舰载武器系统人机界面发展研究

2018-03-08姚文明

安徽电子信息职业技术学院学报 2018年1期

罗兵，姚文明，冯瑜

（海军士官学校，安徽蚌埠 233012）

舰载武器系统人机界面是舰艇武器操控人员与装备之间传递、交换信息的媒介和对话接口。实现舰载武器系统信息的内部形式与操控人员可以接受形式之间的转换，如图1所示。

图1 舰载武器系统人机界面示意图

舰载武器系统操控人员是舰载武器系统的主体，是决策者和控制者；舰载武器系统是作战兵器，是被控对象。操控人员必须了解被控对象的性能，随时知其运行状态，当它的运行状态与所要求的状态有差异时，能够及时干预，使之达到要求的状态。为了达到准确、快速和方便地控制目标，舰载武器系统人机界面必须满足舰载武器系统操控人员的控制能力和控制特性要求；同时，也要便于操控人员掌握装备运行状态，做出决策，实施正确的控制。舰载武器系统的人机界面质量直接影响到舰载武器系统反应时间、系统的易用性，从而影响到装备的作战效能。一款设计合理的舰载武器系统人机界面往往更易于操作人员的学习和适应，能够使操控更迅速、更准确、更安全，使舰载武器系统的作战效能得到充分的发挥。

随着科学技术发展，现代战争的作战方式发生了巨大变革，远距离、高精度打击成为核心，对舰载武器系统的信息化、自动化、智能化要求越来越高，舰载武器系统的操控也从过去的指示灯、机械开关向多通道输入、光栅图像显示的自动化方向发展。在这一转变过程中，舰载武器系统人机界面的地位随着信息化程度、计算机技术的发展不断提高，成为影响舰载武器系统效能发挥的重要因素之一。

一、舰载武器系统人机界面应用及发展特点

随着舰载武器装备的发展，人机界面概念也开始逐渐形成。在舰载武器装备发展初期，主要依靠人力发挥火力，这期间根本没有舰载武器系统概念，更谈不上人机界面设计的问题。1923年，英国埃利奥特公司制造出了摩擦积分器的模拟计算机，帮助火炮射击运动目标，其典型代表当举美国MK-14火炮射击指挥仪。它用的是机械元器件，如手轮、度盘、齿轮传动链、连杆、涡轮、涡杆等，形成了具有一定功能的机械模拟式指挥仪。这一阶段舰炮装备的刻度盘、手轮、踏板等是否易于使用则是武器装备人机界面概念形成的萌芽期。

20世纪中期，人类进入到机械化武器时代，二次世界大战期间诞生了机电式模拟指挥仪，其典型代表当举美国MK-56火炮射击指挥仪系统，由于弹道解算极为复杂，需要输入参数多，需要多个战位协同操作，机电式指挥仪组成的舰炮武器装备开启了人机功能分配的概念。电子管的诞生与应用，电子放大器技术的攻克，使得电子模拟式指挥仪应运而生，其典型的产品有美国的MK-68火炮射击指挥仪，这时的人机交互在仪表、开关基础上，新增指示灯、数码管显示等。人的能力有限和对人的操作要求突显，开始成为舰载器装备能力发挥的瓶颈。这个时期人机界面的主要特点是：

（1）刻度盘、指针、指示灯显示状态；

（2）手轮与杠杆等人力操作与控制；

（3）开关、波段开关控制等；

（4）仅有简单的战斗功能。

20世纪70年代，以数字计算机、字符显示器在舰炮指挥仪中应用为标志，可认为是舰载武器系统人机界面发展的奠基期。这个时期的指挥仪使用计算机安装DOS操作系统，字符显示器显示运行状态信息，取代了传统的仪表和灯、数码管等，舰载武器系统较先前体积小、战位少、射击诸元精度高。这个时期人机界面的主要特点是：

（1）CRT显示器、键盘取代了刻度盘、指针、手轮与指示灯等；

（2）CRT上显示的仅命令、对话等，且是文本字符，前期是英文或汉语拼音，难学难掌握不灵活；

（3）仅能显示原始视景黑白图象等；

（4）人机交互大量采用键盘输入；

（5）标准化、通用化程度差，每型装备有一个人机界面，即使同一型号不同配置的装备其界面也不同，培训、人员互换难。

20世纪90年代，舰载武器系统开始进入信息化时代。推动舰载武器系统人机界面发展的动因主要有四点：1.人机交互学科逐渐形成了自己的理论体系和实践范畴，理论发展为在舰载武器系统进一步应用提供了依据；2.海战模式正处于从机械化战争向信息化战争转变的过渡时期，军事需求牵引舰载武器装备承担的使命任务也越来越多，要求舰载武器装备人机界面功能强、操控简单；3.计算机硬件技术的发展以及计算机软件技术的进步，尤其是图像处理技术快速发展等为开发功能强大的舰载武器系统人机界面提供了技术支撑；4.舰载武器系统发展为分布式，单机单控、“烟筒式”武器系统逐渐消失，综合控制逐渐成为主流，要求人机界面发展必须与系统发展相适应。

为满足军事需求和广泛应用现代计算机技术，这个时期舰载武器系统人机界面研究得到了迅猛的发展。在舰载武器系统研制中，把人机界面设计研究作为研制工作中一项重要的内容，以舰载通用火控系统人机工程设计为标志，实现了舰载武器系统人机界面跨越式的发展。

发展期舰载武器系统人机界面主要理念是以操控者为中心，围绕突出显示作战重要信息，强化作战功能一键操控，其主要的特点如下所述。

（一）标准化发展期舰载武器系统人机界面在标准化方面具有显著特点，做到操控模块硬件标准化，操控流程标准化，名词术语定义标准化，以及显示方式标准化（按照国军标颜色规定表示状态、彩色全汉字显示一致性），实现各型舰载武器系统一个面孔，解决不同舰载武器系统操控人员战位互换、通训难题。

（二）模块化舰载武器系统操控设备采用标准化硬件模块，便于不同系统剪裁增添；显示界面分区采用模块化组件，既便于软件开发又便于使用人员操控使用。

（三）集成化首先显示界面采用计算机图形和电视、雷达图像综合集成显示态势、状态；其次是不同性质信息综合集成，实现综合显示、集中操控，大大减少显控设备和操控人员。

（四）多媒体化作战信息不仅采用图文彩色显示，而且伴随声、光、电等多种媒体，突出重要信息显示与告警，多通道刺激操控者感官，提高了操控者快速反应能力，并采用多种输入手段，实现了对作战信息的快速响应。

（五）多功能化随着研究的深入，发展期舰载武器系统人机界面的功能更加全面，在作战功能方面不仅提供系统完好状态下对各种打击目标作战操控，而且提供复杂作战条件下降功能作战操控，使系统始终能够保障在当时作战状态条件下舰载最大作战效能的发挥；在训练功能方面，提供各种训练仿真条件操控，使训为战落实到装备研制中，提供仿真战斗环境满足对操控人员训练要求；在检查功能方面，提供对系统及各单机设备进行全面检查操控，故障检测到可更换插件板，给操控者随时掌握、了解装备状态提供了手段，大大缩短临战准备时间。

（六）辅助决策与综合操控在网络技术、自动化技术支持下，舰载武器系统人机界面提供系统最佳工作方式、作战指挥辅助决策和综合操控能力，在系统运行状态综合显示情况下，实现了探测器、火控台、舰载武器一人综合操控，大大减少了控制台、战位数量，减轻了指挥员负担。

二、舰载武器系统人机界面发展展望

随着舰载武器系统信息化的发展，支持舰载武器系统运行信息源也更加广泛，新型精确打击制导弹药逐渐投入使用，促进了舰载武器作战能力向远程、精确打击，有效毁伤聚焦。在舰载武器系统体系结构由分布式向开放式方向发展过程中，要求舰载武器系统人机界面功能必须满足日益增长的军事需求。而虚拟现实技术、人工智能技术日趋成熟，计算机高速处理芯片普及，并逐渐在舰载武器系统中广泛应用，将推动新型舰载武器系统人机界面设计与研究朝着下列方向发展。

（一）开放式为了提高舰载武器系统灵活控制能力，未来的舰载武器系统应能在任意节点进行武器的使用和管控。多模态、多通道输入与输出是开放式舰载武器系统一个重要特征，人机界面设计与研究应满足开放式舰载武器系统的要求，即在任意节点插入便携式控制装置，通过插入密钥的方式启动舰载武器系统，在网络通信支持下通过便携式控制装置人机界面的操控，完成舰载武器作战任务。满足开放式舰载武器系统要求的人机交互操控界面，将大大提高舰载武器系统战术使用灵活性和作战效能。

（二）智能化未来新型舰载武器系统信息源多，作战运用方式多，需要决策与操控工作量大，在实现人与装备共同决策方面要尽量发挥装备智能作用以减轻舰载武器操控者决策、操控负荷。舰载武器系统人机界面设计要把人机交互的研究重点放在智能化交互，突破以操控者为中心的人机交互、智能决策等关键技术，解决信息化、开放式舰载武器系统作战操控的准确性和快速性，为具有强实时特征的信息化舰载武器系统作战需要操控者进行干预处理时提供多通道、多媒体显示信息，以及提供该“信息”最佳处理辅助决策方案，以减少操控者决策错误、提高操控快速性和准确性，实现充分发挥舰载武器系统作战效能的目标。

（三）虚拟现实舰载武器系统人机界面设计在多媒体交互基础上正在向虚拟现实技术方向发展。利用虚拟现实技术设计新型舰载武器系统人机界面，进一步突破在以人为中心的多样化人机交互（数据交互、图像交互、语音交互、行为交互）关键技术，解决并实现人机一体、“机宜人”的难题。利用数据手套、数据衣、语音输入等虚拟输入设备，进行人机交互操作，省去了繁琐的命令或者菜单操作，使操作人员能够更自然，像使用自己身体一样的驾驭装备，提高舰载武器系统操控效率和人机友好性。

（四）科学评估如何对人机界面设计方案进行质量评估一直是人机系统设计研究领域中的一个重要问题。目前，在武器装备人机界面设计中还没有一套有效的评估理论与方法，这些问题已开始受到关注。新型舰载武器系统人机界面设计研究，应将建立一套全面、科学评价人机界面设计方案指标体系与评估方法作为一个重要问题来研究，为优化人机界面方案提供科学依据，使舰载武器系统人机界面质量评估由经验决策向科学决策方向发展。