，實(shí)現(xiàn)操作人員在疲勞、負(fù)荷、作業(yè)能力等方面的預(yù)測，節(jié)約產(chǎn)品研發(fā)時(shí)間和成本。

2 雷達(dá)顯控臺(tái)設(shè)備工效性設(shè)計(jì)

雷達(dá)顯控臺(tái)設(shè)備工效性設(shè)計(jì)從用戶實(shí)際需求出發(fā)，以人體尺寸數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，確保結(jié)構(gòu)尺寸的緊湊、合理，滿足人員視覺和觸覺的操作要求。同時(shí)充分考慮設(shè)備維護(hù)性和人員舒適性，從快速連接件、座椅、臺(tái)面等方面營造良好的用戶體驗(yàn)。

2.1 工作空間設(shè)計(jì)

雷達(dá)顯控臺(tái)操作人員執(zhí)行任務(wù)時(shí)的主要場所一般為雷達(dá)車的方艙、艦艇的船艙等，具有空間狹小、環(huán)境較差的特點(diǎn)。為確保操作人員安全、高效、舒適地完成各項(xiàng)操作任務(wù)，顯控臺(tái)工作空間設(shè)計(jì)應(yīng)考慮顯控臺(tái)單席位及多席位時(shí)的布局關(guān)系，結(jié)合人體基本尺寸參數(shù)，為操作人員留有足夠的活動(dòng)余量。雷達(dá)顯控臺(tái)自身的工作空間設(shè)計(jì)主要涉及臺(tái)面高度和容膝空間。顯控臺(tái)操作人員的工作狀態(tài)主要為坐姿操作，當(dāng)人處于上臂自然下垂、前臂接近水平的狀態(tài)時(shí)最不易疲勞，因此臺(tái)面高度應(yīng)與坐姿下人的肘高一致。容膝空間應(yīng)保證人員腿部的自由伸展，由臺(tái)體的深度和臺(tái)面厚度決定。為保證大多數(shù)操作人員的使用需求，工作空間設(shè)計(jì)一般以男子第95百分位數(shù)（P95）尺寸來確定[18]。

2.2 可操作性設(shè)計(jì)

設(shè)備的可操作性設(shè)計(jì)是雷達(dá)顯控臺(tái)設(shè)備工效性設(shè)計(jì)的重要方面，與坐姿狀態(tài)下人員的工作區(qū)間和視線區(qū)間密切相關(guān)。顯控臺(tái)工作區(qū)間設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合手操作區(qū)域和臺(tái)面設(shè)備操作頻率需求。鍵盤和鼠標(biāo)為操作頻率最高的設(shè)備，布置在手的舒適操作區(qū)。觸控一體機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)操控模塊、語音通訊終端操作頻率次之，布置于有效操作區(qū)內(nèi)。坐姿顯控臺(tái)基準(zhǔn)眼位是設(shè)計(jì)視覺條件和確定控制室盲區(qū)的基準(zhǔn)，顯控臺(tái)視線區(qū)間應(yīng)以基準(zhǔn)眼位來設(shè)計(jì)。操作人員處于正直坐姿時(shí)，眼位在控制臺(tái)臺(tái)面前緣的垂直基準(zhǔn)線上，其高度為座椅面高度和坐姿眼高之和。人的坐姿自然視線要與顯示器屏幕垂直，顯示器屏幕與垂直面夾角的最佳值為15°。雷達(dá)顯控臺(tái)的工作區(qū)間和視線區(qū)間示意圖如圖3和圖4所示。

圖3 工作區(qū)間示意圖

圖4 視線區(qū)間示意圖

2.3 維護(hù)性設(shè)計(jì)

維護(hù)性的好壞決定雷達(dá)顯控臺(tái)故障修復(fù)時(shí)的難易程度和對現(xiàn)有功能改進(jìn)的可能性，影響平均修復(fù)時(shí)間的長短。雷達(dá)顯控臺(tái)的維護(hù)任務(wù)主要包含顯示器維護(hù)、臺(tái)面設(shè)備（如鍵盤、鼠標(biāo)、操控模塊）維護(hù)、后部線纜維護(hù)以及臺(tái)體下方內(nèi)部機(jī)箱、插件（如顯控模塊、KVM模塊、電源模塊）的維護(hù)。雷達(dá)顯控臺(tái)站姿和蹲姿的維護(hù)狀態(tài)如圖5所示。

圖5 維護(hù)狀態(tài)

維護(hù)性設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮人員維護(hù)時(shí)的動(dòng)作特點(diǎn)。因顯控臺(tái)設(shè)備尺寸的限制，人員進(jìn)行機(jī)箱、插件的維護(hù)操作時(shí)通常處于蹲姿狀態(tài)，帶來了極大的工作負(fù)荷和生理疲勞，因此需重點(diǎn)關(guān)注該維護(hù)狀態(tài)下的維護(hù)性設(shè)計(jì)。此外，臺(tái)面上部設(shè)備的維護(hù)空間應(yīng)滿足人員手部操作的最大范圍。因此，利用快速連接件實(shí)現(xiàn)顯控臺(tái)基座轉(zhuǎn)動(dòng)、鍵盤翻轉(zhuǎn)、臺(tái)面上翻等（圖6）設(shè)計(jì)，減輕人員維護(hù)時(shí)的生理負(fù)荷，是提升雷達(dá)顯控臺(tái)維護(hù)性的有效措施。

圖6 維護(hù)性提升設(shè)計(jì)

2.4 舒適性設(shè)計(jì)

由于服役環(huán)境的特殊性，在設(shè)計(jì)雷達(dá)裝備時(shí)會(huì)充分考慮振動(dòng)、沖擊等惡劣條件對設(shè)備正常運(yùn)行的影響，而對惡劣環(huán)境下操作人員的舒適性關(guān)注度不夠。雷達(dá)顯控臺(tái)舒適性設(shè)計(jì)可從人體的感官需求（觸覺、聽覺、視覺）出發(fā)，結(jié)合雷達(dá)顯控臺(tái)的自身特點(diǎn)及艙室環(huán)境的外部影響，基于用戶體驗(yàn)數(shù)據(jù)的調(diào)查和分析，形成個(gè)性化的舒適性解決方案。針對常見的臺(tái)面冰冷、座椅體感較硬、艙室噪聲大、顯示器屏幕眩光等顯控臺(tái)舒適性問題，可通過臺(tái)面自適應(yīng)加熱和親膚涂層、座椅軟材料填充、設(shè)備降噪設(shè)計(jì)、艙室自適應(yīng)燈光等手段進(jìn)行優(yōu)化。

3 雷達(dá)顯控臺(tái)交互界面設(shè)計(jì)

雷達(dá)顯控交互界面設(shè)計(jì)面向用戶和作戰(zhàn)，以用戶體驗(yàn)為中心，涵蓋顯控信息層、交互層、表現(xiàn)層等要素設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖7所示。

圖7 雷達(dá)交互界面設(shè)計(jì)架構(gòu)

信息層通過目標(biāo)導(dǎo)向設(shè)計(jì)、認(rèn)知降維設(shè)計(jì)等技術(shù)方法，完成用戶目標(biāo)確認(rèn)、功能需求分析和信息架構(gòu)設(shè)計(jì)，提供清晰的信息組織、信息導(dǎo)航和邏輯結(jié)構(gòu)，輔助用戶更好地完成信息決策。交互層通過人因工效分析、交互原型設(shè)計(jì)等技術(shù)方法，完成操作流程、交互框架和交互方式設(shè)計(jì)，構(gòu)建交互原型DEMO，為用戶帶來高效快捷的操作體驗(yàn)。表現(xiàn)層通過信息可視化、設(shè)計(jì)美學(xué)等技術(shù)方法，完成界面風(fēng)格、布局、色彩、控件、圖標(biāo)等顯示要素設(shè)計(jì)，輸出高保真界面效果圖，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面的友好易用。

3.1 信息架構(gòu)設(shè)計(jì)

雷達(dá)顯控界面信息由目標(biāo)信息、狀態(tài)信息和操控信息等構(gòu)成，包括圖像、文本、控件和圖表等信息元素。信息架構(gòu)設(shè)計(jì)可以有效改善雷達(dá)界面的整體導(dǎo)航性，提升操作效率，降低雷達(dá)操作員的認(rèn)知成本，是雷達(dá)顯控界面質(zhì)量的保證。

首先要根據(jù)雷達(dá)探測的作戰(zhàn)場景、操作員的用戶角色、不同席位的功能劃分和任務(wù)目標(biāo)下對信息的不同使用需求，對界面信息進(jìn)行整理，確保不同階段獲取的信息完備清晰。獲取信息后，從信息分類、信息結(jié)構(gòu)和信息優(yōu)先級三個(gè)方面對信息進(jìn)行組織。在雷達(dá)顯控界面設(shè)計(jì)中，為了減少人因失誤，一般采用模糊分類與精準(zhǔn)分類相結(jié)合的方式對信息進(jìn)行分類。信息結(jié)構(gòu)方式一般采用層級結(jié)構(gòu)或矩陣結(jié)構(gòu)，根據(jù)信息的重要性進(jìn)行優(yōu)先級排序和布局。此外，導(dǎo)航系統(tǒng)、標(biāo)簽系統(tǒng)和搜索系統(tǒng)決定著信息構(gòu)架的完整性和易用性[19]。

3.2 交互操作設(shè)計(jì)

雷達(dá)顯控交互操作設(shè)計(jì)的目標(biāo)是提高系統(tǒng)的可用性，提高用戶在使用過程中的流暢性[20]?，F(xiàn)有雷達(dá)顯控界面交互一般以鍵鼠交互為主，也存在語音、觸控、手勢等交互方式。語音用于快速傳達(dá)或接收指令，觸控和手勢相比鍵鼠操作更符合人的生理習(xí)慣。通過多模態(tài)交互協(xié)同操作，可以幫助用戶更快適應(yīng)顯控界面操作，操作更加方便快捷，可提高人機(jī)工效。手勢和語音交互示例如圖8所示。

圖8 手勢和語音交互

交互操作應(yīng)以簡單快捷為原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。同類操作模塊關(guān)聯(lián)集成，常用操作入口清晰易找，多步操作提供操作引導(dǎo)；操作步驟簡潔，提供及時(shí)的操作反饋；提供缺省值和快捷鍵，支持用戶快速輸入數(shù)據(jù)，以減輕用戶在操作過程中的記憶負(fù)荷；有時(shí)序要求或邏輯關(guān)系的界面操作，交互方式保持一致，以降低用戶學(xué)習(xí)成本；對于關(guān)鍵性操作，在執(zhí)行前提供操作確認(rèn)，以減少用戶誤操作。

3.3 視覺表現(xiàn)設(shè)計(jì)

雷達(dá)顯控界面的設(shè)計(jì)要素包括風(fēng)格、布局、色彩、文字、控件、圖標(biāo)等[21]。某雷達(dá)顯控交互界面如圖9所示。

圖9 某雷達(dá)顯控交互界面設(shè)計(jì)

雷達(dá)顯控界面的設(shè)計(jì)風(fēng)格應(yīng)以簡潔直觀為主，多用深色背景，色彩以偏藍(lán)、灰色調(diào)為主，視覺刺激相對較小，不易造成視覺疲勞。顯控界面主屏通常以P顯、H顯或地理信息系統(tǒng)等態(tài)勢顯示為中心，將其他功能模塊置于四周。副屏以信息顯示為主，各功能模塊布局依據(jù)顯控任務(wù)可定制化顯示，按需顯隱?？丶捎帽馄交萍几袠邮?，大小需符合視覺認(rèn)知，圖標(biāo)應(yīng)簡潔直觀，語義明確，易于識別。

雷達(dá)顯控交互場景包含大量的可視化元素，如雷達(dá)裝備、目標(biāo)航跡、提示信息等。通過信息可視化設(shè)計(jì)，可以提高對關(guān)鍵信息的認(rèn)知效率，色彩編碼和圖形化是最常用的方法。色彩編碼應(yīng)當(dāng)符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和用戶習(xí)慣，通過色彩突顯重點(diǎn)態(tài)勢目標(biāo)，弱化信息干擾，加強(qiáng)視覺分割，提供視覺線索，達(dá)到有效引導(dǎo)用戶視覺注意的目的，提升認(rèn)知績效。圖形包括圖表和圖標(biāo)等類型。圖表通常采用餅狀圖、柱狀圖、折線圖、散點(diǎn)圖、雷達(dá)圖、甘特圖等可視化方式?？梢暬纠鐖D10所示。

圖10 信息可視化示例

4 雷達(dá)顯控臺(tái)人機(jī)系統(tǒng)評估

雷達(dá)顯控臺(tái)人機(jī)系統(tǒng)評估作為人因工程設(shè)計(jì)的校核環(huán)節(jié)，其主要目的是利用測試儀器、仿真軟件等手段對人體尺度、舒適度、疲勞值等人的生理、心理指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)，協(xié)助設(shè)計(jì)的迭代優(yōu)化。目前缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的雷達(dá)顯控臺(tái)人因測試流程和評估指標(biāo)，因此通過數(shù)字化建模仿真開展雷達(dá)顯控臺(tái)人機(jī)系統(tǒng)評估的研究方式更為主流[22]。

在工程產(chǎn)品研發(fā)制造數(shù)字化的大趨勢下，計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展，設(shè)計(jì)師利用人因工程設(shè)計(jì)仿真軟件進(jìn)行數(shù)字化建模和仿真能夠在短時(shí)間內(nèi)獲得較為精準(zhǔn)的結(jié)果，可節(jié)約50%以上的產(chǎn)品研發(fā)時(shí)間和成本，在汽車、航天航空等領(lǐng)域的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。本文采用Simens JACK數(shù)字人體建模和仿真軟件對雷達(dá)顯控臺(tái)進(jìn)行可視域分析、可達(dá)域分析、快速上肢分析和舒適性分析。

4.1 人機(jī)系統(tǒng)建模

將雷達(dá)顯控臺(tái)模型導(dǎo)入JACK軟件中，以中國軍人人體測量數(shù)據(jù)為參考同步建立人體模型。根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整人員操作姿態(tài)，完成JACK環(huán)境下的顯控臺(tái)人機(jī)系統(tǒng)建模，如圖11所示。

圖11 顯控臺(tái)人機(jī)系統(tǒng)建模

4.2 可視域分析

雷達(dá)顯控臺(tái)的屏幕、操控模塊、觸控模塊、鍵盤等與人體視覺相關(guān)的設(shè)備應(yīng)布置在人的視野范圍內(nèi)，盡可能使操作人員不必移動(dòng)身體和轉(zhuǎn)動(dòng)頭部就可看清所需信息。利用Vision Analysis工具分析處于最優(yōu)顯控臺(tái)操作姿勢下第50百分位數(shù)（P50）尺寸數(shù)字人模型的可視域，觀察時(shí)的視距設(shè)定為560 mm，結(jié)果如圖12（a）所示。從圖可知顯示器上下雙屏及臺(tái)面操作設(shè)備均涵蓋在可視域中，符合視野的設(shè)計(jì)要求。

4.3 可達(dá)域分析

設(shè)備布局是否滿足人的正常操作距離要求與雷達(dá)顯控臺(tái)的安全、高效息息相關(guān)。利用Reach Zones工具分析第5百分位數(shù)（P5）尺寸數(shù)字人模型的手部最大觸及范圍，分析條件中補(bǔ)充引入肩部和腰部的運(yùn)動(dòng)，仿真結(jié)果如圖12（b）所示。從圖可知操作人員手部的運(yùn)動(dòng)軌跡圖包含了所有臺(tái)面設(shè)備，符合可達(dá)域的設(shè)計(jì)要求。

圖12 可操作性分析

4.4 快速上肢分析

快速上肢分析功能（Rapid Upper Lamb Assessment, RULA）是對某工作姿態(tài)下操作人員的上肢狀態(tài)進(jìn)行評價(jià)。雷達(dá)顯控臺(tái)的人員操作任務(wù)主要為手部與臺(tái)面上方設(shè)備的交互動(dòng)作，腿部基本為靜止?fàn)顟B(tài)，適用于RULA的使用要求。

評價(jià)結(jié)果共分4個(gè)等級，人員姿態(tài)與人機(jī)設(shè)計(jì)要求越接近分?jǐn)?shù)越低：1～2分表示可接受；3～4分表示需進(jìn)一步研究或可能需要改變姿態(tài)；5～6分表示要盡快研究和改變姿態(tài)；7分表示要立即研究并改變姿態(tài)。如表1所示，上臂、前臂和軀干的得分在2～3分之間，說明上述部位在該姿態(tài)下會(huì)引起一定的疲勞；其余部位得分均為1分，說明完全滿足人機(jī)設(shè)計(jì)要求。綜合得分為2分，說明操作人員在使用雷達(dá)顯控臺(tái)時(shí)上肢疲勞度可接受，滿足舒適性要求。

表1 快速上肢評價(jià)結(jié)果

4.5 舒適性分析

舒適性分析工具中的Porter舒適性參數(shù)是對操作人員在工作狀態(tài)下的關(guān)節(jié)彎曲合理性進(jìn)行評價(jià)。評價(jià)結(jié)果表征人員關(guān)節(jié)彎曲角度實(shí)測值與典型值（大多數(shù)人員可接受的數(shù)值）之間的差值。評價(jià)結(jié)果的數(shù)值越接近0，表示舒適性越高，反之，則舒適性越低。若數(shù)值在限定的關(guān)節(jié)彎曲角度范圍內(nèi)（圖13中短黃線位置），則評價(jià)結(jié)果為綠色，表示當(dāng)前狀態(tài)下的人員工作姿態(tài)滿足人因工程要求；若數(shù)值超過限定的關(guān)節(jié)彎曲角度范圍（圖13中短黃線位置），則評價(jià)結(jié)果為黃色，表示需對人員工作姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整。

雷達(dá)顯控臺(tái)的Porter舒適性參數(shù)分析結(jié)果如圖13和表2所示。從圖13可知：頭部、大腿的實(shí)測值與典型值比較接近，舒適性好；上臂、肘部、膝蓋、小腿的實(shí)測值與典型值的差值相對較大，與臨界值接近，但仍在可接受范圍內(nèi)，滿足人因工程的舒適性設(shè)計(jì)要求。

圖13 Porter舒適度分析

表2 舒適性參數(shù)分析結(jié)果(°)

5 結(jié)束語

人因工程是新興的綜合性交叉學(xué)科，聚焦于解決“如何提升產(chǎn)品的好用程度”的工程問題。在智能化背景下，為解決傳統(tǒng)雷達(dá)顯控臺(tái)交互方式操作步驟多、操控時(shí)間長、控制不靈活等問題，多模態(tài)交互技術(shù)在顯控臺(tái)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用已成為未來發(fā)展趨勢，通過觸控、語音、手勢、眼控等多種方式完成交互操作，對視覺、聽覺、體感等多種感官進(jìn)行融合，具有直接、快速、自然的交互特點(diǎn)。此外，伴隨人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，監(jiān)視控制、信號檢測、目標(biāo)監(jiān)控等雷達(dá)顯控臺(tái)所需處理的任務(wù)極有可能由人工智能來完成。如何處理好人的主觀信息與機(jī)器的客觀數(shù)據(jù)之間的協(xié)調(diào)關(guān)系、實(shí)現(xiàn)人-智能相互融合將成為促進(jìn)雷達(dá)顯控技術(shù)進(jìn)步需要考慮的問題。

未來雷達(dá)顯控臺(tái)設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合新技術(shù)、新方向，進(jìn)一步加強(qiáng)人因工程理論和技術(shù)在產(chǎn)品研制全生命周期中的應(yīng)用，不斷提升雷達(dá)裝備的用戶體驗(yàn)和作戰(zhàn)效能。