《静默安全：海军水面舰艇上的防空程序评估》

在现代海战中，潜艇构成对军用及民用舰船的最大威胁之一。空化现象已被确认为水下辐射噪声的主要来源，并被用于定位水面舰艇。该问题作为降噪研究焦点，旨在降低军舰可探测性。本研究致力于梳理现行空化预防流程，识别相关船员职能分工，评估系统工作负荷。基于现役护卫舰高保真模拟推演与实战演练的观测数据，我们实施功能共振分析(FRAM)。所建模型揭示无空化航行现行流程，识别系统潜在失效节点，并提出增强流程韧性的路径。研究论证：接管空化起始预判功能的交互界面可辅助船员决策并降低认知负荷。

降低水下辐射噪声(URN)具有多重战略意义。其不仅对海洋生物产生显著负面影响[1-4]，更危及冲突环境中的作战安全。反潜作战(ASW)作为现代海战核心环节，因潜艇具备常规武器与核武器的隐蔽投送能力而至关重要。先敌发现的优势适用于所有战争领域，海战领域亦不例外。自水听器问世以来，被动声呐侦测URN始终是发现敌舰及水下武器的核心手段[5-7]。潜艇尤其依赖被动声呐——其不暴露自身位置的特性维系了潜艇的隐身优势。通过舰体多水听器阵列对URN源的精确定位，潜艇无需使用主动声呐或上浮至潜望镜深度即可获取水面舰艇坐标[6]。

空化现象长期被确认为船舶URN的主要成因[8]。海事领域的空化特指螺旋桨空化——由桨叶在水中运动引发水压差导致的水体汽化现象[9-11]。水蒸气形成的气泡随桨叶运动最终内爆，产生的冲击波转化为声波。这种声学空化产生宽频谱URN，极易被水听器探测[12]。船舶设计师数十年来致力于降噪研究，尤以螺旋桨设计优化为重点[12-14]。鉴于螺旋桨全速运转（通常以每分钟转数RPM计）时几乎无法避免空化[15]，桨叶设计力求最大效率。潜艇螺旋桨长期高度优化，其设计通常被列为国家机密。水面舰艇空化研究因材料侵蚀效应[11,16]及机动性损害[17]已开展多年，而空化特异的URN辐射直至近期才成为海军研究焦点。

通常以空化起始速度(CIS)作为舰船（级别）的恒定评估指标。但CIS实际受多重变量影响：舰体设计与损耗、海况、洋流、历史机动轨迹、盐度及螺旋桨桨距角等[12,18-23]。作为CISCON项目的组成部分，本研究旨在开发预测空化工具，辅助船员根据实时CIS调整航速。

鉴于CIS的影响变量多样性，研究提出三类控制方法：固定式、被动式与主动式。本研究聚焦主动式方法——船员在操作中可实施的措施。若条件允许，调整螺旋桨桨距角可改变CIS（桨叶攻角影响推力而无需改变推进单元转速）[24-25]；另一普适性方法是降低螺旋桨RPM。相较之下，被动式方法关注船员不可控因素（如环境参数与他舰尾流）；固定式方法则应用于建造或改装阶段（如螺旋桨与舰体设计）。后两类方法因无法应对航行中CIS动态变化而不适用于本项目。

本研究选定"通过RPM调整维持CIS阈值下运行"为核心方向。该主动方法具普适性，无需变距螺旋桨等特殊设备或舰体改造。但船员需实时获取当前CIS数据，这要求引入新型人机界面(HMI)。HMI的设计集成必须确保高可用性，其信息传递机制与空化预防流程将作为后续研究主题。在启动设计前，需充分理解该界面的应用场景——因其将在现有工作流中注入新增安全相关数据。必须深入考察当前信息处理网络并解析舰载工作压力。经与荷兰皇家海军(KM)四名指挥官初步论证，确定舰桥作为该系统的部署环境（因推进单元指令主要源自此处），故本研究以舰桥环境为框架。

舰桥在执行任务时呈现高压高风险工作环境，持续高认知负荷易引发操作员疲劳[26]。鉴于高警戒状态可能持续数日，操作员疲劳效应更为显著。任何新增界面（尤涉安全关键设施）在舰桥的集成必须最小化船员认知负荷增量。需首先厘清海军舰船现行空化预防流程，建立基准以人机工程学原则集成新系统，并向对应船员呈现必要空化信息。

本研究目标为：在反潜作战框架下，通过梳理现行无空化航行流程建立基准；探究顶层系统韧性；识别HMI可辅助环节。具体目标包括：(1)识别空化预防相关责任人 (2)绘制信息处理流 (3)映射子流程交互关系 (4)定位系统高变异性源头 (5)规划未来HMI的理想集成节点。基于目标清单，选用Hollnagel提出的功能共振分析方法(FRAM)[27]。虽考虑过层次分析法(AHP)，但其适用于时序决策分析，而FRAM能揭示系统标称性能与工作负荷源，且能呈现变异性（对规划新增界面至关重要）。

FRAM为每个功能定义最多六个维度的连接节点：时间(T)指执行功能的时序条件（如特定时段或顺序）；控制(C)描述监督调节机制；输入(I)是触发功能执行的要素及功能转化的对象；输出(O)是功能执行产物；前提(P)是启动功能所需的非触发条件；资源(R)是功能消耗或利用的要素。

图1. FRAM模型可视化图示。功能以六边形表示，各顶点标注不同维度：输入(Input)、时间(Time)、控制(Control)、输出(Output)、资源(Resources)、前提(Precondition)。了望员执行功能标为蓝色，值班军官为绿色，指挥中心军官为红色，声呐操作员为灰色。功能内正弦波形标记表征变异性。