艦艇指控顯示交互技術發展*

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發展*

徐 勇

(海軍裝備軟件管理中心 北京 100841)

研究先進的顯示交互技術在艦艇指控系統中的應用是實現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在指控系統中應用的發展歷程,分析了相關技術的發展趨勢,指出了當前該領域存在的差距與不足;從體系結構和需重點突破的關鍵技術等方面,提出了新型艦艇指控系統的發展思路,為艦艇指控系統中顯示交互技術的應用研究提供了參考。

顯示交互; 艦載指控系統; 會商式指揮; 海上作戰

Class Number E83

1 引言

指揮控制系統是根據分配的任務,指揮員對所屬部隊實施作戰指揮、控制所必需的設備、軟件和人員的總稱。指控裝備與指揮員形成了現代作戰系統的“大腦中樞”,從其功能來看,是指揮員的“腦、眼、手”的延伸,是作戰系統的“粘合劑”,是作戰效能的“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揮功能的“靈魂”;隨著作戰形態、軍事裝備和科學技術發展,如何高效地發揮指揮員的作戰藝術,準確地反映指揮員的作戰意圖是指控系統研究中需要解決的重要問題[2～3]。

顯示交互技術是“人與機器之間的橋梁”,是指機器通過展示設備給人提供大量有用信息及提示請示等,人通過輸入設備給機器發送指令信息及提示請示等以及人與機器互動的過程。它與認知學、人機工程學、心理學等領域有密切的聯系。研究先進的顯示交互技術在指控系統中的應用是實現指揮員與指控裝備深度融合的重要途徑之一[4]。現代信息化戰爭的新形勢下,戰場空前擴大,情報信息堆積如山,作戰節奏明顯加快,有利戰機稍縱即逝;艦艇指控系統作為海上作戰平臺的指揮決策和情報中心,尤其需要加強先進顯示交互技術的應用,達到及時、直觀、精確展示作戰信息,高效、自然、主動地輔助指揮決策的效果,構建以人為中心的操控環境,提高作戰效能。

2 艦艇指控系統顯示交互發展情況

2.1 指控系統顯示交互發展歷程

迄今為止,顯示交互技術在艦艇指控系統的應用隨著海上作戰需求、艦上裝備形態和相關技術的發展經歷了三個主要階段[5]。

第一階段是顯示交互技術應用的起步階段。20世紀60～70年代,艦上各武器、傳感器裝備分散在各部門控制,操控設備各自獨立、形態各異,顯控臺概念還未正式形成,也沒有大屏顯示、協作會商等設備;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,指揮員與設備間處于一種低層次的操作與被操作關系。

圖1 美國NTDS艦艇指控系統顯示交互設備

第二階段是顯示交互技術應用的發展階段。20世紀80～90年代,隨著計算機技術的蓬勃發展,指控系統由之前的獨立式發展到集中指揮、分散控制階段,裝備形態上開始配置大屏顯示器、立式指揮桌等,指控系統的定位基本清晰。同時,顯示交互技術開始得到重視,指控系統吸收計算機領域的成果,結合應用特點,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,交互的內容主要有字符、圖形和圖像等;但仍未出現協作會商式指揮及相應的設備形態。在該階段,業界明確認識到指揮員與指控設備有機結合形成了指控系統,促使兩者融合的顯示交互技術在指控系統中的應用作為一項重要研究得到普遍重視。

圖2 法國Senit艦艇指控系統顯示交互設備

第三階段是顯示交互技術應用的廣泛應用階段。進入21世紀,經過近半個世紀的發展,指控系統已確立了艦艇作戰平臺的指揮決策中心和情報中心的地位,裝備形態趨于穩定,指揮控制的對象也從原來的單平臺擴展到跨平臺協同作戰指揮,裝備形態除了標準顯控臺,還發展出了多功能大屏顯示設備、會商式指揮桌等。同時,大量新的顯示交互技術被引入到指控系統,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備功能得到豐富,如大屏顯示設備除了之前的復示功能,還有定制態勢功能,也可以升級手勢作戰標圖等功能。隨著顯示交互技術在指控系統中應用研究的不斷深入,指揮員與指控裝備發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 指控系統顯示交互發展趨勢

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

圖4 未來指控系統概念圖

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

顯示交互技術在艦艇指控系統的應用發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

信息展示趨向直觀。隨著大屏幕顯示、三維顯示、全息投影等技術手段在艦艇指控系統的應用研究不斷深入,實現目標態勢、戰場情報、裝備狀態、指揮過程等各類信息直觀、可視化展現是趨勢之一,通過戰場可視化,達到戰場信息的準確獲取、快速傳遞、及時處理和正確理解,將信息優勢轉化為決策優勢進而提高戰斗力。

顯示交互趨向自然。采用多模態人機交互方式,在傳統鍵盤、跟蹤球、表頁顯示器等基礎上,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,突破傳統操作方式的限制,優化多通道交互手段的協同機制。自然的顯示交互可極大降低對指揮員操控過高專業性的要求和指控裝備使用的學習成本,提高指控系統的交互效率和自適應能力,以滿足未來指揮人員快速指揮和決策的需要。

人機環境趨向智能。未來的艦載指控系統不再是各種指控設備的簡單組合,被動接受指揮員指令;在充分吸收多模態人機交互方式的基礎上,還具備按作戰流程組織界面顯示、指控操作智能導航、作戰信息按需推送、輔助協作會商等,為指揮員提供一個“沉浸式”的顯示交互環境,達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

艦艇指控系統顯示交互技術的應用經過多年的發展,取得了長足的進步,但與新軍事變革條件下戰場范圍擴大、情報量猛增、作戰節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。艦艇指控系統大部分還是采用傳統的的顯示交互手段,簡單集成應用于指控裝備;許多先進、高效的顯示交互手段未應用于指控裝備,也未充分考慮交互效率,操控的便捷舒適性等對作戰效能提升的影響,沒有實現“在恰當的部位應用恰當的顯示交互手段”。

2) 多模態自然人機交互優化不足。由于只是簡單集成了多種顯示交互手段,本質上還停留于在傳統“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;基于多模態顯示交互的作戰使用流程沒有充分優化,顯示交互之間協作性不強。

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

3 新型艦艇指控系統顯示交互發展思路

3.1 新型艦艇指控系統顯示交互目標圖像

未來信息化對抗背景下海、潛、空、天、電、磁多維信息相互影響,海戰場環境和交戰過程復雜多變,對新一代指控系統的戰場環境和敵我態勢掌控能力、作戰資源協調管理能力和指揮控制的快速反應能力均提出了更高的要求。

根據顯示交互技術在艦艇指控系統中應用的發展趨勢和存在的不足,結合未來作戰需求,應用了先進顯示交互技術的新型艦艇指控系統是一個多維作戰信息能夠直觀展示,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境。其體系結構如圖6所示。

圖6 顯示交互環境體系結構

在新型艦艇指控系統顯示交互環境體系結構下,各類基礎信息集中處理,在此基礎上以智能輔助決策為手段統一調用,在可視化人機交互集成框架管理下,利用各類終端設備進行顯示交互。通過分析,如表1所示,新型艦艇指控系統顯示交互環境主要由三類設備組成。

表1 新型艦艇指控系統顯示交互環境三類設備

1) 通用標準顯控設備。面向新型艦艇指控系統顯示交互環境,繼承傳統標準顯控臺的顯示交互手段,有機集成多模態新型顯示交互手段,具備豐富、完備的信息展現能力和標準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境提供基礎操控設備單元,為新型艦艇指控系統的自適應能力、動態重組能力提供支撐。

2) 大屏幕顯示交互設備。大屏幕顯示交互設備為指揮員提供大幅面、廣視角、高精度的作戰信息展示和交互環境。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(圖7),提供多通道戰場態勢顯示功能,展示全局性重要信息,按需組織顯示各類的作戰方案、兵力行動計劃,主動提示指揮員共同關注信息等,能夠為指揮人員進行協作會商式指揮決策提供全方位多維跨平臺信息展示能力,為作戰使用提供豐富、完備的信息展現手段。

圖7 立式大屏幕顯示設備

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

圖8 水平會商式顯示交互設備概念圖

3.2 艦艇指控系統顯示交互技術體系

在將新型顯示交互技術應用于艦艇指控系統的研究中,除了將三維顯示、虛擬現實、全息顯示、體感交互、電子沙盤等先進的顯示交互技術在新型艦艇指控系統中集成驗證,還要重點開展如圖9所示的先進顯示交互技術應用、多模手段集成和顯示交互環境構建等方面的關鍵技術攻關。

圖9 新型顯示交互艦艇指控系統關鍵技術

· 海戰場環境及全維作戰空間展示技術。該技術主要研究應用多模態顯示技術實現海洋環境多維渲染及作戰空間的全維展示。為提升實戰過程中指揮決策人員對戰場態勢的全局把握能力,提供多維度的信息展現手段。

· 海軍作戰裝備多維實時顯示操控技術。該技術主要研究應用多模態顯示交互技術實現大批量多維海軍作戰裝備模型的實時顯示控制。用于解決海戰場跨平臺、大批量目標實時變化環境下的高效、直觀顯示與操控問題。

· 作戰方案擬制動態展現技術。該技術主要研究應用多模態顯示交互技術實現作戰態勢的動態展現和標繪,為指揮決策提供形象逼真的戰場態勢,同時利用全維場景的交互能力展現作戰推演、協作式會商指揮,評估作戰決策對交戰進程的影響。

· 艦載多模態顯示交互通道優化集成技術。該技術主要研究先進艦艇指控系統的需求,對顯示交互通道進行合理分類、規劃、減少冗余,制定多通道自然交互集成標準,整合新型顯示交互與傳統二維交互模式,允許用戶利用多個通道與計算機交互,加快人機交互速度,提高戰場指揮控制效能。

· 高性能復雜海情處理平臺構建技術。該技術主要研究構建多模態顯示交互的艦艇指控系統的運行平臺環境的方法,為實現復雜海戰場作戰環境展現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、多類型高速數據接口、人機同步協同交互等技術提供支撐。

通過上述幾方面關鍵技術的突破,為構建以指揮員為中心的智能化、沉浸式艦艇指控系統奠定了基礎。

4 結語

艦艇指控系統是艦艇作戰系統的核心。隨著對艦載指控系統中先進顯示交互技術的應用研究不斷深入,研究人員應立足作戰需求,借鑒和吸收概念性成果,突破顯示交互技術在新型指控系統中應用的關鍵技術,加強艦艇指控系統裝備研制,實現指揮員與指控裝備的高度融合,從而顯著提高指控系統作戰效能。

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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