數(shù)字化單兵終端人機(jī)界面交互設(shè)計(jì)研究

姜斌，孫辛欣，崔彤

【院士專欄：國(guó)防裝備設(shè)計(jì)與制造】

數(shù)字化單兵終端人機(jī)界面交互設(shè)計(jì)研究

姜斌，孫辛欣，崔彤

（南京理工大學(xué)，南京 210094）

探究數(shù)字化單兵作戰(zhàn)終端態(tài)勢(shì)感知與人機(jī)交互設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用。通過項(xiàng)目實(shí)踐，分析現(xiàn)有單兵作戰(zhàn)信息化裝備使用方式與使用效率，提出單兵作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)信息可視化的設(shè)計(jì)原則與設(shè)計(jì)方法，提高信息終端人機(jī)交互使用效能，增強(qiáng)作戰(zhàn)情境意識(shí)和支持作戰(zhàn)任務(wù)管理，達(dá)到簡(jiǎn)化作戰(zhàn)信息復(fù)雜程度，契合作戰(zhàn)用戶群體需求的任務(wù)。在此基礎(chǔ)上，展開某型號(hào)單兵作戰(zhàn)平板的交互式人機(jī)界面設(shè)計(jì)實(shí)踐，并進(jìn)行可用性測(cè)試驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性。數(shù)字化單兵信息顯示終端是基于視覺認(rèn)知理論，對(duì)信息顯示系統(tǒng)中的人機(jī)要素、布局要素、交互要素及視覺顯示要素開展整體分析與設(shè)計(jì)，從視覺認(rèn)知規(guī)律出發(fā)，踐行以目標(biāo)為導(dǎo)向的設(shè)計(jì)流程，在單兵作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)平板上顯示的多模態(tài)信息作出明確的層級(jí)區(qū)分，減輕復(fù)雜信息造成的記憶負(fù)擔(dān)，顯著提升作戰(zhàn)信息傳遞和任務(wù)執(zhí)行的效率，可以有效提升系統(tǒng)的可用性、易用性和操作滿意度。

作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)；數(shù)字化單兵終端；人機(jī)交互；信息可視化

隨著信息技術(shù)的普及和智能硬件設(shè)備的快速發(fā)展，數(shù)字化戰(zhàn)場(chǎng)成為未來軍事作戰(zhàn)的一個(gè)重要場(chǎng)景。數(shù)字化設(shè)備即將配備到單兵裝備體系，單兵手持作戰(zhàn)系統(tǒng)及其搭載的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息系統(tǒng)，可以幫助單兵快速了解戰(zhàn)場(chǎng)信息，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行信息查看，通訊聯(lián)絡(luò)。通過個(gè)人裝備與各個(gè)作戰(zhàn)單位互通互聯(lián)，進(jìn)行規(guī)劃共享。在這個(gè)過程中，合理準(zhǔn)確的人機(jī)交互界面能給單兵提供可靠的作戰(zhàn)信息，有效完成信息識(shí)別，從而作出迅速高效的判斷和決策。

1 單兵信息化裝備

近年來，戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境變得非常復(fù)雜，數(shù)字化信息作戰(zhàn)和戰(zhàn)場(chǎng)信息系統(tǒng)化逐漸成為新型作戰(zhàn)形式[1]，而支撐部隊(duì)指揮體系發(fā)展的基礎(chǔ)是信息賦能下的態(tài)勢(shì)信息感知系統(tǒng)，這一概念起源于戰(zhàn)斗機(jī)飛行員使用的信息系統(tǒng)，用以獲取地面戰(zhàn)場(chǎng)的信息，第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)并獲取敵方作戰(zhàn)意圖[2]。如今態(tài)勢(shì)信息系統(tǒng)通過融合計(jì)算機(jī)、通信和傳感器形成無縫數(shù)據(jù)空間，廣泛用于支持軍事行動(dòng)高效規(guī)劃和執(zhí)行。

數(shù)字化單兵作戰(zhàn)裝備是體系作戰(zhàn)的重要節(jié)點(diǎn)，用以改善單個(gè)士兵和小單位的作戰(zhàn)性能?；跈C(jī)器學(xué)習(xí)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和基于規(guī)則的推理等分類方法，對(duì)多模態(tài)信息進(jìn)行聚類分析和相關(guān)關(guān)系的探討，從而實(shí)現(xiàn)未來相關(guān)事件的融合、集成和預(yù)測(cè)[3-4]。因此單兵信息化裝備可以提升決策能力和作戰(zhàn)效率，實(shí)現(xiàn)軍事目標(biāo)發(fā)現(xiàn)即摧毀[5]，成為贏得未來信息化作戰(zhàn)的關(guān)鍵所在。

單兵信息化裝備在發(fā)展過程中呈現(xiàn)出越來越小型化的趨勢(shì)，現(xiàn)在常見的有穿戴式信息設(shè)備和便攜式平板，見圖1。這些產(chǎn)品成為連接單兵、數(shù)據(jù)信息和指揮體系的傳遞媒介，它們的作用至關(guān)重要。然而大量的作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)信息要在小屏幕的單兵信息化裝備上顯示，受到了很大的局限，迫切需要對(duì)單兵作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)信息多模態(tài)可視化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

隨著數(shù)字化配備到單兵裝備，許多國(guó)家都在進(jìn)行單兵裝備的信息化開發(fā)，部分國(guó)家已經(jīng)取得了代表性成果。在對(duì)各系統(tǒng)態(tài)勢(shì)信息顯示界面特征了解的基礎(chǔ)上，對(duì)各國(guó)家典型單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)要素分析（見表1），總結(jié)單兵作戰(zhàn)信息化裝備可視化設(shè)計(jì)目標(biāo)與原則。

圖1 單兵信息化裝備

表1 各國(guó)家典型單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要素

Tab.1 Design elements of typical individual combat system in each country

2 單兵作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)信息可視化設(shè)計(jì)原則

2.1 呈現(xiàn)作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)變化

單兵作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)信息可視化是將各種基于多模態(tài)數(shù)據(jù)整合的作戰(zhàn)環(huán)境及要素實(shí)時(shí)建模，以文字、圖形、圖像的形式顯示出來[6]。單兵作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)的交互式界面既包含有“態(tài)”，又呈現(xiàn)出“勢(shì)”，兩者關(guān)注的內(nèi)容和對(duì)應(yīng)的單兵操作行為均存在區(qū)別。“態(tài)”是戰(zhàn)場(chǎng)中的靜態(tài)信息，多與范圍、資源相關(guān)，主要包括兵力部署、區(qū)域邊界、戰(zhàn)區(qū)地形、地理名稱、隸屬關(guān)系、組成類型、狀態(tài)潛力等信息?！皠?shì)”是戰(zhàn)場(chǎng)中的動(dòng)態(tài)信息，多與事件、任務(wù)相關(guān)，包括作戰(zhàn)命令、行進(jìn)路線、目標(biāo)定位、相互關(guān)系、戰(zhàn)損狀態(tài)等信息。

基于多源數(shù)據(jù)融合的態(tài)勢(shì)變化，使場(chǎng)景中的所有參與者，包括士兵、偵測(cè)設(shè)備、指揮中心能夠共享戰(zhàn)場(chǎng)信息，拼合成一幅連貫、準(zhǔn)確的戰(zhàn)場(chǎng)圖像。對(duì)諸如記錄士兵或設(shè)備位置、移動(dòng)特征和健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集解讀，可以判斷作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)的變化，體現(xiàn)實(shí)時(shí)敵我力量對(duì)比，為戰(zhàn)場(chǎng)指揮、部署作戰(zhàn)計(jì)劃和意圖提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)支持。

2.2 增強(qiáng)作戰(zhàn)情境意識(shí)

缺乏對(duì)作戰(zhàn)場(chǎng)景最新情況的了解是導(dǎo)致作戰(zhàn)任務(wù)失敗的一個(gè)關(guān)鍵因素。而單兵在作戰(zhàn)環(huán)境中，常常沒有足夠的資源在短時(shí)間內(nèi)僅依靠自己獲取所需要的所有信息。因此，非常有必要在所有參與者和節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，提高數(shù)據(jù)可用性和數(shù)據(jù)質(zhì)量，從而促使情境意識(shí)更快、更準(zhǔn)確地發(fā)生和發(fā)展，并產(chǎn)生廣泛的情境理解。

情境意識(shí)產(chǎn)生需要經(jīng)過對(duì)信息的感知、理解和預(yù)測(cè)3個(gè)過程。首先是綜合運(yùn)用多種信息技術(shù)，感知復(fù)雜環(huán)境中相關(guān)戰(zhàn)場(chǎng)信息的變化狀態(tài)，獲取人、系統(tǒng)、環(huán)境因素及其狀態(tài)和特征的有效信息；其次是進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)挖掘和決策支持，構(gòu)建代表當(dāng)前作戰(zhàn)空間環(huán)境的顯示圖像，對(duì)一定時(shí)間和空間范圍內(nèi)有價(jià)值的信息進(jìn)行解釋，并通過對(duì)情境的理解判斷是否會(huì)影響作戰(zhàn)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)；最后是較復(fù)雜的階段，結(jié)合所獲取的關(guān)鍵信息，對(duì)未來作戰(zhàn)情境進(jìn)行預(yù)測(cè)并實(shí)時(shí)以最有效的圖形和圖像動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)給使用者。

2.3 支持作戰(zhàn)任務(wù)管理

作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)信息化裝備主要用于目標(biāo)獲取、信息傳輸、情報(bào)融合、處理、評(píng)估等方面[7]。單兵作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)界面可以歸納為4個(gè)基本功能，即融合偵測(cè)數(shù)據(jù)、建立任務(wù)計(jì)劃、分析信息情報(bào)、評(píng)估戰(zhàn)力態(tài)勢(shì)。根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)各個(gè)維度數(shù)據(jù)融合實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，呈現(xiàn)友軍、敵軍、中立和未知目標(biāo)的狀況、軌跡等信息；通過任務(wù)分析、策略計(jì)劃和策略分析等步驟，制定戰(zhàn)術(shù)行動(dòng)計(jì)劃；預(yù)測(cè)敵方在潛在作戰(zhàn)區(qū)域可能的兵力部署和行動(dòng)方案；推斷編成計(jì)劃可能的戰(zhàn)斗結(jié)果，估算損耗率、人員和裝備損失等，驗(yàn)證戰(zhàn)術(shù)和作戰(zhàn)要素的可行性和打擊效果。

通過原始數(shù)據(jù)可視化探索、關(guān)鍵特征數(shù)據(jù)可視化分析和分析結(jié)果數(shù)據(jù)可視化展現(xiàn)[8]，使系統(tǒng)以易于理解的方式高效運(yùn)作，直接影響作戰(zhàn)信息傳遞和任務(wù)執(zhí)行的效率，改善作戰(zhàn)范圍內(nèi)所有實(shí)體之間的戰(zhàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)流和信息共享機(jī)制。

3 單兵作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)信息可視化目標(biāo)

3.1 契合作戰(zhàn)用戶群體需求

單兵作戰(zhàn)平板操作人員的群體特征明顯，他們作為專業(yè)人員心理素質(zhì)好，面對(duì)突發(fā)情況時(shí)具有較強(qiáng)的抗壓能力及臨場(chǎng)判斷能力。同時(shí)單兵作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)系統(tǒng)操作專業(yè)性強(qiáng)，為了提高信息化設(shè)備操作效率，士兵在日常的軍事訓(xùn)練活動(dòng)中會(huì)進(jìn)行模擬訓(xùn)練和飽和測(cè)試，以便應(yīng)對(duì)在戰(zhàn)場(chǎng)極端使用條件下的各種突發(fā)情況。由于受到專業(yè)的教育，他們對(duì)任務(wù)處理的行為流程比較熟悉，操作速度和效率都較高，可以滿足大部分信息交互的要求。

3.2 簡(jiǎn)化作戰(zhàn)信息復(fù)雜程度

1）減少非必需性信息的干擾。用戶可以在界面上同時(shí)注意的目標(biāo)對(duì)象數(shù)量受注意廣度的影響[9]，呈現(xiàn)的對(duì)象數(shù)量必須保持在最小。當(dāng)對(duì)象數(shù)量增加時(shí)，許多移動(dòng)的目標(biāo)分散了用戶的注意力，在屏幕上難以感知對(duì)象之間的差異，使他們很難跟蹤場(chǎng)景，出現(xiàn)搜索效率下降的問題。一方面單兵作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)安全級(jí)別設(shè)定相應(yīng)查看權(quán)限，另一方面從系統(tǒng)層面定義與距離、類型、移動(dòng)和潛在特征相關(guān)的過濾規(guī)則。從而使用戶集中在自己的任務(wù)上，減少不相關(guān)信息的干擾。

2）自定義信息顯示內(nèi)容。戰(zhàn)場(chǎng)形勢(shì)瞬息萬變，多維空間中包含著各種不斷變化的因素和未知信息，單兵信息化裝備上很難將這些信息完全顯示出來，常常存在地名信息重疊遮擋、圖標(biāo)密集、航線疊加、航跡色彩相互干涉等問題[10]，見圖2。為了優(yōu)先呈現(xiàn)有價(jià)值的戰(zhàn)場(chǎng)信息，強(qiáng)調(diào)可定制性和交互性，允許單兵根據(jù)任務(wù)自定義信息呈現(xiàn)的內(nèi)容，生成個(gè)性化的定制界面，提高信息利用效率。當(dāng)多個(gè)對(duì)象在同一位置呈現(xiàn)時(shí)，并非簡(jiǎn)單地信息疊加，而是通過選擇關(guān)注的目標(biāo)點(diǎn)或通過時(shí)空、物理屬性進(jìn)一步篩選，來減少屏幕上呈現(xiàn)對(duì)象的數(shù)量。

圖2 態(tài)勢(shì)信息界面

3）多模態(tài)信息的層級(jí)展現(xiàn)。作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)信息不能不加處理地混雜顯示，而應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求呈現(xiàn)相應(yīng)層級(jí)的信息。態(tài)勢(shì)信息通?？梢苑譃?個(gè)層級(jí)。第1層級(jí)是戰(zhàn)場(chǎng)的自然環(huán)境要素，即戰(zhàn)場(chǎng)空間的地理位置，氣候環(huán)境，自然地貌等；第2層級(jí)是實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)，包括軍隊(duì)的作戰(zhàn)位置、行進(jìn)路線、作戰(zhàn)部署、敵我識(shí)別，個(gè)人與集體當(dāng)前狀態(tài)等，主要反映戰(zhàn)場(chǎng)力量的分布和變化趨勢(shì)；第3層級(jí)是指揮系統(tǒng)，通過指揮調(diào)度操作，協(xié)調(diào)己方軍事裝備與人員力量進(jìn)行機(jī)動(dòng)。通過士兵、指揮中心和作戰(zhàn)部隊(duì)之間的信息交流和溝通，制定作戰(zhàn)計(jì)劃并調(diào)整作戰(zhàn)狀態(tài)。使用時(shí)合理選取要顯示的層級(jí)信息，對(duì)特定層級(jí)進(jìn)行有意識(shí)的隱藏和顯示操作，可以顯著改善界面的信息擁堵問題。

3.3 符合作戰(zhàn)視覺認(rèn)知規(guī)律

設(shè)計(jì)符合作戰(zhàn)視覺認(rèn)知規(guī)律，包括態(tài)勢(shì)信息的注意力分配、態(tài)勢(shì)信息的記憶感知及態(tài)勢(shì)信息的認(rèn)知負(fù)荷3個(gè)方面。

1）態(tài)勢(shì)信息的注意力分配。態(tài)勢(shì)信息交互界面是信息化戰(zhàn)場(chǎng)的重要信息載體，承載著多種功能。由于本身的任務(wù)屬性及特殊的使用環(huán)境，信息獲取過程中需要關(guān)注注意力的合理分配問題，使用戶能夠在最短的時(shí)間內(nèi)跟蹤目標(biāo)信息并進(jìn)行操作。由選擇性注意模型可知[11]，設(shè)計(jì)師可以通過改善目標(biāo)對(duì)象的動(dòng)態(tài)與靜態(tài)、形狀、色彩、布局等界面特征，增加指引視覺移動(dòng)并提示關(guān)鍵視點(diǎn)的符號(hào)線索[12]，來影響態(tài)勢(shì)信息注意力分配，提升單兵作戰(zhàn)效能。

2）態(tài)勢(shì)信息的記憶感知。單兵在使用態(tài)勢(shì)系統(tǒng)前會(huì)接受相應(yīng)的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，在使用系統(tǒng)一段時(shí)間以后，對(duì)各種形式視覺元素與對(duì)應(yīng)的任務(wù)操作會(huì)產(chǎn)生記憶效應(yīng)。態(tài)勢(shì)信息界面作為一個(gè)被感知的整體，元素設(shè)計(jì)應(yīng)該具有統(tǒng)一性[13]。通過對(duì)信息的多維度比較（時(shí)間維度、二維與三維空間維度）進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保圖標(biāo)、符號(hào)、顏色和呈現(xiàn)形式等信息類型元素符合認(rèn)知邏輯[14]，方便用戶記憶。

3）態(tài)勢(shì)信息的認(rèn)知負(fù)荷。態(tài)勢(shì)信息界面的典型特點(diǎn)是包含許多信息元素，數(shù)據(jù)復(fù)雜、任務(wù)多樣。設(shè)計(jì)師為滿足設(shè)計(jì)需求，需要對(duì)信息進(jìn)行選擇性的編碼與解碼[15]。單兵顯示系統(tǒng)交互界面的信息呈現(xiàn)方式復(fù)雜，包括符號(hào)、文字、圖像、聲音、視頻等信息類型，各類信息同時(shí)又具有不同的色彩、大小、形狀、方向、位置、動(dòng)效等特征。而單兵個(gè)體的認(rèn)知資源有限[16]，在短時(shí)間內(nèi)接受超量信息會(huì)導(dǎo)致認(rèn)知效率的下降。加上人們處于緊急情況時(shí)，他們的認(rèn)知能力會(huì)顯著低于正常水平。態(tài)勢(shì)信息界面設(shè)計(jì)應(yīng)該適應(yīng)他們的日常經(jīng)驗(yàn)和學(xué)習(xí)水平，避免設(shè)計(jì)無序或是過多的編碼方式。通過與單兵認(rèn)知建立起聯(lián)系，使個(gè)體熟練掌握對(duì)整體戰(zhàn)場(chǎng)知識(shí)和信息呈現(xiàn)方式，從而加快思維與分析決策時(shí)間，提高操作效率與準(zhǔn)確性。

4 單兵作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)信息可視化設(shè)計(jì)案例

某單兵作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)信息可視化項(xiàng)目，在利用定量問卷調(diào)查和質(zhì)性訪談、描述單兵作戰(zhàn)任務(wù)執(zhí)行現(xiàn)狀、確立單兵作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)信息可視化目標(biāo)和原則之后，展開具體的設(shè)計(jì)實(shí)施流程，并進(jìn)行具體信息可視化人機(jī)交互設(shè)計(jì)，利用人機(jī)交互評(píng)價(jià)方法進(jìn)行可用性測(cè)試和反饋。

4.1 態(tài)勢(shì)信息功能模塊

態(tài)勢(shì)信息界面需要考慮標(biāo)準(zhǔn)化、兼容性，以適應(yīng)不同的顯示內(nèi)容，因此項(xiàng)目將整個(gè)界面進(jìn)行模塊化的組件拆分。根據(jù)信息要素和所屬主體的不同，將單兵作戰(zhàn)平板的功能模塊可以歸納為3類，即設(shè)備狀態(tài)、地圖內(nèi)容和任務(wù)操作。根據(jù)界面的各個(gè)模塊設(shè)置和任務(wù)操作行為確立了產(chǎn)品的信息架構(gòu)，如圖3所示。

1）設(shè)備狀態(tài)模塊。該模塊用以體現(xiàn)作戰(zhàn)平板的系統(tǒng)運(yùn)行狀況，包括電池電量、網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)、當(dāng)前信號(hào)、時(shí)間地點(diǎn)、設(shè)備狀態(tài)等信息，通過圖符的形態(tài)變化或色彩變化，士兵可以實(shí)時(shí)了解設(shè)備運(yùn)行情況。

2）地圖內(nèi)容模塊。項(xiàng)目將通用作戰(zhàn)圖作為作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)信息界面中最為重要的模塊，占據(jù)了顯示屏幕最大的面積。通用作戰(zhàn)圖上除了包含有民用地圖常見的方向?qū)Ш?、比例尺、位置定位、地圖切換等功能以外，還包括用于描述敵我雙方軍事部署和作戰(zhàn)任務(wù)的目標(biāo)點(diǎn)定位、態(tài)勢(shì)信息點(diǎn)等。地圖設(shè)計(jì)為可以在二維和三維兩種形式之間進(jìn)行切換。不同比例尺度的二維地圖可以快速了解整個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)，重要區(qū)域、重點(diǎn)目標(biāo)、武器裝備的三維渲染模型，可以幫助士兵對(duì)當(dāng)前戰(zhàn)場(chǎng)有更多的立體認(rèn)識(shí)和體驗(yàn)。信息點(diǎn)使用軍事圖符進(jìn)行表示，并設(shè)計(jì)有選中態(tài)，在點(diǎn)擊后可以展示更多相關(guān)數(shù)據(jù)。

3）作戰(zhàn)任務(wù)模塊。根據(jù)總結(jié)的融合偵測(cè)數(shù)據(jù)、建立任務(wù)計(jì)劃、分析信息情報(bào)、評(píng)估戰(zhàn)力態(tài)勢(shì)4個(gè)基本功能，任務(wù)操作模塊包括任務(wù)查看、任務(wù)接受、計(jì)劃制定、路線規(guī)劃、計(jì)劃預(yù)演和數(shù)據(jù)反饋，并輔以隸屬關(guān)系、資源類型、日志記錄。提供以地理信息系統(tǒng)為基礎(chǔ)的距離計(jì)算、面積測(cè)量和地形輪廓評(píng)估，并簡(jiǎn)化了勘察數(shù)據(jù)的導(dǎo)入和修改過程。

4.2 態(tài)勢(shì)信息頁面布局

單兵作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)平板設(shè)計(jì)中考慮到用戶的認(rèn)知習(xí)慣和邏輯思維方法，依據(jù)用戶的主要行為和次要行為，整體界面分為信息欄、主要地圖操作區(qū)和主要任務(wù)處理區(qū)域，分別用功能按鈕、態(tài)勢(shì)信息展示和數(shù)字內(nèi)容展示3種形式呈現(xiàn)。在此分區(qū)的基礎(chǔ)上，為了強(qiáng)調(diào)顯示主要行為，迅速傳達(dá)信息，達(dá)到流暢的使用和自然操作，主要針對(duì)任務(wù)處理區(qū)域進(jìn)行了不同的布局設(shè)計(jì)。參考國(guó)內(nèi)外典型作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)信息系統(tǒng)界面和興趣區(qū)的相關(guān)理論[17]，先期共設(shè)計(jì)出3大類型5種頁面布局形式，見圖4。

圖3 態(tài)勢(shì)信息平板信息架構(gòu)

圖4 作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)平板頁面布局設(shè)計(jì)

結(jié)合對(duì)經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師進(jìn)行深度訪談，并發(fā)放40份問卷，調(diào)研不同布局對(duì)用戶使用產(chǎn)品的操控感和效率的影響，分析各種布局的優(yōu)勢(shì)和不足。主要集中在縱向布局（1A、1B）和橫向布局（2A、2B、3）的區(qū)別，其中橫向布局方式中又分為對(duì)側(cè)（2A）和單側(cè)（2B、3）的布局形式。縱向布局的優(yōu)點(diǎn)是界面中內(nèi)容從上向下排列，菜單欄可以放置更多的功能按鍵。而橫向布局方式的操作區(qū)域相對(duì)集中，在界面上

占據(jù)空間較小，為作戰(zhàn)地圖留有更大區(qū)域。最終采用2B方案中的頁面布局形式，見圖5。

4.3 態(tài)勢(shì)信息要素設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目在作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)信息設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先考慮重要信息的展示，在符合軍用標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)規(guī)定的情況下，利用各種具有特定含義的軍事圖形符號(hào)來顯示戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息，從而對(duì)作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)信息中的內(nèi)容、關(guān)系、時(shí)間等元素進(jìn)行圖形化設(shè)計(jì)和表達(dá)。

圖5 最終采用的頁面局部形式

在態(tài)勢(shì)信息界面中，圖符是作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)交互式界面上最重要的信息元素，相比文字更能吸引用戶的注意。態(tài)勢(shì)信息界面信息元素的設(shè)計(jì)需要綜合運(yùn)用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)分析和信息可視化心理學(xué)等分析手段[18]。為了解單兵對(duì)圖形界面的情感認(rèn)知因素，項(xiàng)目進(jìn)行了圖符形狀和色彩情感表達(dá)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)得出圖符形狀情感表達(dá)梯度，為友軍、敵方、中立和未知物體（人員、設(shè)施、單位和裝備）的設(shè)計(jì)形式提供了依據(jù)，見圖6。項(xiàng)目設(shè)定圓形代表友軍、矩形代表中立、六邊形代表敵方、五邊形代表未知、三角形代表警示。

圖6 圖符形狀情感表達(dá)梯度

圖符與上述形狀載體相結(jié)合形成新的具有特定含義的組合圖形。項(xiàng)目從視覺有效性和信息有效性兩方面[19]，對(duì)比分析了各種軍事圖標(biāo)以單調(diào)圖形和組合圖形的形式，以及在填充和非填充狀態(tài)下的識(shí)別效率和使用場(chǎng)景，見圖7。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在界面目標(biāo)較少的情況下組合填充圖形的識(shí)別效率最高，隨著界面中各種武器裝備參數(shù)和模型目標(biāo)增多，信息組織呈現(xiàn)復(fù)雜后，組合非填充圖形可以顯示更多目標(biāo)，此時(shí)選中態(tài)可以用組合填充圖形顯示目標(biāo)信息點(diǎn)，以提高識(shí)別效率。

作戰(zhàn)場(chǎng)景的戰(zhàn)術(shù)符號(hào)除了表達(dá)當(dāng)前的靜態(tài)屬性外，還需要通過有效、清晰的方式來表達(dá)戰(zhàn)場(chǎng)空間內(nèi)對(duì)象的動(dòng)態(tài)屬性，幫助操作者更加有效地吸收和處理信息。項(xiàng)目采用線條軌跡來表達(dá)行軍路線、飛行軌跡、打擊方位等，并以線條的虛實(shí)表達(dá)事件執(zhí)行狀態(tài)，設(shè)定實(shí)線表示正在執(zhí)行任務(wù)的飛行軌跡，虛線表示已下達(dá)飛行任務(wù)或情報(bào)顯示可能的飛行軌跡。

圖7 組合圖形識(shí)別效率對(duì)比

除了視覺交互以外，項(xiàng)目還探索了不同場(chǎng)景下聽覺、觸覺、身體運(yùn)動(dòng)等模態(tài)與單兵作戰(zhàn)平板的互動(dòng)方式。例如，靜默狀態(tài)時(shí)以震動(dòng)頻率和時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行消息提示和危險(xiǎn)預(yù)警，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的多態(tài)勢(shì)感知與交互。最終設(shè)計(jì)的單兵作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)信息界面見圖8。經(jīng)過對(duì)10個(gè)普通用戶的測(cè)試，新系統(tǒng)顯著提高了界面質(zhì)量，降低了用戶的認(rèn)知負(fù)荷，提高了作戰(zhàn)指揮效率。

4.4 單兵作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)信息可視化設(shè)計(jì)評(píng)估

設(shè)計(jì)評(píng)估階段選取10個(gè)普通用戶，以新設(shè)計(jì)的單兵態(tài)勢(shì)信息界面與改良前界面為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，以視覺顯著性的物理屬性和分布屬性為實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)[20]，進(jìn)行信息搜索時(shí)間與視覺選擇注意時(shí)間的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，見圖9。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，所設(shè)計(jì)單兵態(tài)勢(shì)信息界面的搜索時(shí)間符合正常視覺搜索時(shí)間范圍，且通過分析信息搜索正確率，正確率優(yōu)于改良前界面8.27%。新系統(tǒng)顯著提高了界面質(zhì)量，降低了用戶的認(rèn)知負(fù)荷，提高了作戰(zhàn)指揮效率。

圖9 單兵操作界面

5 結(jié)語

在信息化戰(zhàn)場(chǎng)中，數(shù)字化單兵作戰(zhàn)裝備及其搭載的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息系統(tǒng)可以幫助單兵快速了解戰(zhàn)場(chǎng)整體與局部信息，在這個(gè)過程中，合理準(zhǔn)確的態(tài)勢(shì)信息顯示能夠在多變的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境和復(fù)雜的任務(wù)情況下，給單兵提供可靠的作戰(zhàn)信息，輔助單兵做出正確決策。由于作戰(zhàn)信息復(fù)雜而多變，大量的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息要在小屏幕的裝備上全部顯示，有著很多的人機(jī)交互與信息內(nèi)容選擇的問題需要解決，迫切需要對(duì)單兵作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)信息多模態(tài)可視化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

本研究在分析現(xiàn)有單兵作戰(zhàn)信息化裝備在作戰(zhàn)價(jià)值和趨勢(shì)基礎(chǔ)上，提出單兵作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)信息可視化需具有呈現(xiàn)作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)變化、增強(qiáng)作戰(zhàn)情境意識(shí)和支持作戰(zhàn)任務(wù)管理的設(shè)計(jì)目標(biāo)，以及契合作戰(zhàn)用戶群體需求、簡(jiǎn)化作戰(zhàn)信息復(fù)雜程度、符合作戰(zhàn)視覺認(rèn)知規(guī)律的設(shè)計(jì)原則。并在從現(xiàn)存問題和視覺認(rèn)知規(guī)律出發(fā)，展開某種單兵作戰(zhàn)平板的交互式界面設(shè)計(jì)實(shí)踐。將多模態(tài)信息做出明確層級(jí)區(qū)分，減輕復(fù)雜信息造成的記憶負(fù)擔(dān)，實(shí)踐結(jié)果顯著提升了系統(tǒng)可用性、易用性和體驗(yàn)滿意度，同時(shí)得出的系統(tǒng)開發(fā)原則，可以進(jìn)一步拓展應(yīng)用到復(fù)雜軍用界面視覺認(rèn)知優(yōu)化設(shè)計(jì)中，為其他多任務(wù)戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜信息人機(jī)交互設(shè)計(jì)提供參考。

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Multi-modal Visualization Design for Individual Combat Situation Information

JIANG Bin, SUN Xin-xin, CUI Tong

(Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

This paper aims to explore the design method and principals for interactive individual combat information visualization system. The operation and efficiency of existing individual combat information system are analyzed, an improved one which provides combat mission management, differentiated display according to the importance of information is proposed, users' awareness of combat situations is enhanced, their memory burden is reduced, and they are allowed to interact with terminals more efficiently to better meet their needs. This system is based on visual cognitive theory, and is designed from the perspectives of human-machine interaction, layout, and vision. The useability of the proposed system is verified by experiments. The results reveal that the proposed system significantly improves the efficiency of information transmission, and allows users to perform their mission more effectively, thus improving users' satisfaction.

combat situation; individual equipment; human-machine interaction; information visualization

TB472

A

1001-3563(2022)18-0001-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.18.001

2022–04–13

教育部人文社會(huì)科學(xué)研究一般項(xiàng)目基金（17YJA760022）。

姜斌（1973—），男，教授，主要研究方向?yàn)楣I(yè)設(shè)計(jì)，智能交互設(shè)計(jì)。

責(zé)任編輯：陳作