楊 強(qiáng),苗馨月,楊朝暉

(1.海軍研究院,北京 100036;2.江蘇自動化研究所,江蘇 連云港 222061)

軍事指揮所是一種多信息源、多用戶協(xié)同、多顯示交互設(shè)備的態(tài)勢感知與決策環(huán)境,不同指揮人員基于該環(huán)境執(zhí)行態(tài)勢分析、運(yùn)籌決策等任務(wù),環(huán)境的易用性、便利性、智能性直接影響任務(wù)的執(zhí)行效率,最終影響態(tài)勢感知與決策效率。云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人機(jī)交互等技術(shù)的應(yīng)用,給指揮所帶來如下三種變化:1)人機(jī)關(guān)系變化,從人適應(yīng)計(jì)算機(jī)到計(jì)算機(jī)適應(yīng)人。計(jì)算機(jī)從之前被動地接收指令,到主動地提供服務(wù)。在執(zhí)行任務(wù)過程中,計(jì)算機(jī)逐漸能夠感知任務(wù)狀態(tài)、指揮人員的個(gè)性需求,主動進(jìn)行信息推薦、功能提示等服務(wù)。上述人機(jī)關(guān)系的變化導(dǎo)致指揮人員獲取信息的模式隨之改變,進(jìn)而促使指揮流程也要相應(yīng)調(diào)整。2)設(shè)備部署位置變化,從前端逐漸移動到后臺。各類計(jì)算和感知設(shè)備逐漸放到云端,傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)逐漸從指揮人員的視線中隱身,“機(jī)”作為人機(jī)交互的媒介出現(xiàn)兩個(gè)趨勢,一是逐步隱身,二是更加醒目地表現(xiàn)為“人形”計(jì)算機(jī),無論哪一種方式,都導(dǎo)致“人-機(jī)-信息-人”這一回路逐漸過渡到“人-信息-人”,存在逐漸回歸到“人”與“人”之間自然交互的趨勢。3)交互方式變化,由于上述人機(jī)關(guān)系變化、設(shè)備部署位置變化,指揮環(huán)境中用戶與設(shè)備之間的多對多對應(yīng)關(guān)系的變化,傳統(tǒng)單一的鍵鼠交互方式以及手勢、語音等顯式交互方式已經(jīng)不能滿足人與人之間自然交互的需求,基于情境的隱式交互[1]等方式越來越重要。

上述三種變化反映了指揮環(huán)境正逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^環(huán)境智能提高指揮人員的戰(zhàn)場態(tài)勢感知與決策能力的智能指揮環(huán)境。特別是隨著人工智能的發(fā)展與普及,人工智能技術(shù)最終也要通過環(huán)境智能的形式,改變現(xiàn)在的指揮現(xiàn)狀,形成智能指揮空間。

1 智能指揮空間相關(guān)研究

有多篇文獻(xiàn)涉及環(huán)境智能系統(tǒng)的研究[2-4],其中文獻(xiàn)[2]對環(huán)境智能的定義進(jìn)行了總結(jié),提出了環(huán)境智能系統(tǒng)應(yīng)具備靈敏性、響應(yīng)度、適應(yīng)性、透明性、普適性、智能性6個(gè)特征,但是針對特定應(yīng)用,不需要滿足所有特征。有關(guān)環(huán)境智能系統(tǒng)的研究,常常最終落地為對智能空間(Smart Space)的研究。智能空間的應(yīng)用場景較多,通常包括智能家居、醫(yī)學(xué)監(jiān)視、智能會議室、決策室、監(jiān)控室、智能工作區(qū)等不同場景。智能空間是指一個(gè)嵌入了計(jì)算、信息設(shè)備和多通道傳感器的工作空間,由于在物理空間中嵌入了計(jì)算機(jī)視覺、語音識別、墻面投影等多通道交互能力,使隱藏在視線之外的計(jì)算機(jī)可以識別該物理空間中人的姿態(tài)、手勢、語音和情境信息,進(jìn)而判斷出人的意圖并做出合適的反饋或動作[5]。

Gartner將智能空間技術(shù)列入2019年十大戰(zhàn)略技術(shù)之一[6],并指出2020年所列的十大戰(zhàn)略技術(shù)都可以依托智能空間來進(jìn)行集成和評估[7],從而說明技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)從對單設(shè)施、單工作臺模式的支撐,強(qiáng)化為對整個(gè)環(huán)境的支撐。在智能空間技術(shù)方面,Bhardwaj等提出了一種綜合的智能空間體系結(jié)構(gòu)[8],并對其語義互操作性進(jìn)行了詳細(xì)討論,提供了未來智能空間開發(fā)的路線圖。WiWho[9]通過Wifi的信道狀態(tài)信息對用戶步態(tài)進(jìn)行分析,提出了一種用戶無佩戴設(shè)備的、低暴露隱私的用戶識別方法,特別適合在智能空間內(nèi)進(jìn)行用戶識別。另外,Smart Room[10]、Intelligent Knowledge System[11]、Ambient Assisted Living[12]、Smart Indoor Spaces[13]等,也都是有關(guān)智能空間的研究。

在軍事指揮領(lǐng)域,美國諾斯羅普格魯曼、洛克希德馬丁等公司都在研發(fā)高性能的指揮、控制、通信、計(jì)算機(jī)、情報(bào)、監(jiān)視和偵察(C4ISR)系統(tǒng)[14],這些系統(tǒng)作為復(fù)雜的信息集成系統(tǒng),主要依賴人機(jī)交互界面來完成與指揮人員的信息傳遞,其中有數(shù)字用戶界面代替物理設(shè)備用戶界面,或是更加高級的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)與混合現(xiàn)實(shí)界面(MR)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)界面中,當(dāng)指揮人員靠近設(shè)備即向其顯示定制的人機(jī)交互界面[15]。其原理是通過對圖像編碼的圖像識別來實(shí)現(xiàn)對器件的識別,利用 AR 或沉浸式虛擬環(huán)境,可以對指揮中心進(jìn)行數(shù)字化的環(huán)境重構(gòu)。其他的諸如“未來指揮所”(Command Post of Future,CPoF)[16]項(xiàng)目、“精確信息環(huán)境”(Precise Information Environment,PIE)[17]項(xiàng)目、“未來情報(bào)分析中心”[18]等也與指揮相關(guān),探討在指揮空間內(nèi)指揮與人機(jī)交互的結(jié)合問題。

上述工作,通過對單項(xiàng)技術(shù)研究或多項(xiàng)技術(shù)的集成驗(yàn)證,在整體上對智能空間的能力描述較少,特別是對指揮領(lǐng)域的特點(diǎn)很少涉及。

2 智能指揮空間概念與特征

借鑒智能空間概念,結(jié)合軍事領(lǐng)域特點(diǎn),作者提出智能指揮空間(Smart Command Space)概念。智能指揮空間是通過在指揮場所內(nèi)嵌入計(jì)算設(shè)備、傳感設(shè)備、交互設(shè)備、信息呈現(xiàn)設(shè)備以及信息組織、顯示、交互的各類基礎(chǔ)運(yùn)行服務(wù),為指揮人員提供的具備環(huán)境智能特征的感知決策與指揮控制環(huán)境。

在定位上,智能指揮空間是軍事指揮所的高級形態(tài),面向下一代指揮所,在信息組織、顯示、交互等方面都具備跨越式的鮮明特點(diǎn),能夠?yàn)樾乱淮娛轮笓]所的設(shè)計(jì)與建設(shè)提供思路。上述定義中,環(huán)境智能是智能指揮空間的最主要特征。環(huán)境智能融合“知識管理帶來的智能”和“靈活顯示、高效交互體現(xiàn)的智能”[19],主要表現(xiàn)為5個(gè)能力特征:以任務(wù)為中心的設(shè)計(jì)、主動服務(wù)、自發(fā)交互、顯示融合、精細(xì)互聯(lián),對應(yīng)信息、交互、顯示、鏈路等方面。

1)以任務(wù)為中心的設(shè)計(jì)

智能指揮空間涉及的所有實(shí)體,包括人員、裝備、資源、界面等都是圍繞軍事任務(wù)的實(shí)施展開與設(shè)計(jì),以軍事任務(wù)的執(zhí)行為中心,本文稱為以任務(wù)為中心的設(shè)計(jì)(Task-centered Design,TCD)或任務(wù)驅(qū)動。與以用戶中心的設(shè)計(jì)(User-centered Design,UCD)有所不同,UCD強(qiáng)調(diào)用戶可用性的過程體驗(yàn),TCD強(qiáng)調(diào)高效、協(xié)同的完成任務(wù)。具體來說,UCD強(qiáng)調(diào)在產(chǎn)品/系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中考慮用戶特征、習(xí)慣、偏好等個(gè)性化因素,也就是產(chǎn)品/系統(tǒng)是圍繞用戶需求設(shè)計(jì)的,而不是讓用戶去適應(yīng)產(chǎn)品/系統(tǒng)。但在軍事領(lǐng)域,用戶需求更多體現(xiàn)的是多用戶更高效地執(zhí)行軍事任務(wù),高效執(zhí)行任務(wù)才是需求的最終落腳點(diǎn),反而對用戶個(gè)性化特征以及環(huán)境的舒適性、沉浸感等可用性因素強(qiáng)調(diào)并不突出。在達(dá)不到UCD標(biāo)準(zhǔn)的情況下,參謀用戶的個(gè)人素養(yǎng)或使用習(xí)慣對任務(wù)完成的影響會更突顯。因此在軍事應(yīng)用中應(yīng)更強(qiáng)調(diào)以任務(wù)為中心的設(shè)計(jì)。

2)主動服務(wù)

主動服務(wù)是指智能指揮空間或指揮環(huán)境能夠主動為用戶提供所需的信息、資源等服務(wù),其前提是環(huán)境能夠感知用戶需求狀態(tài)。除了用戶明確指定的需求以外,計(jì)算機(jī)還可以從用戶屬性(權(quán)限、身份、偏好、指揮習(xí)慣等)、操作行為、生理特征、任務(wù)情境(階段、狀態(tài)、類別等)、環(huán)境屬性(布局、數(shù)量、交互接口等)等情境信息中推斷用戶的需求。楊松[20]提出利用顯示設(shè)備的組織管理情境、可視化過程的情境、人員視覺規(guī)律情境、態(tài)勢感知模型情境、態(tài)勢感知沉浸感情境6方面的情境信息來提高戰(zhàn)場態(tài)勢感知界面的智能性,上述情境信息同樣適用于智能指揮環(huán)境,可以作為主動服務(wù)的輸入因素。智能指揮空間在獲取各類情境的基礎(chǔ)上,能夠理解指揮人員的交互行為,進(jìn)一步提供界面自適應(yīng)、資源推薦、多用戶協(xié)作推薦等智能響應(yīng),從而提高指揮人員對戰(zhàn)場態(tài)勢的覺察、理解與預(yù)測能力。

3)自發(fā)交互

目前存在多種交互方式,可以分為鼠標(biāo)、鍵盤、觸控等接觸式交互和手勢、姿態(tài)、語音等非接觸式交互。智能指揮空間更為強(qiáng)調(diào)非接觸式交互，特別是無須佩戴設(shè)備的自然交互方式。在非接觸式交互過程中,體現(xiàn)環(huán)境智能的最大特征是具備自發(fā)交互(Spontaneous)能力。在智能指揮空間中,由于傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)逐漸從指揮人員的視線中隱身,用戶的交互對象變成整個(gè)環(huán)境,這種情況下交互通道的建立只能由環(huán)境辨別用戶交互意圖并提前預(yù)判,自發(fā)交互成為必然。自發(fā)交互反映的是用戶與環(huán)境之間建立交互通道的方式,用戶不需要尋找鍵盤、鼠標(biāo)等交互中介即可建立與環(huán)境的交互通道或映射關(guān)系,從而將用戶的注意力更多地放在執(zhí)行任務(wù)本身。而且自發(fā)交互體現(xiàn)的是環(huán)境在檢測到用戶的交互需求后的主動響應(yīng),這種交互需求既可以是顯式交互需求,也可以是隱式交互[1]需求。

在軍事指揮環(huán)境中,如果環(huán)境能夠識別用戶的隱式交互需求,說明環(huán)境具備了一定的智能性;如果能夠在此基礎(chǔ)上能夠自動建立交互通道,則智能更進(jìn)一步;而如果還能甄別多用戶的交互需求并自發(fā)建立獨(dú)立的交互通道,則系統(tǒng)的智能更為突顯。上述三種交互的智能性代表著自發(fā)交互的三個(gè)層次。

4)顯示融合

智能指揮空間中的各類非接觸式交互方式,帶來了多屏幕的顯示融合需求。指揮人員在進(jìn)行非接觸式交互時(shí),環(huán)境需要判斷指揮人員當(dāng)前的交互對象,而指揮所內(nèi)通常會部署眾多屏幕,如果不從邏輯、物理上對這些屏幕進(jìn)行統(tǒng)一管理,就很難在顯示上對指揮人員的交互行為做出靈活響應(yīng),因此需要從整體上對所有的屏幕進(jìn)行統(tǒng)一托管,并開展顯示、交互等的重定向,這就是顯示融合。

顯示融合可以提高顯示空間的利用率、靈活性,并便于任務(wù)開展,提高指揮環(huán)境的易用性、智能性。主要融合思路為:① 將顯示屏幕與主機(jī)之間的一一對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行解耦,將顯示作為一項(xiàng)單獨(dú)的“顯示資源”獨(dú)立出來;② 在邏輯上將上述顯示資源融合成“一個(gè)屏幕”,并作為一項(xiàng)服務(wù)對外共享;③ 以任務(wù)為中心實(shí)現(xiàn)顯示資源的重新組織,利用用戶屬性、任務(wù)屬性、環(huán)境屬性等各類情境信息實(shí)現(xiàn)諸如多屏幕聯(lián)動顯示、臨近顯示、疊加顯示等靈活的顯示方式,同時(shí)在多屏幕之間體現(xiàn)出屏幕之間的因果關(guān)系、解釋關(guān)系、擴(kuò)展關(guān)系等潛在關(guān)聯(lián)性情境特征。

顯示融合必須建立在任務(wù)驅(qū)動、自發(fā)交互、主動服務(wù)的基礎(chǔ)上,即在堅(jiān)持以任務(wù)為中心的設(shè)計(jì)理念情況下,環(huán)境通過自發(fā)交互,通過主動服務(wù)將顯示資源提供出來。在此場景下,顯示作為一項(xiàng)資源獨(dú)立出來,成為與計(jì)算、存儲、網(wǎng)絡(luò)等相并列的重要資源。

5)精細(xì)互聯(lián)

為提高多用戶、多任務(wù)場景下指揮人員的協(xié)同能力,降低互相干擾,智能指揮空間能夠按照各類情境從邏輯上實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)層的精細(xì)權(quán)限管理。從物理鏈路上看,所有用戶已在同一網(wǎng)絡(luò),但在獲取指揮人員任務(wù)分工、級別、位置等情境后,在應(yīng)用層上對網(wǎng)絡(luò)使用進(jìn)行分組,并依據(jù)分組設(shè)定更加細(xì)粒度的訪問權(quán)限,比如具備界面抓取、機(jī)密信息共享、遠(yuǎn)端控制等權(quán)限,而且上述權(quán)限不是按照傳統(tǒng)的固定網(wǎng)段、固定權(quán)限來控制,可以動態(tài)調(diào)整。比如,依據(jù)用戶群體的位置劃分為位置組,依據(jù)一群人中的最高權(quán)限設(shè)立首長組等,從而自動授予不同的訪問權(quán)限。具備精細(xì)互聯(lián)能力要求智能指揮空間在物理網(wǎng)絡(luò)及設(shè)施上具備自主發(fā)現(xiàn)、位置感知等能力。

3 智能指揮空間架構(gòu)

基于上述分析,本文給出一個(gè)典型的智能指揮空間架構(gòu),主要包括5個(gè)部分,如圖1所示。

圖1 智能指揮空間架構(gòu)

1)智能指揮空間基礎(chǔ)設(shè)施。包括指揮空間內(nèi)的各類計(jì)算資源、存儲資源、網(wǎng)絡(luò)資源、交互資源(含各類傳感器)、顯示資源等,構(gòu)成智能指揮空間的硬件基礎(chǔ)設(shè)施,支撐上層各類服務(wù)及應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)。

2)情境感知服務(wù)。在智能指揮空間基礎(chǔ)設(shè)施資源基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)對用戶、任務(wù)、硬件設(shè)施、指揮環(huán)境等情境信息的采集、融合、推理工作。

3)共用服務(wù)。提供任務(wù)管理、界面管理、交互管理、用戶管理、設(shè)施管理等基礎(chǔ)服務(wù),并將獲取的情境信息嵌入其中,為上層智能指揮空間的特征服務(wù)提供支撐。

4)特征服務(wù)。對照智能指揮空間環(huán)境智能的5個(gè)特征,在共用服務(wù)基礎(chǔ)上,提供信息聚合、信息抽取與過濾、信息定制與推薦等主動服務(wù),提供交互意圖理解、交互通道建立、多通道融合等自發(fā)交互服務(wù),提供屏幕注冊、空間管理、全局共享界面管理等顯示融合服務(wù),提供用戶位置感知、分組管理、動態(tài)權(quán)限控制等精細(xì)互聯(lián)服務(wù)。

5)智能指揮空間典型應(yīng)用場景，詳見第4節(jié)。

4 智能指揮空間典型應(yīng)用場景

依據(jù)上述典型的智能指揮空間架構(gòu),作者從技術(shù)角度給出如下幾種應(yīng)用場景,具體到實(shí)際的指揮所,下述各類技術(shù)可以進(jìn)行組合應(yīng)用,以支持更大的應(yīng)用場景。具體包括:

1)多任務(wù)保持與切換:根據(jù)軍事領(lǐng)域多任務(wù)并發(fā)場景,支持多任務(wù)保持,并依據(jù)任務(wù)優(yōu)先級、操控流程等綜合優(yōu)化顯示順序與位置。支持以任務(wù)為中心,在臨近屏幕或用戶相近位置顯示同一子任務(wù)或相關(guān)聯(lián)的信息,并根據(jù)任務(wù)執(zhí)行情況,支持一鍵式任務(wù)場景切換。

2)跨域集成設(shè)計(jì)與應(yīng)用:針對“馬賽克戰(zhàn)”中對大量低成本傳感器、指揮控制節(jié)點(diǎn)的鏈接控制需求,在智能指揮空間內(nèi),以智能交互技術(shù)為突破點(diǎn),開展鏈接不同系統(tǒng)的工具、程序原型設(shè)計(jì),快速構(gòu)建跨域的指控裝備系統(tǒng),以高效費(fèi)比的方式靈活應(yīng)對各類指揮決策任務(wù)。

3)多級多通道告警:以聽覺、視覺甚至觸覺等多感官通道刺激的方式,保障指揮人員對緊急危險(xiǎn)情況及時(shí)作出響應(yīng)。根據(jù)權(quán)限,在不同范圍內(nèi)進(jìn)行告警,根據(jù)用戶位置,機(jī)密性告警以不干擾他人的方式在用戶關(guān)注的屏幕或視線方向上顯示,重大事件進(jìn)行全局告警,適當(dāng)采取多通道告警方式,確保信息能夠第一時(shí)間通知到指定人員。

4)多用戶輕量級即時(shí)協(xié)作:以情境信息為界面管理的驅(qū)動力,在感知多用戶的協(xié)助需求后,能夠即時(shí)、輕量地建立協(xié)作,并直接在界面中進(jìn)行響應(yīng),而不需要借助傳統(tǒng)的需要復(fù)雜安裝和配置的協(xié)作軟件。

5)多屏幕跨設(shè)備關(guān)聯(lián)顯示:為方便指揮人員之間快速交流、會商,支持跨設(shè)備、多屏幕之間設(shè)備的關(guān)聯(lián)顯示,并支持跨屏幕的顯示自適應(yīng),以保障不同設(shè)備、不同角色、不同任務(wù)對信息的要求,提供初步的自適應(yīng)顯示能力。

6)指揮人員狀態(tài)監(jiān)控及顯示優(yōu)化:針對指揮人員承擔(dān)的任務(wù)以及注意力、疲勞度等不同狀態(tài),通過信息層的有效組織以及界面的表達(dá)樣式、時(shí)效性、時(shí)機(jī)、醒目性等因素的調(diào)整提供個(gè)性化的高效感知環(huán)境。

5 結(jié)束語

指揮人員與指揮環(huán)境的交互效率一直以來都是影響態(tài)勢感知、指揮決策的重要因素,隨著云計(jì)算、人機(jī)交互等技術(shù)的進(jìn)步,人們逐漸能夠采用人與人自然交互的方式和指揮環(huán)境交互,從而讓指揮環(huán)境體現(xiàn)出更多的環(huán)境智能特征。作者從環(huán)境智能角度提出智能指揮空間概念,描述了其具備的5個(gè)特征,并設(shè)計(jì)了一個(gè)典型的智能指揮空間架構(gòu),提出部分應(yīng)用場景,預(yù)期可以為下一代軍事指揮所的構(gòu)建提供思路借鑒。下一步,圍繞智能指揮空間概念,可以進(jìn)一步開展如下工作,如構(gòu)建智能指揮空間集成驗(yàn)證環(huán)境,開展智能指揮空間對軍事指揮流程的影響研究等內(nèi)容。