艦船智能導航顯控界面交互設計與應用

賈園園

(鄭州科技學院，河南 鄭州 450064)

0 引言

艦船智能導航設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、交通情況等，從而實現高效的船舶導航。但是，由于復雜的航海環境和多樣化的航行任務，確保船員熟練使用智能導航設備成為一個亟待解決的問題。在此背景下，界面交互設計成為了一個關鍵的解決方案。好的交互設計可以大大提升船員對設備的使用效率，減少操作失誤，提高航行安全。

智能導航屬于艦船航行的關鍵設備，在目標定位與路徑規劃等領域中具有重要作用[1]。操作人員和智能導航系統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計方法，提升艦船航行安全。

王大顏等[4]設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，構造布局優化模型，通過遺傳算法求解該模型，得到交互界面布局優化結果。該方法具備交互界面設計的可行性。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，根據認知負荷水平，設計艦船智能導航顯控交互界面。該方法可有效實現顯控界面交互設計。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計與應用。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果。進入此布局模式的顯控界面中加入交互用例，以實現顯控界面的交互設計原型。如果滿足交互需求，則顯控界面交互設計完成。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 顯控界面交互設計與應用

1.1 顯控界面交互設計流程

依據視覺注意機制中間距與視覺等級等影響因素，結合Axure 平臺，實現顯控界面交互設計，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 軟件內存儲繪制完成的界面元件，在該軟件內，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化算法，基本思想是模擬自然界中灰狼群體協同行為，通過群體智能算法的方式來解決優化問題。在每一代中，所有灰狼都會向當前最優解靠近，而領導灰狼則會向全局最優解靠近。該算法具有收斂速度快，易于實現和多維度優化等優點。在交互設計中，可運用灰狼搜索算法來求解最佳布局模型，從而實現更好的用戶體驗。由此獲得繪制元件的布局方案，實現顯控交互界面布局。

步驟3完成顯控界面布局后，為各元件設計交互樣式，得到交互樣例。

步驟4在界面全部功能空間內加入設計的交互用例，實現艦船智能導航顯控界面的交互原型設計，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系，S與元件間相對距離具有負相關關系。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為其余元件權重。i和其余元件的距離相關性為：

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

式中，ω1和ω2均為Hi與Si的權值。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]。視覺注意等級數學模型為：

式中，l為視野區域編號，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 個視野區域；Mi為i在l內的面積；til為i在l內的等級。

式（6）的約束條件為：

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

在視覺注意等級數學模型的基礎上，假設隱喻度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。隱喻度數學模型為：

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

聯立式（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求解狼群內灰狼的適應度，以適應度最高的前3 只狼為 θ1狼、θ2狼、θ3狼，由θ1發送包圍獵物指令至 θ2，θ3；同時根據 θ1，θ2，θ3的位置求解其余灰狼位置。灰狼接近獵物時，需實時更新灰狼位置[8]。

步驟3當協同系數低于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果。

2 實驗分析

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

利用本文方法根據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果如圖1 所示。

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

根據圖1 可知，該艦船智能導航顯控界面內共包含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、隱喻度結合到一起，獲取最終的艦船智能顯控交互界面布局結果，如圖2 所示。

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

可知，經過本文方法布局后，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，可及時發現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。衡量指標選擇反應時間、錯誤率與θ波功率。反應時間越短，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，分析結果如表2 所示。

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

根據表2 可知，8 名操作者的平均反應時間是4697.825 ms，并未超過設置閾值，說明應用本文方法設計的交互界面，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，應用本文方法后，可有效提升顯控界面的交互效果。

3 結語

在航海行業領域，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界面產品來優化界面操作，從而提升相應產品在實際應用中的效率和用戶體驗。從交互設計的角度出發提高艦船智能導航設備的使用效率和安全性，成為今后亟待解決的重要問題。