鄭佳佳 周 健

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所 南京 210023）

1 引言

現(xiàn)在戰(zhàn)爭(zhēng)的趨勢(shì)是一體化聯(lián)合作戰(zhàn)，海量戰(zhàn)場(chǎng)信息是聯(lián)合作戰(zhàn)的突出特點(diǎn)，作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)在于戰(zhàn)場(chǎng)信息的加工、處理和轉(zhuǎn)化，只有讓戰(zhàn)場(chǎng)信息主動(dòng)“開口說話”，指揮員才能突破“戰(zhàn)爭(zhēng)迷霧”，準(zhǔn)確掌握戰(zhàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)和預(yù)判下一階段行動(dòng)計(jì)劃。

2 戰(zhàn)場(chǎng)信息可視化研究現(xiàn)狀

戰(zhàn)場(chǎng)信息可視化是利用知識(shí)圖譜、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等信息挖掘技術(shù)，綜合利用仿真模型、虛擬現(xiàn)實(shí)、圖形圖表等人機(jī)交互的手段，將采集信息以視覺、聽覺等的感官媒介傳遞給決策中樞，從而實(shí)現(xiàn)聯(lián)合作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)“一幅圖”［1］。

為促進(jìn)戰(zhàn)場(chǎng)信息可視化發(fā)展，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）研制了可實(shí)時(shí)顯示的“戰(zhàn)場(chǎng)信息可視化情報(bào)系統(tǒng)”；美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室（NRL）資助開發(fā)了“龍”戰(zhàn)場(chǎng)可視化系統(tǒng)；美國(guó)陸軍把戰(zhàn)場(chǎng)信息可視化納入《陸軍訓(xùn)練與條令條例》中。

軍事大國(guó)紛紛將戰(zhàn)場(chǎng)可視化作為信息化的重要研究課題，美軍顯然走在了前列。在阿里巴巴、百度等科技巨頭帶領(lǐng)下，國(guó)內(nèi)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、城市交通、數(shù)字金融等民用領(lǐng)域信息可視化發(fā)展走在了世界前列，但在軍事領(lǐng)域，由于軍隊(duì)信息化基礎(chǔ)薄弱，在戰(zhàn)場(chǎng)信息可視化方面還處于探索階段，尤其在聯(lián)合作戰(zhàn)指揮信息系統(tǒng)中，目前研究還處在空白。

3 戰(zhàn)場(chǎng)信息可視化具有重要價(jià)值

從技術(shù)角度來看，聯(lián)合作戰(zhàn)指揮的情報(bào)信息量大、時(shí)效性高、來源廣且價(jià)值密度低的數(shù)據(jù)集；從認(rèn)知能力看，隨著情報(bào)技術(shù)發(fā)展，指揮員能夠在數(shù)據(jù)采集分析過程中挖掘出戰(zhàn)場(chǎng)背后的規(guī)律如同大海撈針。在聯(lián)合作戰(zhàn)指揮信息系統(tǒng)中，戰(zhàn)場(chǎng)信息可視化主要體現(xiàn)以下重要價(jià)值：

1）大大擴(kuò)展了指揮員對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知的深度和廣度，綜合感知戰(zhàn)場(chǎng)地形地貌、兵力部署、攻防范圍等影響因子；

2）提高了指揮員對(duì)復(fù)雜信息的處理和分析的效率，降低認(rèn)知負(fù)荷；

3）實(shí)現(xiàn)了聯(lián)合作戰(zhàn)信息系統(tǒng)的聯(lián)合訓(xùn)練和效果評(píng)估的可視化模擬；

4）為聯(lián)合作戰(zhàn)各級(jí)指揮中心提供了從發(fā)現(xiàn)敵情到實(shí)際行動(dòng)的全周期戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)監(jiān)控可視化大屏；

5）通過戰(zhàn)場(chǎng)信息可視化支撐聯(lián)合作戰(zhàn)指揮，有力提升了我軍在聯(lián)合作戰(zhàn)指揮上信息化水平。

4 戰(zhàn)場(chǎng)信息可視化設(shè)計(jì)方法

聯(lián)合作戰(zhàn)指揮信息系統(tǒng)的戰(zhàn)場(chǎng)信息可視化包括地理環(huán)境可視化、武器裝備可視化、戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)可視化、電磁對(duì)抗可視化、網(wǎng)絡(luò)作戰(zhàn)可視化、行動(dòng)監(jiān)控可視化等內(nèi)容，根據(jù)其內(nèi)容提出一套戰(zhàn)場(chǎng)信息可視化人機(jī)交互設(shè)計(jì)方法。

4.1 首先重點(diǎn)分析指揮員的實(shí)際和潛在需求

在《交互設(shè)計(jì)精髓》中，Alan Cooper將用戶需求歸納成三個(gè)模型：實(shí)際模型、表現(xiàn)模型和心理模型，表現(xiàn)模型越接近心理模型，用戶越容易理解信息含義［2］。如圖1，在聯(lián)合作戰(zhàn)指揮信息系統(tǒng)中，左側(cè)是原始戰(zhàn)場(chǎng)信息集，右側(cè)是指揮員潛在需求，設(shè)計(jì)者需要對(duì)指揮員群體特征研究和目標(biāo)需求調(diào)研，深度挖掘指揮員潛在需求。調(diào)研用戶需求的方法包括：指揮員訪談、需求會(huì)議、調(diào)查問卷和用戶行為模擬等。由于行業(yè)特殊性，一般通過反復(fù)的指揮員訪談和需求會(huì)議確定指揮員實(shí)際和潛在需求。

圖1 分析指揮員實(shí)際需求和潛在需求模型

4.2 根據(jù)業(yè)務(wù)情境整編原始情報(bào)和選擇可視化結(jié)構(gòu)

在信息化戰(zhàn)場(chǎng)上，各種觀測(cè)先進(jìn)手段會(huì)產(chǎn)生源源不斷產(chǎn)生價(jià)值密度低且真?zhèn)坞y辨的情報(bào)信息，很容易誤入對(duì)方制造的戰(zhàn)場(chǎng)迷霧。這就需要信息系統(tǒng)按照一定的組織關(guān)系將原始情報(bào)信息歸納成多個(gè)共性的數(shù)據(jù)集，再選擇適合此情景的可視化結(jié)構(gòu)。如：針對(duì)南海X 護(hù)航行動(dòng)專題，需要從情報(bào)庫抽取航線的氣象水文、海盜活動(dòng)軌跡及支援艦隊(duì)相對(duì)位置、歷次突發(fā)事件處置報(bào)告及相關(guān)國(guó)際法等原始情報(bào)信息，再進(jìn)行系統(tǒng)化整編形成支撐該護(hù)航行動(dòng)的可視化專題。

圖2 整編原始情報(bào)和選擇可視化結(jié)構(gòu)

4.3 基于時(shí)空的多維空間構(gòu)建戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)仿真模型

戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)指的是基于時(shí)空的多維作戰(zhàn)空間，包括自然環(huán)境、人文環(huán)境、電磁對(duì)抗、戰(zhàn)場(chǎng)設(shè)施、兵力部署等［3］。構(gòu)建這種時(shí)空共存的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的仿真模型需要采用混合建模思路，此處介紹的方法采用了具有跨平臺(tái)特點(diǎn)的Unity3D引擎來實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)的開發(fā)，利用計(jì)算機(jī)建模軟件仿真實(shí)際和預(yù)演的動(dòng)態(tài)變化的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，具體構(gòu)建方法如下：

1）利用采集的遙感測(cè)繪數(shù)據(jù)，通過CINEMA 4D 等地形編輯工具構(gòu)建地形、地貌、設(shè)施等地理空間模型；

2）對(duì)于區(qū)域戰(zhàn)場(chǎng)尤其是交戰(zhàn)區(qū)、訓(xùn)練場(chǎng)，需要精確構(gòu)建局部戰(zhàn)場(chǎng)空間細(xì)節(jié)，如天氣、季風(fēng)等；

3）將兵力、裝備、設(shè)施等實(shí)體模型和打擊范圍、探測(cè)范圍、防御范圍等能力模擬導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D 引擎開發(fā)工具；

4）通過Unity3D 引擎實(shí)現(xiàn)空間關(guān)聯(lián)，利用C#開發(fā)腳本文件實(shí)現(xiàn)單元?jiǎng)幼鹘换ゼ皥?chǎng)景控制，如動(dòng)目標(biāo)的活動(dòng)軌跡、電磁環(huán)境覆蓋范圍、火力打擊范圍等；

5）根據(jù)實(shí)際需要為武器裝備、行動(dòng)軌跡、衛(wèi)星照射范圍、警醒效果等戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)變化和細(xì)節(jié)動(dòng)作添加動(dòng)態(tài)效果。

圖3 構(gòu)建戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)仿真模型的方法

4.4 依照任務(wù)階段實(shí)時(shí)反饋戰(zhàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)

在聯(lián)合作戰(zhàn)指揮信息系統(tǒng)中，利用衛(wèi)星定位、指令和報(bào)告以統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議互聯(lián)互通，通過態(tài)勢(shì)屏、行動(dòng)甘特圖和執(zhí)行矩陣三種視圖對(duì)任務(wù)行動(dòng)和任務(wù)部隊(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)指揮員對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)的掌握和下一階段行動(dòng)計(jì)劃的預(yù)判。目標(biāo)的類型、數(shù)量、位置、航向、航速等信息以軍標(biāo)或三維形式反饋在二、三維態(tài)勢(shì)圖視圖上，實(shí)時(shí)、近實(shí)時(shí)了解作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)發(fā)展。任務(wù)行動(dòng)實(shí)際進(jìn)展與計(jì)劃時(shí)間對(duì)比需要采用行動(dòng)甘特圖視圖，以泳道圖形式表達(dá)母子任務(wù)行動(dòng)實(shí)際與計(jì)劃的執(zhí)行時(shí)間、執(zhí)行狀態(tài)、任務(wù)行動(dòng)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系、里程碑關(guān)鍵點(diǎn)、告警提示等信息。描述具體的任務(wù)行動(dòng)執(zhí)行情況采用執(zhí)行矩陣視圖，這種視圖描述了任務(wù)行動(dòng)的名稱、執(zhí)行時(shí)間、狀態(tài)、里程碑關(guān)鍵點(diǎn)、具體內(nèi)容、執(zhí)行效果等詳細(xì)信息，并且可以以報(bào)告形式向上級(jí)匯報(bào)［4］。

這三種視圖綜合使用，可以讓指揮員從部隊(duì)狀態(tài)、敵我態(tài)勢(shì)、任務(wù)視角、時(shí)間視角、空間視角等不同角度全方位反饋戰(zhàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)和計(jì)劃執(zhí)行情況。

4.5 尊重指揮員使用習(xí)慣設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面

在整個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)信息可視化設(shè)計(jì)過程中，人機(jī)交互界面是直面指揮員的“最后一公里”，直接決定了戰(zhàn)場(chǎng)信息可視化“好不好用”。指揮員希望能夠付出最少學(xué)習(xí)成本以獲得最大的資源回饋，輔助其決策，這就要求設(shè)計(jì)者：

1）根據(jù)指揮員實(shí)際使用場(chǎng)景選擇交互操作形式，如：指揮大廳采用鼠標(biāo)交互形式、通信保障車內(nèi)使用鼠標(biāo)和觸摸相結(jié)合的交互形式等；

2）依據(jù)交互操作形式組織界面布局、色彩、尺存、形狀等組成要素設(shè)計(jì)；

3）借助指揮員過去的經(jīng)驗(yàn)和習(xí)慣，設(shè)計(jì)可視化場(chǎng)景交互、圖表呈現(xiàn)、行動(dòng)監(jiān)控等設(shè)計(jì)。

4.6 進(jìn)行定性定量的人機(jī)交互可用性測(cè)試

在聯(lián)合作戰(zhàn)指揮信息系統(tǒng)版本推廣之前，必須對(duì)其可視化模塊進(jìn)行易學(xué)性、易記性、容錯(cuò)性、操作效率和用戶滿意度的可用性評(píng)估，從而建立設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)模型，在版本推廣前發(fā)現(xiàn)可用性問題改進(jìn)設(shè)計(jì)。通常采用定性和定量評(píng)價(jià)兩種結(jié)合的可用性測(cè)試方法。

定性評(píng)價(jià)可以采用調(diào)查問卷、行為觀察、用戶訪談、經(jīng)驗(yàn)評(píng)價(jià)等方式，定性評(píng)價(jià)需要預(yù)先設(shè)定樣本容量、實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)?zāi)康模佾@得小規(guī)模樣本評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)。

定量評(píng)價(jià)可以采用功能埋點(diǎn)測(cè)試、日志文件分析和眼動(dòng)追蹤測(cè)評(píng)方式，建立實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)和條件假設(shè)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)運(yùn)行和數(shù)據(jù)分析。

5 結(jié)語

在以聯(lián)合作戰(zhàn)背景下的作戰(zhàn)指揮信息系統(tǒng)為研究背景，分析了場(chǎng)信息可視化對(duì)數(shù)據(jù)、指揮員和指揮中心的重要價(jià)值，并結(jié)合戰(zhàn)場(chǎng)可視化技術(shù)，提出了從分析指揮員需求到可用性評(píng)估的一整套戰(zhàn)場(chǎng)可視化人機(jī)交互設(shè)計(jì)方法和流程，為以后戰(zhàn)場(chǎng)信息可視化設(shè)計(jì)者進(jìn)行設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)，彌補(bǔ)在戰(zhàn)場(chǎng)可視化領(lǐng)域人機(jī)交互設(shè)計(jì)的方法論。