基于GIS指挥决策系统的多通道交互研究

聂岩峰，田 田，吴 昊

(总后勤部油料研究所自动化室，北京 102300)

0 引言

人机结合进行科学指挥决策是当前信息时代作战指挥决策的发展方向。人机交互技术的快速发展和相关研究成果为构建符合人类行为特点的指挥决策环境提供了坚实的技术基础，加强相关人机交互新技术与新方式在军事指挥决策中的应用研究，可为提高信息化条件下军事指挥决策能力的提升创造良好条件［1］。

纵观国内外研究现状，追求自然高效的人机交互技术已成为研究热点，其中部分新型交互手段已逐渐进入军事指挥领域。

由于指挥决策环境中的人机对话大部分内容仍是与地图有关的图形作业，而目前兴起的自然手势、笔式、多通道等交互技术正是适应这种决策人员与指挥决策环境自然和谐对话的一种新交互技术，因此把GIS系统作为辅助指挥决策系统的交互基础，屏蔽传统WIMP交互方式劣势，融合笔式交互、多通道交互等新技术，发挥自然交互优势是提升系统交互能力的必然选择。

1 指挥决策系统中的交互特性

决策的三要素包括决策者、决策信息和决策对象，这三要素之间的相互作用就是人与机之间传递数据、信息、知识的过程，而这个过程的高效、快捷、精准主要依赖于人机交互方式的设计和人机对话接口的实现［4］。指挥决策系统区别于其它信息系统中的交互特点概括起来主要有3个方面:

(1)实时性、连贯性的单人或多人协同决策交互要求高。一方面决策者向系统提出任务要求、输入信息;系统向决策者输出决策方案和各种辅助决策的信息，并在必要时向决策者索取所需的补充信息，另一方面在多人讨论和协同决策过程中，基于草图的、观点的和“头脑风暴”式的记录信息具有重要价值

(2)展示性交互起着关键作用。在应急指挥和作战保障过程中，无论从以往系统中、数据仓库中还是实时环境中，收集到的信息数据是多样的、海量的和不易理解的。使用适当的交互展现方式将这些信息形象、客观地表示，使指挥人员可以准确、及时地理解这些信息，进而准确地把握战场态势，同时做出有效的决策策略是决策系统中交互过程的重要问题。

(3)系统交互过程具有启发性又具有自适应性。指挥辅助决策系统的人机交互合作应该是通过试探性和启发性的问题求解方法来帮助决策者逐步加深和调整对问题结构的认识，一方面具有启发用户思维的作用，另一方面也不能失去决策参与感和主角感，不仅要求人适应“机器”，也要求“机器”适应人，电脑不能代替人脑，辅助决策不能取代人工决策，决策活动本身是由人来完成的。

2 交互技术分析

从真实物理环境中收集到的多样的海量的实时信息数据，通过GIS地理信息系统中以地图、地理影像和地理坐标的形式，形象、客观地表示战场地理空间信息，为战场可视化和战场态势感知提供了关键的基础框架［6］。然而基于GIS的地理信息平台仍然提供单纯的WIMP界面范式的交互方式，可以满足基于鼠标、键盘的人机问答式的交互要求，只在全局数据显示方面占有优势，缺乏对决策过程中随机性讨论的草图、观点、记录等自然人机交互内容的吸纳，因此，在基于GIS的指挥决策系统中需要加入更加自然、高效的交互方式。

2.1 WIMP 用户界面

WIMP界面是以窗口(Windows)、菜单(Menu)、图符(Icons)和指示装置(Pointing Devices)为基础的图形用户界面。基于WIMP技术的图形用户界面，从本质上讲，是一种二维交互技术，在决策场景中“一问一答”式的传统图形交互界面严重影响决策者作出判断和制定计划的效率，要从根本上改变这种不平衡的通信，基于指挥决策系统的人机交互技术必须适应从精确交互向非精确交互、从单通道交互向多通道交互以及从二维交互向三维交互的转变，发展决策者与计算机之间快速、低耗的多通道界面。

2.2 引入笔式用户界面

笔式用户界面以其自然、高效的交互方式，在很多领域中有着广泛的应用［7］，传统的指挥决策过程是离不开笔和纸的，基于纸笔的工作环境不仅可以使人轻松接纳也可以快速地进入工作状态，在应急保障和作战指挥的决策过程中一些突发事件、紧急指令部署等时效性很高的任务都不容人们过多的准备，需要随时进行思想捕捉、观点交流、事件记录、思维活动等，因此将笔式用户界面引入指挥决策系统的交互模型中是必要的［7-8］。

2.3 引入多点触控技术

多点触摸技术使指挥决策人员以自然便携的方式直接与信息内容交互，在地理信息框架下的指挥决策系统中需要更大幅面、更清晰的显示视野外，还需要显示表面具有鼠标以外的直接交互功能，例如能够支持多人同讨论时的共同标绘等工作，支持垂直放置显示屏幕时主讲人员的自然手指操作应用。

2.4 引入视频通道

交互通道中常规输入设备包括键盘、鼠标等，用户一般都比较熟悉。在多通道的交互设计中，把键盘、鼠标的输入与其他通道的信息相结合，作为多通道输入的一个辅助手段，可以为用户提供更多的、更灵活的操作方式。基于视觉的输入设备包括照相机和摄像机等。利用视觉输入，在基于GIS的指挥决策系统中主要完成以下任务:

(1)利用现有的各类保障实体的视频监控系统，实时选择性接入，为应急现场指挥作业提供可靠保障;

(2)利用摄像机进行机动油料保障跟踪，根据定位信息实时接入视频信号完成监控。

通过表1对4种交互界面技术的性能对比，可知每种交互技术有各自的优势和短板，指挥决策系统的交互通道必然需要综合上述几种交互技术的优势动态地自适应地加载交互主体当前时刻所需的交互通道，保障在最优决策的基础上争取时间和提高效率。

表1 交互界面性能比较

3 多通道用户界面(MUI)

多通道用户界面的出现是伴随着多种交互设备进入了人机交互，它能够丰富信息的表现形式，发挥用户感知信息的效率，消除当前WIMP/GUI、多媒体用户界面带来的宽带不平衡的瓶颈，比传统用户界面具有更高的自然性、灵活性和高效性［8］。

通过表2对交互技术的比较分析，根据指挥决策系统的交互特点，基于GIS的指挥决策系统设计为多通道用户界面，引入笔式交互、多点触控技术和视频通道，可以弥补单一WIMP界面带来的交互效率低的问题，结合来自多个通道的信息，决策人员可以利用互补性来显著提高界面对用户输入的识别率和界面向用户输出时的表现力。另外，多通道交互能够提高输入和输出的带宽，而其实质是引入自然的交互手段，从而帮助一个或多个指挥决策人员完成顺畅的交流。

表2 人机交互的比较

4 多通道动态加载

指挥决策人员一般不是一人决策，而是多人讨论决定，因此在决策过程中最经常的讨论场景，是依据信息系统提供战场实时监控信息，对当前战场态势的分析，那么在以上多个或叠加的步骤中都需要基于GIS展现战场地理空间信息、个人观点记录、图上标绘、草图等信息的记录可以利用笔式界面的自然交互特性，当多通道用户界面允许用户使用多个交互通道以并行的、非精确方式与计算机系统进行交互时，如何获取交互意图，就成为多通道用户界面应该解决的关键问题，即多通道的协同工作动态加载问题。解决笔式用户界面的动态加载，需要用户向系统发出信号传达他的意图，那么根据笔式界面范式PIBG，笔的手势(Pen Gesture)［7］成为信号传达的载体，当决策人员使用笔时，触发笔式界面信号，在GIS系统界面中动态加载笔式交互白板模块，决策人员可以使用手中的笔随时记录观点等信息。多点触控主要用于大尺度展示的界面操作中，使指挥决策人员可以走上前去操作地理信息空间展示。多媒体视频界面的调用，根据决策人音频或控制器的操作传递信号，显示当前固定保障实体或机动保障实体的视频实时信号。可以充分发挥“笔”的作用，使笔具有手写、遥控和指示的多重功能。

图1 多通道动态加载示意图

如图1所示，在GIS信息集成系统界面下，根据决策人手中的物理介质动态调用相应的自然交互界面，将是一种高效交互系统设计的选择。

根据决策科学的理解，决策是一个过程，决策过程分为情报搜集、方案设计、抉择等阶段，作战指挥决策的一般过程也是具体的决策过程，包括作战任务受领、情报收集及分析判断、确定指导方针、听取汇报和建议、方案生成、方案分析、方案比较、方案批准、作战计划制定及命令生成、决策实施、决策后评价等内容［4］。

图2 指挥决策一般过程的交互技术分布

作战指挥决策的一般过程中使用的交互技术分布示意图如图2所示，在不同的条件下，决策步骤可能会跳过其中的一步或几步，也可能多次反复进行。由此可见，迭代状态下基于自然和谐交互的笔式交互界面的加入将大大提高交互效率。

5 结束语

在指挥决策系统信息流融合过程中，要探知从多通道输入的信息流之间有没有协作关系以及如何协作的，就必须寻找一个介质将它们联系起来。而协同工作是建立在时间并行的基础上的，因此许多整合策略都将时间的接近性作为判断通道联系的最直接因素，而用户在进行多通道交互时也习惯同时使用多个通道，但是，如果违反常规进行间隔操作交互的融合机制显然会失败，在设计问题的时候不能排除异常情况的出现，因此，应该尽可能降低对时间过多的依赖性或者改变对时间的依赖方式。因此，在多通道整合中，动态加载是整合的核心线索。

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［5］Cristina Ofelia Stanciu.Decision support systems architectures［C］//The 5th International Conference of Actualities and Perspectives on Hardware and Software.2009:341-348.

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［14］Justin Langeseth.Real-Time Data Warehousing:Challenges and Solutions［EB/OL］.http://dssresources.com/papers/features/langseth/langseth02082004.html，2012-09-13.