基于直接操控的舰炮对岸射击准备人机交互设计*

汪汇川，郭 勇

(1.海军大连舰艇学院，辽宁 大连 116018;2.海军装备研究院，北京 100161)

传统舰炮武器对岸射击最后准备人机交互都存在着操作复杂、时间长、操控要求高、难以满足作战快速性要求等缺点，严重制约了舰炮武器作战效能的发挥，如何简化操控，快速规划、构建射击信息通道，缩短对岸最后准备时间，提高完成作战任务的快速性，是亟待研究和解决的重大问题。

直接操控的人机交互，使用快速、可逆、递增的操作，以及用指点操作替代输入命令来指向感兴趣对象，提供可管理、可预测、可控的操作，具有易懂、快捷、简单、可逆，并使操控者感到愉悦的特点［1］。本文将直接操控思想引入到舰炮武器系统对岸射击最后准备的人机交互中，目的在于通过图形可视化界面来引导操控人员更加便捷有效地对舰炮作战进行操控，大幅度简化战时操控负荷，提高快速反应能力和作战效能。

1 射击准备中人机交互

图1为舰炮对岸射击准备内容与流程。以发现目标为界，舰炮对岸射击准备分为预先准备和最后准备。

在预先准备阶段必须要输入的参数有弹道气象、射击任务、目标幅员、辅助瞄准点、岸目标坐标、陆单观测所、陆双观测所、空观测所等8项内容。这些参数在实施最后准备之前已经装订完毕，是最后准备阶段指挥员进行战术决策的前提条件［2］。

最后准备阶段人机交互必须输入的信息有“打击目标、瞄准方式、观测方式、射效观测”等4项内容，其实质是通过舰炮对岸射击信息通道组织完成。通过组建舰炮对岸射击信息通道，解决目标相对坐标、射击效果获取手段与途径问题，为舰炮射击诸元计算、射击校正量计算和指挥决策提供依据。

2 人机交互建模

根据舰炮人机交互内容和交互流程，结合直接操控的可视化要求，对完成舰炮对岸射击的人机交互任务的操控行为进行归纳和设计，围绕操控行为的实现，建立舰炮对岸射击直接操控人机交互的算法流程和可视化模型，实现舰炮对岸射击人机交互的直接操控。

2.1 操控行为

舰炮对岸射击准备阶段的信息类型多，信息量大，记忆困难，要求指挥员快速做出反应并实施操控。根据直接操控人机界面的特点，采用图形可视化技术，将所有涉及信息要素以图形的形式集成在一幅图中，同时运用增强现实技术对指挥员进行信息提示，对图形进行操控，实现射击信息通道组织与更改，不需要切换页面和记忆相应的内容，使操控更加直观、简单、快捷。具体行为有以下四个。

图1 舰炮对岸射击准备内容与流程

1)选中操作对象

坐标观测器、辅助瞄准点、待打击目标在任意时刻各自仅能其中之一选中有效，后选中有效同时取消前一个选中;观测所可同时多个选中有效，必须与实际承担炸点观测任务相一致。操作时点击某个对象，对象背景绿色时表示选中有效。

2)取消操作对象

点击某个已选对象时，取消此选中对象，对象背景由绿色变为白色。

3)选中通道对象

将选中对象之间用绿色线连接起来，组成射击信息通道，其中:选中某观测所与某目标时，生成射效观测(目)线，射效观测线可有多条;无辅助瞄准点时，自动生成坐标观测器到目标的直接瞄准线;有辅助瞄准点时，自动生成某坐标观测器到辅助瞄准点的间接瞄准线和辅助瞄准点到目标的基线，直接瞄准线与间接瞄准线互斥，当前有效时自动删除先前的。

4)取消通道对象

当取消操作对象后，与此操作对象相关的通道连线自动删除。

2.2 交互流程

为使操控简单、快速、准确，指挥员通过在单幅图上的视觉判断，获得射击信息通道组织全部信息，并在同一幅图上进行射击信息通道组织的操控，操控结果显示在图上并清晰地呈现在指挥员面前，以便确认更改。图2给出了舰炮对岸射击准备人机交互算法流程。

流程中的当前相关组指的是可以进行连线的不同类型内容，如当辅助瞄准点被选择时，相关组={观测器和辅助瞄准点，辅助瞄准点和目标，观测所与目标};当辅助瞄准点未被选择时，相关组={观测器和目标，观测所与目标}。

图2 舰炮对岸射击准备人机交互算法流程

2.3 可视化模型

本文以舰炮射击信息通道组织为例，其可视化是指将n个坐标观测器、p个辅助瞄准点、w个观测所、q个待打击目标以图形方式呈现在操控人员面前。指挥员进行操控时，直接对图形进行选择操控，自动构建出目标相对坐标和射击效果获取信息通道呈现在操控者面前，即信息通道组织可视化过程。其视觉模型按照操控行为的要求遵循一定的规则，同时，信息的存储和反馈驱动了界面内容的变化，需要设计相应的数据结构。因此，信息通道组织可视化建模包括数据结构设计和规则库建立。

2.3.1 数据结构

数据结构设计为无向图，将待选择的射击通道组织内容标记为图中的点，而射效观测(目)线标记为线进行计算和存储。

结构图中将坐标观测器、辅助瞄准点、观测所、目标表示为无向图中的点，观目线作为图的边，以无向图邻接矩阵的方式对点线的关系进行存储。具体如下:

首先，将坐标观测器(S)，目标(T)，观测所1(O1)，观测所2(O2)，辅助瞄准点(A)作为图中顶点分为五类来描述，数量分别为nS，nT，nO1，nO2，nA，对全部顶点编号并构造向量P顺次保存全部顶点信息，并分为5段，如表1所示。

表1 向量P分段

其次，构造邻接矩阵［3］GN×N(N=nS+nT+nO1+nO2+nA)存储边(连线)信息。向量P中第i位元素表示编号i的点是否被选中(被选中为1，未选中为0)，邻接矩阵GN×N中第i行，第j列(或第i列，第j行)元素表示编号i的点与编号j的点之间是否有边(有边为1，无边为0)。邻接矩阵示例如下:

2.3.2 操作规则

根据上文对于交互行为的分析可以看出，在操作上应该包括可视化显示和交互操作，因此在制定可视化控制规则时要同时考虑这两个方面。

1)可视化显示规则

①被选中点显示为绿色，未被选中点显示为白色。

②存在的边使用绿色带箭头线段绘制(连接两顶点)。

③与边相连的点被删除后，其代表此边的绿色带箭头线段不再显示。

2)交互操作规则

①初始化规则设计

a.初始化向量P及邻接矩阵GN×N中所有元素均为0。

b.若存在历史记录(过去记录的向量P及邻接矩阵GN×N信息)需要导入，则分别使用记录信息对向量P及邻接矩阵GN×N进行赋值。

c.按可视化显示规则，根据向量P及邻接矩阵GN×N信息进行图像更新。

②点选择与弃选操作规则设计

a.鼠标单击未被选中点(向量P中对应位为0)，则该点被选中，向量P中对应位变为1，同时其所在段(见信息存储方式中第1条)其余数位全部置0(保证每种类型点只能有一个被选中)。

b.鼠标单击已选中点(向量P中对应位为1)，则该点被弃选，向量P中对应位变为0。

c.根据可视化显示规则，按照向量P中信息改变各点颜色。

③边的连接与删除操作规则设计

a.边的连接必须在被选中的点间进行。连接时，在第一点处按下鼠标左键，移动至第二点抬起鼠标左键即完成连接。当编号i的点与编号j的点之间连接了一条边后，邻接矩阵GN×N中第i行，第j列(第i列，第j行)元素变为1。

b.进行边的连接操作时，当某点的度达到上限时，其不可被选中，各类型点度的上限分别为:S型、T型、O1型和O2型为1，A型为2。

c.双击一条边，则该边被删除，邻接矩阵GN×N中相关元素(同①)变为0。

d.当某一点被弃选时，与其相关联的边全部删除。

④信息保存规则设计

退出程序时将向量P及邻接矩阵GN×N信息保存至记录文件中。

3 仿真实现

3.1 开发仿真程序

按照上述规则，开发仿真程序，实现的舰炮对岸射击信息通道组织可视化界面如图3所示。

图3 对岸射击信息通道组织可视化图

图中:左边为观测信息源，假设有跟踪雷达、跟踪光电、导航雷达、警戒雷达、数据链+GPS、装定+GPS组成，为舰炮武器系统提供观测坐标;右边为对岸待打击目标，编号为1、2、3(假设最多3个)，编号右边为该目标经纬度坐标;上部为待选射效观测站，编号为1、2、3，各个观测站经纬度坐标在编号上部标出(假设最多3个);下部为待选辅助瞄准点，编号为1、2、3，各辅助瞄准点经纬度坐标在编号下部标出(假设最多3个)。在预先准备阶段把待选辅助瞄准点、观测所、打击目标位置等参数录入，观测信息源有系统自检测显示其状态，图中背景白色为可用但未选中(没有建立通信联系)。点击“信息通道组织”键，运行开发仿真程序生成图3可视化人机交互图形。

3.2 仿真操作

1)建立射击信息通道

点击图3中“跟踪光电”右边数字“2”，“跟踪光电”及数字“2”背景变为绿色，表示选中光电跟踪仪，使用“跟踪光电”观测目标相对坐标。点击图3辅助瞄准点数字“2”背景变为绿色，表示选中“2”号物体为辅助瞄准点，光电观测“2”号物体坐标，用于火控计算;在观测信息源选中情况下，选中辅助瞄准点，火控计算机自动作出观测器到辅助瞄准点绿色矢量线;点击目标数字“2”，背景变为绿色，表示选中“2”号目标为打击目标，火控计算程序自动作出辅助瞄准点“2”到目标“2”的矢量线，内部程序自动求出瞄目距离、瞄目方位，在光电有观测辅助瞄准点坐标情况下，求解出对“2”号目标距离、方位，进行射击诸元计算;跟踪光电“2”→辅助瞄准点“2”→目标“2”构成射击信息通道，如图4所示。

2)建立射效观测通道

点击观测所数字编号，该数字编号背景变为绿色，为选中，如图4中“1”、“2”，表示使用“1号观测所”、“2号观测所”进行射效观测。在打击目标已经选中情况下，选中观测所同时，火控计算机自动作出观测所到目标点蓝色矢量线，解算出“1(观测所)→2(目标)”、“2(观测所)→2(目标)”的观目距离、观目方位，用于炸点观测偏差解算。图4中，观测所“2”→目标“2”为射效观测通道，即观目线。

图4 对岸射击信息通道组织可视化图操作1

3)修改射击信息通道

点击辅助瞄准点“1“，将辅助瞄准点有“2”更改为“1”(在已经选中某个辅助瞄准点情况下不需要取消辅助瞄准点“2”再选中“1”)。新的射击信息通道:跟踪光电“2”→辅助瞄准点“1”→目标“2”，如图5所示。类似地，更改观测器时，直接点击能够使用观测编号，选中新的观测器同时取消先前观测器，实现射击信息通道修改。

4)修改射效观测通道

若图4中观测所“2”遭到破坏，点击观测所“2”，取消选中，然后点击观测所“3”，则完成观测所“2”到观测所“3”的切换，如图5所示。

图5 对岸射击信息通道组织可视化图操作2

3.3 仿真结论

仿真操作实验表明:可视化图形提供了射击信息通道组织全部需要信息，通过图形操作实现射击信息通道、射效观测通道组织与修改，所见即所得，使得操作意图准确、简单、高效，大幅度提高了舰炮对岸指挥、操作与控制效率。

4 结束语

直接操控的人机交互设计界面能够为使用者提供可管理、可预测、可控的操作，以及实时的反馈使交互效果可见，具有易懂、快捷、友好等诸多优点。尤其是这种图形可视化交互，不仅帮助指挥员高效进行舰炮岸射击最后准备，而且作战中为指挥员根据作战情况变化需要快速更改射击信息通道、射效观测通道提供了有效手段，极大地提高了战术使用灵活性。

［1］Ben Shneiderman，Catherine Plaisant.Designing the User Interface—Strategies for Effective Human-computer Interaction Fourth Edition［M］.北京:电子工业出版社，2008:152-155.

［2］汪德虎，等.舰炮火控原理［M］.北京:国防工业出版社，2009.

［3］陈莉，刘晓霞.离散数学［M］.北京:高等教育出版社，2004:303.