數字化單兵終端人機界面交互設計研究

姜斌，孫辛欣，崔彤

【院士專欄：國防裝備設計與制造】

數字化單兵終端人機界面交互設計研究

姜斌，孫辛欣，崔彤

（南京理工大學，南京 210094）

探究數字化單兵作戰終端態勢感知與人機交互設計方法及應用。通過項目實踐，分析現有單兵作戰信息化裝備使用方式與使用效率，提出單兵作戰態勢信息可視化的設計原則與設計方法，提高信息終端人機交互使用效能，增強作戰情境意識和支持作戰任務管理，達到簡化作戰信息復雜程度，契合作戰用戶群體需求的任務。在此基礎上，展開某型號單兵作戰平板的交互式人機界面設計實踐，并進行可用性測試驗證設計方案的可行性。數字化單兵信息顯示終端是基于視覺認知理論，對信息顯示系統中的人機要素、布局要素、交互要素及視覺顯示要素開展整體分析與設計，從視覺認知規律出發，踐行以目標為導向的設計流程，在單兵作戰態勢平板上顯示的多模態信息作出明確的層級區分，減輕復雜信息造成的記憶負擔，顯著提升作戰信息傳遞和任務執行的效率，可以有效提升系統的可用性、易用性和操作滿意度。

作戰態勢；數字化單兵終端；人機交互；信息可視化

隨著信息技術的普及和智能硬件設備的快速發展，數字化戰場成為未來軍事作戰的一個重要場景。數字化設備即將配備到單兵裝備體系，單兵手持作戰系統及其搭載的戰場態勢信息系統，可以幫助單兵快速了解戰場信息，對目標進行信息查看，通訊聯絡。通過個人裝備與各個作戰單位互通互聯，進行規劃共享。在這個過程中，合理準確的人機交互界面能給單兵提供可靠的作戰信息，有效完成信息識別，從而作出迅速高效的判斷和決策。

1 單兵信息化裝備

近年來，戰爭環境變得非常復雜，數字化信息作戰和戰場信息系統化逐漸成為新型作戰形式[1]，而支撐部隊指揮體系發展的基礎是信息賦能下的態勢信息感知系統，這一概念起源于戰斗機飛行員使用的信息系統，用以獲取地面戰場的信息，第一時間發現并獲取敵方作戰意圖[2]。如今態勢信息系統通過融合計算機、通信和傳感器形成無縫數據空間，廣泛用于支持軍事行動高效規劃和執行。

數字化單兵作戰裝備是體系作戰的重要節點，用以改善單個士兵和小單位的作戰性能?；跈C器學習、人工神經網絡和基于規則的推理等分類方法，對多模態信息進行聚類分析和相關關系的探討，從而實現未來相關事件的融合、集成和預測[3-4]。因此單兵信息化裝備可以提升決策能力和作戰效率，實現軍事目標發現即摧毀[5]，成為贏得未來信息化作戰的關鍵所在。

單兵信息化裝備在發展過程中呈現出越來越小型化的趨勢，現在常見的有穿戴式信息設備和便攜式平板，見圖1。這些產品成為連接單兵、數據信息和指揮體系的傳遞媒介，它們的作用至關重要。然而大量的作戰態勢信息要在小屏幕的單兵信息化裝備上顯示，受到了很大的局限，迫切需要對單兵作戰態勢信息多模態可視化設計進行研究。

隨著數字化配備到單兵裝備，許多國家都在進行單兵裝備的信息化開發，部分國家已經取得了代表性成果。在對各系統態勢信息顯示界面特征了解的基礎上，對各國家典型單兵作戰系統進行具體的設計要素分析（見表1），總結單兵作戰信息化裝備可視化設計目標與原則。

圖1 單兵信息化裝備

表1 各國家典型單兵作戰系統設計要素

Tab.1 Design elements of typical individual combat system in each country

2 單兵作戰態勢信息可視化設計原則

2.1 呈現作戰態勢變化

單兵作戰態勢信息可視化是將各種基于多模態數據整合的作戰環境及要素實時建模，以文字、圖形、圖像的形式顯示出來[6]。單兵作戰態勢的交互式界面既包含有“態”，又呈現出“勢”，兩者關注的內容和對應的單兵操作行為均存在區別?！皯B”是戰場中的靜態信息，多與范圍、資源相關，主要包括兵力部署、區域邊界、戰區地形、地理名稱、隸屬關系、組成類型、狀態潛力等信息。“勢”是戰場中的動態信息，多與事件、任務相關，包括作戰命令、行進路線、目標定位、相互關系、戰損狀態等信息。

基于多源數據融合的態勢變化，使場景中的所有參與者，包括士兵、偵測設備、指揮中心能夠共享戰場信息，拼合成一幅連貫、準確的戰場圖像。對諸如記錄士兵或設備位置、移動特征和健康狀態的數據進行收集解讀，可以判斷作戰態勢的變化，體現實時敵我力量對比，為戰場指揮、部署作戰計劃和意圖提供實時數據支持。

2.2 增強作戰情境意識

缺乏對作戰場景最新情況的了解是導致作戰任務失敗的一個關鍵因素。而單兵在作戰環境中，常常沒有足夠的資源在短時間內僅依靠自己獲取所需要的所有信息。因此，非常有必要在所有參與者和節點之間進行數據共享，提高數據可用性和數據質量，從而促使情境意識更快、更準確地發生和發展，并產生廣泛的情境理解。

情境意識產生需要經過對信息的感知、理解和預測3個過程。首先是綜合運用多種信息技術，感知復雜環境中相關戰場信息的變化狀態，獲取人、系統、環境因素及其狀態和特征的有效信息；其次是進行數據采集、數據挖掘和決策支持，構建代表當前作戰空間環境的顯示圖像，對一定時間和空間范圍內有價值的信息進行解釋，并通過對情境的理解判斷是否會影響作戰目標的實現；最后是較復雜的階段，結合所獲取的關鍵信息，對未來作戰情境進行預測并實時以最有效的圖形和圖像動態呈現給使用者。

2.3 支持作戰任務管理

作戰態勢信息化裝備主要用于目標獲取、信息傳輸、情報融合、處理、評估等方面[7]。單兵作戰態勢界面可以歸納為4個基本功能，即融合偵測數據、建立任務計劃、分析信息情報、評估戰力態勢。根據戰場各個維度數據融合實現互聯互通，呈現友軍、敵軍、中立和未知目標的狀況、軌跡等信息；通過任務分析、策略計劃和策略分析等步驟，制定戰術行動計劃；預測敵方在潛在作戰區域可能的兵力部署和行動方案；推斷編成計劃可能的戰斗結果，估算損耗率、人員和裝備損失等，驗證戰術和作戰要素的可行性和打擊效果。

通過原始數據可視化探索、關鍵特征數據可視化分析和分析結果數據可視化展現[8]，使系統以易于理解的方式高效運作，直接影響作戰信息傳遞和任務執行的效率，改善作戰范圍內所有實體之間的戰場數據流和信息共享機制。

3 單兵作戰態勢信息可視化目標

3.1 契合作戰用戶群體需求

單兵作戰平板操作人員的群體特征明顯，他們作為專業人員心理素質好，面對突發情況時具有較強的抗壓能力及臨場判斷能力。同時單兵作戰態勢系統操作專業性強，為了提高信息化設備操作效率，士兵在日常的軍事訓練活動中會進行模擬訓練和飽和測試，以便應對在戰場極端使用條件下的各種突發情況。由于受到專業的教育，他們對任務處理的行為流程比較熟悉，操作速度和效率都較高，可以滿足大部分信息交互的要求。

3.2 簡化作戰信息復雜程度

1）減少非必需性信息的干擾。用戶可以在界面上同時注意的目標對象數量受注意廣度的影響[9]，呈現的對象數量必須保持在最小。當對象數量增加時，許多移動的目標分散了用戶的注意力，在屏幕上難以感知對象之間的差異，使他們很難跟蹤場景，出現搜索效率下降的問題。一方面單兵作戰態勢系統根據數據安全級別設定相應查看權限，另一方面從系統層面定義與距離、類型、移動和潛在特征相關的過濾規則。從而使用戶集中在自己的任務上，減少不相關信息的干擾。

2）自定義信息顯示內容。戰場形勢瞬息萬變，多維空間中包含著各種不斷變化的因素和未知信息，單兵信息化裝備上很難將這些信息完全顯示出來，常常存在地名信息重疊遮擋、圖標密集、航線疊加、航跡色彩相互干涉等問題[10]，見圖2。為了優先呈現有價值的戰場信息，強調可定制性和交互性，允許單兵根據任務自定義信息呈現的內容，生成個性化的定制界面，提高信息利用效率。當多個對象在同一位置呈現時，并非簡單地信息疊加，而是通過選擇關注的目標點或通過時空、物理屬性進一步篩選，來減少屏幕上呈現對象的數量。

圖2 態勢信息界面

3）多模態信息的層級展現。作戰態勢信息不能不加處理地混雜顯示，而應根據實際需求呈現相應層級的信息。態勢信息通常可以分為3個層級。第1層級是戰場的自然環境要素，即戰場空間的地理位置，氣候環境，自然地貌等；第2層級是實時態勢，包括軍隊的作戰位置、行進路線、作戰部署、敵我識別，個人與集體當前狀態等，主要反映戰場力量的分布和變化趨勢；第3層級是指揮系統，通過指揮調度操作，協調己方軍事裝備與人員力量進行機動。通過士兵、指揮中心和作戰部隊之間的信息交流和溝通，制定作戰計劃并調整作戰狀態。使用時合理選取要顯示的層級信息，對特定層級進行有意識的隱藏和顯示操作，可以顯著改善界面的信息擁堵問題。

3.3 符合作戰視覺認知規律

設計符合作戰視覺認知規律，包括態勢信息的注意力分配、態勢信息的記憶感知及態勢信息的認知負荷3個方面。

1）態勢信息的注意力分配。態勢信息交互界面是信息化戰場的重要信息載體，承載著多種功能。由于本身的任務屬性及特殊的使用環境，信息獲取過程中需要關注注意力的合理分配問題，使用戶能夠在最短的時間內跟蹤目標信息并進行操作。由選擇性注意模型可知[11]，設計師可以通過改善目標對象的動態與靜態、形狀、色彩、布局等界面特征，增加指引視覺移動并提示關鍵視點的符號線索[12]，來影響態勢信息注意力分配，提升單兵作戰效能。

2）態勢信息的記憶感知。單兵在使用態勢系統前會接受相應的學習和訓練，在使用系統一段時間以后，對各種形式視覺元素與對應的任務操作會產生記憶效應。態勢信息界面作為一個被感知的整體，元素設計應該具有統一性[13]。通過對信息的多維度比較（時間維度、二維與三維空間維度）進行優化設計，確保圖標、符號、顏色和呈現形式等信息類型元素符合認知邏輯[14]，方便用戶記憶。

3）態勢信息的認知負荷。態勢信息界面的典型特點是包含許多信息元素，數據復雜、任務多樣。設計師為滿足設計需求，需要對信息進行選擇性的編碼與解碼[15]。單兵顯示系統交互界面的信息呈現方式復雜，包括符號、文字、圖像、聲音、視頻等信息類型，各類信息同時又具有不同的色彩、大小、形狀、方向、位置、動效等特征。而單兵個體的認知資源有限[16]，在短時間內接受超量信息會導致認知效率的下降。加上人們處于緊急情況時，他們的認知能力會顯著低于正常水平。態勢信息界面設計應該適應他們的日常經驗和學習水平，避免設計無序或是過多的編碼方式。通過與單兵認知建立起聯系，使個體熟練掌握對整體戰場知識和信息呈現方式，從而加快思維與分析決策時間，提高操作效率與準確性。

4 單兵作戰態勢信息可視化設計案例

某單兵作戰態勢信息可視化項目，在利用定量問卷調查和質性訪談、描述單兵作戰任務執行現狀、確立單兵作戰態勢信息可視化目標和原則之后，展開具體的設計實施流程，并進行具體信息可視化人機交互設計，利用人機交互評價方法進行可用性測試和反饋。

4.1 態勢信息功能模塊

態勢信息界面需要考慮標準化、兼容性，以適應不同的顯示內容，因此項目將整個界面進行模塊化的組件拆分。根據信息要素和所屬主體的不同，將單兵作戰平板的功能模塊可以歸納為3類，即設備狀態、地圖內容和任務操作。根據界面的各個模塊設置和任務操作行為確立了產品的信息架構，如圖3所示。

1）設備狀態模塊。該模塊用以體現作戰平板的系統運行狀況，包括電池電量、網絡連接狀態、當前信號、時間地點、設備狀態等信息，通過圖符的形態變化或色彩變化，士兵可以實時了解設備運行情況。

2）地圖內容模塊。項目將通用作戰圖作為作戰態勢信息界面中最為重要的模塊，占據了顯示屏幕最大的面積。通用作戰圖上除了包含有民用地圖常見的方向導航、比例尺、位置定位、地圖切換等功能以外，還包括用于描述敵我雙方軍事部署和作戰任務的目標點定位、態勢信息點等。地圖設計為可以在二維和三維兩種形式之間進行切換。不同比例尺度的二維地圖可以快速了解整個戰場，重要區域、重點目標、武器裝備的三維渲染模型，可以幫助士兵對當前戰場有更多的立體認識和體驗。信息點使用軍事圖符進行表示，并設計有選中態，在點擊后可以展示更多相關數據。

3）作戰任務模塊。根據總結的融合偵測數據、建立任務計劃、分析信息情報、評估戰力態勢4個基本功能，任務操作模塊包括任務查看、任務接受、計劃制定、路線規劃、計劃預演和數據反饋，并輔以隸屬關系、資源類型、日志記錄。提供以地理信息系統為基礎的距離計算、面積測量和地形輪廓評估，并簡化了勘察數據的導入和修改過程。

4.2 態勢信息頁面布局

單兵作戰態勢平板設計中考慮到用戶的認知習慣和邏輯思維方法，依據用戶的主要行為和次要行為，整體界面分為信息欄、主要地圖操作區和主要任務處理區域，分別用功能按鈕、態勢信息展示和數字內容展示3種形式呈現。在此分區的基礎上，為了強調顯示主要行為，迅速傳達信息，達到流暢的使用和自然操作，主要針對任務處理區域進行了不同的布局設計。參考國內外典型作戰態勢信息系統界面和興趣區的相關理論[17]，先期共設計出3大類型5種頁面布局形式，見圖4。

圖3 態勢信息平板信息架構

圖4 作戰態勢平板頁面布局設計

結合對經驗豐富的工程師進行深度訪談，并發放40份問卷，調研不同布局對用戶使用產品的操控感和效率的影響，分析各種布局的優勢和不足。主要集中在縱向布局（1A、1B）和橫向布局（2A、2B、3）的區別，其中橫向布局方式中又分為對側（2A）和單側（2B、3）的布局形式?？v向布局的優點是界面中內容從上向下排列，菜單欄可以放置更多的功能按鍵。而橫向布局方式的操作區域相對集中，在界面上

占據空間較小，為作戰地圖留有更大區域。最終采用2B方案中的頁面布局形式，見圖5。

4.3 態勢信息要素設計

本項目在作戰態勢信息設計時優先考慮重要信息的展示，在符合軍用標準中相關規定的情況下，利用各種具有特定含義的軍事圖形符號來顯示戰場態勢信息，從而對作戰態勢信息中的內容、關系、時間等元素進行圖形化設計和表達。

圖5 最終采用的頁面局部形式

在態勢信息界面中，圖符是作戰態勢交互式界面上最重要的信息元素，相比文字更能吸引用戶的注意。態勢信息界面信息元素的設計需要綜合運用數據統計、數據分析和信息可視化心理學等分析手段[18]。為了解單兵對圖形界面的情感認知因素，項目進行了圖符形狀和色彩情感表達實驗。實驗得出圖符形狀情感表達梯度，為友軍、敵方、中立和未知物體（人員、設施、單位和裝備）的設計形式提供了依據，見圖6。項目設定圓形代表友軍、矩形代表中立、六邊形代表敵方、五邊形代表未知、三角形代表警示。

圖6 圖符形狀情感表達梯度

圖符與上述形狀載體相結合形成新的具有特定含義的組合圖形。項目從視覺有效性和信息有效性兩方面[19]，對比分析了各種軍事圖標以單調圖形和組合圖形的形式，以及在填充和非填充狀態下的識別效率和使用場景，見圖7。實驗結果顯示在界面目標較少的情況下組合填充圖形的識別效率最高，隨著界面中各種武器裝備參數和模型目標增多，信息組織呈現復雜后，組合非填充圖形可以顯示更多目標，此時選中態可以用組合填充圖形顯示目標信息點，以提高識別效率。

作戰場景的戰術符號除了表達當前的靜態屬性外，還需要通過有效、清晰的方式來表達戰場空間內對象的動態屬性，幫助操作者更加有效地吸收和處理信息。項目采用線條軌跡來表達行軍路線、飛行軌跡、打擊方位等，并以線條的虛實表達事件執行狀態，設定實線表示正在執行任務的飛行軌跡，虛線表示已下達飛行任務或情報顯示可能的飛行軌跡。

圖7 組合圖形識別效率對比

除了視覺交互以外，項目還探索了不同場景下聽覺、觸覺、身體運動等模態與單兵作戰平板的互動方式。例如，靜默狀態時以震動頻率和時長進行消息提示和危險預警，實現實時的多態勢感知與交互。最終設計的單兵作戰態勢信息界面見圖8。經過對10個普通用戶的測試，新系統顯著提高了界面質量，降低了用戶的認知負荷，提高了作戰指揮效率。

4.4 單兵作戰態勢信息可視化設計評估

設計評估階段選取10個普通用戶，以新設計的單兵態勢信息界面與改良前界面為實驗對象，以視覺顯著性的物理屬性和分布屬性為實驗重點[20]，進行信息搜索時間與視覺選擇注意時間的對比實驗，見圖9。實驗結果顯示，所設計單兵態勢信息界面的搜索時間符合正常視覺搜索時間范圍，且通過分析信息搜索正確率，正確率優于改良前界面8.27%。新系統顯著提高了界面質量，降低了用戶的認知負荷，提高了作戰指揮效率。

圖9 單兵操作界面

5 結語

在信息化戰場中，數字化單兵作戰裝備及其搭載的戰場態勢信息系統可以幫助單兵快速了解戰場整體與局部信息，在這個過程中，合理準確的態勢信息顯示能夠在多變的戰場環境和復雜的任務情況下，給單兵提供可靠的作戰信息，輔助單兵做出正確決策。由于作戰信息復雜而多變，大量的實時動態信息要在小屏幕的裝備上全部顯示，有著很多的人機交互與信息內容選擇的問題需要解決，迫切需要對單兵作戰態勢信息多模態可視化設計進行研究。

本研究在分析現有單兵作戰信息化裝備在作戰價值和趨勢基礎上，提出單兵作戰態勢信息可視化需具有呈現作戰態勢變化、增強作戰情境意識和支持作戰任務管理的設計目標，以及契合作戰用戶群體需求、簡化作戰信息復雜程度、符合作戰視覺認知規律的設計原則。并在從現存問題和視覺認知規律出發，展開某種單兵作戰平板的交互式界面設計實踐。將多模態信息做出明確層級區分，減輕復雜信息造成的記憶負擔，實踐結果顯著提升了系統可用性、易用性和體驗滿意度，同時得出的系統開發原則，可以進一步拓展應用到復雜軍用界面視覺認知優化設計中，為其他多任務戰場復雜信息人機交互設計提供參考。

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Multi-modal Visualization Design for Individual Combat Situation Information

JIANG Bin, SUN Xin-xin, CUI Tong

(Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

This paper aims to explore the design method and principals for interactive individual combat information visualization system. The operation and efficiency of existing individual combat information system are analyzed, an improved one which provides combat mission management, differentiated display according to the importance of information is proposed, users' awareness of combat situations is enhanced, their memory burden is reduced, and they are allowed to interact with terminals more efficiently to better meet their needs. This system is based on visual cognitive theory, and is designed from the perspectives of human-machine interaction, layout, and vision. The useability of the proposed system is verified by experiments. The results reveal that the proposed system significantly improves the efficiency of information transmission, and allows users to perform their mission more effectively, thus improving users' satisfaction.

combat situation; individual equipment; human-machine interaction; information visualization

TB472

A

1001-3563(2022)18-0001-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.18.001

2022–04–13

教育部人文社會科學研究一般項目基金（17YJA760022）。

姜斌（1973—），男，教授，主要研究方向為工業設計，智能交互設計。

責任編輯：陳作