人机交互对舰载指控系统反应时问的影响分析

第２８卷第４期　２００６年８月　文章编号：１６７２—７６４９（２００６）０４—００７５—０４　舰船科学技术　Ｖｏ１．２８，Ｎｏ．４　Ａｕｇ．，２００６　ＳＨＩＰ　ＳＣＩＥＮＣＥ　ＡＮＤ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　人机交互对舰载指控系统反应时问的影响分析　陈健。夏惠诚　（海军大连舰艇学院，辽宁大连１１６０１８）　摘　要：　本文从装备和人员两方面分析了人机交互对舰载指控系统反应时间的影响，并着重对人员因素的影　响进行了深入分析，建立了若干分析模型，并对提高人机交互效率提出了一些建议。　关键词：　反应时间；人机交互；信息负载　中图分类号：Ｅ０７２　文献标识码：Ａ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｍａｎ．ｍａｃｈｉｎｅ　ｅｘｃｈａｎｇｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｔｉｍｅ　ｏｆ　ｓｈｉｐ－ｂａｓｅｄ　Ｃ　Ｉ　ｓｙｓｔｅｍ　ＣＨＥＮ　Ｊｉａｎ，ＸＩＡ　Ｈｕｉ・ｃｈｅｎｇ　（Ｄａｌｉａｎ　Ｎａｖａｌ　Ａｃａｄｅｍｙ，Ｄａｌｉａｎ　１１６０１８，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｔｈｅｓｉｓ，ａｎａｌｙｚｅｄ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｍａｎ．ｍａｃｈｉｎｅ　ｅｘｃｈａｎｇｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｔｉｍｅ　ｏｆ　Ｃ　Ｉ，　ｄｅｅｐｌｙ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｈｕｍａｎ　ｆａｃｔｏｒ，ｆｏｕｎｄｅｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｍｏｄｅｌ，ａｎｄ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｓｕｇｇｅｓｔｓ　ｆｏｒ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｅｆｉｃｉｆｅｎｃｙ　ｏｆ　ｍａｎ・ｍａｃｈｉｎｅ　ｅｘｃｈａｎｇｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：　ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｔｉｍｅ；ｍａｎ・ｍａｃｈｉｎｅ；ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｌｏａｄ　Ｏ　引　言　系统反应时间是衡量指控系统性能的一项重要　１．１　交互响应时间　交互响应时间是指从系统使用人员向系统发出　动作请求开始到指控系统对动作做出第一反应为止　的一段时间。例如，从战术软件调用命令输入完毕到　计算结果显示在表页显示器上为止的时间段。显然，　交互响应时间长短与指控系统内的软件设计密切相　指标，它是指从搜索传感器首次发现录取目标到指控　系统给出满足精度的目标指示所花费的时问。通常　系统反应时间的指标值仅仅是计算了从信息进入指　控系统到信息处理完毕过程中各个处理环节的机器　耗时总和，并没有包括人机交互的耗时，而指控系统　关，如果软件模型结构设计合理，编程语言精练，则其　完成信息处理任务所花费的时间就少。以目标航迹　处理为例，在输入目标录取命令后，系统内软件将依　作为人机结合的信息系统，在实际使用中人机交互对　系统反应时间的影响是明显的。　据一定的算法模型建立目标航迹并做相关处理。如　果采用Ｏ／，卢滤波算法，要比采用扩展卡尔曼滤波算　法建立的模型简单，模型运算的耗时就少，相应的交　互响应时间就短。当然，采用哪种模型算法除了要考　虑运算速度外，还必须综合考虑运算精度、收敛速度、　资源消耗、所针对的目标类型等因素，是一个整体优　化选择的问题。　１．２信息输入方式　影响人机交互耗时长短的因素有两方面，一是指　控系统本身的技术指标，二是系统使用人员的训练水　平。　１　指控系统技术指标的影响　指控系统装舰后，其软硬件轻易不会改变，因此　其技术指标对系统反应时间的影响也相对固定。系　统的交互响应时间和信息输入方式是影响指控系统　反应时间的２个主要因素。　随着信息技术的发展，指控系统的信息输入手段　也呈现多样化，由早期的键盘、光笔输入，发展到现在　收稿日期：２００５—０５—３１　基金项目：海军大连舰艇学院科研发展基金资助项目（ＦＺ０４０２５１１）　维普资讯 http://www.cqvip.com

・７６・　舰船科学技术　ｍｆ　Ⅱ＋，／ｍ　，　第２８卷　的键盘、轨迹球、触摸屏输入，还有逐步实用化的语音　输入等　。各输入方式的效率是不同的，如触摸屏　输入的效率要高于键盘输入，而语音输入的效率又明　。为反应时间，即从信号出现到系统使用人员对　它做出反应的平均时间，ｎ约为０．２　ｓ　如果系统　显高于触摸屏输入等。因此，指控系统采用什么样的　信息输入设备，以及如何根据不同时机科学合理地运　用各种信　皂、输入设备，将对指控系统的反应时间产生　使用人员以不同速度完成几个不同任务，则　＝ｎ＋∑Ｉ／ｍ　ｆ　１　重要影响。以目标指示操作为例：正常情况下对舰舰　导弹系统进行人工目标指示时，需要先按下相应的功　￡。　是随机的，町以应用非对称的ＯＬ，　和　分布律　描述其特性，甚至可以应用它们的近似值——正态分　能键，然后输入目标批号；在进行应急目标指示时，可　先按下功能键，然后用轨迹球点击态势显示区的目标　图标，则目标批号自动传送给导弹系统，这种输入方　式相对于前者耗时更少。　２　系统使用人员的影响　指控系统装备本身技术指标的影响相对固定且　难以改变，那么系统使用人员的工作效率和工作可靠　性就成为影响系统反应时间，进而影响装备效能发挥　的关键因素。　２．１　系统使用人员的工作效率　效率指标包括信息处理能力、快速反应能力和实　时性。　２．１．１　信息处理能力　如果将系统使用人员看作是从信息搜集设备向　控制机构传递信息的渠道，那么信息处理能力就是指　单位时问内搜集、处理和传递信息的数量。在信息理　论中，信息量的计算公式为　ｎ　，＝一　Ｐ　・ｌｏｇＰ　。　式中：Ｐ　为第ｉ个信号出现的概率；ｎ为各种信号的　总和。如果每个信号ｉ出现的概率Ｐ　＝恒量：１／ｎ，　则　１　，＝一１ｏ　＝ｌｏｇ　。　知道了信息量，可以计算它的信息处理速度，以　评价信息处理能力：Ｖ＝，／　，　为处理上述信息量所　用时间。该指数是偶然单位，由许多因素决定，假设　它符合正态分布，可以确定它的参数如下：　数学期望：ｍ　＝（　＋Ｖｍ　）／２；　均方差：６　＝（　。　一Ｖ…）／６。　２．１．２快速反应能力　快速反应能力是指系统使用人员处理信息的速　度，通常用完成任务所耗费的时间￡　来衡量。￡。　为从　信号出现到系统使用人员控制行动结束为止的时间　段，ｔ　与信息处理量成正比：　布。如果ｍ，　＞３，可以应用ｄ分布律　２．１．３　实时性　实时性是指系统使用人员在规定时限内完成自　己任务的能力，它的基本指标就是完成任务耗时低于　规定时限的概率Ｐ（ｔ。　＜ｔ　。　），反向量指根据给定的　时限和保证完成任务的概率，确定系统使用人员行为　耗时的区间。　２．２　系统使用人员的可靠性　２．２．１　可靠性参数　系统使用人员可靠性参数是指在给定的条件和　限定时间内完成自己任务的能力。事实证明，许多人　机系统的故障是由于操作人员的过失造成的，这个比　例大约占所有故障的２０％～９５％。系统使用人员　的可靠性与技术设备的可靠性类似，包括无错性、实　时性、可用性和可维性。　（１）无错性　无错性是指系统使用人员工作中不出现错误的　能力。该特性与评价技术设备可靠性时用到的无故　障性相类似，可以类似地确定评价该特性的参数。　无错性的基本参数是无错误工作的概率：Ｐ　：　ｍ／Ｎ，ｍ为正确完成的工作，Ⅳ为所有完成的工作。　用随机过程理论分析系统使用人员处理多任务　时的无错性，可以选择出错率Ａ，Ａ可根据实际工作　中的经验评估。Ａ＝（Ⅳ一ｍ）／ＮＴ，Ｔ为完成所有任务　所耗费的时间。　如果对系统使用人员的出错率进行简化，则在ｔ　时间内系统使用人员出错的概率为Ｐ　：１一ｅ　。　（２）实时性　在分析系统使用人员工作效率时曾探讨过实时　性问题，它既可以用于衡量效率，又可以用于衡量可　靠性，因为时间是完成任务的有限因素　对实时系统　而言，系统使用人员在有限时间内排除故障，将降低　他及时完成任务的概率。　（３）可用性　可用性主要考察系统使用人员时刻处于工作准　维普资讯 http://www.cqvip.com

第４期　陈　健，等：人机交互对舰载指控系统反应时间的影响分析　・７７・　备状态的能力，可以用可用性参数Ｋ：＝Ｔ：／Ｔ来评估，　为工作准备时间。　（４）可维性　可维性用系统使用人员对问题的排除能力来衡　量，它既可看作时间参数，也可看作概率参数。作为　时间参数．可以选择系统使用人员排除问题的平均时　间。如果参数符合随机分布规律，可用经验结果或排　除问题耗时的数学期望来确定参数；如果作为概率参　数，则可以选择排除问题的概率。可维性不仅表明系　统使用人员的能力，也表明故障检测和定位技术设备　的性能，甚至是排除故障的时间。　应用可靠性理论的已知方法评估系统使用人员　的可靠性时，往往没有考虑人的行为特点，因为根据　情况的不同，系统使用人员的工作方式不完全一样。　系统使用人员的行为可以被定位为最快的或无错的，　此时效率参数和无错性参数间的联系描述如下：　Ｐ　＝一￣／（１－Ｐ）一；　Ｐ　＝１—２（１一Ｐ　）　；　，，　ｒ‘＝２．３ｍ￡；　……　…　６２　＝２．３　＋０．５ｍ　。　另外，系统使用人员的信息负载、完成工作的特　点、工作条件等因素也对可靠性有很大影响。所以，　除了可靠性理论模型之外，还应该运用专业的方法和　模型来评估系统使用人员工作的可靠性。　２．２、２　系统使用人员信息负载　系统使用人员的信，皂、负载对其完成工作有很大　影响，表１列出了评估信息负载的参数及各参数的限　定值　。假设系统使用人员是一个简单的多任务服　务系统，则上述参数也应该用多任务服务的方法来评　估。如果某一个参数超过限定值，则系统使用人员可　能产生信息过载。可以用确定的和统计的方法对信　息负载进行评估，统计方法研究概率参数Ｐ（Ｘ．＞Ｘ．　）　的正确性，ｘ　为参数限定值。如果上述概率超过限　定值，则会出现信息过载。　工作压力Ｊｓ与完成任务所需的时间有关系，压力　的临界点与系统使用人员有关。Ｍ＝２．３是系统使用　人员的平均值，对于更加“平静”的系统使用人员，该　值取　１．９，２、２］，对于更加“敏感”的系统使用人员，　该值取［２．４，２．８］。图１说明了完成任务平均时间　对工作压力的依赖性　。该依赖性可分３个阶段：第　１阶段ｓ［１，Ｍ］，平均工作时间由　逐渐减少到　０．３３　Ｔ；第２阶段Ｊｓ［　，　＋１］，平均工作时间由　线　表１　信息负载参数及取值表　信息负载参数　参数含义　参数取值范围　过载系数　在战位直接工作的相　Ｏ　７５　对时间　繁忙周期　连续工作时间　不超过１５～２０　ｍｉｎ　信息序列长度　需要使用人员同时关　３　注的信号数量　平均服务时间　使用人员工作中出现　不超过内存存储的　期望　的时间不足量　信息长度　信息输入速度　单位时间内输入的信　息量　２～４　ｂｉｔ／ｓ　工作压力５　图１　完成任务耗时与工作压力关系图　性递增到２Ｔ；第３个阶段为临界点　，平均工作时间　呈阶跃式增加，此时为系统使用人员信息过载。　工作压力对完成任务的无错概率有影响，起初是　递增的，然后当达到临界值时趋于恒定。如果在正常　工作条件下无错概率为Ｐ　，则随着压力的增加Ｐ　分　解为３种情况：　ｒＰ　＋Ｐ　（Ｓ一１）／Ｍ一１，Ｓ＜Ｍ，　Ｐ　（Ｊｓ）＝｛Ｐ　一（１一Ｐ　）（Ｓ—　），Ｍ≤Ｓ≤Ｍ＋１，　Ｌ２Ｐ　一１，Ｓ＞Ｍ＋１。　另外，随着压力的增加，系统使用人员的疲劳感　也增大为　Ｍ（ｔ）＝Ｍｅ　。　。　式中：Ａ为系统使用人员的疲劳程度；ｔ为系统使用人　员工作时间。　３　减少人机交互耗时的建议　人机工程学研究的核心问题是如何从人的生理、　行为特性和机器特性出发，充分发挥人和机器的作　用，以提高系统的效率。因此，系统设计必须适合人　的各方面因素，使人在操作中付出的代价最小，获得　的效率最高。　３．１　简化指挥流程。减少人机交互次数　舰载指控系统是辅助指挥员完成指挥决策的工　具，必须科学合理地划定人机界面，确定好哪些工作　维普资讯 http://www.cqvip.com

・７８・　舰船科学技术　第２８卷　由机器完成，哪些工作由人完成，考虑到信息负载对　人员的影响，应尽可能多地将工作交给机器完成。现　役指控系统的操作使用仍显得繁琐，以表页为例：用　４　结　语　现代战争是双方人员与装备所组成的人机系统　问的对抗，人机交互效率是影响装备效能发挥的重要　因素。装备性能和操作使用是影响人机交互效率的　两个主要方面，而使用人员对装备的掌握程度、理解　于信，自、显示和数据输入的表页数量太多，新型系统可　达２００个，既不便于使用人员记忆，更影响到系统的　实时性。要系统地规划一个作战指挥过程，优化信息　显示内容，简化信息处理环节，只保留必须的人机交　互操作，以减少人机交互的次数，从而缩短系统反应　时问。　程度、灵活运用程度更是战时决定人机交互效率的关　键因素。军事指挥系统特别强调全面、整体观念，通　过对装备和人员两方面影响因素的定量分析，可为改　３．２提高人员素质，降低人机交互耗时　每个系统使用人员在生理、心理、思维方法等方　面都存在差异，应该根据工作岗位的需要和人的特点　来选定系统使用人员，这是“人尽其才”的关键。如：　可以根据智力因素、性格因素、情绪经验因素等将被　选对象分类，把反应较快，情绪比较稳定的对象选拔　到相对重要的操作岗位上。　系统使用人员的工作效率和工作可靠性是可以　善系统设计和提高使用人员工作效率提供有力的理　论依据，使指控系统的人机结合度达到最好。　参考文献：　［１］　刘曙阳，等．ｃ　Ｉ系统开发技术［Ｍ：．北京：国防工业出　版社，１９９７．　［２］ＨＡＹＭＯＢ．ＴＥＯＰＥＴＨｑＥＫＨＥ．ＯＣＨＯＢＢＩ　ＡＢＴ０ＭＡＴＨ３Ｈ　ＰＯＢＡＨＨＯＦＯ—ＹＦＩＰＡＢＨＥＨＨＳｔ［Ｍ］．兀ＥＴＰＯ且ＢＡＰＥＵ，　ＰＯＣＣＭ且．２００３．　通过实际工作和训练来提高的。要根据具体岗位特　点制定科学的训练计划，通过日常训练、演习并利用　模拟系统提高使用人员的操作熟练程度；要制定考核　标准，制作考核题库，以此检验使用人员对执掌装备　的原理、性能和操作的熟悉程度，评估其训练成绩。　作者简介：　陈健（１９７２一），男，硕士，讲师，主要研究方向为　海军作战指挥系统与指挥自动化；　夏惠诚（１９５７一），男，博士，教授　（上接第５７页）　表１　ＵＧ关键函数及其功能　ＵＧ函数　ＵＦＣＵＲＶＥ——参考文献：　【１］　黄震中．鱼雷总体设计［Ｍ］．西安：西北工业大学出版　社，１９８７：１９４—２４７．　功能说明　——［２］　张宇文．鱼雷总体设计原理与方法［Ｍ］．西安：西北工业　ｃｒｅａｔｅ—ｓｐｌｉｎｅｔｈｒｕｐｔｓ（）　通过点生成样条曲线　创建回转特征　导人零件　利用表达式操作，更新模型　大学出版社，１９９８：１１２—１４４．　ＵＦＭＯＤＬ——ｃｒｅａｔｅ—ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ（）　［３］　陈明，林焰，纪卓尚，戴寅生．ＵＧ软件与船舶ＣＡＤ／ＣＡＭ专　用平台［Ｊ］．大连理工大学学报，１９９６，３６（２）：２１６—２１８．　［４］　胡培民，石秀华，余绍勇．鱼雷壳体的参数化设计技术　［Ｊ］．舰船科学技术，１９９９，２１（５）：２６—２８．　［５］　赵良才，鲁泳，刘建峰．计算机辅助船舶轮机舱概念设计　［Ｊ］．华东船舶工业学院学报，２００１．１５（４）：６—１０　［６］　许晖，郑涛，石秀华．基于ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ的参数化鱼雷设　计［Ｊ：．舰船科学技术．２００４，２６（１）：３２—３４．　［７　ｊ　Ｕｎｉｇｒａｐｈｉｃｓ　Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ　Ｉｎｃ．ＵＧ／Ｏｐｅｎ　ＡＰＩ　Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　Ｇｕｉｄｅ．　ＵＧＳ：Ｄｏｃｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ．　ＵＦＰＡＲＴ——ｉｍｐｏｒｔ（）　ＵＦ—ＭＯＤＩ　ａｓｋ　ｅｘｐ（）　——ＵＦＭＯＤＬｄｉｓｓｅｃｔｅｘｐ—ｓｔｒｉｎｇ（）　—ＵＦＭＯＤＬｅｄｉｔｅｘｐ（）　——３　结　语　鱼雷壳体及其结构设计问题，涉及到外形曲线、　最小壁厚选择、环肋、补强孑Ｌ、凸台等诸多问题。本文　提出了利用数字化技术实现鱼雷壳体相关问题的快　速设计。并在ＵＧ软件上进行二次开发，实现了相关　软件算法。在很大程度上解决了技术人员的劳动强　度问题，缩短了设计周期，降低了设计成本。本研究　是三维数字化鱼雷结构的智能化设计方法研究的重　要技术内容之一。　［８：　董正卫，田立中，付宜利．ＵＧ／Ｏｐｅｎ　ＡＰＩ编程基础［Ｍ］．　北京：清华大学出版社，２００２：ｌ０４—１１２．　作者简介：　万欣，女，硕士，主要从事ＵＧ二次开发研究：　郑国磊，男，博士生导师，教授，主要从事ＣＡＤ／ＣＡＰＰ，　ＣＡＭ研究