美國海軍裝備采辦中“人與系統綜合”應用分析?

王道重 唐金國 劉旭寧 丁廣威

（1.海軍航空大學 煙臺 264001）（2.91206部隊 青島 266108）

1 引言

隨著科學技術在軍事領域的不斷發展，各種武器裝備層出不窮，但裝備再好，終究還是由人來操作的，所以，在設計軍事裝備的時候就應該充分考慮人的因素，將人作為武器系統的重要組成部分，而非兩個獨立的整體。這是一種全新的裝備設計理念，力求在提高裝備性能的同時減少操作人員的數量，從而在不影響作戰效能的前提下減少人員配備的需求，降低全壽命周期費用。

2 HSI的基本內涵

HSI是一種“以人為中心”的系統工程設計方法，整合了人因工程［1～4］（Human Factors Engineering）方面的所有系統元素，它顛覆了傳統觀念，將人作為武器系統的重要組成部分，強調在裝備論證、技術開發、裝備制造、裝備部署、裝備保障和裝備報廢等領域中始終遵循“以人為中心”的原則。軍事裝備應該從一開始就圍繞“人”來研制，人機接口至關重要，進行人機接口設計，考慮人員配備，減少全壽命周期費用，是提高武器系統性能的重要途徑。HSI屬于較新的系統工程學，其主要包括以下幾個領域［5］，如圖1所示。

1）人力。主要解決裝備操縱、維護、訓練和保障等任務所需人員問題。

2）人事。負責定義裝備操縱、維護、訓練和保障等任務所需人員的特征、知識和技能標準，并為這些任務配備和挑選適當的人員。

圖1 人與系統綜合

3）培訓。負責制定人員培訓的內容、范圍、程序和規劃，培訓和教育裝備使用者，使其具備所需的知識和技能，從而能有效運行和維護裝備。

4）人因工程。將人員的認知、生理和社交方面的能力與人員的局限性融入到裝備設計過程中，強調裝備的設計要與人員特點相匹配，并通過有效的系統設計來提高人機性能。

5）生存能力。負責制定和落實裝備系統設計的安全特征標準，強調降低人員受傷的風險，保護裝備使用人員免受攻擊，減少其可能受到的各種傷害，并緩解生理和精神疲勞，配備相應的安全保護設施，從而提高人員的生存能力。

6）環境、安全。分析系統的威脅、使用環境、保障環境等因素，制定和貫徹落實武器裝備系統設計的安全標準，降低人員受傷和遭受疾病的概率。

7）職業健康。強調降低裝備操作和維護人員遭受慢性疾病、急性疾病、殘疾、受傷或死亡的風險。

8）宜居性。人員的物理生活環境要舒適良好，提高人員生活質量，從而提高戰斗力。

以上8個領域均應作為重要的裝備設計要素融入到系統工程框架中，優化全武器系統。

3 裝備生命周期和技術評審時機

裝備生命周期包括需求論證階段［6］、技術開發階段、工程制造階段、定型部署階段、列裝與保障階段［7］。裝備生命周期和技術檢查時機如圖2所示。

3.1 需求論證階段

武器裝備需求論證是武器裝備需求的開發和驗證過程，是為武器裝備發展提供決策依據的研究工作。其研究對象是未來要發展的武器裝備要求，輸入是作戰單元的使命任務，輸出是滿足使命任務需求的武器裝備需求方案，其成果形式一般為論證報告，論證結論作為上級決策部門進行武器裝備發展決策的基本依據［8］。HSI需求論證階段的“V”字工程圖如圖3所示。

圖2 裝備生命周期和技術評審時機

A：評估和確定HSI關于環境、系統威脅、作戰、資源、基礎數據、技術基礎等方面的局限性。依據軍事裝備相關規定，對HSI進行影響因素分析［9］，確保HSI是一個完整的以人為中心的系統。

B：分析和評估每一個概念性文件，權衡HSI各方面因素，定義與人員性能相關的能力需求，確定系統滿足計劃需求，并在系統性能方面分析HSI的需求。

C：在功能需求中解釋HSI的標準（HSI的影響，人類性能局限性，特定領域的風險，戰術系統、保障系統、訓練系統等）。分析和評估HSI各方面因素，武器裝備應具備的功能要和需求論證方案具有一致性。

D：在組件配置方面，分析系統功能，并定義HSI組件設計需求。通過確認計劃來測試和評估HSI的需求。

E：在分析、建模和仿真、示范等方面充分考慮HSI，回顧歷史信息（如成功信息、事故教訓、人的性能等）。

F：評估HSI的影響，評審硬件和軟件的建模、仿真、演示的結果，驗證組件及HSI需求的滿意度。

G：確保HSI系統的完整性與整體的能力。評審硬件和軟件的建模、仿真、演示的結果，驗證組件及HSI的結果。

H：評估每個系統概念，識別HSI的標準和需求。找出HSI潛在問題，并提出有效措施。

I：鑒定方案的有利因素和不利因素，確保方案是“以人為中心”的設計。

3.2 技術開發階段

技術開發階段要盡可能地減少技術風險，開發技術并使其成熟，最后集成一個完整的系統來演示關鍵技術的原型。技術的發展是持續的，技術開發的過程反映了部隊與系統開發人員之間的密切合作，反復的設計與評估技術的可行性，并同時提煉部隊需求，是技術開發階段的主要工作。技術開發階段的“V”字工程圖如圖4所示。

圖3 需求論證階段

A：確定HSI的關鍵技術需求，評估HSI特定領域的技術成熟度，使各方面因素對HSI的影響降到最低。

B：確保HSI起源于系統的功能，識別HSI在任何系統或子系統中的性能，并定義HSI測試要求。

C：在武器系統、保障、培訓和訓練系統中定義HSI標準，對整個系統進行技術權衡，細化評估HSI的影響，并定義HSI的測試要求與識別技術。

D：是關于HSI標準的更新系統，評估HSI對硬件和軟件（物理接口、功能接口、標準和現有技術）的影響，理解復雜系統下HSI的影響，并定義HSI關鍵系統組件的測試和驗證要求。

E：說明HSI在建模與仿真演示中的問題，在整個系統中識別和評估HSI的約束條件以及其他方面的問題，基于技術測試和驗證，降低HSI成本和風險。

F：整合評估各功能領域的關鍵技術，驗證技術組件對系統組件關于HSI方面的需求，評估新技術組件對HSI的影響。

G：從HSI的角度評估關鍵技術，對HSI相關的約束條件、風險評估結果，提出技術、組件取舍或相關的改進措施。

H：確保系統能夠很好地融合HSI工程，評估演示結果、HSI的約束條件和風險。評估HSI的影響、可接受的技術風險和系統功能。

I：確保系統性能包括HSI的相關元素和相關系統開發計劃。

J：指出HSI的概要文件和整個生命周期的系統邊界，在需求和采購方面就要考慮到HSI因素，即初始功能說明、采辦計劃、系統工程計劃、人與系統集成計劃、測試和評估總體規劃、生命周期管理計劃等。將HSI寫入整個系統需求，并對其全壽命全過程跟蹤。

K：進行HSI的風險指標分析。研究所有子系統的人機界面和HSI需求，審查所有HSI的影響，擴大HSI分析（包括功能規范等），確保系統驗證計劃包含HSI因素，驗證國家政策、法案、行政命令等要求，提出測試和培訓方案，提供非軍事化的HSI方面的更新與處理計劃，根據系統或子系統的要求和規定，確定HSI需求。

L：檢查HSI的影響（如危險和風險分析、初步風險分析、系統危害分析、子系統危害分析、后勤保障有關危害分析等）。審查衍生的HSI組件、系統和子系統，提供裝備升級處理計劃，驗證HSI的設計規范中是否包含需求跟蹤系統，并詳細設計規范與驗證計劃。

3.3 工程制造階段

工程制造階段的目的是開發一個完整的HSI系統，并盡可能地減少成本與風險，這是一個可執行的生產過程，確保系統的可支持性、可生產性，實現人與系統的集成（HSI）。通過實施適當的技術，演示系統集成、互操作性、安全性和實用程序。工程制造階段的“V”字工程圖如圖5所示。

A：開發HSI的概要文件和整個生命周期的系統框架，并在裝備需求和采購中嵌入HSI，識別、開發HSI的決定性需求，并驗證系統確實包括HSI因素。

B：分析度量HSI相關因素，檢查和了解所有子系統的需求，研究HSI的影響和功能規范，驗證HSI功能規范中是否包含需求跟蹤，并開發系統驗證計劃。驗證是否符合國家政策法規要求，不斷尋求最優解決方案。

C：檢查和更新系統安全，分析環境、安全、職業衛生等風險對HSI的影響。審查HSI組件、系統和子系統（包括測試需求）。分析HSI限制、風險和屬性，并給出詳細設計與規范，驗證HSI設計規范中是否包含需求跟蹤。最后進行初步設計審查。

D：評審有關環境、安全、職業衛生和HSI的影響。更新HSI組件、系統和子系統，其中包括測試和檢驗需求。產品基線確定HSI進程，并構建HSI文檔和軟件代碼文檔。

系統功能檢查：檢查是否解決HSI需求，并確保系統需求和功能基線完整無誤，并進行合理的成本估算。

初步設計審查：確保初步設計中包括性能要求，從所有功能區域評估子系統需求并解決HSI問題，審查系統整體設計、HSI風險識別和有關解決方案。確保系統的安全性和完整性，評估可能的風險，審查初步設計，找出設計的不足并加以改正。

關鍵設計評審：審查系統能力開發需求，確保系統包括HSI因素。保證HSI的要求得到滿足，審查產品硬件和軟件設計是否符合規范，解決整體和部分的所有問題。

E：制造組裝與必要的修改，評審HSI的臨時更新系統，驗證配置項包括HSI因素，不斷發展測試和評估，分析HSI風險的可接受范圍。

F：在系統更新的同時，實時分析HSI風險和影響，驗證不斷更新的測試和評估，驗證實彈測試和評估，驗證HSI測試和評估?；诎l展中的測試和評估，對HSI風險提出適當的控制措施。建立HSI風險可接受范圍，并確保符合國家政策法規。

G：確保HSI的所有測試結果都進行了綜述，有效控制HSI風險，基于HSI的影響和風險配置更改方案，驗證系統評估和HSI的適合性評估，基于測試結果，提出HSI風險緩解措施，確認HSI測試結果符合規范要求。

H：基于配置更新HSI狀態，測試與評估相結合，提出必要的HSI風險緩解措施，確保解決HSI測試中出現的問題。

I：確保測試結果符合HSI的相關要求，充分審查和認證HSI的可支持性和互操作性，識別和描述所有殘余的HSI風險，提出HSI的風險緩解措施與必要時機。

測試準備檢查：確保測試計劃解決HSI需求，確保測試程序和計劃的兼容性和完整性，確保HSI風險水平是可以接受的。

系統驗證檢查：在功能基線的基礎上，驗證系統功能是否符合HSI要求。

生產準備檢查：識別和管理HSI風險，包括材料和制造工藝等。

3.4 定型部署階段

定型部署階段的目的是實現一個滿足任務需求的作戰能力，并通過作戰測試和評估，確定系統的有效性和適用性。定型部署階段的“V”字工程圖如圖6所示。

輸入活動：審查HSI系統，為HSI的測試結果提出適當的糾正措施，根據需要，提供全面的HSI程序，實時更新HSI的性能和系統屬性。保證HSI風險區域的監控與測試，提供HSI的更新計劃，確保系統工程包含HSI戰略，并對系統進行持續檢測和跟蹤。

A：檢查HSI的影響和缺陷，并形成報告，跟蹤HSI緩解措施的發展，分析國家政策法規，確保緩解措施的有效性。

B：驗證HSI系統需求和約束條件，根據HSI的設計和要求，對HSI進行風險審查，平衡HSI系統的成本和性能。

圖6 定型部署階段

C：驗證HSI配置項。通過監控測試的方法來驗證HSI的改進是否是有效的。

物理配置審計：在整個系統中，確保HSI相關測量和測試都是可行的，測試獲得的結果要與竣工配置相一致，以保證HSI相關功能的有效性。

輸出的活動：審查所有HSI相關的測試結果，結合測試數據進一步分析HSI的需求，并驗證是否符合國家政策和相關規定。最后對HSI的風險和需求進行整合。

3.5 列裝與保障階段

列裝與保障階段要時刻保持武器裝備的最佳狀態。在整個裝備生命周期中，以最節約成本的方式保證系統的穩定性。列裝與保障階段的“V”字工程圖如圖7所示。

A：提供系統的HSI標準，應用趨勢分析法評估HSI所包括的不利因素，分析系統和子系統的事故和HSI相關因素，審查可能影響HSI的技術資料變更請求。

B：應用系統安全分析技術來確定HSI的不利因素，根據HSI的相關數據，分析和跟蹤系統風險，找出根本原因。

C：優先降低關于HSI的風險，分析和跟蹤整個系統風險，處理系統的危害。修改系統狀態并形成報告，正確反映HSI的影響。

D：根據系統安全，分析HSI的糾正措施和優先順序，并對風險進行跟蹤。驗證HSI緩解控制措施。

E：評估測試結果和風險緩解效果，確?？刂拼胧┎粫绊懫渌麧撛趩栴}，分析和跟蹤系統風險，修改系統狀態報告，正確反映HSI的影響。

圖7 列裝與保障階段

F：進行深入的系統分析，以確保糾正措施和改進設計不會產生額外的缺陷或降低人員的性能。

G：繼續監視和跟蹤，尤其是關于健康和人員性能指標方面，并驗證改進措施的有效性，查找是否存在殘存的風險。

4 HSI的實施規劃指南

HSI的成功應用與良好的規劃是密不可分的，應該在裝備的設計過程中貫徹實施。美軍HSI實時規劃指南如下：

1）制定一個正式化、標準化的HSI應用流程，并明確該流程所包含的所有活動和步驟，然后在裝備系統工程中貫徹執行。

2）實施自上而下的需求分析［10］（Top-down Requirement Analysis）。在裝備設計的早期實施自上而下的需求分析，明確人員和裝備在現實系統功能方面的協作和互補，合理進行人與系統的功能分配，減少人員需求，提高人員的工作效率和安全性。自上而下的需求分析是HSI設計流程的第一步，同樣也是最核心的一步。

3）將HSI的要求融入到系統需求任務書中。在HSI眾多要素中，人員數量及其特性是影響裝備全壽命周期費用和系統性能的驅動因素，因此要將HSI的相關要求轉換為裝備設計的關鍵性能參數，進而影響整個系統的設計。

4）將HSI融入到系統測試和評估。HSI測試和評估的目標是提出具體的規劃和行動，HSI的要求也被視為關鍵技術參數和關鍵操作問題進行測試和評估。

5）將HSI的要求融入到系統性能規格書中。一種是綱領性的HSI要求，另一種是具體的人與系統接口細節方面的HSI要求，系統設計要能夠滿足HSI需求。

6）開發人機接口［11］。定義人機接口的概念和標準，基于任務要求對人機接口進行分析、設計，同時還要注意硬件、軟件的設計要符合人員的特征標準，這是人機接口評估中的一項重要內容。

7）建模與仿真。開展HSI建模與仿真，評估人員特征，改進人機接口。通過分析或試驗的方法評估裝備的功能分配情況，發現并解決HSI設計中所存在的問題［7］。

5 結語

通過對美軍裝備設計的分析可見，HSI設計方法具有以下三個方面的重要意義。

1）能夠促進先進技術的嵌入，改善武器裝備性能，提高工作效率。在HSI設計的人與系統分配中，采用大量先進技術，提高系統性能。

2）減少人員需求，降低全壽命周期費用［12］。人員是HSI設計的基本原則，HSI設計是“以人為中心”的設計，在人與系統之間重新分配工作量，促進任務的簡化和崗位的合并，從而在先進技術的支持下提高工作效率。

3）提高人員的生活質量與系統的安全性。美軍在HSI設計中，特別強調了對人員安全性和生活質量的改進，并遵循“危險任務盡量由機器來完成”的原則，充分體現了HSI設計方法對于人員安全性、宜居性和生存能力的提升。

近年來，美軍從下一代裝備的論證階段就嵌入了HSI設計方法。HSI設計方法也得到了英、法、日等國家的推崇。在可預見的未來，HSI設計方法將得到更廣泛的發展與應用。