汪匯川，郭 勇

(1.海軍大連艦艇學(xué)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(duì)岸射擊最后準(zhǔn)備人機(jī)交互都存在著操作復(fù)雜、時(shí)間長(zhǎng)、操控要求高、難以滿足作戰(zhàn)快速性要求等缺點(diǎn)，嚴(yán)重制約了艦炮武器作戰(zhàn)效能的發(fā)揮，如何簡(jiǎn)化操控，快速規(guī)劃、構(gòu)建射擊信息通道，縮短對(duì)岸最后準(zhǔn)備時(shí)間，提高完成作戰(zhàn)任務(wù)的快速性，是亟待研究和解決的重大問題。

直接操控的人機(jī)交互，使用快速、可逆、遞增的操作，以及用指點(diǎn)操作替代輸入命令來指向感興趣對(duì)象，提供可管理、可預(yù)測(cè)、可控的操作，具有易懂、快捷、簡(jiǎn)單、可逆，并使操控者感到愉悅的特點(diǎn)［1］。本文將直接操控思想引入到艦炮武器系統(tǒng)對(duì)岸射擊最后準(zhǔn)備的人機(jī)交互中，目的在于通過圖形可視化界面來引導(dǎo)操控人員更加便捷有效地對(duì)艦炮作戰(zhàn)進(jìn)行操控，大幅度簡(jiǎn)化戰(zhàn)時(shí)操控負(fù)荷，提高快速反應(yīng)能力和作戰(zhàn)效能。

1 射擊準(zhǔn)備中人機(jī)交互

圖1為艦炮對(duì)岸射擊準(zhǔn)備內(nèi)容與流程。以發(fā)現(xiàn)目標(biāo)為界，艦炮對(duì)岸射擊準(zhǔn)備分為預(yù)先準(zhǔn)備和最后準(zhǔn)備。

在預(yù)先準(zhǔn)備階段必須要輸入的參數(shù)有彈道氣象、射擊任務(wù)、目標(biāo)幅員、輔助瞄準(zhǔn)點(diǎn)、岸目標(biāo)坐標(biāo)、陸單觀測(cè)所、陸雙觀測(cè)所、空觀測(cè)所等8項(xiàng)內(nèi)容。這些參數(shù)在實(shí)施最后準(zhǔn)備之前已經(jīng)裝訂完畢，是最后準(zhǔn)備階段指揮員進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)決策的前提條件［2］。

最后準(zhǔn)備階段人機(jī)交互必須輸入的信息有“打擊目標(biāo)、瞄準(zhǔn)方式、觀測(cè)方式、射效觀測(cè)”等4項(xiàng)內(nèi)容，其實(shí)質(zhì)是通過艦炮對(duì)岸射擊信息通道組織完成。通過組建艦炮對(duì)岸射擊信息通道，解決目標(biāo)相對(duì)坐標(biāo)、射擊效果獲取手段與途徑問題，為艦炮射擊諸元計(jì)算、射擊校正量計(jì)算和指揮決策提供依據(jù)。

2 人機(jī)交互建模

根據(jù)艦炮人機(jī)交互內(nèi)容和交互流程，結(jié)合直接操控的可視化要求，對(duì)完成艦炮對(duì)岸射擊的人機(jī)交互任務(wù)的操控行為進(jìn)行歸納和設(shè)計(jì)，圍繞操控行為的實(shí)現(xiàn)，建立艦炮對(duì)岸射擊直接操控人機(jī)交互的算法流程和可視化模型，實(shí)現(xiàn)艦炮對(duì)岸射擊人機(jī)交互的直接操控。

2.1 操控行為

艦炮對(duì)岸射擊準(zhǔn)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(yīng)并實(shí)施操控。根據(jù)直接操控人機(jī)界面的特點(diǎn)，采用圖形可視化技術(shù)，將所有涉及信息要素以圖形的形式集成在一幅圖中，同時(shí)運(yùn)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)指揮員進(jìn)行信息提示，對(duì)圖形進(jìn)行操控，實(shí)現(xiàn)射擊信息通道組織與更改，不需要切換頁(yè)面和記憶相應(yīng)的內(nèi)容，使操控更加直觀、簡(jiǎn)單、快捷。具體行為有以下四個(gè)。

圖1 艦炮對(duì)岸射擊準(zhǔn)備內(nèi)容與流程

1)選中操作對(duì)象

坐標(biāo)觀測(cè)器、輔助瞄準(zhǔn)點(diǎn)、待打擊目標(biāo)在任意時(shí)刻各自僅能其中之一選中有效，后選中有效同時(shí)取消前一個(gè)選中;觀測(cè)所可同時(shí)多個(gè)選中有效，必須與實(shí)際承擔(dān)炸點(diǎn)觀測(cè)任務(wù)相一致。操作時(shí)點(diǎn)擊某個(gè)對(duì)象，對(duì)象背景綠色時(shí)表示選中有效。

2)取消操作對(duì)象

點(diǎn)擊某個(gè)已選對(duì)象時(shí)，取消此選中對(duì)象，對(duì)象背景由綠色變?yōu)榘咨?/p>

3)選中通道對(duì)象

將選中對(duì)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(cè)所與某目標(biāo)時(shí)，生成射效觀測(cè)(目)線，射效觀測(cè)線可有多條;無輔助瞄準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)，自動(dòng)生成坐標(biāo)觀測(cè)器到目標(biāo)的直接瞄準(zhǔn)線;有輔助瞄準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)，自動(dòng)生成某坐標(biāo)觀測(cè)器到輔助瞄準(zhǔn)點(diǎn)的間接瞄準(zhǔn)線和輔助瞄準(zhǔn)點(diǎn)到目標(biāo)的基線，直接瞄準(zhǔn)線與間接瞄準(zhǔn)線互斥，當(dāng)前有效時(shí)自動(dòng)刪除先前的。

4)取消通道對(duì)象

當(dāng)取消操作對(duì)象后，與此操作對(duì)象相關(guān)的通道連線自動(dòng)刪除。

2.2 交互流程

為使操控簡(jiǎn)單、快速、準(zhǔn)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(jìn)行射擊信息通道組織的操控，操控結(jié)果顯示在圖上并清晰地呈現(xiàn)在指揮員面前，以便確認(rèn)更改。圖2給出了艦炮對(duì)岸射擊準(zhǔn)備人機(jī)交互算法流程。

流程中的當(dāng)前相關(guān)組指的是可以進(jìn)行連線的不同類型內(nèi)容，如當(dāng)輔助瞄準(zhǔn)點(diǎn)被選擇時(shí)，相關(guān)組={觀測(cè)器和輔助瞄準(zhǔn)點(diǎn)，輔助瞄準(zhǔn)點(diǎn)和目標(biāo)，觀測(cè)所與目標(biāo)};當(dāng)輔助瞄準(zhǔn)點(diǎn)未被選擇時(shí)，相關(guān)組={觀測(cè)器和目標(biāo)，觀測(cè)所與目標(biāo)}。

圖2 艦炮對(duì)岸射擊準(zhǔn)備人機(jī)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(gè)坐標(biāo)觀測(cè)器、p個(gè)輔助瞄準(zhǔn)點(diǎn)、w個(gè)觀測(cè)所、q個(gè)待打擊目標(biāo)以圖形方式呈現(xiàn)在操控人員面前。指揮員進(jìn)行操控時(shí)，直接對(duì)圖形進(jìn)行選擇操控，自動(dòng)構(gòu)建出目標(biāo)相對(duì)坐標(biāo)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(shí)，信息的存儲(chǔ)和反饋驅(qū)動(dòng)了界面內(nèi)容的變化，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。因此，信息通道組織可視化建模包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和規(guī)則庫(kù)建立。

2.3.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為無向圖，將待選擇的射擊通道組織內(nèi)容標(biāo)記為圖中的點(diǎn)，而射效觀測(cè)(目)線標(biāo)記為線進(jìn)行計(jì)算和存儲(chǔ)。

結(jié)構(gòu)圖中將坐標(biāo)觀測(cè)器、輔助瞄準(zhǔn)點(diǎn)、觀測(cè)所、目標(biāo)表示為無向圖中的點(diǎn)，觀目線作為圖的邊，以無向圖鄰接矩陣的方式對(duì)點(diǎn)線的關(guān)系進(jìn)行存儲(chǔ)。具體如下:

首先，將坐標(biāo)觀測(cè)器(S)，目標(biāo)(T)，觀測(cè)所1(O1)，觀測(cè)所2(O2)，輔助瞄準(zhǔn)點(diǎn)(A)作為圖中頂點(diǎn)分為五類來描述，數(shù)量分別為nS，nT，nO1，nO2，nA，對(duì)全部頂點(diǎn)編號(hào)并構(gòu)造向量P順次保存全部頂點(diǎn)信息，并分為5段，如表1所示。

表1 向量P分段

其次，構(gòu)造鄰接矩陣［3］GN×N(N=nS+nT+nO1+nO2+nA)存儲(chǔ)邊(連線)信息。向量P中第i位元素表示編號(hào)i的點(diǎn)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(hào)i的點(diǎn)與編號(hào)j的點(diǎn)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(duì)于交互行為的分析可以看出，在操作上應(yīng)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(shí)要同時(shí)考慮這兩個(gè)方面。

1)可視化顯示規(guī)則

①被選中點(diǎn)顯示為綠色，未被選中點(diǎn)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(diǎn))。

③與邊相連的點(diǎn)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(shè)計(jì)

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(dǎo)入，則分別使用記錄信息對(duì)向量P及鄰接矩陣GN×N進(jìn)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(jìn)行圖像更新。

②點(diǎn)選擇與棄選操作規(guī)則設(shè)計(jì)

a.鼠標(biāo)單擊未被選中點(diǎn)(向量P中對(duì)應(yīng)位為0)，則該點(diǎn)被選中，向量P中對(duì)應(yīng)位變?yōu)?，同時(shí)其所在段(見信息存儲(chǔ)方式中第1條)其余數(shù)位全部置0(保證每種類型點(diǎn)只能有一個(gè)被選中)。

b.鼠標(biāo)單擊已選中點(diǎn)(向量P中對(duì)應(yīng)位為1)，則該點(diǎn)被棄選，向量P中對(duì)應(yīng)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(diǎn)顏色。

③邊的連接與刪除操作規(guī)則設(shè)計(jì)

a.邊的連接必須在被選中的點(diǎn)間進(jìn)行。連接時(shí)，在第一點(diǎn)處按下鼠標(biāo)左鍵，移動(dòng)至第二點(diǎn)抬起鼠標(biāo)左鍵即完成連接。當(dāng)編號(hào)i的點(diǎn)與編號(hào)j的點(diǎn)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(jìn)行邊的連接操作時(shí)，當(dāng)某點(diǎn)的度達(dá)到上限時(shí)，其不可被選中，各類型點(diǎn)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(guān)元素(同①)變?yōu)?。

d.當(dāng)某一點(diǎn)被棄選時(shí)，與其相關(guān)聯(lián)的邊全部刪除。

④信息保存規(guī)則設(shè)計(jì)

退出程序時(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)的艦炮對(duì)岸射擊信息通道組織可視化界面如圖3所示。

圖3 對(duì)岸射擊信息通道組織可視化圖

圖中:左邊為觀測(cè)信息源，假設(shè)有跟蹤雷達(dá)、跟蹤光電、導(dǎo)航雷達(dá)、警戒雷達(dá)、數(shù)據(jù)鏈+GPS、裝定+GPS組成，為艦炮武器系統(tǒng)提供觀測(cè)坐標(biāo);右邊為對(duì)岸待打擊目標(biāo)，編號(hào)為1、2、3(假設(shè)最多3個(gè))，編號(hào)右邊為該目標(biāo)經(jīng)緯度坐標(biāo);上部為待選射效觀測(cè)站，編號(hào)為1、2、3，各個(gè)觀測(cè)站經(jīng)緯度坐標(biāo)在編號(hào)上部標(biāo)出(假設(shè)最多3個(gè));下部為待選輔助瞄準(zhǔn)點(diǎn)，編號(hào)為1、2、3，各輔助瞄準(zhǔn)點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)在編號(hào)下部標(biāo)出(假設(shè)最多3個(gè))。在預(yù)先準(zhǔn)備階段把待選輔助瞄準(zhǔn)點(diǎn)、觀測(cè)所、打擊目標(biāo)位置等參數(shù)錄入，觀測(cè)信息源有系統(tǒng)自檢測(cè)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(diǎn)擊“信息通道組織”鍵，運(yùn)行開發(fā)仿真程序生成圖3可視化人機(jī)交互圖形。

3.2 仿真操作

1)建立射擊信息通道

點(diǎn)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(cè)目標(biāo)相對(duì)坐標(biāo)。點(diǎn)擊圖3輔助瞄準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)字“2”背景變?yōu)榫G色，表示選中“2”號(hào)物體為輔助瞄準(zhǔn)點(diǎn)，光電觀測(cè)“2”號(hào)物體坐標(biāo)，用于火控計(jì)算;在觀測(cè)信息源選中情況下，選中輔助瞄準(zhǔn)點(diǎn)，火控計(jì)算機(jī)自動(dòng)作出觀測(cè)器到輔助瞄準(zhǔn)點(diǎn)綠色矢量線;點(diǎn)擊目標(biāo)數(shù)字“2”，背景變?yōu)榫G色，表示選中“2”號(hào)目標(biāo)為打擊目標(biāo)，火控計(jì)算程序自動(dòng)作出輔助瞄準(zhǔn)點(diǎn)“2”到目標(biāo)“2”的矢量線，內(nèi)部程序自動(dòng)求出瞄目距離、瞄目方位，在光電有觀測(cè)輔助瞄準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)情況下，求解出對(duì)“2”號(hào)目標(biāo)距離、方位，進(jìn)行射擊諸元計(jì)算;跟蹤光電“2”→輔助瞄準(zhǔn)點(diǎn)“2”→目標(biāo)“2”構(gòu)成射擊信息通道，如圖4所示。

2)建立射效觀測(cè)通道

點(diǎn)擊觀測(cè)所數(shù)字編號(hào)，該數(shù)字編號(hào)背景變?yōu)榫G色，為選中，如圖4中“1”、“2”，表示使用“1號(hào)觀測(cè)所”、“2號(hào)觀測(cè)所”進(jìn)行射效觀測(cè)。在打擊目標(biāo)已經(jīng)選中情況下，選中觀測(cè)所同時(shí)，火控計(jì)算機(jī)自動(dòng)作出觀測(cè)所到目標(biāo)點(diǎn)藍(lán)色矢量線，解算出“1(觀測(cè)所)→2(目標(biāo))”、“2(觀測(cè)所)→2(目標(biāo))”的觀目距離、觀目方位，用于炸點(diǎn)觀測(cè)偏差解算。圖4中，觀測(cè)所“2”→目標(biāo)“2”為射效觀測(cè)通道，即觀目線。

圖4 對(duì)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(diǎn)擊輔助瞄準(zhǔn)點(diǎn)“1“，將輔助瞄準(zhǔn)點(diǎn)有“2”更改為“1”(在已經(jīng)選中某個(gè)輔助瞄準(zhǔn)點(diǎn)情況下不需要取消輔助瞄準(zhǔn)點(diǎn)“2”再選中“1”)。新的射擊信息通道:跟蹤光電“2”→輔助瞄準(zhǔn)點(diǎn)“1”→目標(biāo)“2”，如圖5所示。類似地，更改觀測(cè)器時(shí)，直接點(diǎn)擊能夠使用觀測(cè)編號(hào)，選中新的觀測(cè)器同時(shí)取消先前觀測(cè)器，實(shí)現(xiàn)射擊信息通道修改。

4)修改射效觀測(cè)通道

若圖4中觀測(cè)所“2”遭到破壞，點(diǎn)擊觀測(cè)所“2”，取消選中，然后點(diǎn)擊觀測(cè)所“3”，則完成觀測(cè)所“2”到觀測(cè)所“3”的切換，如圖5所示。

圖5 對(duì)岸射擊信息通道組織可視化圖操作2

3.3 仿真結(jié)論

仿真操作實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)射擊信息通道、射效觀測(cè)通道組織與修改，所見即所得，使得操作意圖準(zhǔn)確、簡(jiǎn)單、高效，大幅度提高了艦炮對(duì)岸指揮、操作與控制效率。

4 結(jié)束語(yǔ)

直接操控的人機(jī)交互設(shè)計(jì)界面能夠?yàn)槭褂谜咛峁┛晒芾怼⒖深A(yù)測(cè)、可控的操作，以及實(shí)時(shí)的反饋使交互效果可見，具有易懂、快捷、友好等諸多優(yōu)點(diǎn)。尤其是這種圖形可視化交互，不僅幫助指揮員高效進(jìn)行艦炮岸射擊最后準(zhǔn)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(cè)通道提供了有效手段，極大地提高了戰(zhàn)術(shù)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(guó)防工業(yè)出版社，2009.

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