面向任务的空基信息系统用户化人机交互设计

摘 要： 根据任务目标要求和执行过程，用户化定制空基信息系统人机交互界面和操作流程，使得系统人机交互功能更贴近于用户业务需求，更有效地协助用户实现其任务目标。具体方法是，以任务执行过程为主线，按照信息的获取、加工、存储、应用、分发等处理流程将任务分解为多个子任务，并以此为参照，将空基信息系统细化分解为多个子系统，然后根据各个子系统的操作要求定义系统操作员席位职责。一方面，面向任务目标要求和执行过程的系统功能分解方法确保了用户需求的落实；另一方面，多用户并行处理模式简化了用户操作视图，增强了系统的易用性和人机交互效率。该方法不仅可以在新系统研制过程中发挥良好作用，还可以在已有系统改造项目中得以应用。

关键词： 面向任务； 空基信息系统； 用户化人机交互设计； 人机交互界面

中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）14?0072?05

Design of task?oriented customized human?computer interaction for

air?based information system

LIU Li?hui

（China Academy of Electronic and Information Technology， Beijing 100041， China）

Abstract： According to the objective requirement and execution process of the task， the customized human?computer interaction interface and operation process of the air?based information system can make the human?computer interaction function more satisfactory to the customers’ business needs and more effective for helping customers to finish their mission. Setting the execution process of the task as baseline， the task is disassembled to few subtasks based on the processing flow of information capture， handling， storage， application， distribution. As a reference， the air?based information system is disassembled to several subsystems， and then operator duty is defined according to the operation requirement of every subsystem. On one hand， the method that faces to the objective requirement and executing process of the task can ensure the realization of user’s requirements. On another hand， the parallel processing mode of multi?user simplifies the operation view， and enhances the usability and human?computer interaction efficiency of system. The method can be used not only in development of new systems， but also in reconstruction of the existing systems.

Keywords： task?oriented； air?based information system； customized human computer interaction design； human?computer interaction interface

0 引 言

信息系统是由计算机硬件、网络和通信设备、计算机软件、信息资源、信息用户和规章制度组成的以处理信息流为目的的人机一体化系统[1]。信息系统应用于各个行业，种类繁多。在军事应用领域，仅从其载荷平台上划分，就可分为陆基信息系统、海基信息系统、天基信息系统、空基信息系统。简言之，空基信息系统就是运行于空中平台的信息系统。空中平台可包括飞行器、浮空器等，可搭载信息系统包括预警探测系统、电子侦察系统、电子对抗系统、通信干扰系统、红外侦察系统等[2]。

空基信息系统的特点是信息获取、加工、存储、应用、分发等一系列过程都受限于其所依赖的空中平台。空中平台的机器性能、电讯性能、舱室空间、载荷能力、飞行高度、续航能力等都约束着空基信息系统的功能性能。因此，空基信息系统除具有一般信息系统软硬件模块较多、功能复杂的特点之外，还具有小型化、自动化、实时性、低功耗等特殊要求[3]。

目前，软件数字界面已经越来越多地取代了传统的人?机（器）硬件界面而成为当今人机交互的主要载体，操作者主要通过数字界面完成交互信息监控、决策分析和突发问题的解决[4]。空基信息系统人机交互设计不同于普通信息系统，对系统操作流程、界面功能布局、操作席位设置等都有着特殊要求。以上因素既是系统硬件布局以及载机配重的重要依据，又是影响空基信息系统整体效能发挥的重要因素。如何构建简单合理的人机交互方案，在日趋庞大的空基信息系统中最大限度发挥人机工效是本文所要研究的问题。

1 技术现状分析

20世纪90年代后，随着世界上先进军用航空电子系统技术的发展，机载雷达、识别、侦察、通信和任务计算与人机界面等电子系统的综合性集成性高度依赖于软件架构，并采用开放式网络体系架构融合了原来任务系统中各电子分系统的功能界面，在软硬件配置规模上都产生了量与质的飞跃，体现了大型信息化装备一体化发展特征[5]。目前，国内外大型空基信息系统基本上都是采用多席位分工合作的方式来完成空中任务。通常情况下，系统硬件数量较多，分布于载机机舱及机身的各个部位，机舱内分为设备区和工作区。设备区主要排布大型计算设备、通信设备和电源设备；工作区安装操作员工作台。以国外某型空基信息系统为例，其任务舱设置13个操作台，分别用于执行设备控制操作和信息处理操作。空基信息系统由于其所依附的空中平台研制难度以及其自身电子系统的高度复杂性，在国外主要被欧美几个大型公司垄断。在国内，空基信息系统研究领域较新，目前处于快速成长时期，某些系统正处于突破创新阶段，难免遇到诸多问题。一个普遍的现象是，重系统能力指标而轻人机交互，重硬件技术攻关而轻软件流程设计。在解决军事装备或民用系统从无到有的阶段，这种现象具有一定合理性，但是，一旦有无问题解决后，就应该从实际应用中深层次探究系统运行效能问题。包括空基信息系统在内，所有信息系统都是人机一体化系统，系统效能能否充分发挥，很大程度上取决于人机交互效率。就是说如何划分操作员席位职责、如何使操作员协同工作是提升系统运行效能的关键所在。

在空基信息系统研制初期，通常迫于资料短缺和进度压力，在实战业务研究上投入较少，往往将关注点放在核心设备的操作使用上，试图从专业设备的应用中找出解决业务需求的各方面问题。起初，这种按照专业分类和硬件特性将全系统功能细化分解的方法，有以下几个优点：

（1） 分类简单，便于操作。空基信息系统由多组功能独立的专业设备组成，每组设备本身构成一个完整的功能集合，将每设备的全部或部分功能分配给一个操作员负责，简单明了，有利于系统的快速开发。

（2） 专业性强，易于明确职责。空基信息系统中，每组设备的专业性非常强、结构复杂。此划分方法有效化解了系统的复杂度，使每个操作员只需掌握某个单一领域知识，便于划分任务、明确职责。

虽然这种职责划分方法有着种种优点，但是很难适应空基信息系统的发展要求。空基信息系统自诞生以来，不仅在性能和威力方面改进需求不断，而且在小型化、多用途方面也有着较多的改进需求。一方面，为了满足更多任务需要，空基信息系统功能越来越庞大，需要配置更多的操作员；另一方面，为了适应特殊战场环境，载机体积不宜过大。因此，在有限的载机空间中部署更多功能，并且可以通过简洁合理的方式调用这些功能，是系统人机交互设计的基本要求。按照专业分类和硬件特性的席位职责划分方法，显然不能适应这些需求变化，暴露出以下缺点：

（1） 操作人员需求量较大。以空基探测系统为例，由导航、雷达、通信、情报处理等几大模块组成，如果按照专业和硬件特性划分操作员席位职责，一个完整的作战任务执行起来，需要配备多名不同专业的操作员，因专业差异较大，操作员之间无法理解和胜任对方工作，给用户培训和任务执行带来较大人员风险。

（2） 任务执行效率较差。一个任务流程要达到高效执行，需要其中每个系统操作步骤都进行的恰到好处，不烦不简，整个操作流程衔接准确、合理有序。专业间的功能差异制约了操作员之间的协同合作。另外，空间上的分散布局，也是影响操作员交流效率的一大因素。因此，这种分工方式，使得操作员在任务执行过程中，很难达到理想的交流状态，任务执行效率难以得到保证。

（3） 系统冗余大，不利于信息融合。空基信息系统数据庞大、结构复杂，模块众多，如果众多数据和模块不能合理划分、有效整合，则会严重影响系统的整体运行效率。按照分系统专业归类的方法开发空基信息系统可以降低开发难度，快速实现整个系统功能，但是各个分系统之间的消息互通，资源共享很难实现，这就制约了系统效率。另外各个分系统之间的功能冗余和定义冲突则给系统开发带来了很大难度，甚至是错误隐患。

2 面向任务的用户化方法

空基信息系统功能复杂，操作项繁多，但是对于某个具体任务来说，通常不会覆盖全部操作功能。比如一个探测任务，其任务目标可能仅仅是将探测目标航迹下传给地面指挥所。可以发现，完成该任务所需要的系统操作并不多，但是这个简单的任务所涉及的专业较多，包括导航、雷达、通信等，如果每个专业都派出一名操作员，各司其职，显然浪费了人力资源，并且，在某些体积较小的机型上根本容纳不下这么多操作员。

按照任务来定制系统操作界面可以很好地解决以上问题。依然以上述任务为例，在任务执行前，对系统进行配置，使之启动后展现在操作员面前的只有与任务有关的操作菜单项，其他功能都将被屏蔽。对于操作员来说，这个操作流程并没有涉及专业性很强的领域知识，也不需要精通任何一个分系统的操作流程，只需要简单的理解任务即可胜任。系统画面简单明了，系统操作清晰便捷。另外，空基信息系统所执行的任务往往是重复的，长期应用会发现某几种任务会被反复执行，比如探测系统中的探测任务。对于这些日常执行的任务，通过一定方式保存起来，以备下次执行同样的任务时使用[6]。保存配置信息的方法很多，本文采用用户化设计方法来解决这个问题。

一个任务的菜单项集合对应一个系统功能子集，将这个系统功能子集保存起来并用某个代号表示，再次执行该任务时，根据代号调出该任务所对应的系统功能子集即可。这个代号本身维护起来比较困难，也缺乏灵活性。为此，提出系统用户概念，将用户和任务进行绑定。使用户不仅包含访问系统的身份信息，还包括职责信息。当系统为执行某个任务创建一个新用户时，将执行任务所需要的功能菜单项赋予该用户。这样就使得每个用户对应一个系统功能子集，如图 1所示。

图1 用户功能集合示意图

系统启动后，选择用户进行登录。对于某个用户来说，系统操作的目的简单明了，系统所能调用的功能也仅限于为该用户所定义的任务要求。

3 基于信息生命周期模型的系统模块划分

实现面向任务的用户化方法，必须有个前提条件，就是系统功能模块化，不仅如此，还应该尽力使每个模块能够独立实现某项功能。系统模块划分方法较多，但对于信息系统而言，基于信息生命周期模型的系统模块划分方法更有利于提高操作员操作效率和系统运行效率。信息生命周期模型示意见图 2。

图2 信息生命周期模型示意图

根据信息生命周期模型划分系统模块，首先需定义本系统所处理的核心信息，然后根据核心信息的获取、加工、存储、应用、分发过程[7]逐条分解系统模块。然后，根据功能类别及信息处理流程将整个系统划分为多个独立的操作单元，在此称之为系统操作单元。每个系统操作单元对应一个系统功能，在界面上表现就是一个菜单项。通过将菜单项添加给用户的方式，将系统功能分配给用户[8]，如图3所示。

图3 用户功能对应关系图

对于某个用户而言，其所能够访问的系统功能由其所配置的菜单项决定，如果在创建该用户时，为其配置了雷达操作相关的菜单项，则其主要面对的任务就是雷达探测任务，如果在创建时，为其配置了情报综合相关的菜单项，则其主要面对的任务就是情报综合任务。

4 面向任务的用户化人机交互设计

根据任务定义用户的方法，前提是系统操作模块化。以下分别通过对已有系统改造和采用全新设计的方式来实现本方法。

4.1 已有系统改造

通过对已有系统的界面进行改造，来实现面向任务的用户化界面控制。一般情况下，已有的空基信息系统中，各个专业功能独立，并且都已经历了多年的发展完善，其内部结构已经相对成熟，模块划分趋于合理。因此，不需对系统实现部分进行改动，只要将系统功能重新整合，进行系统操作功能的模块化改进，重新设计可配置的系统菜单，建立用户机制即可。但是这种改造方式回避了系统内部信息处理流程改造，实施效果有一定局限性。

4.2 基于MVC模式的综合显控一体化设计

通过对已有系统的改造来实现面向任务的用户化界面，只是从界面操作上提高了系统使用效率，并不能提高系统的运行效率。要想更好的发挥系统功能，必须对系统进行重新设计。

一个系统运行效率的高低，主要取决于系统架构的合理性。一个好的系统设计应该能从整体上把握系统各部分的功能划分及模块构成，使系统功能均衡分布，信息交互通畅。设计性能优异的人机交互界面，离不开对全系统的精确构造。空基信息系统作为特殊的电子系统，其人机界面有如下几个特点：

（1） 界面操作繁多。空基信息系统是集各种系统于一体的大型系统，系统模块较多，因此，相应的界面操作单元也会比较多。

（2） 界面对象特殊。空基信息系统大多数作为武器系统的组成部分，所面向的操作人群为部队战勤人员，这些人员一般习惯于现役装备系统，所以针对这些使用者的界面设计有一定的特殊性。

（3） 更新需求大。空基信息系统在国内发展时间并不长，各项功能正在逐步完善，并且人们对界面操作的理解和习惯不尽相同，所以界面设计不可能做到一次到位，需要与客户进行不断的沟通，通过系统实际运行来验证界面设计的合理性。所以，界面程序难免频繁改动。

（4） 实时要求严格。作为空中平台系统，尤其是空基武器平台，空基信息系统执行的实时性必须得到保证，其执行速度必须满足用户的基本操作要求，如果执行过程延迟较大，则会降低系统的可用性。

基于以上特点，为了更好的发挥人机功效，系统设计必须考虑以下几个方面：

（1） 保证系统风格一致，各个界面模块应该具备统一的格式和一致的操作流程。

（2） 界面程序必须符合使用者的操作习惯。界面程序的模块化界定必须符合部队操作人员的一贯理解。

（3） 为了不影响整个系统的开发进度，且不增加系统的维护难度，界面程序应该相对独立。

（4） 模块划分必须合理，系统其他模块能够迅速处理来自界面的调用，并将处理结果及时反馈给界面。

模型?视图?控制器（Model View Controller，MVC）是一种软件设计模式，它强制性的使应用程序的输入、处理、输出分开。根据MVC模式，可以将系统模块划分为三大类：界面模块，负责接收来自用户的输入数据和命令；业务处理模块，这种模块没有界面，负责数据运算处理；控制模块，在界面模块和业务处理模块之间构建动态对应关系，支撑系统正常运转。

通常，数据处理模块被用来支撑界面操作，接受一个或多个界面模块的调用。如果这些模块与界面模块相绑定，将使系统很难灵活配置，而且容易造成代码冗余，甚至导致系统数据不一致错误。比如设报告区操作和报告区编辑操作使用的数据处理代码相同，如果各自编写这部分代码显然多余，即使不会产生上述问题，也会带来维护上的麻烦。通过将数据处理代码单独封装为一个模块并提供公用的调用接口，可以很好地解决以上问题，既可以实现数据处理的共享，又使系统简化，大大提高了系统开发效率，如图4所示。

图4 基于MVC的系统模块组成图

上述结构，采用数据共享、模块共享、统一控制的方式开发整个系统。从全系统高度，以执行任务为目的划分系统模块，使每个模块能够独立完整的执行一项系统功能，达到系统模块之间低耦合、高内聚，各层次模块都遵循统一规范，为实现可配置的功能布局创造了条件。此结构实现了业务处理、控制与界面显示独立布局，从面向任务的角度，对功能菜单排列、显示方式进行统一设计，降低了系统复杂度，便于开发和维护[9]。

5 用户定义及管理

在本系统中，一个系统用户对应一个系统操作集合。按照操作种类和任务流程将全系统功能划分为多个系统操作集合。全权用户特指有权使用全系统内任何系统操作的用户，即该用户对应系统操作全集。

5.1 已有方法兼容性

对于目前已经使用的空基信息系统，用户习惯于按照专业划分，将系统功能划分为若干特定职责。面向任务的用户人机界面设计同样可以适应用户的这些习惯。根据系统功能所属的专业类别将某类系统操作单元归为一个系统操作集合，建立与之对应的系统用户。这种用户与已有系统中的操作员职责一一对应。从而可以使习惯于已有系统的用户毫无障碍地使用新系统。

5.2 面向任务的用户定义

根据任务要求，选择特定的系统操作集合构建系统用户。比如，一个任务包括雷达航迹探测、情报信息综合、态势数据下传。在执行任务前，只需建立一个涵盖以上三种功能的系统用户即可。使用该用户登录系统，其所能访问的操作足以覆盖本次任务所需的所有功能，而且把没用用到的其他功能屏蔽在外，从而使一个复杂的大系统变为简单易用的小系统。

5.3 用户管理

系统管理员可以全权访问系统的全部功能，并负责建立用户。设置用户名、密码及主要职责，为用户配置一个或多个系统功能，完成一个普通用户的建立。系统管理员可以对已经建立的用户进行修改，如对密码、功能配置等属性的更改。另外，系统管理员可以删除用户。用户登录系统后，可以对本用户密码进行更改。

6 结 语

面向任务的用户化人机界面设计方法可以有效提高系统操作效率，满足空基信息系统小型化和多用途化的需要。本方法可以兼容用户对现有系统的操作习惯要求。通过对现有系统改造或者采用层次化统一设计框架全新设计来实现本方法。层次化统一设计方法可以更好地实现系统功能颗粒化，不仅可以提高系统操作效率，而且可以大大改进系统运行效率。面向任务的用户化人机交互设计方法重在系统功能的灵活配置，而如何划分系统功能颗粒，如何优化系统功能组合是需要不断探讨和研究的方向。

参考文献

[1] 卢莉莉.面向任务的人机交互模型研究及应用[D].重庆：重庆大学，2005.

[2] 刘波，沈齐，李文清.空基预警探测系统[M].北京：国防工业出版社，2012.

[3] 童志鹏，刘兴.综合电子信息系统[M].2版.北京：国防工业出版社，2008.

[4] 汪海波，薛澄歧，黄剑伟，等.基于认知负荷的人机交互数字界面设计和评价[J].电子机械工程，2013（10）：57?60.

[5] 宁静辉.任务电子系统构架浅析[J].中国电子科学研究院学报，2009（4）：172?176.

[6] 张耀鸿，叶培春.面向任务的作战数据保障能力评估方法与工具[J].火控与指挥控制，2012（3）：136?138.

[7] 陈正捷，裴宏，吴迪，等.基于信息流程分级的指控信息处理机制设计初探[J].计算机工程与应用，2009（z1）：318?322.

[8] 李晓卉.面向角色的工作流模型及其应用研究[D].武汉：华中科技大学，2004.

[9] 崔茂源.面向任务的虚拟环境和人机交互方法研究[J].信息与控制，2002，31（2）：153?155.