趙丹華，薛仲杰，譚征宇，張瑞佛

基于戰(zhàn)場(chǎng)時(shí)空信息一體化的戰(zhàn)斗機(jī)智能座艙

趙丹華1，薛仲杰1，譚征宇2，張瑞佛1

（1.湖南大學(xué) 設(shè)計(jì)藝術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410082；2.湖南大學(xué) 重慶研究院，重慶 401121）

針對(duì)未來戰(zhàn)斗機(jī)座艙面對(duì)復(fù)雜空天地一體化信息戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，剖析戰(zhàn)役級(jí)OODA環(huán)中重要節(jié)點(diǎn)及相關(guān)態(tài)勢(shì)感知信息認(rèn)知模型若干概念，理清其中座艙信息通道和OODA環(huán)流程場(chǎng)景下飛行員具體需求，為飛行員在空中獲得一體化信息態(tài)勢(shì)感知快速切入敵方OODA環(huán)，實(shí)施打擊并取得戰(zhàn)場(chǎng)優(yōu)勢(shì)提供指導(dǎo)。從戰(zhàn)斗機(jī)迭代發(fā)展出發(fā)，分析座艙的演變過程，探討當(dāng)下技術(shù)發(fā)展對(duì)未來座艙的信息結(jié)構(gòu)和整體布局產(chǎn)生的影響及帶來的趨勢(shì)。通過文獻(xiàn)查閱提出了飛行員在OODA環(huán)各作戰(zhàn)環(huán)下態(tài)勢(shì)感知信息需求。通過一體化模型整合在不同階段和場(chǎng)景下的戰(zhàn)斗機(jī)作戰(zhàn)信息，形成座艙內(nèi)作戰(zhàn)一體化體系，并通過概念設(shè)計(jì)平衡戰(zhàn)斗機(jī)座艙中飛行員動(dòng)作需求與信息空間布局，達(dá)成初步驗(yàn)證和表達(dá)理論框架。通過分析OODA環(huán)結(jié)合態(tài)勢(shì)感知模型進(jìn)行戰(zhàn)斗機(jī)智能座艙信息系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)研究，以飛行員的戰(zhàn)斗流程中動(dòng)作需求為中心，通過一體化框架進(jìn)行戰(zhàn)斗機(jī)智能座艙設(shè)計(jì)整合了多源、多層、多量信息，構(gòu)建了以飛行員在OODA環(huán)作戰(zhàn)流程中作戰(zhàn)任務(wù)動(dòng)作為中心的信息一體化的戰(zhàn)斗機(jī)座艙設(shè)計(jì)，對(duì)未來戰(zhàn)斗機(jī)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

OODA；態(tài)勢(shì)感知；戰(zhàn)斗機(jī)智能座艙；一體化設(shè)計(jì)；場(chǎng)景動(dòng)作；信息系統(tǒng)

在技術(shù)發(fā)展推動(dòng)下，“海陸空”天地信息一體化作戰(zhàn)體系逐步完成。未來戰(zhàn)斗機(jī)即將面臨復(fù)雜甚至極端惡劣的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，在多維立體化條件下執(zhí)行多平臺(tái)、多任務(wù)的高度信息化作戰(zhàn)方式[1]。戰(zhàn)斗機(jī)座艙是飛行員操作飛機(jī)執(zhí)行作戰(zhàn)飛行任務(wù)的核心部位[2]。未來戰(zhàn)斗機(jī)座艙設(shè)計(jì)是以戰(zhàn)斗機(jī)的作戰(zhàn)流程OODA環(huán)（Observation，Orientation，Decision，Action）下的態(tài)勢(shì)感知為核心，綜合考慮飛行員在戰(zhàn)場(chǎng)所處環(huán)境面臨的復(fù)雜信息情況和生理心理等因素[3]，充分發(fā)揮人機(jī)系統(tǒng)工效的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。飛行員需依靠座艙顯示系統(tǒng)獲取態(tài)勢(shì)感知，隨后操作戰(zhàn)斗機(jī)內(nèi)部件完成巡航、接敵、作戰(zhàn)、打擊，切入敵人OODA環(huán)，并破壞其核心節(jié)點(diǎn)，達(dá)成完成作戰(zhàn)任務(wù)目的。未來戰(zhàn)斗機(jī)座艙內(nèi)信息一體化設(shè)計(jì)讓駕駛員在戰(zhàn)斗機(jī)智能座艙內(nèi)獲得全面、清晰的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息，增強(qiáng)視距內(nèi)和超視距作戰(zhàn)能力，形成精準(zhǔn)操作，完成打擊。

同時(shí)，“戰(zhàn)斗機(jī)智能座艙”的設(shè)計(jì)意義，在于其潛在的時(shí)間與空間構(gòu)成，即戰(zhàn)場(chǎng)時(shí)空信息的一體化表達(dá)；也在于其發(fā)揮人的戰(zhàn)斗潛力，即態(tài)勢(shì)感知和動(dòng)作執(zhí)行效能。一方面，戰(zhàn)場(chǎng)時(shí)空信息的時(shí)間與空間關(guān)系是迅速迭代的，“場(chǎng)景引導(dǎo)”和“場(chǎng)景預(yù)判”幾乎同時(shí)發(fā)生，即時(shí)空感知（態(tài)勢(shì)感知）和時(shí)空動(dòng)作幾乎同時(shí)發(fā)生。因此座艙設(shè)計(jì)必須符合駕駛員態(tài)勢(shì)感知和時(shí)空動(dòng)作的特征，提供功能完整的智能活動(dòng)空間。另一方面，智能座艙其實(shí)是某種任務(wù)場(chǎng)景的空間容器，“作戰(zhàn)任務(wù)”是座艙存在和座艙設(shè)計(jì)的本質(zhì)。因此智能座艙設(shè)計(jì)所表達(dá)的是以人為中心，包括以我方戰(zhàn)斗機(jī)飛行員與敵方作戰(zhàn)人員的關(guān)系為中心的一體化戰(zhàn)斗機(jī)座艙空間交互設(shè)計(jì)。

1 概念闡述

1.1 戰(zhàn)斗機(jī)智能座艙和態(tài)勢(shì)感知

近期的局部戰(zhàn)爭(zhēng)表明，在未來的高科技戰(zhàn)場(chǎng)，空軍的地位和作用越來越重要[4]。戰(zhàn)斗機(jī)是主要為空對(duì)空作戰(zhàn)而設(shè)計(jì)的固定翼軍用飛機(jī)[5]。在軍事沖突中，戰(zhàn)斗機(jī)的作用是建立戰(zhàn)場(chǎng)的制空權(quán)。對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)上空的控制允許轟炸機(jī)和攻擊機(jī)對(duì)敵方目標(biāo)進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)略轟炸。

戰(zhàn)斗機(jī)的關(guān)鍵性能特征不僅包括火力，還包括對(duì)于目標(biāo)飛機(jī)的更高速度、靈敏性、生存能力、探測(cè)能力、飛機(jī)性能、電子戰(zhàn)能力和武器威力等[6-7]。飛行員獲得空中優(yōu)勢(shì)的成功或失敗取決于飛行員的技能、部署戰(zhàn)斗機(jī)的戰(zhàn)術(shù)合理性和態(tài)勢(shì)感知能力等。

人在決策的過程中，對(duì)環(huán)境信息系統(tǒng)的感知、推理和預(yù)測(cè)，稱之為態(tài)勢(shì)感知（SA）[8]，態(tài)勢(shì)感知主要面向的是不確定性強(qiáng)、人必須介入的大型復(fù)雜動(dòng)態(tài)環(huán)境或系統(tǒng)[9]，尤其是戰(zhàn)斗機(jī)面臨的復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)?？梢暬夹g(shù)在復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)中，讓用戶能夠快速理解態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)[9]。因此座艙內(nèi)信息可視化部分是飛行員獲得信息的界面，而控制是飛行員發(fā)布指令的界面。合理的座艙布局和顯控配置是影響飛行任務(wù)完成質(zhì)量的重要因素之一[10]，它與提高飛行員態(tài)勢(shì)感知來源、操作工效、減輕工作負(fù)荷等重要問題密切相關(guān)。

1.2 OODA環(huán)及相關(guān)概念發(fā)展

OODA環(huán)是對(duì)空中體系作戰(zhàn)整體行動(dòng)全過程較為清晰的描述，因當(dāng)下空中作戰(zhàn)融合多方信息、多量信息等成為復(fù)雜系統(tǒng)[11]。前期Holovatch[12]提出復(fù)雜系統(tǒng)的特點(diǎn)是其許多成分之間的特定時(shí)間相關(guān)的相互作用。蘇珊·賈森則提出了以人為中心的設(shè)計(jì)雙循環(huán)模型，平衡了系統(tǒng)查詢方法和以人為中心的實(shí)現(xiàn)方法[13]，對(duì)具體設(shè)計(jì)對(duì)象進(jìn)行分析之后抽象得出層級(jí)。美國空軍上校約翰·柏伊德提出的OODA環(huán)循環(huán)程序[14]，其中指出，作戰(zhàn)環(huán)從觀測(cè)到行動(dòng)階段作用空中作戰(zhàn)的飛行員，由觀察（Observe）–調(diào)整（Orient）–決定（Decide）–行動(dòng)（Action）構(gòu)成。OODA環(huán)的核心在于根據(jù)觀察信息，穿透敵軍防空體系，針對(duì)敵方關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行打擊，破壞敵方OODA環(huán)循環(huán)，即約翰·柏伊德提出的穿透敵方OODA環(huán)，使得我方OODA環(huán)循環(huán)覆蓋對(duì)方，從而實(shí)現(xiàn)穿透性制空，見圖1。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，OODA環(huán) 2.0提出增強(qiáng)獲取信息能力削弱對(duì)手。在2.0的基礎(chǔ)上，隨著人工智能等技術(shù)發(fā)展，OODA 環(huán) 3.0在對(duì)應(yīng)的4個(gè)環(huán)節(jié)中引入了智能體概念[15]，見圖2。

OODA環(huán)3.0階段飛行員將綜合智能體進(jìn)行判斷，飛行員在座艙中的行為在戰(zhàn)場(chǎng)空間和時(shí)間維度上得以進(jìn)一步擴(kuò)展。飛行員的交戰(zhàn)領(lǐng)域在人工智能加空天信息一體化的背景下擴(kuò)展到以目標(biāo)為縱深，時(shí)間上的態(tài)勢(shì)感知預(yù)測(cè)將由原先的“分秒制”轉(zhuǎn)變?yōu)椤靶r(shí)制”。設(shè)計(jì)需要協(xié)同一體化，通過發(fā)現(xiàn)使用者的真實(shí)需求，才能保證最終的產(chǎn)品品質(zhì)[17]。因此分析信息一體化背景下，飛行員對(duì)戰(zhàn)斗機(jī)作戰(zhàn)流程不同階段的需求至關(guān)重要。在滿足飛行員需求的基礎(chǔ)上，進(jìn)行座艙內(nèi)空間信息一體化整合，構(gòu)建座艙內(nèi)符合飛行員面對(duì)不同階段的全面信息輔助內(nèi)容和座艙造型設(shè)計(jì)。

圖1 OODA環(huán)流程[14]

圖2 OODA環(huán)發(fā)展[16]

1.3 態(tài)勢(shì)感知和可視化回顧

從前文伯伊德所提出的“穿透性制空”作戰(zhàn)，人們認(rèn)為態(tài)勢(shì)感知在OODA環(huán)中至關(guān)重要。作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)認(rèn)知是指揮決策的基礎(chǔ)，也應(yīng)嵌套在OODA環(huán)閉合回路中，并對(duì)這個(gè)回路的順暢運(yùn)行起到關(guān)鍵作用。在OODA 環(huán)理論框架下，可論述作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)認(rèn)知的概念[18]。態(tài)勢(shì)感知一詞最初是道格拉斯飛機(jī)公司在人因工程研究期間使用的，同時(shí)開發(fā)垂直和水平態(tài)勢(shì)顯示，并評(píng)估下一代商用飛機(jī)的數(shù)字控制布局。它被認(rèn)為是在戰(zhàn)場(chǎng)情況下成功決策的關(guān)鍵[19]，見表1。

表1 態(tài)勢(shì)感知時(shí)間空間意義

Tab.1 Temporal-spatial significance of situational awareness

Endsley提出態(tài)勢(shì)感知應(yīng)用于自動(dòng)化人機(jī)交互接口模型已被廣泛使用，其模型表示在一定時(shí)間內(nèi)，對(duì)空間內(nèi)的環(huán)境元素感知，對(duì)它們的意義進(jìn)行理解，以預(yù)測(cè)近未來的狀態(tài)[20]。在復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境中，態(tài)勢(shì)感知關(guān)注一個(gè)人對(duì)特定任務(wù)所能獲取到的相關(guān)知識(shí)[21-22]?；贓ndsley的態(tài)勢(shì)感知模型，人們可以將態(tài)勢(shì)感知分為3個(gè)層次，分別是感知（Perception）、理解（Comprehension）、預(yù)測(cè)（Prediction）三級(jí)態(tài)勢(shì)感知，從對(duì)環(huán)境中信息的觀察到對(duì)關(guān)鍵信息的解讀整合，并形成對(duì)未來情況的理解。Endsley的態(tài)勢(shì)感知模型可以看作是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的信息處理模型，這個(gè)模型普遍存在于認(rèn)知信息學(xué)中[23-25]。三級(jí)模型的基石之一是假設(shè)環(huán)境中的特征映射到個(gè)體頭腦中的心智模型[26]，并且這些模型用于開發(fā)態(tài)勢(shì)感知。由經(jīng)驗(yàn)形成的心智模型，將注意力引向環(huán)境中的關(guān)鍵要素，通過整合這些要素，使感知者能夠理解它們的含義，然后產(chǎn)生未來可能的狀態(tài)，被用來發(fā)展態(tài)勢(shì)感知[27]。因此態(tài)勢(shì)感知是一個(gè)復(fù)雜的感知與系統(tǒng)匹配的過程，受到了記憶力和注意力的極大影響，其中包含了短時(shí)記憶、長(zhǎng)時(shí)記憶和感知記憶。感知記憶包含對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中要素的采集，獲得原始信號(hào)；短時(shí)記憶對(duì)這些信號(hào)理解并識(shí)別，標(biāo)定重要性。根據(jù)Endsley模型，進(jìn)行對(duì)未來狀態(tài)的預(yù)測(cè)，需要從長(zhǎng)時(shí)記憶提取圖式（Schema），這些圖式是決策者對(duì)環(huán)境綜合理解和預(yù)測(cè)時(shí)所需要的各類信息和知識(shí)。在當(dāng)下戰(zhàn)場(chǎng)信息系統(tǒng)愈發(fā)復(fù)雜的前提下，決策者的決策必須由態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)和自動(dòng)化系統(tǒng)輔助了解當(dāng)前環(huán)境，從而進(jìn)行判斷。因此根據(jù)態(tài)勢(shì)感知Endsley所提出的基礎(chǔ)模型結(jié)合OODA環(huán)，梳理出現(xiàn)有戰(zhàn)斗機(jī)OODA環(huán)與態(tài)勢(shì)感知座艙信息結(jié)構(gòu)環(huán)境，見圖3。

軍事背景下的態(tài)勢(shì)感知被定義為“能夠獲得友軍、敵軍、中立地區(qū)和非戰(zhàn)斗地點(diǎn)的準(zhǔn)確實(shí)時(shí)信息；戰(zhàn)場(chǎng)的共同、相關(guān)信息圖式按照特定的興趣和特殊需要水平進(jìn)行比較”[29]。態(tài)勢(shì)的可視化的軟件產(chǎn)物就是（通用）作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)圖[30]。國外歐美軍事對(duì)態(tài)勢(shì)圖進(jìn)行了大量的探索和研究，如今戰(zhàn)斗機(jī)中控制/信息顯示技術(shù)比以往更加多樣化、靈活化，允許各種各樣的設(shè)計(jì)存在。航空電子傳感器和處理器的發(fā)展為飛行員提供了獲取更多、更準(zhǔn)確信息的能力，并以“融合”的形式呈現(xiàn)出來[20]。因此智能信息可視化模塊已成為各類態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊，信息可視化與態(tài)勢(shì)感知具有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性[31]，它直接關(guān)聯(lián)作戰(zhàn)人員的信息獲取與儲(chǔ)存方式，對(duì)未來戰(zhàn)場(chǎng)內(nèi)作戰(zhàn)人員的判斷將有較大影響，而信息可視化與態(tài)勢(shì)感知的關(guān)聯(lián)，見圖4。

圖3 戰(zhàn)斗機(jī)OODA環(huán)與態(tài)勢(shì)感知座艙信息結(jié)構(gòu)[28]

1）信息可視化是飛行員有效態(tài)勢(shì)感知來源。視覺感知可獲取的信息量和信息密度相對(duì)較大，其他交互通道可作為有效輔助，信息可視化為飛行員OODA環(huán)中態(tài)勢(shì)感知過程提供支持。

2）信息可視化增強(qiáng)態(tài)勢(shì)感知能力。飛行員利用可視化視圖進(jìn)行態(tài)勢(shì)感知，易于識(shí)別和理解復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中的要素，使態(tài)勢(shì)感知能力得到增強(qiáng)。

3）信息可視化支持態(tài)勢(shì)感知的各個(gè)層次可視化（可以支持感知層、理解層、預(yù)測(cè)層）。

圖4 現(xiàn)有飛機(jī)座艙態(tài)勢(shì)感知與信息結(jié)構(gòu)環(huán)境[28]

1.4 戰(zhàn)斗機(jī)座艙中信息可視化的發(fā)展分析

戰(zhàn)斗機(jī)座艙的發(fā)展無需追溯到萊特兄弟，作為世界上第一架飛機(jī)，它尚未形成完整的飛機(jī)座艙概念[32]。自第一架戰(zhàn)斗機(jī)Voisin III于第一次世界大戰(zhàn)問世以來[33]，戰(zhàn)斗機(jī)座艙跟隨戰(zhàn)斗機(jī)的性能推進(jìn)發(fā)展，逐步進(jìn)入智能化。1990年航空歷史學(xué)家Hallion[34]主張將戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)展劃分為6代，而按照一般國際標(biāo)準(zhǔn)將自二戰(zhàn)之后出現(xiàn)的噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)展劃分為了5個(gè)階段，目前我國將戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)展分為了4代[35]，見表2。

表2 戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)展迭代

Tab.2 Fighter aircraft's development

隨著信息時(shí)代的到來，戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境正在形成天地一體化大測(cè)繪的概念。這個(gè)信息化的大測(cè)繪是利用“海陸空”天地一體化的導(dǎo)航定位和遙測(cè)、遙感等空間數(shù)據(jù)獲取手段來自動(dòng)化、智能化和實(shí)時(shí)化地將信息隨時(shí)隨地提供給每個(gè)人，服務(wù)到每件事，戰(zhàn)斗機(jī)的海陸空信息一體化通過天地一體化網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)[36]。該網(wǎng)絡(luò)以地面網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)、以空間網(wǎng)絡(luò)為延伸，覆蓋太空、空中、陸地、海洋等自然空間，為天基、空基、陸基、?；雀黝愑脩舻幕顒?dòng)提供信息保障的基礎(chǔ)設(shè)施[37]。Buzan[38]同樣指出基于空間信息一體化技術(shù)，讓各國之間能夠精細(xì)觀察彼此，獲得大量戰(zhàn)場(chǎng)信息。戰(zhàn)斗機(jī)座艙內(nèi)部通過技術(shù)融合，整合地空一體化信息并實(shí)時(shí)傳輸至戰(zhàn)斗機(jī)。戰(zhàn)斗機(jī)作戰(zhàn)飛行人員通過傳輸信息獲得戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，形成態(tài)勢(shì)感知，見圖5。

文中梳理了戰(zhàn)斗機(jī)座艙的演變與發(fā)展（見表3），分析了隨著技術(shù)的發(fā)展和在軍事上的應(yīng)用與未來戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境逐步轉(zhuǎn)向天地信息一體化，對(duì)未來空中作戰(zhàn)OODA環(huán)特征發(fā)展的影響，初步總結(jié)得出未來智能座艙中OODA環(huán)和態(tài)勢(shì)感知信息結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，座艙中人機(jī)交互的發(fā)展趨勢(shì)與未來戰(zhàn)斗機(jī)中飛行員面臨的信息需求總結(jié)，期望為未來空戰(zhàn)的座艙設(shè)計(jì)提供借鑒和設(shè)計(jì)指導(dǎo)。

科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和系統(tǒng)綜合水平的提高是推進(jìn)座艙設(shè)計(jì)水平提升的關(guān)鍵力量。從第1代顯示儀表至第4代顯示儀表，每代顯示儀表的運(yùn)用都使座艙儀表板簡(jiǎn)潔化，同時(shí)促使工程師設(shè)計(jì)出相匹配的儀表布置原則，減輕飛行員的視覺負(fù)擔(dān)。系統(tǒng)綜合水平的提高使得座艙內(nèi)各系統(tǒng)的開關(guān)可以相互綜合，如幾個(gè)連貫的操作動(dòng)作，飛行員只需完成第1個(gè)，后續(xù)幾個(gè)由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制完成。此外，結(jié)合多功能顯示器，變“硬開關(guān)”為“軟開關(guān)”，戰(zhàn)斗機(jī)飛行員可直接在顯示器上完成操作。

戰(zhàn)斗機(jī)座艙的設(shè)計(jì)越來越強(qiáng)調(diào)人機(jī)工效，強(qiáng)調(diào)將飛行員與座艙及其環(huán)境的相互關(guān)系、協(xié)調(diào)性和人性化聯(lián)系起來綜合設(shè)計(jì)，使座艙任務(wù)作業(yè)更能夠與飛行員相適應(yīng)，而不是要求飛行員適應(yīng)座艙內(nèi)部硬件及其環(huán)境，從而減輕飛行員的負(fù)擔(dān)，讓不同飛行員可以舒適地操縱飛機(jī)，提高工作效率和安全性。第1代和第2代戰(zhàn)斗機(jī)的設(shè)計(jì)是為了最大限度地提高飛機(jī)的性能（例如速度、射程、有效載荷能力、機(jī)動(dòng)性等），而第3代戰(zhàn)斗機(jī)的性能則因任務(wù)和航空電子系統(tǒng)的進(jìn)步（例如隱形、監(jiān)視、武器等）而得到提高。第3代戰(zhàn)斗機(jī)采用了精確制導(dǎo)的彈藥系統(tǒng)，支持向視覺以外的交戰(zhàn)過渡。在向第4代戰(zhàn)斗機(jī)過渡的過程中，取得了一定的進(jìn)展，使戰(zhàn)斗機(jī)和多用途戰(zhàn)斗機(jī)能夠發(fā)揮空對(duì)空或空對(duì)地作用，或進(jìn)行空中偵察、監(jiān)視和支援。目前，第5代戰(zhàn)斗機(jī)正在開發(fā)中，以支持網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)。第5代戰(zhàn)斗機(jī)的特點(diǎn)是具有與其他飛機(jī)聯(lián)網(wǎng)的固有能力，并通過智能數(shù)據(jù)融合算法管理大量數(shù)據(jù)，從而增強(qiáng)了戰(zhàn)斗機(jī)飛行員在日益復(fù)雜情況下的情勢(shì)察覺和戰(zhàn)術(shù)決策能力。通過分析可見，從第1代到第5代，飛行員在空中作戰(zhàn)的OODA環(huán)循環(huán)觀測(cè)區(qū)域和行動(dòng)區(qū)域形態(tài)在不斷變化，戰(zhàn)斗機(jī)的座艙顯示與控制（顯控）系統(tǒng)是飛行員和飛機(jī)之間傳遞信息的界面，由顯示和控制2部分組成，見圖6。從第1代的觀測(cè)和行動(dòng)區(qū)域機(jī)械式分離，到第5代的信息融合，形成分布式態(tài)勢(shì)感知，空間擴(kuò)展。未來作戰(zhàn)在座艙內(nèi)的飛行員的感知能力和范圍大大增強(qiáng)，作戰(zhàn)行動(dòng)能力也更加自主靈活。

圖5 天地信息一體化示意圖[39]

表3 戰(zhàn)斗機(jī)座艙OODA環(huán)和態(tài)勢(shì)感知信息可視化迭代發(fā)展對(duì)照

Tab.3 The development of OODA andsituational awareness' information visualization in cockpit

續(xù)表1

1.5 戰(zhàn)斗機(jī)智能交互方式的發(fā)展

1）座艙顯示系統(tǒng)物理重構(gòu)–PCCADS（Panoramic Cockpit Control and Display System）。隨著態(tài)勢(shì)信息變得越來越復(fù)雜，有限的2D顯示可能不足以以容易理解的方式呈現(xiàn)飛行員的關(guān)鍵信息。大面積全景顯示器與立體3D分離技術(shù)相結(jié)合[62]，為飛行員提供了遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的態(tài)勢(shì)信息。四維全景顯示屏能夠在同一窗口中集中顯示[63]飛行空中地圖、地面的作戰(zhàn)地形、座艙狀態(tài)、作戰(zhàn)目標(biāo)，包含時(shí)間和空間關(guān)系的4D飛行軌跡[64]等內(nèi)容，同時(shí)還能分屏顯示飛行數(shù)字地圖、全景地圖、系統(tǒng)狀態(tài)及飛機(jī)各個(gè)飛行階段的相關(guān)信息等。四維全景顯示技術(shù)的應(yīng)用，能夠提高飛行員的感知力，當(dāng)下飛行員座艙顯示屏幕可輔助合成打擊功能路徑信息和地形圖像[65]，幫助飛行員進(jìn)行未來飛行軌跡及飛行信息的預(yù)測(cè)。

2）飛行員–戰(zhàn)斗機(jī)多智能體與自動(dòng)化。在技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，戰(zhàn)場(chǎng)上航行追蹤效率和打擊效率仍然有限，因此提出了下一代智能航空交通系統(tǒng)（SATS）[66]，即飛行員通過網(wǎng)絡(luò)鏈接和座艙內(nèi)智能體和空中交通管制員進(jìn)行溝通，飛機(jī)座艙內(nèi)的智能體和地面交通管理員將根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)情況，輔助飛行員進(jìn)行下一步動(dòng)作判斷，支持執(zhí)行和協(xié)調(diào)他們的活動(dòng)。人–智能體之間的交互設(shè)計(jì)符合交互設(shè)計(jì)研究的共性[67]。因此未來戰(zhàn)斗機(jī)座艙中將存在多智能體，飛行員與座艙中的智能體以及地面協(xié)管員形成“協(xié)同關(guān)系”，他們輔助飛行員與機(jī)載設(shè)備相互適應(yīng)，協(xié)同完成飛行打擊任務(wù)。其次是意圖推進(jìn)器，可綜合任務(wù)計(jì)劃內(nèi)容和機(jī)載系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)推斷飛行員下一步操作。最后是綜合自動(dòng)化，可給予機(jī)器適度權(quán)限，在減輕飛行員操作強(qiáng)度的同時(shí)保證決策的可靠性。

圖6 隨OODA環(huán)發(fā)展座艙中觀察行動(dòng)區(qū)域變化[16]

2 一體化座艙信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 座艙信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)

戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境巨大且復(fù)雜，當(dāng)下作戰(zhàn)可視化環(huán)境（The Joint Operations Visualization Environment）是面向戰(zhàn)術(shù)決策支持系統(tǒng)的可視化軟件產(chǎn)物。針對(duì)信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)已經(jīng)具有一定的研究基礎(chǔ)。針對(duì)國內(nèi)外信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究綜述，見表4。

表4 信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究綜述

Tab.4 Information system design review

續(xù)表2

2.2 目前面臨的問題與需求

2.2.1 目前面臨的問題

1）多任務(wù)處理。戰(zhàn)斗機(jī)座艙通過天地信息一體化智能網(wǎng)聯(lián)等信息感知方式讓戰(zhàn)斗機(jī)座艙內(nèi)的飛行員態(tài)勢(shì)感知范圍更廣，響應(yīng)速度更快，以達(dá)成同時(shí)發(fā)生的多任務(wù)形成，然而未來戰(zhàn)場(chǎng)面臨多平臺(tái)、多任務(wù)、復(fù)雜信息集合的特點(diǎn)，飛行員面對(duì)嘈雜、暴力、混亂的空戰(zhàn)領(lǐng)域，可能同時(shí)需要處理來自眼睛和耳朵的信息，并同步控制世界上最復(fù)雜、需要最快響應(yīng)的機(jī)器。因此空中作戰(zhàn)的多任務(wù)處理仍然是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。當(dāng)下針對(duì)多任務(wù)處理的挑戰(zhàn)并行提出，精神學(xué)家Meyer提出人類無法完成多任務(wù)處理[83]，飛行員可通過訓(xùn)練，切實(shí)努力突破自身并完成多任務(wù)空中作戰(zhàn)操作處理。當(dāng)下天地信息一體化背景下信息復(fù)雜度提高，多任務(wù)同步處理難度提升，同步多任務(wù)處理對(duì)飛行員仍是重大挑戰(zhàn)。

2）多層級(jí)。信息分布于多層級(jí)結(jié)構(gòu)上應(yīng)用，擁有機(jī)構(gòu)清晰、配置靈活可跨平臺(tái)等優(yōu)點(diǎn)[84]。在數(shù)據(jù)總量增加、種類增多、不斷擴(kuò)張的基礎(chǔ)上，飛機(jī)座艙內(nèi)設(shè)備和其他連接到互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備傳感器的增加，輔助戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知數(shù)據(jù)生成和增長(zhǎng)的速度正在加快。艙內(nèi)同時(shí)采用云服務(wù)來存儲(chǔ)、處理和分析數(shù)據(jù)，因此針對(duì)座艙內(nèi)信息顯示和處理的層級(jí)也會(huì)不斷增加。

3）信息爆炸。一體化信息集成至座艙后，座艙內(nèi)信息更加復(fù)雜，通過信息一體化飛行員可感知一定時(shí)間和環(huán)境要素，提升態(tài)勢(shì)感知整體能力。但戰(zhàn)場(chǎng)一體化信息數(shù)據(jù)體量龐大，信息數(shù)量增加，信息來源復(fù)雜、模態(tài)多樣。在作戰(zhàn)過程中飛行員需要迅速接收信息并對(duì)信息做出反應(yīng)。在空中作戰(zhàn)狀態(tài)瞬息變化，由于信息來源的噪音、缺失、不一致等造成信息來源的不確定性，飛行員識(shí)別信息的過程和操作復(fù)雜度提升?，F(xiàn)有的戰(zhàn)斗機(jī)布局已不能適配未來戰(zhàn)場(chǎng)。

4）多智能體下的協(xié)同信任。飛行員與自動(dòng)化交互的主要問題之一是缺乏模式意識(shí)[85]（即自動(dòng)化當(dāng)前和未來的狀態(tài)和行為），當(dāng)自動(dòng)化采取意外行動(dòng)或未能按預(yù)期運(yùn)行時(shí)，飛行員有時(shí)會(huì)遇到所謂的自動(dòng)化意外。缺乏模式意識(shí)和自動(dòng)化意外可以被視為人與機(jī)器的屬性和能力不匹配的癥狀。

當(dāng)下戰(zhàn)斗機(jī)座艙中面臨的主要問題仍然是信息來源。多層、多樣化、來源多方的信息造成飛行員認(rèn)知負(fù)荷。戰(zhàn)場(chǎng)信息由多方判定，飛行員需要快速反應(yīng)，針對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)信息做出反饋，操作形成精準(zhǔn)打擊，而隨著技術(shù)的發(fā)展，未來智能座艙的信息維度將進(jìn)一步提升，在下一步的設(shè)計(jì)中，戰(zhàn)斗機(jī)智能座艙的信息整合仍是重中之重。

2.2.2 飛行員需求分析

飛行員需要進(jìn)行飛行操控，在戰(zhàn)場(chǎng)中進(jìn)行必要的機(jī)動(dòng)操作。飛行員的迫切要求是能以簡(jiǎn)單易懂的方式自動(dòng)實(shí)時(shí)地顯示所需要的信息[16]。通過文獻(xiàn)調(diào)研得知，戰(zhàn)斗機(jī)飛行員需要顯示信息簡(jiǎn)單直觀，友好且協(xié)調(diào)有序以應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境和瞬息萬變的戰(zhàn)斗狀態(tài)?，F(xiàn)代空戰(zhàn)包含視距內(nèi)和超視距作戰(zhàn)，擁有超視距作戰(zhàn)能力將在空中具有更高獲勝率[86]。在原有5代戰(zhàn)機(jī)（中國4代機(jī)）“Super Maneuverability”（超機(jī)動(dòng)性）、“Super Sonic Cruise”（超音速巡航）、“Stealth”（隱身）、“Superior Avionics for Battle Awareness and Effectiveness”（高可維護(hù)性和超視距打擊）的基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步升級(jí)。超視距作戰(zhàn)[87]帶來的變化能夠減少超機(jī)動(dòng)動(dòng)作的需求，因此更多的時(shí)候處于遠(yuǎn)距離信息作戰(zhàn)的操作中。未來多頻段高隱身作戰(zhàn)也需要飛行員能在駕艙中獲取更明確的敵我識(shí)別信息[88]。具備超視距感知和作戰(zhàn)能力，可提前對(duì)超視距空域進(jìn)行探測(cè)和空域目標(biāo)進(jìn)行分析、監(jiān)視等工作，聯(lián)合操作形成超視距打擊。由于未來戰(zhàn)斗機(jī)武器性能提高，可聯(lián)合無人作戰(zhàn)平臺(tái)進(jìn)行協(xié)同作戰(zhàn)。因此需要飛行員進(jìn)行戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)評(píng)估，對(duì)僚機(jī)（無人作戰(zhàn)武器）進(jìn)行指揮工作[89]。同時(shí)需要聯(lián)合空、地等指揮單位執(zhí)行超視距的打擊任務(wù)。未來戰(zhàn)斗機(jī)的部分任務(wù)會(huì)被智能化系統(tǒng)替代，但是由于戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，可能出現(xiàn)自主化系統(tǒng)失效或者無法應(yīng)對(duì)特殊情況等情形，因此需要飛行員與自主化系統(tǒng)進(jìn)行人機(jī)協(xié)同操作，必要時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行接管等動(dòng)作，見圖7。

圖7 智能戰(zhàn)斗機(jī)座艙中信息和功能要素分析

2.3 戰(zhàn)斗機(jī)座艙信息一體化設(shè)計(jì)

一體化設(shè)計(jì)是一種綜合整體的設(shè)計(jì)方法，匯集了通常單獨(dú)考慮的專業(yè)。它試圖考慮決策過程所需的所有因素和調(diào)節(jié)[90]。Stevens等[91]指出一體化設(shè)計(jì)的出現(xiàn)主要有3個(gè)原因，其中之一即部分的信息分散，一體化設(shè)計(jì)可協(xié)助整體的協(xié)調(diào)以實(shí)現(xiàn)其信息協(xié)同的潛力[92]。建筑師赫爾佐格同樣提出一體化設(shè)計(jì)在于通過科學(xué)的設(shè)計(jì)方法，整合多個(gè)學(xué)科的最新科學(xué)知識(shí)，并將之體現(xiàn)在最終的設(shè)計(jì)或者設(shè)計(jì)概念的發(fā)展中[93]。一體化設(shè)計(jì)體現(xiàn)在不同設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，比如建筑物的整體建筑設(shè)計(jì)[94]，其中包括建筑學(xué)、結(jié)構(gòu)工程和建筑與可持續(xù)發(fā)展設(shè)計(jì)等。該方法也可以整合建筑生命周期管理與建筑物最終用戶的更多考慮[95]。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面，一體化設(shè)計(jì)主張作用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的創(chuàng)意過程和產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，以及整合資源等系統(tǒng)[96-97]。當(dāng)不同的專業(yè)相互依賴或“耦合”時(shí)，就需要進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)。

2.4 信息一體化（框架）設(shè)計(jì)和以人為本的理念

戰(zhàn)斗機(jī)智能座艙在多技術(shù)融合、大數(shù)據(jù)支持的態(tài)勢(shì)感知基礎(chǔ)上，應(yīng)當(dāng)了解整體戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的態(tài)勢(shì)感知、一體化天地信息和地面協(xié)同信息，輔助飛行員通過傳感器捕捉到的外界信息，了解機(jī)載狀態(tài)和戰(zhàn)場(chǎng)情況，圍繞作戰(zhàn)任務(wù)展開行動(dòng)。楊建民提出，當(dāng)下軍事信息系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)綜合考慮開發(fā)環(huán)境、參與者、需求和設(shè)計(jì)流程[98]。結(jié)合OODA環(huán)下對(duì)態(tài)勢(shì)感知，人們認(rèn)為作戰(zhàn)飛行員于空中戰(zhàn)場(chǎng)應(yīng)當(dāng)了解座艙內(nèi)的具體信息，并通過座艙信息系統(tǒng)理解戰(zhàn)場(chǎng)情況，擴(kuò)展戰(zhàn)場(chǎng)感知視野，及時(shí)進(jìn)行調(diào)整并針對(duì)實(shí)時(shí)信息進(jìn)行反饋行動(dòng)。同時(shí)座艙能夠監(jiān)測(cè)飛行員狀態(tài)，并通過智能體進(jìn)行交互，給出建議，輔助飛行員實(shí)施最終的打擊任務(wù)，整體圍繞戰(zhàn)場(chǎng)信息、飛行員和戰(zhàn)斗機(jī)座艙，針對(duì)OODA環(huán)中的從觀察、調(diào)整到?jīng)Q定行動(dòng)，進(jìn)行了信息整合的一體化框架設(shè)計(jì)，見圖8。

3 面向信息一體化的智能戰(zhàn)斗機(jī)座艙設(shè)計(jì)

座艙中的3個(gè)重要方面分別是外界戰(zhàn)場(chǎng)關(guān)鍵感知，內(nèi)部座艙感知及操作。在一體化的視角下，分析具體設(shè)計(jì)中具體功能和信息要素，形成整合圖鑒（見圖8），并在流程設(shè)計(jì)方面，對(duì)每個(gè)信息的相關(guān)環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其中問題，通過一體化理念進(jìn)行調(diào)節(jié)整合分析。戰(zhàn)斗機(jī)座艙是飛行員在空中進(jìn)行巡航、作戰(zhàn)等操作的核心區(qū)域，座艙設(shè)計(jì)體現(xiàn)了戰(zhàn)斗機(jī)的綜合技術(shù)水平，也在一定程度上反映出它的作戰(zhàn)能力。戰(zhàn)斗機(jī)座艙設(shè)計(jì)是一項(xiàng)以飛機(jī)的作戰(zhàn)任務(wù)，戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為依據(jù)，充分考慮人的生理、心理諸因素，以充分發(fā)揮人–機(jī)系統(tǒng)工效的系統(tǒng)工程。2021年以“未來”“科技”與“人因”為主題的首屆未來座艙創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽，“X–Fighting面向信息一體化的智能座艙設(shè)計(jì)”探討了面向未來空中戰(zhàn)場(chǎng)OODA環(huán)循環(huán)中新態(tài)勢(shì)感知下的座艙設(shè)計(jì)研究。

駕駛員對(duì)內(nèi)飾造型的感知首先來自空間感知，其次是形態(tài)特征[99]。針對(duì)此次戰(zhàn)斗機(jī)座艙設(shè)計(jì)，考慮側(cè)重座艙內(nèi)單人駕駛戰(zhàn)斗機(jī)的場(chǎng)景，孫海洋等提出基于場(chǎng)景的設(shè)計(jì)由一種思維模式發(fā)展為一種有組織的方式[100]，而場(chǎng)景一詞由戲劇延伸而來，代表：“在一段時(shí)間內(nèi)，空間中所發(fā)生的敘事性動(dòng)作行為構(gòu)成的場(chǎng)景畫面”。因此在單人面對(duì)多任務(wù)與復(fù)雜信息處理的場(chǎng)景下，對(duì)座艙內(nèi)可視化區(qū)域和內(nèi)部的空間元素進(jìn)行一體化整合，平衡戰(zhàn)斗機(jī)飛行員的OODA環(huán)下針對(duì)態(tài)勢(shì)感知反饋的動(dòng)作、行為和戰(zhàn)斗機(jī)座艙空間中布局，以達(dá)成駕駛戰(zhàn)斗機(jī)和打擊目標(biāo)二者任務(wù)的平衡條件下實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)打擊目標(biāo)。其中對(duì)于信息獲取階段，基于信息一體化設(shè)計(jì)框架中紅色部分所提出的交互信息一體化設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)顯示方式的區(qū)別在于將不再局限于單一的物理設(shè)備，而是多位置、多顯示形式、多通道的整合（見圖8），將傳統(tǒng)的物理儀表盤整合成為一體的環(huán)繞式曲面屏幕（見圖9–01），根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)信息、指揮部信息，以及根據(jù)不同飛行員動(dòng)作習(xí)慣，進(jìn)行個(gè)性化設(shè)置等層級(jí)進(jìn)行分解分級(jí)，對(duì)信息分布、不同顯示區(qū)域的信息傳遞、不同信息維度的可視化等維度進(jìn)行設(shè)計(jì)。飛行員可以在視線不離開前方路面的前提下，獲得各類信息，有效地提高駕駛的安全性，獲得更加直接的操作動(dòng)作。平視顯示系統(tǒng)將導(dǎo)航、空中情況、自身情況等數(shù)據(jù)，可視化處理到前方屏幕中的位置，幫助駕駛員獲取駕駛信息、輔助駕駛信息和打擊目標(biāo)獲取與分級(jí)，并且平視顯示提升駕駛安全，降低駕駛員認(rèn)知負(fù)荷的優(yōu)點(diǎn)，使其具有更大的戰(zhàn)場(chǎng)場(chǎng)景和環(huán)境空間觀測(cè)區(qū)域（見圖9–02）。在未來飛機(jī)座艙內(nèi)或?qū)⒚媾R龐大的多樣化信息，而搭載平視顯示的環(huán)繞屏幕也可根據(jù)不同信息進(jìn)行界面的重新整合與分級(jí)。

圖8 基于信息一體化未來智能戰(zhàn)斗機(jī)座艙設(shè)計(jì)框架

在交互形式上，見圖8所示框架中從決定到行動(dòng)部分，整體概念設(shè)計(jì)基于戰(zhàn)斗機(jī)飛行員從態(tài)勢(shì)感知到?jīng)Q策動(dòng)作的瞬時(shí)觸發(fā)性考慮，利用眼動(dòng)鎖定敵機(jī)，快速通過駕駛員語音交互決策，下方柔性屏幕快速切換為物理按鍵屏幕用以適應(yīng)飛行員的快速打擊行為，自動(dòng)化適應(yīng)并完成一系列操作。見圖9–03中，通過虛擬AR戰(zhàn)斗平臺(tái)規(guī)劃最佳追蹤路徑并鎖定了敵機(jī)對(duì)象之后，交互信息系統(tǒng)（見圖9–04）將在玻璃罩艙及AR中顯示對(duì)敵機(jī)方位的鎖定，此時(shí)空中信息與飛行員的實(shí)時(shí)交互為整體背景，飛行員根據(jù)規(guī)劃路徑進(jìn)行決策追蹤并直接利用語音交互下達(dá)對(duì)此目標(biāo)的操作準(zhǔn)備命令，如“發(fā)射導(dǎo)彈”“雷達(dá)鎖定”等指令，通過可變形觸摸屏幕上的按鈕進(jìn)行攻擊。觸摸技術(shù)提供了許多優(yōu)勢(shì)[56]（觸摸屏提供更加直觀的操作可進(jìn)行直接操作，更容易形成手眼協(xié)調(diào)），有助于保持飛行員的注意力向上和向前，以實(shí)現(xiàn)更安全和更有效的飛行[101]。

為解決未來遇到在視距和超視距作戰(zhàn)中，對(duì)空中信息的判斷不準(zhǔn)確造成無效打擊或誤傷隊(duì)友的情況，X–Fighting 智能座艙中將根據(jù)圖8框架中提出的對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)信息進(jìn)行天地信息一體化協(xié)同，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)導(dǎo)出顯示在作戰(zhàn)交互系統(tǒng)終端屏幕（見圖10）實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程信息與終端參與輔助判斷，進(jìn)行飛行中的任務(wù)判斷輔助，達(dá)成明確的敵我判斷，并針對(duì)敵方目標(biāo)進(jìn)行分級(jí)判斷，排列優(yōu)先打擊對(duì)象層級(jí)。

圖9 X–Fighting面向信息一體化作戰(zhàn)的智能座艙

圖10 X–Fighting 作戰(zhàn)交互系統(tǒng)

Fig.10 X-Fighting's information system

座艙系統(tǒng)設(shè)計(jì)需以駕駛員為中心，駕駛員作為座艙的使用者和決策的最終決定者，只有在座艙系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全流程中關(guān)注飛行員在OODA環(huán)中不同環(huán)節(jié)中需求，才能保證座艙系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果的有效性，并體現(xiàn)其最終價(jià)值。戰(zhàn)斗機(jī)作戰(zhàn)流程根據(jù)OODA環(huán)模型可大致細(xì)分為巡航、目標(biāo)識(shí)別、超視距打擊、視距內(nèi)打擊、組織戰(zhàn)斗協(xié)同、效果評(píng)估等6個(gè)階段，見圖12。

1）巡航階段。根據(jù)天地一體化信息，綜合使用各類情報(bào)信息，一體化整合為統(tǒng)一態(tài)勢(shì)信息。飛行員通過座艙內(nèi)的環(huán)繞屏顯示系統(tǒng)直觀地查看戰(zhàn)場(chǎng)空域?qū)ο笄闆r，包括友方戰(zhàn)機(jī)位置及部署，敵機(jī)數(shù)量、空域位置和戰(zhàn)機(jī)戰(zhàn)力信息等。

2）目標(biāo)識(shí)別階段。針對(duì)天地一體化信息對(duì)目標(biāo)性質(zhì)加以判別識(shí)別，確定戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息，飛行員通過座艙全息顯示系統(tǒng)查看整個(gè)三維戰(zhàn)場(chǎng)物理域信息，開始協(xié)同作戰(zhàn)部署和指揮，向友機(jī)發(fā)送作戰(zhàn)指令，包括友機(jī)需到達(dá)位置，以及動(dòng)作路線。

3）超視距打擊階段。指揮控制協(xié)同作戰(zhàn)武器平臺(tái)或由自身攜帶的遠(yuǎn)距空對(duì)空導(dǎo)彈發(fā)起攻擊，同時(shí)通過座艙內(nèi)全息顯示系統(tǒng)查看導(dǎo)彈的飛行位置。

4）進(jìn)入視距內(nèi)攻擊階段。系統(tǒng)完成超視距范圍的打擊之后，遭遇同等優(yōu)勢(shì)戰(zhàn)機(jī)的視距內(nèi)侵入。此時(shí)，飛行員切換目視距離戰(zhàn)斗模式，座艙內(nèi)顯示屏（下視顯示器）變換為物理操作按鍵，飛行員對(duì)其進(jìn)行功能自定義，并在近距離空戰(zhàn)中快捷操作實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作。進(jìn)入纏斗階段，飛行員利用艙蓋全景顯示器標(biāo)定和凸顯敵機(jī)位置（見圖11），在智能作戰(zhàn)系統(tǒng)導(dǎo)引下尋找導(dǎo)彈發(fā)射位置，最終擊落敵機(jī)。

5）打擊效果評(píng)估階段。綜合使用各種探測(cè)器材和情報(bào)信息，評(píng)估打擊效果，必要時(shí)組織兵力抵近觀察、判別，綜合運(yùn)用各種手段，評(píng)估前期打擊效果，視情況組織兵力實(shí)施補(bǔ)充打擊。

圖11 X–Fighting 智能座艙

Fig.11 X-Fighting's intelligent cockpit

圖12 X-Fighting 智能戰(zhàn)斗機(jī)作戰(zhàn)流程

4 結(jié)語

針對(duì)未來技術(shù)不斷發(fā)展的復(fù)雜天地信息一體化戰(zhàn)場(chǎng)背景下，對(duì)戰(zhàn)役級(jí)OODA環(huán)下的作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)認(rèn)知與相關(guān)信息可視化進(jìn)行了探討。厘清了OODA環(huán)框架下作戰(zhàn)人員的作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)認(rèn)知信息需求，梳理了一體化信息設(shè)計(jì)下戰(zhàn)斗機(jī)飛行員在作戰(zhàn)流程場(chǎng)景中的動(dòng)作需求。提出了一體化信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，并建立概念模型。根據(jù)模型進(jìn)行了座艙內(nèi)信息布局和空間設(shè)計(jì)，平衡空間關(guān)系與戰(zhàn)斗機(jī)飛行員不同階段動(dòng)作需求。達(dá)成快速感知瞬時(shí)打擊敵方動(dòng)作實(shí)現(xiàn)，為在未來空戰(zhàn)中提前切入敵方OODA環(huán)奪取戰(zhàn)場(chǎng)先機(jī)提供設(shè)計(jì)指導(dǎo)。

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Space-time Information-based Integrated Battlefield Fighter Cockpit Design

ZHAO Dan-hua1, XUE Zhong-jie1, TAN Zheng-yu2, ZHANG Rui-fo1

(1.Department of Design, Hunan University, Changsha 410082, China; 2.Research Institute of Hnu In Chongqing, Chongqing 401121, China)

In the face of the complex air-space-ground integrated battlefield environment in the future, this paper aims to analyze the important nodes in the battle-level "OODA loop" and some concepts of the related situational awareness information cognitive model have to clarify, and clarifies the specific pilot needs in the cockpit information channel and the OODA loop process scenario, provides guidance for pilots to obtain integrated information situational awareness in the air to quickly cut into the enemy's OODA loop, implement strikes and gain battlefield advantages. From the perspective of the iterative development of fighter jets, the evolution process of the cockpit is analyzed, and the impact and trends of current technological development on the information structure and overall layout of the future cockpit are discussed. Through corresponding literature review, the situational awareness information requirements of pilots in each combat loop of the OODA loop are put forward. In addition, through the integration model, the fighter combat information in different stages and scenarios is integrated to form an integrated system of combat in the cockpit, and through the conceptual design, the pilot's movement requirements and the information space layout in the fighter cockpit are balanced to achieve a preliminary verification and expression theoretical framework. In conclusion, by analyzing the OODA loop in combination with the situational awareness model, the research on the integrated design of the fighter intelligent cockpit information system is carried out. Placing emphasis on the pilot's action requirements in the combat process, the fighter intelligent cockpit design via the integrated framework integrates with multi-source, multi-layer and multi-amount information. Furthermore, an information-integrated fighter cockpit design centered on the pilot's combat task action in the OODA loop combat process is deisgned to serve the army, which boasts guiding significance for future fighter design.

OODA loop; situation awareness; fighter's intelligent cockpit; integrated design; scenario and actions information system

TB472

A

1001-3563(2022)14-0001-16

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.14.001

2022–02–08

國家社科藝術(shù)基金（20BG103）

趙丹華（1982—），女，博士，教授，主要研究方向?yàn)橹腔圩撆c出行體驗(yàn)、情感設(shè)計(jì)與人因分析、設(shè)計(jì)研究范式與邊界、汽車造型特征與特征線。

責(zé)任編輯：陳作