賈園園

(鄭州科技學院，河南 鄭州 450064)

0 引言

艦船智能導航設(shè)備可以對航行過程中的諸多因素進行分析，例如海洋氣象、船舶狀態(tài)、交通情況等，從而實現(xiàn)高效的船舶導航。但是，由于復雜的航海環(huán)境和多樣化的航行任務(wù)，確保船員熟練使用智能導航設(shè)備成為一個亟待解決的問題。在此背景下，界面交互設(shè)計成為了一個關(guān)鍵的解決方案。好的交互設(shè)計可以大大提升船員對設(shè)備的使用效率，減少操作失誤，提高航行安全。

智能導航屬于艦船航行的關(guān)鍵設(shè)備，在目標定位與路徑規(guī)劃等領(lǐng)域中具有重要作用[1]。操作人員和智能導航系統(tǒng)的交互媒介是顯控界面，該界面的交互效果直接影響操作人員的使用體驗[2–3]，間接影響艦船的航行安全。為此需要研究艦船智能導航顯控界面交互設(shè)計方法，提升艦船航行安全。

王大顏等[4]設(shè)計艦船智能導航顯控交互界面，通過模糊層次分析法量化布局原則，構(gòu)造布局優(yōu)化模型，通過遺傳算法求解該模型，得到交互界面布局優(yōu)化結(jié)果。該方法具備交互界面設(shè)計的可行性。宮曉東等[5]利用用戶績效測量表，獲取操作者的認知負荷水平，根據(jù)認知負荷水平，設(shè)計艦船智能導航顯控交互界面。該方法可有效實現(xiàn)顯控界面交互設(shè)計。但這2 種方法均未考慮人的視覺注意習慣，無法提升操作人員的舒適性，導致其使用體驗較差，降低顯控界面交互效果，提升顯控界面操作的錯漏率。為此以視覺注意機制為研究方向，充分考慮人的視覺注意習慣，研究艦船智能導航顯控界面交互設(shè)計與應(yīng)用。使用PS 平面軟件或Axure 軟件，繪制顯控交互界面元素，并在Axure 軟件中建立布局模型以最大化元素間距，最大化視覺注意等級和最大化隱喻度。針對該模型，應(yīng)用灰狼搜索算法來解決并得到繪制顯控交互界面的最佳布局結(jié)果。進入此布局模式的顯控界面中加入交互用例，以實現(xiàn)顯控界面的交互設(shè)計原型。如果滿足交互需求，則顯控界面交互設(shè)計完成。反之則需要修改界面布局方案，以滿足交互需求，確保顯控界面的最佳用戶體驗，提升顯控界面交互效果。

1 顯控界面交互設(shè)計與應(yīng)用

1.1 顯控界面交互設(shè)計流程

依據(jù)視覺注意機制中間距與視覺等級等影響因素，結(jié)合Axure 平臺，實現(xiàn)顯控界面交互設(shè)計，提升顯控界面交互效果。

具體步驟如下：

步驟1當艦船智能導航顯控界面元件較為繁瑣時，可使用PS 平面軟件制作界面元件；當元件較為簡單時，利用Axure 軟件繪制界面元件。

步驟2在Axure 軟件內(nèi)存儲繪制完成的界面元件，在該軟件內(nèi)，建立以元件間距、視覺注意等級與隱喻度為目標的繪制元件布局模型，通過灰狼搜索算法求解該模型?；依撬惴ㄊ且环N基于自然灰狼行為的優(yōu)化算法，基本思想是模擬自然界中灰狼群體協(xié)同行為，通過群體智能算法的方式來解決優(yōu)化問題。在每一代中，所有灰狼都會向當前最優(yōu)解靠近，而領(lǐng)導灰狼則會向全局最優(yōu)解靠近。該算法具有收斂速度快，易于實現(xiàn)和多維度優(yōu)化等優(yōu)點。在交互設(shè)計中，可運用灰狼搜索算法來求解最佳布局模型，從而實現(xiàn)更好的用戶體驗。由此獲得繪制元件的布局方案，實現(xiàn)顯控交互界面布局。

步驟3完成顯控界面布局后，為各元件設(shè)計交互樣式，得到交互樣例。

步驟4在界面全部功能空間內(nèi)加入設(shè)計的交互用例，實現(xiàn)艦船智能導航顯控界面的交互原型設(shè)計，且交互原型的保真度較高。

步驟5對顯控交互原型進行評價，若符合交互需求，則完成顯控界面交互設(shè)計，反之，返回步驟2，修改界面布局方案。

1.2 艦船智能導航顯控交互界面布局

艦船智能導航顯控交互界面布局時，影響視覺注意力機制的主要因素有元件間距、視覺注意等級與隱喻度。為此，以最大元件間距、最大視覺注意等級與最大隱喻度為目標，建立元件布局模型，完成艦船智能導航顯控交互界面布局。

元件距離目標中包含距離對比度S與距離相關(guān)性。d代表艦船智能導航顯控交互界面元件間視覺對比程度和相對距離的關(guān)系，S與元件間相對距離具有負相關(guān)關(guān)系。顯控交互界面元件距離矩陣D如下：

式中，m為顯控交互界面元件數(shù)量；元件i和j間的距離是dij。i和其余元件間的距離對比度為：

式中，wi為其余元件權(quán)重。i和其余元件的距離相關(guān)性為：

式中，oij為i和j間的相關(guān)程度。聯(lián)合式（2）和式（3）可獲取元件間距數(shù)學模型，公式如下：

式中，ω1和ω2均為Hi與Si的權(quán)值。式（4）的約束條件為：

視覺注意等級越高，顯控交互界面越符合人的視覺需求[6]。視覺注意等級數(shù)學模型為：

式中，l為視野區(qū)域編號，l=1,2,3,4；按照等級A，B，C，E，將艦船智能導航顯控交互界面劃分成4 個視野區(qū)域；Mi為i在l內(nèi)的面積；til為i在l內(nèi)的等級。

式（6）的約束條件為：

式中：視野等級A，B，C，E為的區(qū)域長軸是aA，aB，aC，aE；短軸是bA，bB，bC，bE；i在顯控界面內(nèi)的位置是(xi,yi)。

在視覺注意等級數(shù)學模型的基礎(chǔ)上，假設(shè)隱喻度P代表操作人員的認知行為習慣，其值越高，顯控交互界面越符合操作人員的認知程度，交互效果越佳。隱喻度數(shù)學模型為：

式中：ρi為i的重要度權(quán)值；V為常數(shù)；dik為i和界面中心k的歐式距離。式（8）的約束條件為：

聯(lián)立式（4）、式（6）、式（8），可獲取艦船智能導航交互界面元件布局模型：

式中，?1，?2，?3分別為Qi，Zi，Pi的權(quán)值。

以式（5）、式（7）、式（9）為約束條件，利用灰狼搜索算法，求解艦船智能導航交互界面元件布局模型，得到艦船智能導航交互界面元件布局結(jié)果。具體步驟如下：

步驟1以灰狼位置為布局模型的可行解，求解獵物與灰狼的距離G，同時包圍獵物[7]。

步驟2求解狼群內(nèi)灰狼的適應(yīng)度，以適應(yīng)度最高的前3 只狼為 θ1狼、θ2狼、θ3狼，由θ1發(fā)送包圍獵物指令至 θ2，θ3；同時根據(jù) θ1，θ2，θ3的位置求解其余灰狼位置?；依墙咏C物時，需實時更新灰狼位置[8]。

步驟3當協(xié)同系數(shù)低于1 時，狼群攻擊獵物；反之，更新灰狼位置；獵物被攻擊后，灰狼的位置即艦船智能導航交互界面元件布局結(jié)果。

2 實驗分析

為了驗證艦船智能導航顯控界面交互設(shè)計與應(yīng)用研究的效果，設(shè)計實驗。實驗在模擬的艦船導航系統(tǒng)環(huán)境中進行，需要配置艦船導航系統(tǒng)，以某艦船智能導航為實驗對象，該智能導航具備航向設(shè)置、航向選擇、航速設(shè)置與方位調(diào)整等功能。利用本文方法為該智能導航進行顯控界面交互設(shè)計，分析本文方法顯控界面交互設(shè)計的可行性。

利用本文方法根據(jù)該艦船智能導航的工作需求，為其顯控界面繪制元件，艦船智能導航顯控界面元件繪制結(jié)果如圖1 所示。

圖1 艦船智能導航顯控界面元件繪制結(jié)果Fig.1 Drawing result of display control interface element of ship intelligent navigation

根據(jù)圖1 可知，該艦船智能導航顯控界面內(nèi)共包含13 個元件，利用本文方法對繪制的元件進行布局，確定各元件的位置，各元件的坐標如表1 所示。

表1 各元件的位置Tab.1 Position of each element

可知，本文方法可有效確定繪制元件的坐標位置，將確定的坐標位置與視覺注意等級、隱喻度結(jié)合到一起，獲取最終的艦船智能顯控交互界面布局結(jié)果，如圖2 所示。

圖2 艦船智能顯控交互界面布局結(jié)果Fig.2 Layout results of ship intelligent display control interactive interface

可知，經(jīng)過本文方法布局后，該顯控交互界面的整體布局比較符合人的視覺需求，利于操作人員對顯控界面的操作與觀看，可及時發(fā)現(xiàn)智能導航過程中存在的故障問題，提升艦船航行安全。實驗證明：本文方法可有效布局艦船智能導航顯控界面元件，且布局結(jié)果符合人的視覺需求，便于查看智能導航的顯控信息。

在該艦船上的工作人員中，隨機選擇8 名操作人員，由這8 名操作人員對本文方法設(shè)計的顯控交互界面進行操作，衡量本文方法顯控界面的交互效果。衡量指標選擇反應(yīng)時間、錯誤率與θ波功率。反應(yīng)時間越短，說明操作人員的交互時間越短，錯誤率越低，說明交互精度越高，θ波功率越低，說明交互過程中操作人員的腦力負荷越低，即反應(yīng)時間越短、錯誤率越低、θ波功率越低，顯控界面交互效果越佳，分析結(jié)果如表2 所示。

表2 顯控界面交互效果分析結(jié)果Tab.2 Analysis results of interaction effect of display and control interface

根據(jù)表2 可知，8 名操作者的平均反應(yīng)時間是4697.825 ms，并未超過設(shè)置閾值，說明應(yīng)用本文方法設(shè)計的交互界面，操作者需要的交互時間較短；平均錯誤率為0.06%，并未超過設(shè)置閾值，說明操作者的交互精度較高；平均θ波功率為17.1 μV2，并未超過設(shè)置閾值，說明操作者交互過程中的腦力負荷較低。綜合分析可知，應(yīng)用本文方法后，可有效提升顯控界面的交互效果。

3 結(jié)語

在航海行業(yè)領(lǐng)域，研究艦船智能導航顯控界面交互交互具有重要的作用，下一步工作可以針對性地開發(fā)界面產(chǎn)品來優(yōu)化界面操作，從而提升相應(yīng)產(chǎn)品在實際應(yīng)用中的效率和用戶體驗。從交互設(shè)計的角度出發(fā)提高艦船智能導航設(shè)備的使用效率和安全性，成為今后亟待解決的重要問題。