楊 松，楊 強(qiáng)，楊朝暉，周 莉

(海軍裝備研究院,北京 100036)

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基于情境的戰(zhàn)場態(tài)勢感知界面模型*

楊 松，楊 強(qiáng)，楊朝暉，周 莉

(海軍裝備研究院,北京 100036)

情境信息能夠嵌入到戰(zhàn)場態(tài)勢感知界面,輔助進(jìn)行用戶操作意圖判斷、界面自適應(yīng)、界面資源推薦、多用戶協(xié)作推薦等智能響應(yīng),從而提高指揮人員對戰(zhàn)場態(tài)勢的覺察、理解與預(yù)測能力。目前情境信息作用于戰(zhàn)場態(tài)勢感知界面的機(jī)制和流程尚未明確,從而對情境信息的利用造成障礙?；诖?首先提出面向未來的戰(zhàn)場態(tài)勢感知界面的5種特征,接著闡述了戰(zhàn)場態(tài)勢感知界面的6類典型情境因素,最后給出了基于情境的戰(zhàn)場態(tài)勢感知界面模型。該研究,為基于情境的戰(zhàn)場態(tài)勢感知界面的設(shè)計(jì)與使用指明了方向。

情境;態(tài)勢感知;智能用戶界面

支持戰(zhàn)場態(tài)勢感知的指揮界面稱為戰(zhàn)場態(tài)勢感知界面。隨著科技的發(fā)展,未來戰(zhàn)場態(tài)勢感知界面要體現(xiàn)出一定的智能性,比如能夠感知各類情境、能夠理解指揮人員的交互行為、能夠依據(jù)情境進(jìn)行界面自適應(yīng)響應(yīng)等,總之情境信息對于戰(zhàn)場態(tài)勢感知界面具有重要的價(jià)值。但是由于情境信息種類繁多、瞬息萬變,而且情境信息作用于戰(zhàn)場態(tài)勢感知界面的機(jī)制和流程還不明確,迫切需要一個(gè)基于情境的戰(zhàn)場態(tài)勢感知界面模型,以指導(dǎo)敏捷、輕量的戰(zhàn)場態(tài)勢感知界面的設(shè)計(jì)與使用。本文首先提出未來戰(zhàn)場態(tài)勢感知界面具備的5種特征,然后闡述了戰(zhàn)場態(tài)勢感知界面典型的6類情境因素,最后給出了基于情境的戰(zhàn)場態(tài)勢感知界面模型。

1 相關(guān)概念

徐光祐[1]指出在普適計(jì)算環(huán)境下用戶不再與單一計(jì)算機(jī)交互,而是與若干設(shè)備進(jìn)行顯式或隱式的交互,在這種場景下用戶很難直接確定與哪個(gè)設(shè)備交互,從而事實(shí)上構(gòu)成與整個(gè)信息空間(Cyberspace)的交互,最終辨別用戶交互意圖的難題就交給信息空間去解決,而信息空間通過對用戶、任務(wù)、環(huán)境等狀態(tài)信息的綜合分析辨別用戶交互意圖。在該過程中的狀態(tài)信息就是情境信息。Dey[2]等給出一個(gè)被廣泛認(rèn)可的情境定義,認(rèn)為情境是用于表征實(shí)體狀態(tài)的信息,實(shí)體是用戶與應(yīng)用交互過程中相關(guān)的人、地名和對象,包括用戶與應(yīng)用本身。從上述定義看,情境信息與戰(zhàn)場信息[3]具有明顯差別。情境信息側(cè)重于各類實(shí)體的“狀態(tài)”,而戰(zhàn)場信息側(cè)重于各實(shí)體的“信息內(nèi)容”,但是情境信息可以從戰(zhàn)場信息抽取而來。

態(tài)勢感知[4]是在一定的時(shí)空條件下,對環(huán)境因素進(jìn)行獲取、理解以及對其未來狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測。從未來發(fā)展趨勢看,支持態(tài)勢感知的指揮界面,即戰(zhàn)場態(tài)勢感知界面應(yīng)該具備如下5種特征:按需互聯(lián)、靈活顯示、自然交互、便捷協(xié)同、高效感知。這5種特征體現(xiàn)了以用戶為中心的設(shè)計(jì)(User-centered Design, UCD)[5]思想,反映了高級的智能用戶界面特征。而這5種特征的實(shí)現(xiàn)都離不開指揮環(huán)境中的各類情境信息,因此對情境信息的利用影響著戰(zhàn)場態(tài)勢感知界面的智能性[6]。因此研究基于情境的戰(zhàn)場態(tài)勢感知界面具有重要的意義。

2 戰(zhàn)場態(tài)勢感知界面中的情境因素

情境信息的種類很多,存在不同的分類方法。Schilit[7]認(rèn)為情境是與用戶相關(guān)的信息,包括用戶的位置、身份、用戶周邊的物理對象(Physical Object)以及與用戶交互的設(shè)備的狀態(tài)。Abowd[2]認(rèn)為位置、身份、活動(dòng)和時(shí)間是最重要的情境因素。洪穎[8]認(rèn)為應(yīng)該劃分為設(shè)備情境、時(shí)空情境、用戶情境、任務(wù)/問題情境。

上述分類適用于通用的情境分類,可以直接作用于戰(zhàn)場態(tài)勢感知界面分析研究。為滿足上文提到的5種特征,本文認(rèn)為戰(zhàn)場態(tài)勢感知界面還應(yīng)該強(qiáng)調(diào)如下6方面的情境,如圖1所示。雖然這6方面在粒度、范圍上可能存在交叉,但是不影響它們作為戰(zhàn)場態(tài)勢感知界面的主要優(yōu)化方向。

圖1 戰(zhàn)場態(tài)勢感知界面的情境因素

1)可視化過程中的情境

戰(zhàn)場態(tài)勢感知界面可視化的基本目標(biāo)是讓指揮人員快速、方便地覺察與理解目標(biāo),但是現(xiàn)有可視化過程存在種種不足,主要包括:戰(zhàn)場態(tài)勢通?；诘乩硇畔⑾到y(tǒng)形成不同領(lǐng)域、不同任務(wù)的態(tài)勢圖,但是目前不同層次級別的單位在態(tài)勢顯示內(nèi)容與細(xì)節(jié)上完全相同,無法體現(xiàn)指揮人員層次、任務(wù)級別的差異;戰(zhàn)場態(tài)勢在顯示上缺乏跨設(shè)備的靈活自適應(yīng)機(jī)制,缺少標(biāo)號的聚合與解聚機(jī)制等。上述問題之所以長期得不到解決,主要因?yàn)樗鼈兩婕氨姸囡@式和隱式的情境,包括單位承擔(dān)的任務(wù)差異、用戶的個(gè)性需求與狀態(tài)、任務(wù)執(zhí)行階段與狀態(tài)、屏幕的大小與位置、信息的組織層次與質(zhì)量等,這些情境信息如何進(jìn)行采集并嵌入到戰(zhàn)場態(tài)勢感知界面中還沒有好的解決方案。

2)顯示設(shè)備的組織管理情境

在態(tài)勢感知環(huán)境中,比如戰(zhàn)役級指揮所,通常存在多個(gè)顯示設(shè)備,比如各類顯示屏幕。從任務(wù)視角觀察,這些屏幕在邏輯上具有顯著的聯(lián)系,主要包括4種[9]:關(guān)聯(lián)性、解釋性(比如B屏幕的內(nèi)容用于解釋A屏幕)、邏輯性(比如因果關(guān)系、依賴關(guān)系等)和過程性(比如先后相繼的步驟或環(huán)節(jié))。這4種聯(lián)系就是顯示設(shè)備的組織管理情境,在面向未來的戰(zhàn)場態(tài)勢感知界面上應(yīng)充分考慮上述組織管理情境,促進(jìn)戰(zhàn)場態(tài)勢感知界面在顯示上的便利性、關(guān)聯(lián)性。

3)海量數(shù)據(jù)顯示中的情境

戰(zhàn)場態(tài)勢信息的多維特征,給態(tài)勢顯示能力帶來了挑戰(zhàn)。如果要掌握全域的信息,指揮人員需要在多圖層、多視圖、甚至多屏幕之間頻繁切換,造成眾多不便。而且,為防止對指揮人員的認(rèn)知能力、瞬時(shí)記憶等的沖擊,海量數(shù)據(jù)不能以大量原始數(shù)據(jù)的形式直接進(jìn)行顯示,而要進(jìn)行抽取、篩選、融合顯示等預(yù)先處理,在這個(gè)過程中涉及用戶狀態(tài)、顯示設(shè)備狀態(tài)、任務(wù)狀態(tài)等各類情境信息,因此如何將上述情境信息與海量數(shù)據(jù)結(jié)合以實(shí)現(xiàn)一個(gè)具有較高感知認(rèn)知效率、較低干擾度的態(tài)勢顯控系統(tǒng),是這個(gè)領(lǐng)域面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)。

4)人員視覺規(guī)律情境

從人類視覺搜索理論[10-11]看,跨模態(tài)(文本、音頻、視頻、圖像等)的顯示、有效的顏色編碼機(jī)制、視覺搜索的區(qū)域與面積都對指揮人員的視覺搜索效率產(chǎn)生較大影響,從而影響態(tài)勢感知效率。因此,戰(zhàn)場態(tài)勢感知界面的設(shè)計(jì)應(yīng)該充分考慮指揮人員作為自然人的特征,將跨模態(tài)顯示、顏色編碼等注意力導(dǎo)引技術(shù)引入進(jìn)來,以高效但并無武斷的方式提高戰(zhàn)場態(tài)勢感知能力。

5)態(tài)勢感知模型中的情境

根據(jù)Endsley的態(tài)勢感知模型[4],態(tài)勢感知分為覺察、理解、預(yù)測三個(gè)層次,每個(gè)層次對態(tài)勢顯示的內(nèi)容、樣式、位置、時(shí)效性、關(guān)聯(lián)性等具有不同的要求。因此,在戰(zhàn)場態(tài)勢感知界面方面也應(yīng)充分考慮上述態(tài)勢感知的分層需求,結(jié)合任務(wù)階段、用戶狀態(tài)、信息時(shí)效性等情境高效地呈現(xiàn)戰(zhàn)場態(tài)勢。

6)態(tài)勢感知沉浸感中的情境

沉浸感對指揮人員準(zhǔn)確高效的態(tài)勢感知具有重要意義。增強(qiáng)沉浸感需要充分利用各類情境信息,比如為了解決復(fù)雜的態(tài)勢感知要素與有限屏幕空間的矛盾,可以通過信息的疊加顯示、虛實(shí)結(jié)合等方式對指揮人員進(jìn)行各類提示與告警。同時(shí)為了保持指揮人員執(zhí)行任務(wù)的連續(xù)性,需要選擇合適的中斷時(shí)機(jī)對用戶進(jìn)行提示與告警。而且,為了使用戶不用較大幅度地移動(dòng)位置、轉(zhuǎn)動(dòng)身體即可獲取所需信息,也需要對顯示位置、顯示方式進(jìn)行合理組織。在上述過程中,任務(wù)狀態(tài)(階段、重要性等)、指揮人員狀態(tài)(注意力、疲勞度、任務(wù)量等)、設(shè)備狀態(tài)(位置、大小、分辨率等)等情境信息都需要在態(tài)勢感知界面中進(jìn)行體現(xiàn)。

另外,戰(zhàn)場態(tài)勢感知界面還應(yīng)該考慮多用戶環(huán)境下的情境作用機(jī)制,這種界面改變了傳統(tǒng)的界面與用戶的一一對應(yīng)關(guān)系,因此對用戶、任務(wù)等情境信息的識別變得更加復(fù)雜。

3 基于情境的戰(zhàn)場態(tài)勢感知界面模型

情境信息如何作用在戰(zhàn)場態(tài)勢感知界面中,是亟需解決的問題?；谇榫车膽?zhàn)場態(tài)勢感知界面應(yīng)該具備即時(shí)性[12]、情境感知特征,既要強(qiáng)調(diào)界面使用的敏捷與輕量化,又需要將情境信息嵌入到戰(zhàn)場態(tài)勢感知界面的底層,從而可以實(shí)時(shí)影響界面的顯示狀態(tài),甚至影響信息處理流程。

為滿足上述需求,本文提出了基于情境的戰(zhàn)場態(tài)勢感知界面模型,如圖2所示,主要包括5部分內(nèi)容。

圖2 基于情境的戰(zhàn)場態(tài)勢感知界面模型

1)情境采集

情境采集需要結(jié)合軟硬件設(shè)施共同進(jìn)行。硬件設(shè)施包括各類環(huán)境傳感器、穿戴式設(shè)備、基礎(chǔ)運(yùn)行設(shè)備等,可以獲取用戶狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)等情境信息。軟件設(shè)施包括各類軟件探針、日志記錄、狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)等,可以獲取界面狀態(tài)、任務(wù)狀態(tài)等情境信息。從上述情境的來源看,情境信息表現(xiàn)出明顯的多源異構(gòu)特征,而且數(shù)據(jù)量隨著用戶數(shù)量、設(shè)備數(shù)量、任務(wù)數(shù)量的遞增而急劇增加,從而給情境信息的采集、表示、存儲(chǔ)等帶來了較大挑戰(zhàn)。

2)情境融合

情境融合要克服情境的多源異構(gòu)特性、存儲(chǔ)的分布式特征,實(shí)現(xiàn)集中式的情境聚合機(jī)制,從而提供持久性的存儲(chǔ)。情境融合還要提供統(tǒng)一的情境數(shù)據(jù)模型,為情境推理提供數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和查詢服務(wù)[13]。在具體實(shí)施過程中,也可以借鑒信息融合中各類技術(shù)和概念,實(shí)現(xiàn)信號層、特征層的融合,但是決策層的融合應(yīng)屬于情境推理的范圍。

3)情境推理

情境推理是實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場態(tài)勢感知界面智能性的重要手段。由于底層情境信息很難被上層應(yīng)用直接理解,因此有必要將底層情境信息解釋為高層情境信息,在該過程中存在眾多方法,比如貝葉斯網(wǎng)絡(luò)、證據(jù)理論、隱馬爾科夫模型等方法。在推理過程中,也要參考一定的模型,比如利用用戶心智模型與情境的結(jié)合可以對用戶意圖進(jìn)行推理,利用任務(wù)模型與情境的結(jié)合則可以對任務(wù)進(jìn)行推理。

4)情境屬性控制

情境屬性是為記錄情境信息而為界面控件增加的屬性。通過增加情境屬性,在情境發(fā)生變化后立即通過修改情境屬性而實(shí)現(xiàn)界面的即時(shí)響應(yīng),同時(shí)也有利于保持業(yè)務(wù)控制邏輯,從而體現(xiàn)出即時(shí)性和輕量化的特點(diǎn)。情境屬性的控制主要實(shí)現(xiàn)情境信息在界面上作用方式的控制,典型的控制內(nèi)容包括:

?顯隱控制:由于用戶權(quán)限、隱私等造成的界面窗口顯示與隱藏的控制需求;

?強(qiáng)調(diào)控制:突出界面中的重要區(qū)域或信息的控制需求;

?顯示樣式控制:界面信息的顯示樣式需求,比如單用戶視圖、多用戶視圖等;

?操作能力控制:對用戶操作能力限制的控制需求,比如運(yùn)行或禁止操作、操作次數(shù)限制等;

?操作流程控制:由于權(quán)限或者業(yè)務(wù)限制造成的操作優(yōu)先權(quán)等流程控制的需求;

?設(shè)備屬性控制:不同顯示設(shè)備的屏幕大小、輸入模態(tài)、分辨率等限制需求。

5)戰(zhàn)場態(tài)勢感知界面

為降低業(yè)務(wù)模型、控制邏輯、界面顯示三者之間的耦合度,同時(shí)便于在模型中嵌入情境屬性,可以采取MVC(Model-View-Controller,M-V-C,模型-視圖-控制器)范型進(jìn)行機(jī)制設(shè)計(jì)。如圖2所示,其中:模型包括戰(zhàn)場態(tài)勢感知界面的業(yè)務(wù)規(guī)則、情境屬性。當(dāng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)發(fā)生改變時(shí),它能夠通知視圖相應(yīng)改變。視圖是戰(zhàn)場態(tài)勢感知界面的顯示與交互部分,它通過接收用戶的交互信息向控制器發(fā)送用戶請求事件,還可以向模型查詢業(yè)務(wù)狀態(tài)并接收模型發(fā)出的狀態(tài)變化事件。控制器除了實(shí)現(xiàn)情境屬性控制功能之外,還擔(dān)當(dāng)協(xié)調(diào)(Collaborator)和同步(Synchronizer)的角色,具體包括:一是通過與視圖、模型的協(xié)調(diào),判斷當(dāng)前情境狀態(tài),并對用戶的視圖選擇進(jìn)行控制;二是通過對情境信息、操作狀態(tài)等數(shù)據(jù)的同步,將模型與視圖匹配在一起,共同完成用戶請求。

需要強(qiáng)調(diào)的是,前面提到的情境屬性控制的內(nèi)容已經(jīng)嵌入到戰(zhàn)場態(tài)勢感知界面中,直接利用控制器中的協(xié)調(diào)、同步功能,對模型和視圖產(chǎn)生影響。上述MVC設(shè)計(jì)為戰(zhàn)場態(tài)勢感知界面的設(shè)計(jì)提供了一種通用的設(shè)計(jì)模式,既可以對該類界面的設(shè)計(jì)進(jìn)行規(guī)范,也可以對相關(guān)控件的設(shè)計(jì)提供支持。而且,該模式實(shí)現(xiàn)了界面與控制邏輯的分離,邏輯層次更加清晰,便于后續(xù)的擴(kuò)展與復(fù)用。

4 結(jié)束語

軍事任務(wù)的執(zhí)行置身于各種情境之中,合理利用這些情境可以提高任務(wù)執(zhí)行的效率。通過對情境的采集、融合、推理等過程,并將其嵌入到戰(zhàn)場態(tài)勢感知界面中,可以增強(qiáng)界面的靈活性，交互性與智能性。對情境的利用也是未來指揮環(huán)境中需要重點(diǎn)考慮的方向。未來指揮環(huán)境中強(qiáng)調(diào)任務(wù)驅(qū)動(dòng)、以用戶為中心的設(shè)計(jì),就是要突出個(gè)體特征、強(qiáng)調(diào)群體協(xié)作、追求界面的易用性,在該過程中情境信息必不可少。本文首先提出未來戰(zhàn)場態(tài)勢感知界面具備的5種特征,接著闡述了戰(zhàn)場態(tài)勢感知界面6類典型情境因素,最后給出了基于情境的戰(zhàn)場態(tài)勢感知界面模型。后續(xù)研究方向包括情境的跨域融合方法、情境推理方法、多用戶環(huán)境下的情境采集等。

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Battlefield Situation-aware Interface Model on Context

YANG Song, YANG Qiang, YANG Zhao-Hui, ZHOU Li

(Naval Academy of Armament, Beijing 100036, China)

Context information can be embedded into battlefield situation-aware interface, which can help judge users’ intention, provide adaptive user interface, recommend interface resources and collaborative mechanism. By this way, the ability of situation perception, understand, prediction can be promoted. Currently the embedding mechanism and processing flow for context information are not yet definitive, which cause obstacles to the utilization of context. This paper firstly proposes 5 merits for future battlefield situation-aware interface, and then analyses 6 type context. At last, a context-aware interface model for battlefield is presented. Research results above indicate direction for design and use of battlefield situation-aware interface.

context; situation awareness; intelligent user interface

2016-12-13

2016-12-30

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61502519)。

楊 松(1964-),男,江蘇盱眙人,碩士,高級工程師,研究方向?yàn)橥ㄐ排c信息系統(tǒng)。 楊 強(qiáng)(1979-),男,博士,工程師。 楊朝暉(1971-),女,碩士,高級工程師。 周 莉(1982-),男,博士,工程師。

1673-3819(2017)02-0081-04

TJ391；TJ761.1

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2017.02.016