鄭佳佳 周 健

（中國電子科技集團公司第二十八研究所 南京 210023）

1 引言

現(xiàn)在戰(zhàn)爭的趨勢是一體化聯(lián)合作戰(zhàn)，海量戰(zhàn)場信息是聯(lián)合作戰(zhàn)的突出特點，作戰(zhàn)優(yōu)勢在于戰(zhàn)場信息的加工、處理和轉(zhuǎn)化，只有讓戰(zhàn)場信息主動“開口說話”，指揮員才能突破“戰(zhàn)爭迷霧”，準(zhǔn)確掌握戰(zhàn)場動態(tài)和預(yù)判下一階段行動計劃。

2 戰(zhàn)場信息可視化研究現(xiàn)狀

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

為促進戰(zhàn)場信息可視化發(fā)展，美國國防高級研究計劃局（DARPA）研制了可實時顯示的“戰(zhàn)場信息可視化情報系統(tǒng)”；美國海軍實驗室（NRL）資助開發(fā)了“龍”戰(zhàn)場可視化系統(tǒng)；美國陸軍把戰(zhàn)場信息可視化納入《陸軍訓(xùn)練與條令條例》中。

軍事大國紛紛將戰(zhàn)場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，國內(nèi)移動互聯(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，由于軍隊信息化基礎(chǔ)薄弱，在戰(zhàn)場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)場信息可視化具有重要價值

從技術(shù)角度來看，聯(lián)合作戰(zhàn)指揮的情報信息量大、時效性高、來源廣且價值密度低的數(shù)據(jù)集；從認(rèn)知能力看，隨著情報技術(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)場信息可視化主要體現(xiàn)以下重要價值：

1）大大擴展了指揮員對戰(zhàn)場態(tài)勢感知的深度和廣度，綜合感知戰(zhàn)場地形地貌、兵力部署、攻防范圍等影響因子；

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

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

4）為聯(lián)合作戰(zhàn)各級指揮中心提供了從發(fā)現(xiàn)敵情到實際行動的全周期戰(zhàn)場態(tài)勢監(jiān)控可視化大屏；

5）通過戰(zhàn)場信息可視化支撐聯(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)場信息可視化設(shè)計方法

聯(lián)合作戰(zhàn)指揮信息系統(tǒng)的戰(zhàn)場信息可視化包括地理環(huán)境可視化、武器裝備可視化、戰(zhàn)場態(tài)勢可視化、電磁對抗可視化、網(wǎng)絡(luò)作戰(zhàn)可視化、行動監(jiān)控可視化等內(nèi)容，根據(jù)其內(nèi)容提出一套戰(zhàn)場信息可視化人機交互設(shè)計方法。

4.1 首先重點分析指揮員的實際和潛在需求

在《交互設(shè)計精髓》中，Alan Cooper將用戶需求歸納成三個模型：實際模型、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)場信息集，右側(cè)是指揮員潛在需求，設(shè)計者需要對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議確定指揮員實際和潛在需求。

圖1 分析指揮員實際需求和潛在需求模型

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

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

圖2 整編原始情報和選擇可視化結(jié)構(gòu)

4.3 基于時空的多維空間構(gòu)建戰(zhàn)場態(tài)勢仿真模型

戰(zhàn)場態(tài)勢指的是基于時空的多維作戰(zhàn)空間，包括自然環(huán)境、人文環(huán)境、電磁對抗、戰(zhàn)場設(shè)施、兵力部署等［3］。構(gòu)建這種時空共存的戰(zhàn)場態(tài)勢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特點的Unity3D引擎來實現(xiàn)仿真系統(tǒng)的開發(fā)，利用計算機建模軟件仿真實際和預(yù)演的動態(tài)變化的戰(zhàn)場態(tài)勢，具體構(gòu)建方法如下：

1）利用采集的遙感測繪數(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）對于區(qū)域戰(zhàn)場尤其是交戰(zhàn)區(qū)、訓(xùn)練場，需要精確構(gòu)建局部戰(zhàn)場空間細(xì)節(jié)，如天氣、季風(fēng)等；

3）將兵力、裝備、設(shè)施等實體模型和打擊范圍、探測范圍、防御范圍等能力模擬導(dǎo)入Unity3D 引擎開發(fā)工具；

4）通過Unity3D 引擎實現(xiàn)空間關(guān)聯(lián)，利用C#開發(fā)腳本文件實現(xiàn)單元動作交互及場景控制，如動目標(biāo)的活動軌跡、電磁環(huán)境覆蓋范圍、火力打擊范圍等；

5）根據(jù)實際需要為武器裝備、行動軌跡、衛(wèi)星照射范圍、警醒效果等戰(zhàn)場態(tài)勢變化和細(xì)節(jié)動作添加動態(tài)效果。

圖3 構(gòu)建戰(zhàn)場態(tài)勢仿真模型的方法

4.4 依照任務(wù)階段實時反饋戰(zhàn)場動態(tài)

在聯(lián)合作戰(zhàn)指揮信息系統(tǒng)中，利用衛(wèi)星定位、指令和報告以統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議互聯(lián)互通，通過態(tài)勢屏、行動甘特圖和執(zhí)行矩陣三種視圖對任務(wù)行動和任務(wù)部隊實時監(jiān)控，實現(xiàn)指揮員對戰(zhàn)場動態(tài)的掌握和下一階段行動計劃的預(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)勢圖視圖上，實時、近實時了解作戰(zhàn)態(tài)勢發(fā)展。任務(wù)行動實際進展與計劃時間對比需要采用行動甘特圖視圖，以泳道圖形式表達母子任務(wù)行動實際與計劃的執(zhí)行時間、執(zhí)行狀態(tài)、任務(wù)行動間的關(guān)聯(lián)關(guān)系、里程碑關(guān)鍵點、告警提示等信息。描述具體的任務(wù)行動執(zhí)行情況采用執(zhí)行矩陣視圖，這種視圖描述了任務(wù)行動的名稱、執(zhí)行時間、狀態(tài)、里程碑關(guān)鍵點、具體內(nèi)容、執(zhí)行效果等詳細(xì)信息，并且可以以報告形式向上級匯報［4］。

這三種視圖綜合使用，可以讓指揮員從部隊狀態(tài)、敵我態(tài)勢、任務(wù)視角、時間視角、空間視角等不同角度全方位反饋戰(zhàn)場動態(tài)和計劃執(zhí)行情況。

4.5 尊重指揮員使用習(xí)慣設(shè)計人機交互界面

在整個戰(zhàn)場信息可視化設(shè)計過程中，人機交互界面是直面指揮員的“最后一公里”，直接決定了戰(zhàn)場信息可視化“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)計者：

1）根據(jù)指揮員實際使用場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；

3）借助指揮員過去的經(jīng)驗和習(xí)慣，設(shè)計可視化場景交互、圖表呈現(xiàn)、行動監(jiān)控等設(shè)計。

4.6 進行定性定量的人機交互可用性測試

在聯(lián)合作戰(zhàn)指揮信息系統(tǒng)版本推廣之前，必須對其可視化模塊進行易學(xué)性、易記性、容錯性、操作效率和用戶滿意度的可用性評估，從而建立設(shè)計評價模型，在版本推廣前發(fā)現(xiàn)可用性問題改進設(shè)計。通常采用定性和定量評價兩種結(jié)合的可用性測試方法。

定性評價可以采用調(diào)查問卷、行為觀察、用戶訪談、經(jīng)驗評價等方式，定性評價需要預(yù)先設(shè)定樣本容量、實驗方法和實驗?zāi)康?，再獲得小規(guī)模樣本評價數(shù)據(jù)。

定量評價可以采用功能埋點測試、日志文件分析和眼動追蹤測評方式，建立實驗?zāi)繕?biāo)和條件假設(shè)、實驗設(shè)計、實驗運行和數(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，分析了場信息可視化對數(shù)據(jù)、指揮員和指揮中心的重要價值，并結(jié)合戰(zhàn)場可視化技術(shù)，提出了從分析指揮員需求到可用性評估的一整套戰(zhàn)場可視化人機交互設(shè)計方法和流程，為以后戰(zhàn)場信息可視化設(shè)計者進行設(shè)計提供了參考依據(jù)，彌補在戰(zhàn)場可視化領(lǐng)域人機交互設(shè)計的方法論。