舰艇指控显示交互技术发展*

徐 勇

(海军装备软件管理中心 北京 100841)



舰艇指控显示交互技术发展*

徐 勇

(海军装备软件管理中心 北京 100841)

研究先进的显示交互技术在舰艇指控系统中的应用是实现指挥员与指控装备深度融合的重要途径。论文回顾了显示交互技术在指控系统中应用的发展历程,分析了相关技术的发展趋势,指出了当前该领域存在的差距与不足;从体系结构和需重点突破的关键技术等方面,提出了新型舰艇指控系统的发展思路,为舰艇指控系统中显示交互技术的应用研究提供了参考。

显示交互; 舰载指控系统; 会商式指挥; 海上作战

Class Number E83

1 引言

指挥控制系统是根据分配的任务,指挥员对所属部队实施作战指挥、控制所必需的设备、软件和人员的总称。指控装备与指挥员形成了现代作战系统的“大脑中枢”,从其功能来看,是指挥员的“脑、眼、手”的延伸,是作战系统的“粘合剂”,是作战效能的“倍增器”[1]。指控装备是指挥员施计用谋的“舞台”,指挥员是指控装备发挥功能的“灵魂”;随着作战形态、军事装备和科学技术发展,如何高效地发挥指挥员的作战艺术,准确地反映指挥员的作战意图是指控系统研究中需要解决的重要问题[2～3]。

显示交互技术是“人与机器之间的桥梁”,是指机器通过展示设备给人提供大量有用信息及提示请示等,人通过输入设备给机器发送指令信息及提示请示等以及人与机器互动的过程。它与认知学、人机工程学、心理学等领域有密切的联系。研究先进的显示交互技术在指控系统中的应用是实现指挥员与指控装备深度融合的重要途径之一[4]。现代信息化战争的新形势下,战场空前扩大,情报信息堆积如山,作战节奏明显加快,有利战机稍纵即逝;舰艇指控系统作为海上作战平台的指挥决策和情报中心,尤其需要加强先进显示交互技术的应用,达到及时、直观、精确展示作战信息,高效、自然、主动地辅助指挥决策的效果,构建以人为中心的操控环境,提高作战效能。

2 舰艇指控系统显示交互发展情况

2.1 指控系统显示交互发展历程

迄今为止,显示交互技术在舰艇指控系统的应用随着海上作战需求、舰上装备形态和相关技术的发展经历了三个主要阶段[5]。

第一阶段是显示交互技术应用的起步阶段。20世纪60～70年代,舰上各武器、传感器装备分散在各部门控制,操控设备各自独立、形态各异,显控台概念还未正式形成,也没有大屏显示、协作会商等设备;在该阶段,显示交互手段单一,指令的输入和信息的输出主要靠专用物理按键、命令行及字符、信号灯提示等,指挥员与设备间处于一种低层次的操作与被操作关系。

图1 美国NTDS舰艇指控系统显示交互设备

第二阶段是显示交互技术应用的发展阶段。20世纪80～90年代,随着计算机技术的蓬勃发展,指控系统由之前的独立式发展到集中指挥、分散控制阶段,装备形态上开始配置大屏显示器、立式指挥桌等,指控系统的定位基本清晰。同时,显示交互技术开始得到重视,指控系统吸收计算机领域的成果,结合应用特点,指令和信息交互的手段主要有跟踪球、操纵杆、键盘及CRT显示器等,交互的内容主要有字符、图形和图像等;但仍未出现协作会商式指挥及相应的设备形态。在该阶段,业界明确认识到指挥员与指控设备有机结合形成了指控系统,促使两者融合的显示交互技术在指控系统中的应用作为一项重要研究得到普遍重视。

图2 法国Senit舰艇指控系统显示交互设备

第三阶段是显示交互技术应用的广泛应用阶段。进入21世纪,经过近半个世纪的发展,指控系统已确立了舰艇作战平台的指挥决策中心和情报中心的地位,装备形态趋于稳定,指挥控制的对象也从原来的单平台扩展到跨平台协同作战指挥,装备形态除了标准显控台,还发展出了多功能大屏显示设备、会商式指挥桌等。同时,大量新的显示交互技术被引入到指控系统,如触摸输入、语音输入、图形化显示、多层视窗显示等[5]。新的输入输出手段使设备功能得到丰富,如大屏显示设备除了之前的复示功能,还有定制态势功能,也可以升级手势作战标图等功能。随着显示交互技术在指控系统中应用研究的不断深入,指挥员与指控装备发展到较高的融合水平。

图3 法国THALES公司舰载会商式指挥桌

2.2 指控系统显示交互发展趋势

近年来,先进显示交互技术在舰艇指控系统上的研究愈加深入,也取得了一系列成果,涌现了许多新概念。一方面得益于与显示交互相关的新技术,如计算机技术、触摸屏技术、虚拟现实技术、三维显示技术等的飞速发展,加之上述技术在商用产品上取得的巨大成功,这些为它们在指控系统的应用创造了条件,提供了思路;另一方面现代信息化战争的新形势下,海量信息的高效处理、直观展现,对稍纵即逝战机的迅速决策指挥,这些牵引着指控系统采用超越传统的显示交互技术来提高运行效率。

图4 未来指控系统概念图

美军早在1998年由DARPA组织的未来指挥所(CPoF)研究计划中指出,未来新型指控系统应当是一个具有适应性、以决策为中心的可视化人机环境[6](如图4所示)。由此可见,未来新型指控系统必然是一个和谐的人机环境,将人的心智模型(针对非结构化问题)和计算机的定量分析能力(针对结构化问题)结合,为指挥决策提供支持,其中显示交互起着桥梁的作用。

显示交互技术在舰艇指控系统的应用发展主要有以下三方面的趋势[7～10]。

图5 英国无畏2050概念舰指挥系统

信息展示趋向直观。随着大屏幕显示、三维显示、全息投影等技术手段在舰艇指控系统的应用研究不断深入,实现目标态势、战场情报、装备状态、指挥过程等各类信息直观、可视化展现是趋势之一,通过战场可视化,达到战场信息的准确获取、快速传递、及时处理和正确理解,将信息优势转化为决策优势进而提高战斗力。

显示交互趋向自然。采用多模态人机交互方式,在传统键盘、跟踪球、表页显示器等基础上,引入语音输入、语音提示、多点触摸、手势输入、体感输入、力反馈等交互手段,简化指挥人员的操作过程,突破传统操作方式的限制,优化多通道交互手段的协同机制。自然的显示交互可极大降低对指挥员操控过高专业性的要求和指控装备使用的学习成本,提高指控系统的交互效率和自适应能力,以满足未来指挥人员快速指挥和决策的需要。

人机环境趋向智能。未来的舰载指控系统不再是各种指控设备的简单组合,被动接受指挥员指令;在充分吸收多模态人机交互方式的基础上,还具备按作战流程组织界面显示、指控操作智能导航、作战信息按需推送、辅助协作会商等,为指挥员提供一个“沉浸式”的显示交互环境,达到指挥员与指控装备的深度融合,极大提高指挥决策效率。

2.3 差距与不足

舰艇指控系统显示交互技术的应用经过多年的发展,取得了长足的进步,但与新军事变革条件下战场范围扩大、情报量猛增、作战节奏加快的军事需求比较,在以下三个方面存在差距:

1) 显示交互手段的集成度不高。舰艇指控系统大部分还是采用传统的的显示交互手段,简单集成应用于指控装备;许多先进、高效的显示交互手段未应用于指控装备,也未充分考虑交互效率,操控的便捷舒适性等对作战效能提升的影响,没有实现“在恰当的部位应用恰当的显示交互手段”。

2) 多模态自然人机交互优化不足。由于只是简单集成了多种显示交互手段,本质上还停留于在传统“键鼠—视窗”交互模式下增加多种手段,没有显著提升指挥员的指挥决策效率;基于多模态显示交互的作战使用流程没有充分优化,显示交互之间协作性不强。

3) 辅助智能化指挥能力不强。由于尚未实现由显示交互功能组合向显示交互有机集成的转变,指控装备在指挥员获取信息和发送指令等交互过程中主动性不够,还未构建能够适应不同应用场景,不同操控角色和不同作战任务的自适应人机交互体系。

3 新型舰艇指控系统显示交互发展思路

3.1 新型舰艇指控系统显示交互目标图像

未来信息化对抗背景下海、潜、空、天、电、磁多维信息相互影响,海战场环境和交战过程复杂多变,对新一代指控系统的战场环境和敌我态势掌控能力、作战资源协调管理能力和指挥控制的快速反应能力均提出了更高的要求。

根据显示交互技术在舰艇指控系统中应用的发展趋势和存在的不足,结合未来作战需求,应用了先进显示交互技术的新型舰艇指控系统是一个多维作战信息能够直观展示,指挥操控自然交互,决策会商智能主动的,指挥员与指控装备深度融合的显示交互环境。其体系结构如图6所示。

图6 显示交互环境体系结构

在新型舰艇指控系统显示交互环境体系结构下,各类基础信息集中处理,在此基础上以智能辅助决策为手段统一调用,在可视化人机交互集成框架管理下,利用各类终端设备进行显示交互。通过分析,如表1所示,新型舰艇指控系统显示交互环境主要由三类设备组成。

表1 新型舰艇指控系统显示交互环境三类设备

1) 通用标准显控设备。面向新型舰艇指控系统显示交互环境,继承传统标准显控台的显示交互手段,有机集成多模态新型显示交互手段,具备丰富、完备的信息展现能力和标准化的多维可控的综合操控能力。为以指挥员为中心的显示交互环境提供基础操控设备单元,为新型舰艇指控系统的自适应能力、动态重组能力提供支撑。

2) 大屏幕显示交互设备。大屏幕显示交互设备为指挥员提供大幅面、广视角、高精度的作战信息展示和交互环境。在充分考虑人体工程的视角上采用立式屏幕,综合运用背投、大屏拼接等显示技术(图7),提供多通道战场态势显示功能,展示全局性重要信息,按需组织显示各类的作战方案、兵力行动计划,主动提示指挥员共同关注信息等,能够为指挥人员进行协作会商式指挥决策提供全方位多维跨平台信息展示能力,为作战使用提供丰富、完备的信息展现手段。

图7 立式大屏幕显示设备

3) 协作会商式指挥设备。协作会商式指挥设备为提升实战过程中指挥决策人员对跨平台战场态势的全局把握能力,提供多维度的信息展现手段,为指挥决策过程构建形象生动的展示平台。协作会商式指挥设备为跨平台作战决策过程提供场景建模、进程推演、态势标绘等形象真实的展现平台和预演评估环境,为协作决策指挥提供有效的辅助支撑;通过构建环绕式会商指挥环境,采用卧式大屏显示实时战场信息(图8),综合利用操作权限管理、并发控制等技术,提供触控、语音等操作手段,对高度抽象、聚合的信息进行分析,便于指挥人员进行态势研判与指挥决策。在会商过程中对于精确、复杂的技术性操作,可以利用平板等便携交互终端进行操作。

图8 水平会商式显示交互设备概念图

3.2 舰艇指控系统显示交互技术体系

在将新型显示交互技术应用于舰艇指控系统的研究中,除了将三维显示、虚拟现实、全息显示、体感交互、电子沙盘等先进的显示交互技术在新型舰艇指控系统中集成验证,还要重点开展如图9所示的先进显示交互技术应用、多模手段集成和显示交互环境构建等方面的关键技术攻关。

图9 新型显示交互舰艇指控系统关键技术

· 海战场环境及全维作战空间展示技术。该技术主要研究应用多模态显示技术实现海洋环境多维渲染及作战空间的全维展示。为提升实战过程中指挥决策人员对战场态势的全局把握能力,提供多维度的信息展现手段。

· 海军作战装备多维实时显示操控技术。该技术主要研究应用多模态显示交互技术实现大批量多维海军作战装备模型的实时显示控制。用于解决海战场跨平台、大批量目标实时变化环境下的高效、直观显示与操控问题。

· 作战方案拟制动态展现技术。该技术主要研究应用多模态显示交互技术实现作战态势的动态展现和标绘,为指挥决策提供形象逼真的战场态势,同时利用全维场景的交互能力展现作战推演、协作式会商指挥,评估作战决策对交战进程的影响。

· 舰载多模态显示交互通道优化集成技术。该技术主要研究先进舰艇指控系统的需求,对显示交互通道进行合理分类、规划、减少冗余,制定多通道自然交互集成标准,整合新型显示交互与传统二维交互模式,允许用户利用多个通道与计算机交互,加快人机交互速度,提高战场指挥控制效能。

· 高性能复杂海情处理平台构建技术。该技术主要研究构建多模态显示交互的舰艇指控系统的运行平台环境的方法,为实现复杂海战场作战环境展现的多通道大屏幕高清三维显示、全景高效图形渲染、高速海量存储、多类型高速数据接口、人机同步协同交互等技术提供支撑。

通过上述几方面关键技术的突破,为构建以指挥员为中心的智能化、沉浸式舰艇指控系统奠定了基础。

4 结语

舰艇指控系统是舰艇作战系统的核心。随着对舰载指控系统中先进显示交互技术的应用研究不断深入,研究人员应立足作战需求,借鉴和吸收概念性成果,突破显示交互技术在新型指控系统中应用的关键技术,加强舰艇指控系统装备研制,实现指挥员与指控装备的高度融合,从而显著提高指控系统作战效能。

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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,高级工程师,研究方向:指挥控制,软件工程。

E83

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.10.002