基于GIS指揮決策系統(tǒng)的多通道交互研究

聶巖峰，田 田，吳 昊

(總后勤部油料研究所自動化室，北京 102300)

0 引言

人機結(jié)合進(jìn)行科學(xué)指揮決策是當(dāng)前信息時代作戰(zhàn)指揮決策的發(fā)展方向。人機交互技術(shù)的快速發(fā)展和相關(guān)研究成果為構(gòu)建符合人類行為特點的指揮決策環(huán)境提供了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)，加強相關(guān)人機交互新技術(shù)與新方式在軍事指揮決策中的應(yīng)用研究，可為提高信息化條件下軍事指揮決策能力的提升創(chuàng)造良好條件［1］。

縱觀國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，追求自然高效的人機交互技術(shù)已成為研究熱點，其中部分新型交互手段已逐漸進(jìn)入軍事指揮領(lǐng)域。

由于指揮決策環(huán)境中的人機對話大部分內(nèi)容仍是與地圖有關(guān)的圖形作業(yè)，而目前興起的自然手勢、筆式、多通道等交互技術(shù)正是適應(yīng)這種決策人員與指揮決策環(huán)境自然和諧對話的一種新交互技術(shù)，因此把GIS系統(tǒng)作為輔助指揮決策系統(tǒng)的交互基礎(chǔ)，屏蔽傳統(tǒng)WIMP交互方式劣勢，融合筆式交互、多通道交互等新技術(shù)，發(fā)揮自然交互優(yōu)勢是提升系統(tǒng)交互能力的必然選擇。

1 指揮決策系統(tǒng)中的交互特性

決策的三要素包括決策者、決策信息和決策對象，這三要素之間的相互作用就是人與機之間傳遞數(shù)據(jù)、信息、知識的過程，而這個過程的高效、快捷、精準(zhǔn)主要依賴于人機交互方式的設(shè)計和人機對話接口的實現(xiàn)［4］。指揮決策系統(tǒng)區(qū)別于其它信息系統(tǒng)中的交互特點概括起來主要有3個方面:

(1)實時性、連貫性的單人或多人協(xié)同決策交互要求高。一方面決策者向系統(tǒng)提出任務(wù)要求、輸入信息;系統(tǒng)向決策者輸出決策方案和各種輔助決策的信息，并在必要時向決策者索取所需的補充信息，另一方面在多人討論和協(xié)同決策過程中，基于草圖的、觀點的和“頭腦風(fēng)暴”式的記錄信息具有重要價值

(2)展示性交互起著關(guān)鍵作用。在應(yīng)急指揮和作戰(zhàn)保障過程中，無論從以往系統(tǒng)中、數(shù)據(jù)倉庫中還是實時環(huán)境中，收集到的信息數(shù)據(jù)是多樣的、海量的和不易理解的。使用適當(dāng)?shù)慕换フ宫F(xiàn)方式將這些信息形象、客觀地表示，使指揮人員可以準(zhǔn)確、及時地理解這些信息，進(jìn)而準(zhǔn)確地把握戰(zhàn)場態(tài)勢，同時做出有效的決策策略是決策系統(tǒng)中交互過程的重要問題。

(3)系統(tǒng)交互過程具有啟發(fā)性又具有自適應(yīng)性。指揮輔助決策系統(tǒng)的人機交互合作應(yīng)該是通過試探性和啟發(fā)性的問題求解方法來幫助決策者逐步加深和調(diào)整對問題結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，一方面具有啟發(fā)用戶思維的作用，另一方面也不能失去決策參與感和主角感，不僅要求人適應(yīng)“機器”，也要求“機器”適應(yīng)人，電腦不能代替人腦，輔助決策不能取代人工決策，決策活動本身是由人來完成的。

2 交互技術(shù)分析

從真實物理環(huán)境中收集到的多樣的海量的實時信息數(shù)據(jù)，通過GIS地理信息系統(tǒng)中以地圖、地理影像和地理坐標(biāo)的形式，形象、客觀地表示戰(zhàn)場地理空間信息，為戰(zhàn)場可視化和戰(zhàn)場態(tài)勢感知提供了關(guān)鍵的基礎(chǔ)框架［6］。然而基于GIS的地理信息平臺仍然提供單純的WIMP界面范式的交互方式，可以滿足基于鼠標(biāo)、鍵盤的人機問答式的交互要求，只在全局?jǐn)?shù)據(jù)顯示方面占有優(yōu)勢，缺乏對決策過程中隨機性討論的草圖、觀點、記錄等自然人機交互內(nèi)容的吸納，因此，在基于GIS的指揮決策系統(tǒng)中需要加入更加自然、高效的交互方式。

2.1 WIMP 用戶界面

WIMP界面是以窗口(Windows)、菜單(Menu)、圖符(Icons)和指示裝置(Pointing Devices)為基礎(chǔ)的圖形用戶界面。基于WIMP技術(shù)的圖形用戶界面，從本質(zhì)上講，是一種二維交互技術(shù)，在決策場景中“一問一答”式的傳統(tǒng)圖形交互界面嚴(yán)重影響決策者作出判斷和制定計劃的效率，要從根本上改變這種不平衡的通信，基于指揮決策系統(tǒng)的人機交互技術(shù)必須適應(yīng)從精確交互向非精確交互、從單通道交互向多通道交互以及從二維交互向三維交互的轉(zhuǎn)變，發(fā)展決策者與計算機之間快速、低耗的多通道界面。

2.2 引入筆式用戶界面

筆式用戶界面以其自然、高效的交互方式，在很多領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用［7］，傳統(tǒng)的指揮決策過程是離不開筆和紙的，基于紙筆的工作環(huán)境不僅可以使人輕松接納也可以快速地進(jìn)入工作狀態(tài)，在應(yīng)急保障和作戰(zhàn)指揮的決策過程中一些突發(fā)事件、緊急指令部署等時效性很高的任務(wù)都不容人們過多的準(zhǔn)備，需要隨時進(jìn)行思想捕捉、觀點交流、事件記錄、思維活動等，因此將筆式用戶界面引入指揮決策系統(tǒng)的交互模型中是必要的［7-8］。

2.3 引入多點觸控技術(shù)

多點觸摸技術(shù)使指揮決策人員以自然便攜的方式直接與信息內(nèi)容交互，在地理信息框架下的指揮決策系統(tǒng)中需要更大幅面、更清晰的顯示視野外，還需要顯示表面具有鼠標(biāo)以外的直接交互功能，例如能夠支持多人同討論時的共同標(biāo)繪等工作，支持垂直放置顯示屏幕時主講人員的自然手指操作應(yīng)用。

2.4 引入視頻通道

交互通道中常規(guī)輸入設(shè)備包括鍵盤、鼠標(biāo)等，用戶一般都比較熟悉。在多通道的交互設(shè)計中，把鍵盤、鼠標(biāo)的輸入與其他通道的信息相結(jié)合，作為多通道輸入的一個輔助手段，可以為用戶提供更多的、更靈活的操作方式?；谝曈X的輸入設(shè)備包括照相機和攝像機等。利用視覺輸入，在基于GIS的指揮決策系統(tǒng)中主要完成以下任務(wù):

(1)利用現(xiàn)有的各類保障實體的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實時選擇性接入，為應(yīng)急現(xiàn)場指揮作業(yè)提供可靠保障;

(2)利用攝像機進(jìn)行機動油料保障跟蹤，根據(jù)定位信息實時接入視頻信號完成監(jiān)控。

通過表1對4種交互界面技術(shù)的性能對比，可知每種交互技術(shù)有各自的優(yōu)勢和短板，指揮決策系統(tǒng)的交互通道必然需要綜合上述幾種交互技術(shù)的優(yōu)勢動態(tài)地自適應(yīng)地加載交互主體當(dāng)前時刻所需的交互通道，保障在最優(yōu)決策的基礎(chǔ)上爭取時間和提高效率。

表1 交互界面性能比較

3 多通道用戶界面(MUI)

多通道用戶界面的出現(xiàn)是伴隨著多種交互設(shè)備進(jìn)入了人機交互，它能夠豐富信息的表現(xiàn)形式，發(fā)揮用戶感知信息的效率，消除當(dāng)前WIMP/GUI、多媒體用戶界面帶來的寬帶不平衡的瓶頸，比傳統(tǒng)用戶界面具有更高的自然性、靈活性和高效性［8］。

通過表2對交互技術(shù)的比較分析，根據(jù)指揮決策系統(tǒng)的交互特點，基于GIS的指揮決策系統(tǒng)設(shè)計為多通道用戶界面，引入筆式交互、多點觸控技術(shù)和視頻通道，可以彌補單一WIMP界面帶來的交互效率低的問題，結(jié)合來自多個通道的信息，決策人員可以利用互補性來顯著提高界面對用戶輸入的識別率和界面向用戶輸出時的表現(xiàn)力。另外，多通道交互能夠提高輸入和輸出的帶寬，而其實質(zhì)是引入自然的交互手段，從而幫助一個或多個指揮決策人員完成順暢的交流。

表2 人機交互的比較

4 多通道動態(tài)加載

指揮決策人員一般不是一人決策，而是多人討論決定，因此在決策過程中最經(jīng)常的討論場景，是依據(jù)信息系統(tǒng)提供戰(zhàn)場實時監(jiān)控信息，對當(dāng)前戰(zhàn)場態(tài)勢的分析，那么在以上多個或疊加的步驟中都需要基于GIS展現(xiàn)戰(zhàn)場地理空間信息、個人觀點記錄、圖上標(biāo)繪、草圖等信息的記錄可以利用筆式界面的自然交互特性，當(dāng)多通道用戶界面允許用戶使用多個交互通道以并行的、非精確方式與計算機系統(tǒng)進(jìn)行交互時，如何獲取交互意圖，就成為多通道用戶界面應(yīng)該解決的關(guān)鍵問題，即多通道的協(xié)同工作動態(tài)加載問題。解決筆式用戶界面的動態(tài)加載，需要用戶向系統(tǒng)發(fā)出信號傳達(dá)他的意圖，那么根據(jù)筆式界面范式PIBG，筆的手勢(Pen Gesture)［7］成為信號傳達(dá)的載體，當(dāng)決策人員使用筆時，觸發(fā)筆式界面信號，在GIS系統(tǒng)界面中動態(tài)加載筆式交互白板模塊，決策人員可以使用手中的筆隨時記錄觀點等信息。多點觸控主要用于大尺度展示的界面操作中，使指揮決策人員可以走上前去操作地理信息空間展示。多媒體視頻界面的調(diào)用，根據(jù)決策人音頻或控制器的操作傳遞信號，顯示當(dāng)前固定保障實體或機動保障實體的視頻實時信號。可以充分發(fā)揮“筆”的作用，使筆具有手寫、遙控和指示的多重功能。

圖1 多通道動態(tài)加載示意圖

如圖1所示，在GIS信息集成系統(tǒng)界面下，根據(jù)決策人手中的物理介質(zhì)動態(tài)調(diào)用相應(yīng)的自然交互界面，將是一種高效交互系統(tǒng)設(shè)計的選擇。

根據(jù)決策科學(xué)的理解，決策是一個過程，決策過程分為情報搜集、方案設(shè)計、抉擇等階段，作戰(zhàn)指揮決策的一般過程也是具體的決策過程，包括作戰(zhàn)任務(wù)受領(lǐng)、情報收集及分析判斷、確定指導(dǎo)方針、聽取匯報和建議、方案生成、方案分析、方案比較、方案批準(zhǔn)、作戰(zhàn)計劃制定及命令生成、決策實施、決策后評價等內(nèi)容［4］。

圖2 指揮決策一般過程的交互技術(shù)分布

作戰(zhàn)指揮決策的一般過程中使用的交互技術(shù)分布示意圖如圖2所示，在不同的條件下，決策步驟可能會跳過其中的一步或幾步，也可能多次反復(fù)進(jìn)行。由此可見，迭代狀態(tài)下基于自然和諧交互的筆式交互界面的加入將大大提高交互效率。

5 結(jié)束語

在指揮決策系統(tǒng)信息流融合過程中，要探知從多通道輸入的信息流之間有沒有協(xié)作關(guān)系以及如何協(xié)作的，就必須尋找一個介質(zhì)將它們聯(lián)系起來。而協(xié)同工作是建立在時間并行的基礎(chǔ)上的，因此許多整合策略都將時間的接近性作為判斷通道聯(lián)系的最直接因素，而用戶在進(jìn)行多通道交互時也習(xí)慣同時使用多個通道，但是，如果違反常規(guī)進(jìn)行間隔操作交互的融合機制顯然會失敗，在設(shè)計問題的時候不能排除異常情況的出現(xiàn)，因此，應(yīng)該盡可能降低對時間過多的依賴性或者改變對時間的依賴方式。因此，在多通道整合中，動態(tài)加載是整合的核心線索。

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