徐 勇

(海軍裝備軟件管理中心 北京 100841)

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艦艇指控顯示交互技術(shù)發(fā)展*

徐 勇

(海軍裝備軟件管理中心 北京 100841)

研究先進(jìn)的顯示交互技術(shù)在艦艇指控系統(tǒng)中的應(yīng)用是實現(xiàn)指揮員與指控裝備深度融合的重要途徑。論文回顧了顯示交互技術(shù)在指控系統(tǒng)中應(yīng)用的發(fā)展歷程,分析了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展趨勢,指出了當(dāng)前該領(lǐng)域存在的差距與不足;從體系結(jié)構(gòu)和需重點突破的關(guān)鍵技術(shù)等方面,提出了新型艦艇指控系統(tǒng)的發(fā)展思路,為艦艇指控系統(tǒng)中顯示交互技術(shù)的應(yīng)用研究提供了參考。

顯示交互; 艦載指控系統(tǒng); 會商式指揮; 海上作戰(zhàn)

Class Number E83

1 引言

指揮控制系統(tǒng)是根據(jù)分配的任務(wù),指揮員對所屬部隊實施作戰(zhàn)指揮、控制所必需的設(shè)備、軟件和人員的總稱。指控裝備與指揮員形成了現(xiàn)代作戰(zhàn)系統(tǒng)的“大腦中樞”,從其功能來看,是指揮員的“腦、眼、手”的延伸,是作戰(zhàn)系統(tǒng)的“粘合劑”,是作戰(zhàn)效能的“倍增器”[1]。指控裝備是指揮員施計用謀的“舞臺”,指揮員是指控裝備發(fā)揮功能的“靈魂”;隨著作戰(zhàn)形態(tài)、軍事裝備和科學(xué)技術(shù)發(fā)展,如何高效地發(fā)揮指揮員的作戰(zhàn)藝術(shù),準(zhǔn)確地反映指揮員的作戰(zhàn)意圖是指控系統(tǒng)研究中需要解決的重要問題[2～3]。

顯示交互技術(shù)是“人與機器之間的橋梁”,是指機器通過展示設(shè)備給人提供大量有用信息及提示請示等,人通過輸入設(shè)備給機器發(fā)送指令信息及提示請示等以及人與機器互動的過程。它與認(rèn)知學(xué)、人機工程學(xué)、心理學(xué)等領(lǐng)域有密切的聯(lián)系。研究先進(jìn)的顯示交互技術(shù)在指控系統(tǒng)中的應(yīng)用是實現(xiàn)指揮員與指控裝備深度融合的重要途徑之一[4]?，F(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭的新形勢下,戰(zhàn)場空前擴(kuò)大,情報信息堆積如山,作戰(zhàn)節(jié)奏明顯加快,有利戰(zhàn)機稍縱即逝;艦艇指控系統(tǒng)作為海上作戰(zhàn)平臺的指揮決策和情報中心,尤其需要加強先進(jìn)顯示交互技術(shù)的應(yīng)用,達(dá)到及時、直觀、精確展示作戰(zhàn)信息,高效、自然、主動地輔助指揮決策的效果,構(gòu)建以人為中心的操控環(huán)境,提高作戰(zhàn)效能。

2 艦艇指控系統(tǒng)顯示交互發(fā)展情況

2.1 指控系統(tǒng)顯示交互發(fā)展歷程

迄今為止,顯示交互技術(shù)在艦艇指控系統(tǒng)的應(yīng)用隨著海上作戰(zhàn)需求、艦上裝備形態(tài)和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了三個主要階段[5]。

第一階段是顯示交互技術(shù)應(yīng)用的起步階段。20世紀(jì)60～70年代,艦上各武器、傳感器裝備分散在各部門控制,操控設(shè)備各自獨立、形態(tài)各異,顯控臺概念還未正式形成,也沒有大屏顯示、協(xié)作會商等設(shè)備;在該階段,顯示交互手段單一,指令的輸入和信息的輸出主要靠專用物理按鍵、命令行及字符、信號燈提示等,指揮員與設(shè)備間處于一種低層次的操作與被操作關(guān)系。

圖1 美國NTDS艦艇指控系統(tǒng)顯示交互設(shè)備

第二階段是顯示交互技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展階段。20世紀(jì)80～90年代,隨著計算機技術(shù)的蓬勃發(fā)展,指控系統(tǒng)由之前的獨立式發(fā)展到集中指揮、分散控制階段,裝備形態(tài)上開始配置大屏顯示器、立式指揮桌等,指控系統(tǒng)的定位基本清晰。同時,顯示交互技術(shù)開始得到重視,指控系統(tǒng)吸收計算機領(lǐng)域的成果,結(jié)合應(yīng)用特點,指令和信息交互的手段主要有跟蹤球、操縱桿、鍵盤及CRT顯示器等,交互的內(nèi)容主要有字符、圖形和圖像等;但仍未出現(xiàn)協(xié)作會商式指揮及相應(yīng)的設(shè)備形態(tài)。在該階段,業(yè)界明確認(rèn)識到指揮員與指控設(shè)備有機結(jié)合形成了指控系統(tǒng),促使兩者融合的顯示交互技術(shù)在指控系統(tǒng)中的應(yīng)用作為一項重要研究得到普遍重視。

圖2 法國Senit艦艇指控系統(tǒng)顯示交互設(shè)備

第三階段是顯示交互技術(shù)應(yīng)用的廣泛應(yīng)用階段。進(jìn)入21世紀(jì),經(jīng)過近半個世紀(jì)的發(fā)展,指控系統(tǒng)已確立了艦艇作戰(zhàn)平臺的指揮決策中心和情報中心的地位,裝備形態(tài)趨于穩(wěn)定,指揮控制的對象也從原來的單平臺擴(kuò)展到跨平臺協(xié)同作戰(zhàn)指揮,裝備形態(tài)除了標(biāo)準(zhǔn)顯控臺,還發(fā)展出了多功能大屏顯示設(shè)備、會商式指揮桌等。同時,大量新的顯示交互技術(shù)被引入到指控系統(tǒng),如觸摸輸入、語音輸入、圖形化顯示、多層視窗顯示等[5]。新的輸入輸出手段使設(shè)備功能得到豐富,如大屏顯示設(shè)備除了之前的復(fù)示功能,還有定制態(tài)勢功能,也可以升級手勢作戰(zhàn)標(biāo)圖等功能。隨著顯示交互技術(shù)在指控系統(tǒng)中應(yīng)用研究的不斷深入,指揮員與指控裝備發(fā)展到較高的融合水平。

圖3 法國THALES公司艦載會商式指揮桌

2.2 指控系統(tǒng)顯示交互發(fā)展趨勢

近年來,先進(jìn)顯示交互技術(shù)在艦艇指控系統(tǒng)上的研究愈加深入,也取得了一系列成果,涌現(xiàn)了許多新概念。一方面得益于與顯示交互相關(guān)的新技術(shù),如計算機技術(shù)、觸摸屏技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、三維顯示技術(shù)等的飛速發(fā)展,加之上述技術(shù)在商用產(chǎn)品上取得的巨大成功,這些為它們在指控系統(tǒng)的應(yīng)用創(chuàng)造了條件,提供了思路;另一方面現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭的新形勢下,海量信息的高效處理、直觀展現(xiàn),對稍縱即逝戰(zhàn)機的迅速決策指揮,這些牽引著指控系統(tǒng)采用超越傳統(tǒng)的顯示交互技術(shù)來提高運行效率。

圖4 未來指控系統(tǒng)概念圖

美軍早在1998年由DARPA組織的未來指揮所(CPoF)研究計劃中指出,未來新型指控系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)是一個具有適應(yīng)性、以決策為中心的可視化人機環(huán)境[6](如圖4所示)。由此可見,未來新型指控系統(tǒng)必然是一個和諧的人機環(huán)境,將人的心智模型(針對非結(jié)構(gòu)化問題)和計算機的定量分析能力(針對結(jié)構(gòu)化問題)結(jié)合,為指揮決策提供支持,其中顯示交互起著橋梁的作用。

顯示交互技術(shù)在艦艇指控系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)展主要有以下三方面的趨勢[7～10]。

圖5 英國無畏2050概念艦指揮系統(tǒng)

信息展示趨向直觀。隨著大屏幕顯示、三維顯示、全息投影等技術(shù)手段在艦艇指控系統(tǒng)的應(yīng)用研究不斷深入,實現(xiàn)目標(biāo)態(tài)勢、戰(zhàn)場情報、裝備狀態(tài)、指揮過程等各類信息直觀、可視化展現(xiàn)是趨勢之一,通過戰(zhàn)場可視化,達(dá)到戰(zhàn)場信息的準(zhǔn)確獲取、快速傳遞、及時處理和正確理解,將信息優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為決策優(yōu)勢進(jìn)而提高戰(zhàn)斗力。

顯示交互趨向自然。采用多模態(tài)人機交互方式,在傳統(tǒng)鍵盤、跟蹤球、表頁顯示器等基礎(chǔ)上,引入語音輸入、語音提示、多點觸摸、手勢輸入、體感輸入、力反饋等交互手段,簡化指揮人員的操作過程,突破傳統(tǒng)操作方式的限制,優(yōu)化多通道交互手段的協(xié)同機制。自然的顯示交互可極大降低對指揮員操控過高專業(yè)性的要求和指控裝備使用的學(xué)習(xí)成本,提高指控系統(tǒng)的交互效率和自適應(yīng)能力,以滿足未來指揮人員快速指揮和決策的需要。

人機環(huán)境趨向智能。未來的艦載指控系統(tǒng)不再是各種指控設(shè)備的簡單組合,被動接受指揮員指令;在充分吸收多模態(tài)人機交互方式的基礎(chǔ)上,還具備按作戰(zhàn)流程組織界面顯示、指控操作智能導(dǎo)航、作戰(zhàn)信息按需推送、輔助協(xié)作會商等,為指揮員提供一個“沉浸式”的顯示交互環(huán)境,達(dá)到指揮員與指控裝備的深度融合,極大提高指揮決策效率。

2.3 差距與不足

艦艇指控系統(tǒng)顯示交互技術(shù)的應(yīng)用經(jīng)過多年的發(fā)展,取得了長足的進(jìn)步,但與新軍事變革條件下戰(zhàn)場范圍擴(kuò)大、情報量猛增、作戰(zhàn)節(jié)奏加快的軍事需求比較,在以下三個方面存在差距:

1) 顯示交互手段的集成度不高。艦艇指控系統(tǒng)大部分還是采用傳統(tǒng)的的顯示交互手段,簡單集成應(yīng)用于指控裝備;許多先進(jìn)、高效的顯示交互手段未應(yīng)用于指控裝備,也未充分考慮交互效率,操控的便捷舒適性等對作戰(zhàn)效能提升的影響,沒有實現(xiàn)“在恰當(dāng)?shù)牟课粦?yīng)用恰當(dāng)?shù)娘@示交互手段”。

2) 多模態(tài)自然人機交互優(yōu)化不足。由于只是簡單集成了多種顯示交互手段,本質(zhì)上還停留于在傳統(tǒng)“鍵鼠—視窗”交互模式下增加多種手段,沒有顯著提升指揮員的指揮決策效率;基于多模態(tài)顯示交互的作戰(zhàn)使用流程沒有充分優(yōu)化,顯示交互之間協(xié)作性不強。

3) 輔助智能化指揮能力不強。由于尚未實現(xiàn)由顯示交互功能組合向顯示交互有機集成的轉(zhuǎn)變,指控裝備在指揮員獲取信息和發(fā)送指令等交互過程中主動性不夠,還未構(gòu)建能夠適應(yīng)不同應(yīng)用場景,不同操控角色和不同作戰(zhàn)任務(wù)的自適應(yīng)人機交互體系。

3 新型艦艇指控系統(tǒng)顯示交互發(fā)展思路

3.1 新型艦艇指控系統(tǒng)顯示交互目標(biāo)圖像

未來信息化對抗背景下海、潛、空、天、電、磁多維信息相互影響,海戰(zhàn)場環(huán)境和交戰(zhàn)過程復(fù)雜多變,對新一代指控系統(tǒng)的戰(zhàn)場環(huán)境和敵我態(tài)勢掌控能力、作戰(zhàn)資源協(xié)調(diào)管理能力和指揮控制的快速反應(yīng)能力均提出了更高的要求。

根據(jù)顯示交互技術(shù)在艦艇指控系統(tǒng)中應(yīng)用的發(fā)展趨勢和存在的不足,結(jié)合未來作戰(zhàn)需求,應(yīng)用了先進(jìn)顯示交互技術(shù)的新型艦艇指控系統(tǒng)是一個多維作戰(zhàn)信息能夠直觀展示,指揮操控自然交互,決策會商智能主動的,指揮員與指控裝備深度融合的顯示交互環(huán)境。其體系結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 顯示交互環(huán)境體系結(jié)構(gòu)

在新型艦艇指控系統(tǒng)顯示交互環(huán)境體系結(jié)構(gòu)下,各類基礎(chǔ)信息集中處理,在此基礎(chǔ)上以智能輔助決策為手段統(tǒng)一調(diào)用,在可視化人機交互集成框架管理下,利用各類終端設(shè)備進(jìn)行顯示交互。通過分析,如表1所示,新型艦艇指控系統(tǒng)顯示交互環(huán)境主要由三類設(shè)備組成。

表1 新型艦艇指控系統(tǒng)顯示交互環(huán)境三類設(shè)備

1) 通用標(biāo)準(zhǔn)顯控設(shè)備。面向新型艦艇指控系統(tǒng)顯示交互環(huán)境,繼承傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)顯控臺的顯示交互手段,有機集成多模態(tài)新型顯示交互手段,具備豐富、完備的信息展現(xiàn)能力和標(biāo)準(zhǔn)化的多維可控的綜合操控能力。為以指揮員為中心的顯示交互環(huán)境提供基礎(chǔ)操控設(shè)備單元,為新型艦艇指控系統(tǒng)的自適應(yīng)能力、動態(tài)重組能力提供支撐。

2) 大屏幕顯示交互設(shè)備。大屏幕顯示交互設(shè)備為指揮員提供大幅面、廣視角、高精度的作戰(zhàn)信息展示和交互環(huán)境。在充分考慮人體工程的視角上采用立式屏幕,綜合運用背投、大屏拼接等顯示技術(shù)(圖7),提供多通道戰(zhàn)場態(tài)勢顯示功能,展示全局性重要信息,按需組織顯示各類的作戰(zhàn)方案、兵力行動計劃,主動提示指揮員共同關(guān)注信息等,能夠為指揮人員進(jìn)行協(xié)作會商式指揮決策提供全方位多維跨平臺信息展示能力,為作戰(zhàn)使用提供豐富、完備的信息展現(xiàn)手段。

圖7 立式大屏幕顯示設(shè)備

3) 協(xié)作會商式指揮設(shè)備。協(xié)作會商式指揮設(shè)備為提升實戰(zhàn)過程中指揮決策人員對跨平臺戰(zhàn)場態(tài)勢的全局把握能力,提供多維度的信息展現(xiàn)手段,為指揮決策過程構(gòu)建形象生動的展示平臺。協(xié)作會商式指揮設(shè)備為跨平臺作戰(zhàn)決策過程提供場景建模、進(jìn)程推演、態(tài)勢標(biāo)繪等形象真實的展現(xiàn)平臺和預(yù)演評估環(huán)境,為協(xié)作決策指揮提供有效的輔助支撐;通過構(gòu)建環(huán)繞式會商指揮環(huán)境,采用臥式大屏顯示實時戰(zhàn)場信息(圖8),綜合利用操作權(quán)限管理、并發(fā)控制等技術(shù),提供觸控、語音等操作手段,對高度抽象、聚合的信息進(jìn)行分析,便于指揮人員進(jìn)行態(tài)勢研判與指揮決策。在會商過程中對于精確、復(fù)雜的技術(shù)性操作,可以利用平板等便攜交互終端進(jìn)行操作。

圖8 水平會商式顯示交互設(shè)備概念圖

3.2 艦艇指控系統(tǒng)顯示交互技術(shù)體系

在將新型顯示交互技術(shù)應(yīng)用于艦艇指控系統(tǒng)的研究中,除了將三維顯示、虛擬現(xiàn)實、全息顯示、體感交互、電子沙盤等先進(jìn)的顯示交互技術(shù)在新型艦艇指控系統(tǒng)中集成驗證,還要重點開展如圖9所示的先進(jìn)顯示交互技術(shù)應(yīng)用、多模手段集成和顯示交互環(huán)境構(gòu)建等方面的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。

圖9 新型顯示交互艦艇指控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

· 海戰(zhàn)場環(huán)境及全維作戰(zhàn)空間展示技術(shù)。該技術(shù)主要研究應(yīng)用多模態(tài)顯示技術(shù)實現(xiàn)海洋環(huán)境多維渲染及作戰(zhàn)空間的全維展示。為提升實戰(zhàn)過程中指揮決策人員對戰(zhàn)場態(tài)勢的全局把握能力,提供多維度的信息展現(xiàn)手段。

· 海軍作戰(zhàn)裝備多維實時顯示操控技術(shù)。該技術(shù)主要研究應(yīng)用多模態(tài)顯示交互技術(shù)實現(xiàn)大批量多維海軍作戰(zhàn)裝備模型的實時顯示控制。用于解決海戰(zhàn)場跨平臺、大批量目標(biāo)實時變化環(huán)境下的高效、直觀顯示與操控問題。

· 作戰(zhàn)方案擬制動態(tài)展現(xiàn)技術(shù)。該技術(shù)主要研究應(yīng)用多模態(tài)顯示交互技術(shù)實現(xiàn)作戰(zhàn)態(tài)勢的動態(tài)展現(xiàn)和標(biāo)繪,為指揮決策提供形象逼真的戰(zhàn)場態(tài)勢,同時利用全維場景的交互能力展現(xiàn)作戰(zhàn)推演、協(xié)作式會商指揮,評估作戰(zhàn)決策對交戰(zhàn)進(jìn)程的影響。

· 艦載多模態(tài)顯示交互通道優(yōu)化集成技術(shù)。該技術(shù)主要研究先進(jìn)艦艇指控系統(tǒng)的需求,對顯示交互通道進(jìn)行合理分類、規(guī)劃、減少冗余,制定多通道自然交互集成標(biāo)準(zhǔn),整合新型顯示交互與傳統(tǒng)二維交互模式,允許用戶利用多個通道與計算機交互,加快人機交互速度,提高戰(zhàn)場指揮控制效能。

· 高性能復(fù)雜海情處理平臺構(gòu)建技術(shù)。該技術(shù)主要研究構(gòu)建多模態(tài)顯示交互的艦艇指控系統(tǒng)的運行平臺環(huán)境的方法,為實現(xiàn)復(fù)雜海戰(zhàn)場作戰(zhàn)環(huán)境展現(xiàn)的多通道大屏幕高清三維顯示、全景高效圖形渲染、高速海量存儲、多類型高速數(shù)據(jù)接口、人機同步協(xié)同交互等技術(shù)提供支撐。

通過上述幾方面關(guān)鍵技術(shù)的突破,為構(gòu)建以指揮員為中心的智能化、沉浸式艦艇指控系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

艦艇指控系統(tǒng)是艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的核心。隨著對艦載指控系統(tǒng)中先進(jìn)顯示交互技術(shù)的應(yīng)用研究不斷深入,研究人員應(yīng)立足作戰(zhàn)需求,借鑒和吸收概念性成果,突破顯示交互技術(shù)在新型指控系統(tǒng)中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù),加強艦艇指控系統(tǒng)裝備研制,實現(xiàn)指揮員與指控裝備的高度融合,從而顯著提高指控系統(tǒng)作戰(zhàn)效能。

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Development of Human-Computer Interaction Technology for Shipborne Command & Control System

XU Yong

(Center for Naval Equipment Software Management, Beijing 100841)

Research on the application of the advanced human-computer interaction(HCI) technology in shipborne command & control(C2) system is an important way to realize deep integration of commanders and equipments. The development history of the application of the HCI technology in shipborne C2 system is reviewed. And the development tendency of correlative thechnologies is analysed. The deficiencies in the current field are also pointed out. From aspects of architecture and key thchnologies, the development thought and resolvement of new shipborne C2 system are proposed. This paper provides reference to the research of the HCI technology in shipborne C2 system.

human-computer interaction, shipborne C2 system, consultatively command, naval warfare

2015年4月7日,

2015年5月29日

徐勇,男,高級工程師,研究方向:指揮控制,軟件工程。

E83

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.10.002