美军人机交互研究和应用综述

美军从二战开始就认识到“人”的因素在武器装备功效发挥中的关键作用，从二战到后续多场美国参与的现代化战争中，美军装备制造企业一直在探索如何更好地发挥“人”在武器装备交互回路中的效能。人机交互作为一门复杂的交叉学科、系统工程，做好人机交互工作，要将“人”作为首要研究对象。在20世纪80年代，人机交互概念正式提出之前的几十年时间里，人机功效或人因工程一直是提高“人”与机器综合效能的关键研究问题。随着计算机技术的发展，新的交互技术不断涌现，牵引美军人机交互技术的研究进入快速发展期。通过文献调研的方法，总结提炼了美军人机交互4个主要方面：认知系统工程、交互可用性、VR/AR交互和人/无人机交互，并分别总结叙述美军人机交互相关研究的技术认知、应用案例和发展趋势，为我国相关领域的发展提供借鉴参考。

人机交互 （human computer interaction，HCI）是 一门研究面向自然人用户的交互式计算系统及其 相关主体的设计、评估和应用的学科。人机交互系 统存在于各类武器装备中，并在武器装备全生命周 期中发挥着关键性的作用。如 P51 战斗机在二战中 是美军最成功的主力战机之一，除本身出色的气动 性能外，P51 对于飞行员友好而易用的座舱交互系 统也使得其广受欢迎。相对同时期的英国战斗机， P51 战斗机飞行仪表系统的布局更加规整，操作功 能区更加简洁易用。 在二战之前，武器研发的常规思路是训练人员 学习装备操作、适应装备特点。二战后受实战教训 的启发，在装备研制领域开始推广人因工程学（ergonomics）思想。人因工程学奠基人之一阿尔方斯·查 帕尼斯（Alphone Chapanis），通过分析多起 B17 轰炸 机坠毁案例，发现在高强度工作时，飞行员会搞混 飞机的襟翼控制旋钮和释放起落架旋钮，因为两个 按钮的距离靠近且外观相近，但二者的功能却完全 不同，容易发生误操作而坠机。因此，他仅通过将起 落架释放按钮改为圆形，将襟翼控制按钮改为三角 形，就有效解决了误操作问题［1］。随着计算机系统 的应用，出现了真正意义的人机界面。 麻省理工大学为美国海军开发的旋风（WhirlWind）轰炸机乘组训练模拟系统，是世界上第一批 使用计算机实时模拟的系统，也是较早使用 CRT 显 示器的信息化装备。旋风掀起了 20 世纪 60 年代的 计算机微型化浪潮。如半自动地面环境（semi-automatic ground environment，SAGE）系统是美国空军 开发的追踪、拦截敌方轰炸机的自动控制系统。 SAGE 引入了基于调制解调器（modems）的实时通信 和计算技术，并首次使用激光笔代替了机械按键作 为交互介质。1970 年，SAGE 使用了斯坦福研究院 Engelbart 发明的鼠标代替了激光笔［2］，具有了现代 武器交互系统的雏形。 计算机技术的深入应用将人因工程的研究范 围扩展到了人机交互，人与机器之间的交互界面也 从机械按钮的排列组合演变为数字化的现代界面。 人机界面如同计算机系统的“艺术作品”，无法简单 评价人机界面的优劣，好的人机界面始终处于不断 演进中，而有缺陷的人机界面可能引发致命性灾 难。1988 年两伊战争结束前，一架载有 290 名乘客 的伊朗客机被美军“文森号”宙斯盾导弹巡洋舰错 误击落，机上乘客全部遇难。经过调查引起这个悲 剧的直接原因是宙斯盾系统界面设计的两个细微 缺陷，导致宙斯盾操作员将处于爬升状态的客机误 认为是处于俯冲攻击状态的伊朗空军 F-14 战机， 进而发出错误的击落指令。宙斯盾系统的显示屏显 示雷达探测到的实时目标信息（包含速度、距离和 高度），却不包含目标的高度变化率，操作员需要手 动记录不同时刻的高度，并使用计算器计算目标高 度的变化以判断目标是在爬升或者下降。在研发时， 设计师曾提议在软件中增加自动计算目标高度变化 的功能，在屏幕上通过标签实时显示目标是在爬升 或者下降，但被项目组以屏幕空间不够、用户没有 提出这个需求为理由拒绝。当事故发生时，“文森 号”处于高度戒备状态，操作员在高强度压力下对 飞机的高度计算出现了错误，得出了与实际相反的 致命结论［3］。 计算机系统的人机交互分为人机界面设计、交 互设计和信息呈现设计［4］，美军早在 20 世纪 90 年 代就编制了全军武器装备人机界面的设计指南［5］。指 南中详细规定了对车辆、航空器、导弹系统甚至单兵 等各类装备的人机界面设计规范。并针对性地给出 了对触屏、头戴式显示器、常规屏幕等不同的交互媒 介的设计准则。 本文通过查阅美军人机交互相关的研究论文 和公开文献，提炼出美军人机交互研究和应用的 4 个主要方面：认知系统工程、交互可用性、VR/AR 交 互和人-无人机交互，并依据实际案例论据论证美 军在相关领域的研究理念和应用方向。