艦船智能導(dǎo)航顯控界面交互設(shè)計(jì)與應(yīng)用

賈園園

(鄭州科技學(xué)院，河南 鄭州 450064)

0 引言

艦船智能導(dǎo)航設(shè)備可以對(duì)航行過程中的諸多因素進(jìn)行分析，例如海洋氣象、船舶狀態(tài)、交通情況等，從而實(shí)現(xiàn)高效的船舶導(dǎo)航。但是，由于復(fù)雜的航海環(huán)境和多樣化的航行任務(wù)，確保船員熟練使用智能導(dǎo)航設(shè)備成為一個(gè)亟待解決的問題。在此背景下，界面交互設(shè)計(jì)成為了一個(gè)關(guān)鍵的解決方案。好的交互設(shè)計(jì)可以大大提升船員對(duì)設(shè)備的使用效率，減少操作失誤，提高航行安全。

智能導(dǎo)航屬于艦船航行的關(guān)鍵設(shè)備，在目標(biāo)定位與路徑規(guī)劃等領(lǐng)域中具有重要作用[1]。操作人員和智能導(dǎo)航系統(tǒng)的交互媒介是顯控界面，該界面的交互效果直接影響操作人員的使用體驗(yàn)[2–3]，間接影響艦船的航行安全。為此需要研究艦船智能導(dǎo)航顯控界面交互設(shè)計(jì)方法，提升艦船航行安全。

王大顏等[4]設(shè)計(jì)艦船智能導(dǎo)航顯控交互界面，通過模糊層次分析法量化布局原則，構(gòu)造布局優(yōu)化模型，通過遺傳算法求解該模型，得到交互界面布局優(yōu)化結(jié)果。該方法具備交互界面設(shè)計(jì)的可行性。宮曉東等[5]利用用戶績(jī)效測(cè)量表，獲取操作者的認(rèn)知負(fù)荷水平，根據(jù)認(rèn)知負(fù)荷水平，設(shè)計(jì)艦船智能導(dǎo)航顯控交互界面。該方法可有效實(shí)現(xiàn)顯控界面交互設(shè)計(jì)。但這2 種方法均未考慮人的視覺注意習(xí)慣，無(wú)法提升操作人員的舒適性，導(dǎo)致其使用體驗(yàn)較差，降低顯控界面交互效果，提升顯控界面操作的錯(cuò)漏率。為此以視覺注意機(jī)制為研究方向，充分考慮人的視覺注意習(xí)慣，研究艦船智能導(dǎo)航顯控界面交互設(shè)計(jì)與應(yīng)用。使用PS 平面軟件或Axure 軟件，繪制顯控交互界面元素，并在Axure 軟件中建立布局模型以最大化元素間距，最大化視覺注意等級(jí)和最大化隱喻度。針對(duì)該模型，應(yīng)用灰狼搜索算法來(lái)解決并得到繪制顯控交互界面的最佳布局結(jié)果。進(jìn)入此布局模式的顯控界面中加入交互用例，以實(shí)現(xiàn)顯控界面的交互設(shè)計(jì)原型。如果滿足交互需求，則顯控界面交互設(shè)計(jì)完成。反之則需要修改界面布局方案，以滿足交互需求，確保顯控界面的最佳用戶體驗(yàn)，提升顯控界面交互效果。

1 顯控界面交互設(shè)計(jì)與應(yīng)用

1.1 顯控界面交互設(shè)計(jì)流程

依據(jù)視覺注意機(jī)制中間距與視覺等級(jí)等影響因素，結(jié)合Axure 平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)顯控界面交互設(shè)計(jì)，提升顯控界面交互效果。

具體步驟如下：

步驟1當(dāng)艦船智能導(dǎo)航顯控界面元件較為繁瑣時(shí)，可使用PS 平面軟件制作界面元件；當(dāng)元件較為簡(jiǎn)單時(shí)，利用Axure 軟件繪制界面元件。

步驟2在Axure 軟件內(nèi)存儲(chǔ)繪制完成的界面元件，在該軟件內(nèi)，建立以元件間距、視覺注意等級(jí)與隱喻度為目標(biāo)的繪制元件布局模型，通過灰狼搜索算法求解該模型?；依撬惴ㄊ且环N基于自然灰狼行為的優(yōu)化算法，基本思想是模擬自然界中灰狼群體協(xié)同行為，通過群體智能算法的方式來(lái)解決優(yōu)化問題。在每一代中，所有灰狼都會(huì)向當(dāng)前最優(yōu)解靠近，而領(lǐng)導(dǎo)灰狼則會(huì)向全局最優(yōu)解靠近。該算法具有收斂速度快，易于實(shí)現(xiàn)和多維度優(yōu)化等優(yōu)點(diǎn)。在交互設(shè)計(jì)中，可運(yùn)用灰狼搜索算法來(lái)求解最佳布局模型，從而實(shí)現(xiàn)更好的用戶體驗(yàn)。由此獲得繪制元件的布局方案，實(shí)現(xiàn)顯控交互界面布局。

步驟3完成顯控界面布局后，為各元件設(shè)計(jì)交互樣式，得到交互樣例。

步驟4在界面全部功能空間內(nèi)加入設(shè)計(jì)的交互用例，實(shí)現(xiàn)艦船智能導(dǎo)航顯控界面的交互原型設(shè)計(jì)，且交互原型的保真度較高。

步驟5對(duì)顯控交互原型進(jìn)行評(píng)價(jià)，若符合交互需求，則完成顯控界面交互設(shè)計(jì)，反之，返回步驟2，修改界面布局方案。

1.2 艦船智能導(dǎo)航顯控交互界面布局

艦船智能導(dǎo)航顯控交互界面布局時(shí)，影響視覺注意力機(jī)制的主要因素有元件間距、視覺注意等級(jí)與隱喻度。為此，以最大元件間距、最大視覺注意等級(jí)與最大隱喻度為目標(biāo)，建立元件布局模型，完成艦船智能導(dǎo)航顯控交互界面布局。

元件距離目標(biāo)中包含距離對(duì)比度S與距離相關(guān)性。d代表艦船智能導(dǎo)航顯控交互界面元件間視覺對(duì)比程度和相對(duì)距離的關(guān)系，S與元件間相對(duì)距離具有負(fù)相關(guān)關(guān)系。顯控交互界面元件距離矩陣D如下：

式中，m為顯控交互界面元件數(shù)量；元件i和j間的距離是dij。i和其余元件間的距離對(duì)比度為：

式中，wi為其余元件權(quán)重。i和其余元件的距離相關(guān)性為：

式中，oij為i和j間的相關(guān)程度。聯(lián)合式（2）和式（3）可獲取元件間距數(shù)學(xué)模型，公式如下：

式中，ω1和ω2均為Hi與Si的權(quán)值。式（4）的約束條件為：

視覺注意等級(jí)越高，顯控交互界面越符合人的視覺需求[6]。視覺注意等級(jí)數(shù)學(xué)模型為：

式中，l為視野區(qū)域編號(hào)，l=1,2,3,4；按照等級(jí)A，B，C，E，將艦船智能導(dǎo)航顯控交互界面劃分成4 個(gè)視野區(qū)域；Mi為i在l內(nèi)的面積；til為i在l內(nèi)的等級(jí)。

式（6）的約束條件為：

式中：視野等級(jí)A，B，C，E為的區(qū)域長(zhǎng)軸是aA，aB，aC，aE；短軸是bA，bB，bC，bE；i在顯控界面內(nèi)的位置是(xi,yi)。

在視覺注意等級(jí)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，假設(shè)隱喻度P代表操作人員的認(rèn)知行為習(xí)慣，其值越高，顯控交互界面越符合操作人員的認(rèn)知程度，交互效果越佳。隱喻度數(shù)學(xué)模型為：

式中：ρi為i的重要度權(quán)值；V為常數(shù)；dik為i和界面中心k的歐式距離。式（8）的約束條件為：

聯(lián)立式（4）、式（6）、式（8），可獲取艦船智能導(dǎo)航交互界面元件布局模型：

式中，?1，?2，?3分別為Qi，Zi，Pi的權(quán)值。

以式（5）、式（7）、式（9）為約束條件，利用灰狼搜索算法，求解艦船智能導(dǎo)航交互界面元件布局模型，得到艦船智能導(dǎo)航交互界面元件布局結(jié)果。具體步驟如下：

步驟1以灰狼位置為布局模型的可行解，求解獵物與灰狼的距離G，同時(shí)包圍獵物[7]。

步驟2求解狼群內(nèi)灰狼的適應(yīng)度，以適應(yīng)度最高的前3 只狼為 θ1狼、θ2狼、θ3狼，由θ1發(fā)送包圍獵物指令至 θ2，θ3；同時(shí)根據(jù) θ1，θ2，θ3的位置求解其余灰狼位置。灰狼接近獵物時(shí)，需實(shí)時(shí)更新灰狼位置[8]。

步驟3當(dāng)協(xié)同系數(shù)低于1 時(shí)，狼群攻擊獵物；反之，更新灰狼位置；獵物被攻擊后，灰狼的位置即艦船智能導(dǎo)航交互界面元件布局結(jié)果。

2 實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證艦船智能導(dǎo)航顯控界面交互設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究的效果，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)在模擬的艦船導(dǎo)航系統(tǒng)環(huán)境中進(jìn)行，需要配置艦船導(dǎo)航系統(tǒng)，以某艦船智能導(dǎo)航為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，該智能導(dǎo)航具備航向設(shè)置、航向選擇、航速設(shè)置與方位調(diào)整等功能。利用本文方法為該智能導(dǎo)航進(jìn)行顯控界面交互設(shè)計(jì)，分析本文方法顯控界面交互設(shè)計(jì)的可行性。

利用本文方法根據(jù)該艦船智能導(dǎo)航的工作需求，為其顯控界面繪制元件，艦船智能導(dǎo)航顯控界面元件繪制結(jié)果如圖1 所示。

圖1 艦船智能導(dǎo)航顯控界面元件繪制結(jié)果Fig.1 Drawing result of display control interface element of ship intelligent navigation

根據(jù)圖1 可知，該艦船智能導(dǎo)航顯控界面內(nèi)共包含13 個(gè)元件，利用本文方法對(duì)繪制的元件進(jìn)行布局，確定各元件的位置，各元件的坐標(biāo)如表1 所示。

表1 各元件的位置Tab.1 Position of each element

可知，本文方法可有效確定繪制元件的坐標(biāo)位置，將確定的坐標(biāo)位置與視覺注意等級(jí)、隱喻度結(jié)合到一起，獲取最終的艦船智能顯控交互界面布局結(jié)果，如圖2 所示。

圖2 艦船智能顯控交互界面布局結(jié)果Fig.2 Layout results of ship intelligent display control interactive interface

可知，經(jīng)過本文方法布局后，該顯控交互界面的整體布局比較符合人的視覺需求，利于操作人員對(duì)顯控界面的操作與觀看，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)智能導(dǎo)航過程中存在的故障問題，提升艦船航行安全。實(shí)驗(yàn)證明：本文方法可有效布局艦船智能導(dǎo)航顯控界面元件，且布局結(jié)果符合人的視覺需求，便于查看智能導(dǎo)航的顯控信息。

在該艦船上的工作人員中，隨機(jī)選擇8 名操作人員，由這8 名操作人員對(duì)本文方法設(shè)計(jì)的顯控交互界面進(jìn)行操作，衡量本文方法顯控界面的交互效果。衡量指標(biāo)選擇反應(yīng)時(shí)間、錯(cuò)誤率與θ波功率。反應(yīng)時(shí)間越短，說明操作人員的交互時(shí)間越短，錯(cuò)誤率越低，說明交互精度越高，θ波功率越低，說明交互過程中操作人員的腦力負(fù)荷越低，即反應(yīng)時(shí)間越短、錯(cuò)誤率越低、θ波功率越低，顯控界面交互效果越佳，分析結(jié)果如表2 所示。

表2 顯控界面交互效果分析結(jié)果Tab.2 Analysis results of interaction effect of display and control interface

根據(jù)表2 可知，8 名操作者的平均反應(yīng)時(shí)間是4697.825 ms，并未超過設(shè)置閾值，說明應(yīng)用本文方法設(shè)計(jì)的交互界面，操作者需要的交互時(shí)間較短；平均錯(cuò)誤率為0.06%，并未超過設(shè)置閾值，說明操作者的交互精度較高；平均θ波功率為17.1 μV2，并未超過設(shè)置閾值，說明操作者交互過程中的腦力負(fù)荷較低。綜合分析可知，應(yīng)用本文方法后，可有效提升顯控界面的交互效果。

3 結(jié)語(yǔ)

在航海行業(yè)領(lǐng)域，研究艦船智能導(dǎo)航顯控界面交互交互具有重要的作用，下一步工作可以針對(duì)性地開發(fā)界面產(chǎn)品來(lái)優(yōu)化界面操作，從而提升相應(yīng)產(chǎn)品在實(shí)際應(yīng)用中的效率和用戶體驗(yàn)。從交互設(shè)計(jì)的角度出發(fā)提高艦船智能導(dǎo)航設(shè)備的使用效率和安全性，成為今后亟待解決的重要問題。