基于直接操控的艦炮對岸射擊準備人機交互設計*

汪匯川，郭 勇

(1.海軍大連艦艇學院，遼寧 大連 116018;2.海軍裝備研究院，北京 100161)

傳統(tǒng)艦炮武器對岸射擊最后準備人機交互都存在著操作復雜、時間長、操控要求高、難以滿足作戰(zhàn)快速性要求等缺點，嚴重制約了艦炮武器作戰(zhàn)效能的發(fā)揮，如何簡化操控，快速規(guī)劃、構建射擊信息通道，縮短對岸最后準備時間，提高完成作戰(zhàn)任務的快速性，是亟待研究和解決的重大問題。

直接操控的人機交互，使用快速、可逆、遞增的操作，以及用指點操作替代輸入命令來指向感興趣對象，提供可管理、可預測、可控的操作，具有易懂、快捷、簡單、可逆，并使操控者感到愉悅的特點［1］。本文將直接操控思想引入到艦炮武器系統(tǒng)對岸射擊最后準備的人機交互中，目的在于通過圖形可視化界面來引導操控人員更加便捷有效地對艦炮作戰(zhàn)進行操控，大幅度簡化戰(zhàn)時操控負荷，提高快速反應能力和作戰(zhàn)效能。

1 射擊準備中人機交互

圖1為艦炮對岸射擊準備內容與流程。以發(fā)現(xiàn)目標為界，艦炮對岸射擊準備分為預先準備和最后準備。

在預先準備階段必須要輸入的參數(shù)有彈道氣象、射擊任務、目標幅員、輔助瞄準點、岸目標坐標、陸單觀測所、陸雙觀測所、空觀測所等8項內容。這些參數(shù)在實施最后準備之前已經裝訂完畢，是最后準備階段指揮員進行戰(zhàn)術決策的前提條件［2］。

最后準備階段人機交互必須輸入的信息有“打擊目標、瞄準方式、觀測方式、射效觀測”等4項內容，其實質是通過艦炮對岸射擊信息通道組織完成。通過組建艦炮對岸射擊信息通道，解決目標相對坐標、射擊效果獲取手段與途徑問題，為艦炮射擊諸元計算、射擊校正量計算和指揮決策提供依據(jù)。

2 人機交互建模

根據(jù)艦炮人機交互內容和交互流程，結合直接操控的可視化要求，對完成艦炮對岸射擊的人機交互任務的操控行為進行歸納和設計，圍繞操控行為的實現(xiàn)，建立艦炮對岸射擊直接操控人機交互的算法流程和可視化模型，實現(xiàn)艦炮對岸射擊人機交互的直接操控。

2.1 操控行為

艦炮對岸射擊準備階段的信息類型多，信息量大，記憶困難，要求指揮員快速做出反應并實施操控。根據(jù)直接操控人機界面的特點，采用圖形可視化技術，將所有涉及信息要素以圖形的形式集成在一幅圖中，同時運用增強現(xiàn)實技術對指揮員進行信息提示，對圖形進行操控，實現(xiàn)射擊信息通道組織與更改，不需要切換頁面和記憶相應的內容，使操控更加直觀、簡單、快捷。具體行為有以下四個。

圖1 艦炮對岸射擊準備內容與流程

1)選中操作對象

坐標觀測器、輔助瞄準點、待打擊目標在任意時刻各自僅能其中之一選中有效，后選中有效同時取消前一個選中;觀測所可同時多個選中有效，必須與實際承擔炸點觀測任務相一致。操作時點擊某個對象，對象背景綠色時表示選中有效。

2)取消操作對象

點擊某個已選對象時，取消此選中對象，對象背景由綠色變?yōu)榘咨?/p>

3)選中通道對象

將選中對象之間用綠色線連接起來，組成射擊信息通道，其中:選中某觀測所與某目標時，生成射效觀測(目)線，射效觀測線可有多條;無輔助瞄準點時，自動生成坐標觀測器到目標的直接瞄準線;有輔助瞄準點時，自動生成某坐標觀測器到輔助瞄準點的間接瞄準線和輔助瞄準點到目標的基線，直接瞄準線與間接瞄準線互斥，當前有效時自動刪除先前的。

4)取消通道對象

當取消操作對象后，與此操作對象相關的通道連線自動刪除。

2.2 交互流程

為使操控簡單、快速、準確，指揮員通過在單幅圖上的視覺判斷，獲得射擊信息通道組織全部信息，并在同一幅圖上進行射擊信息通道組織的操控，操控結果顯示在圖上并清晰地呈現(xiàn)在指揮員面前，以便確認更改。圖2給出了艦炮對岸射擊準備人機交互算法流程。

流程中的當前相關組指的是可以進行連線的不同類型內容，如當輔助瞄準點被選擇時，相關組={觀測器和輔助瞄準點，輔助瞄準點和目標，觀測所與目標};當輔助瞄準點未被選擇時，相關組={觀測器和目標，觀測所與目標}。

圖2 艦炮對岸射擊準備人機交互算法流程

2.3 可視化模型

本文以艦炮射擊信息通道組織為例，其可視化是指將n個坐標觀測器、p個輔助瞄準點、w個觀測所、q個待打擊目標以圖形方式呈現(xiàn)在操控人員面前。指揮員進行操控時，直接對圖形進行選擇操控，自動構建出目標相對坐標和射擊效果獲取信息通道呈現(xiàn)在操控者面前，即信息通道組織可視化過程。其視覺模型按照操控行為的要求遵循一定的規(guī)則，同時，信息的存儲和反饋驅動了界面內容的變化，需要設計相應的數(shù)據(jù)結構。因此，信息通道組織可視化建模包括數(shù)據(jù)結構設計和規(guī)則庫建立。

2.3.1 數(shù)據(jù)結構

數(shù)據(jù)結構設計為無向圖，將待選擇的射擊通道組織內容標記為圖中的點，而射效觀測(目)線標記為線進行計算和存儲。

結構圖中將坐標觀測器、輔助瞄準點、觀測所、目標表示為無向圖中的點，觀目線作為圖的邊，以無向圖鄰接矩陣的方式對點線的關系進行存儲。具體如下:

首先，將坐標觀測器(S)，目標(T)，觀測所1(O1)，觀測所2(O2)，輔助瞄準點(A)作為圖中頂點分為五類來描述，數(shù)量分別為nS，nT，nO1，nO2，nA，對全部頂點編號并構造向量P順次保存全部頂點信息，并分為5段，如表1所示。

表1 向量P分段

其次，構造鄰接矩陣［3］GN×N(N=nS+nT+nO1+nO2+nA)存儲邊(連線)信息。向量P中第i位元素表示編號i的點是否被選中(被選中為1，未選中為0)，鄰接矩陣GN×N中第i行，第j列(或第i列，第j行)元素表示編號i的點與編號j的點之間是否有邊(有邊為1，無邊為0)。鄰接矩陣示例如下:

2.3.2 操作規(guī)則

根據(jù)上文對于交互行為的分析可以看出，在操作上應該包括可視化顯示和交互操作，因此在制定可視化控制規(guī)則時要同時考慮這兩個方面。

1)可視化顯示規(guī)則

①被選中點顯示為綠色，未被選中點顯示為白色。

②存在的邊使用綠色帶箭頭線段繪制(連接兩頂點)。

③與邊相連的點被刪除后，其代表此邊的綠色帶箭頭線段不再顯示。

2)交互操作規(guī)則

①初始化規(guī)則設計

a.初始化向量P及鄰接矩陣GN×N中所有元素均為0。

b.若存在歷史記錄(過去記錄的向量P及鄰接矩陣GN×N信息)需要導入，則分別使用記錄信息對向量P及鄰接矩陣GN×N進行賦值。

c.按可視化顯示規(guī)則，根據(jù)向量P及鄰接矩陣GN×N信息進行圖像更新。

②點選擇與棄選操作規(guī)則設計

a.鼠標單擊未被選中點(向量P中對應位為0)，則該點被選中，向量P中對應位變?yōu)?，同時其所在段(見信息存儲方式中第1條)其余數(shù)位全部置0(保證每種類型點只能有一個被選中)。

b.鼠標單擊已選中點(向量P中對應位為1)，則該點被棄選，向量P中對應位變?yōu)?。

c.根據(jù)可視化顯示規(guī)則，按照向量P中信息改變各點顏色。

③邊的連接與刪除操作規(guī)則設計

a.邊的連接必須在被選中的點間進行。連接時，在第一點處按下鼠標左鍵，移動至第二點抬起鼠標左鍵即完成連接。當編號i的點與編號j的點之間連接了一條邊后，鄰接矩陣GN×N中第i行，第j列(第i列，第j行)元素變?yōu)?。

b.進行邊的連接操作時，當某點的度達到上限時，其不可被選中，各類型點度的上限分別為:S型、T型、O1型和O2型為1，A型為2。

c.雙擊一條邊，則該邊被刪除，鄰接矩陣GN×N中相關元素(同①)變?yōu)?。

d.當某一點被棄選時，與其相關聯(lián)的邊全部刪除。

④信息保存規(guī)則設計

退出程序時將向量P及鄰接矩陣GN×N信息保存至記錄文件中。

3 仿真實現(xiàn)

3.1 開發(fā)仿真程序

按照上述規(guī)則，開發(fā)仿真程序，實現(xiàn)的艦炮對岸射擊信息通道組織可視化界面如圖3所示。

圖3 對岸射擊信息通道組織可視化圖

圖中:左邊為觀測信息源，假設有跟蹤雷達、跟蹤光電、導航雷達、警戒雷達、數(shù)據(jù)鏈+GPS、裝定+GPS組成，為艦炮武器系統(tǒng)提供觀測坐標;右邊為對岸待打擊目標，編號為1、2、3(假設最多3個)，編號右邊為該目標經緯度坐標;上部為待選射效觀測站，編號為1、2、3，各個觀測站經緯度坐標在編號上部標出(假設最多3個);下部為待選輔助瞄準點，編號為1、2、3，各輔助瞄準點經緯度坐標在編號下部標出(假設最多3個)。在預先準備階段把待選輔助瞄準點、觀測所、打擊目標位置等參數(shù)錄入，觀測信息源有系統(tǒng)自檢測顯示其狀態(tài)，圖中背景白色為可用但未選中(沒有建立通信聯(lián)系)。點擊“信息通道組織”鍵，運行開發(fā)仿真程序生成圖3可視化人機交互圖形。

3.2 仿真操作

1)建立射擊信息通道

點擊圖3中“跟蹤光電”右邊數(shù)字“2”，“跟蹤光電”及數(shù)字“2”背景變?yōu)榫G色，表示選中光電跟蹤儀，使用“跟蹤光電”觀測目標相對坐標。點擊圖3輔助瞄準點數(shù)字“2”背景變?yōu)榫G色，表示選中“2”號物體為輔助瞄準點，光電觀測“2”號物體坐標，用于火控計算;在觀測信息源選中情況下，選中輔助瞄準點，火控計算機自動作出觀測器到輔助瞄準點綠色矢量線;點擊目標數(shù)字“2”，背景變?yōu)榫G色，表示選中“2”號目標為打擊目標，火控計算程序自動作出輔助瞄準點“2”到目標“2”的矢量線，內部程序自動求出瞄目距離、瞄目方位，在光電有觀測輔助瞄準點坐標情況下，求解出對“2”號目標距離、方位，進行射擊諸元計算;跟蹤光電“2”→輔助瞄準點“2”→目標“2”構成射擊信息通道，如圖4所示。

2)建立射效觀測通道

點擊觀測所數(shù)字編號，該數(shù)字編號背景變?yōu)榫G色，為選中，如圖4中“1”、“2”，表示使用“1號觀測所”、“2號觀測所”進行射效觀測。在打擊目標已經選中情況下，選中觀測所同時，火控計算機自動作出觀測所到目標點藍色矢量線，解算出“1(觀測所)→2(目標)”、“2(觀測所)→2(目標)”的觀目距離、觀目方位，用于炸點觀測偏差解算。圖4中，觀測所“2”→目標“2”為射效觀測通道，即觀目線。

圖4 對岸射擊信息通道組織可視化圖操作1

3)修改射擊信息通道

點擊輔助瞄準點“1“，將輔助瞄準點有“2”更改為“1”(在已經選中某個輔助瞄準點情況下不需要取消輔助瞄準點“2”再選中“1”)。新的射擊信息通道:跟蹤光電“2”→輔助瞄準點“1”→目標“2”，如圖5所示。類似地，更改觀測器時，直接點擊能夠使用觀測編號，選中新的觀測器同時取消先前觀測器，實現(xiàn)射擊信息通道修改。

4)修改射效觀測通道

若圖4中觀測所“2”遭到破壞，點擊觀測所“2”，取消選中，然后點擊觀測所“3”，則完成觀測所“2”到觀測所“3”的切換，如圖5所示。

圖5 對岸射擊信息通道組織可視化圖操作2

3.3 仿真結論

仿真操作實驗表明:可視化圖形提供了射擊信息通道組織全部需要信息，通過圖形操作實現(xiàn)射擊信息通道、射效觀測通道組織與修改，所見即所得，使得操作意圖準確、簡單、高效，大幅度提高了艦炮對岸指揮、操作與控制效率。

4 結束語

直接操控的人機交互設計界面能夠為使用者提供可管理、可預測、可控的操作，以及實時的反饋使交互效果可見，具有易懂、快捷、友好等諸多優(yōu)點。尤其是這種圖形可視化交互，不僅幫助指揮員高效進行艦炮岸射擊最后準備，而且作戰(zhàn)中為指揮員根據(jù)作戰(zhàn)情況變化需要快速更改射擊信息通道、射效觀測通道提供了有效手段，極大地提高了戰(zhàn)術使用靈活性。

［1］Ben Shneiderman，Catherine Plaisant.Designing the User Interface—Strategies for Effective Human-computer Interaction Fourth Edition［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2008:152-155.

［2］汪德虎，等.艦炮火控原理［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2009.

［3］陳莉，劉曉霞.離散數(shù)學［M］.北京:高等教育出版社，2004:303.