艦載武器系統(tǒng)人機(jī)界面發(fā)展研究

羅 兵，姚文明，馮 瑜

（海軍士官學(xué)校，安徽 蚌埠 233012）

艦載武器系統(tǒng)人機(jī)界面是艦艇武器操控人員與裝備之間傳遞、交換信息的媒介和對話接口。實現(xiàn)艦載武器系統(tǒng)信息的內(nèi)部形式與操控人員可以接受形式之間的轉(zhuǎn)換，如圖1所示。

圖1 艦載武器系統(tǒng)人機(jī)界面示意圖

艦載武器系統(tǒng)操控人員是艦載武器系統(tǒng)的主體，是決策者和控制者；艦載武器系統(tǒng)是作戰(zhàn)兵器，是被控對象。操控人員必須了解被控對象的性能，隨時知其運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)它的運(yùn)行狀態(tài)與所要求的狀態(tài)有差異時，能夠及時干預(yù)，使之達(dá)到要求的狀態(tài)。為了達(dá)到準(zhǔn)確、快速和方便地控制目標(biāo)，艦載武器系統(tǒng)人機(jī)界面必須滿足艦載武器系統(tǒng)操控人員的控制能力和控制特性要求；同時，也要便于操控人員掌握裝備運(yùn)行狀態(tài)，做出決策，實施正確的控制。艦載武器系統(tǒng)的人機(jī)界面質(zhì)量直接影響到艦載武器系統(tǒng)反應(yīng)時間、系統(tǒng)的易用性，從而影響到裝備的作戰(zhàn)效能。一款設(shè)計合理的艦載武器系統(tǒng)人機(jī)界面往往更易于操作人員的學(xué)習(xí)和適應(yīng)，能夠使操控更迅速、更準(zhǔn)確、更安全，使艦載武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能得到充分的發(fā)揮。

隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，現(xiàn)代戰(zhàn)爭的作戰(zhàn)方式發(fā)生了巨大變革，遠(yuǎn)距離、高精度打擊成為核心，對艦載武器系統(tǒng)的信息化、自動化、智能化要求越來越高，艦載武器系統(tǒng)的操控也從過去的指示燈、機(jī)械開關(guān)向多通道輸入、光柵圖像顯示的自動化方向發(fā)展。在這一轉(zhuǎn)變過程中，艦載武器系統(tǒng)人機(jī)界面的地位隨著信息化程度、計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展不斷提高，成為影響艦載武器系統(tǒng)效能發(fā)揮的重要因素之一。

一、艦載武器系統(tǒng)人機(jī)界面應(yīng)用及發(fā)展特點(diǎn)

隨著艦載武器裝備的發(fā)展，人機(jī)界面概念也開始逐漸形成。在艦載武器裝備發(fā)展初期，主要依靠人力發(fā)揮火力，這期間根本沒有艦載武器系統(tǒng)概念，更談不上人機(jī)界面設(shè)計的問題。1923年，英國埃利奧特公司制造出了摩擦積分器的模擬計算機(jī)，幫助火炮射擊運(yùn)動目標(biāo)，其典型代表當(dāng)舉美國MK-14火炮射擊指揮儀。它用的是機(jī)械元器件，如手輪、度盤、齒輪傳動鏈、連桿、渦輪、渦桿等，形成了具有一定功能的機(jī)械模擬式指揮儀。這一階段艦炮裝備的刻度盤、手輪、踏板等是否易于使用則是武器裝備人機(jī)界面概念形成的萌芽期。

20世紀(jì)中期，人類進(jìn)入到機(jī)械化武器時代，二次世界大戰(zhàn)期間誕生了機(jī)電式模擬指揮儀，其典型代表當(dāng)舉美國MK-56火炮射擊指揮儀系統(tǒng)，由于彈道解算極為復(fù)雜，需要輸入?yún)?shù)多，需要多個戰(zhàn)位協(xié)同操作，機(jī)電式指揮儀組成的艦炮武器裝備開啟了人機(jī)功能分配的概念。電子管的誕生與應(yīng)用，電子放大器技術(shù)的攻克，使得電子模擬式指揮儀應(yīng)運(yùn)而生，其典型的產(chǎn)品有美國的MK-68火炮射擊指揮儀，這時的人機(jī)交互在儀表、開關(guān)基礎(chǔ)上，新增指示燈、數(shù)碼管顯示等。人的能力有限和對人的操作要求突顯，開始成為艦載器裝備能力發(fā)揮的瓶頸。這個時期人機(jī)界面的主要特點(diǎn)是：

（1）刻度盤、指針、指示燈顯示狀態(tài)；

（2）手輪與杠桿等人力操作與控制；

（3）開關(guān)、波段開關(guān)控制等；

（4）僅有簡單的戰(zhàn)斗功能。

20世紀(jì)70年代，以數(shù)字計算機(jī)、字符顯示器在艦炮指揮儀中應(yīng)用為標(biāo)志，可認(rèn)為是艦載武器系統(tǒng)人機(jī)界面發(fā)展的奠基期。這個時期的指揮儀使用計算機(jī)安裝DOS操作系統(tǒng)，字符顯示器顯示運(yùn)行狀態(tài)信息，取代了傳統(tǒng)的儀表和燈、數(shù)碼管等，艦載武器系統(tǒng)較先前體積小、戰(zhàn)位少、射擊諸元精度高。這個時期人機(jī)界面的主要特點(diǎn)是：

（1）CRT顯示器、鍵盤取代了刻度盤、指針、手輪與指示燈等；

（2）CRT上顯示的僅命令、對話等，且是文本字符，前期是英文或漢語拼音，難學(xué)難掌握不靈活；

（3）僅能顯示原始視景黑白圖象等；

（4）人機(jī)交互大量采用鍵盤輸入；

（5）標(biāo)準(zhǔn)化、通用化程度差，每型裝備有一個人機(jī)界面，即使同一型號不同配置的裝備其界面也不同，培訓(xùn)、人員互換難。

20世紀(jì)90年代，艦載武器系統(tǒng)開始進(jìn)入信息化時代。推動艦載武器系統(tǒng)人機(jī)界面發(fā)展的動因主要有四點(diǎn)：1.人機(jī)交互學(xué)科逐漸形成了自己的理論體系和實踐范疇，理論發(fā)展為在艦載武器系統(tǒng)進(jìn)一步應(yīng)用提供了依據(jù)；2.海戰(zhàn)模式正處于從機(jī)械化戰(zhàn)爭向信息化戰(zhàn)爭轉(zhuǎn)變的過渡時期，軍事需求牽引艦載武器裝備承擔(dān)的使命任務(wù)也越來越多，要求艦載武器裝備人機(jī)界面功能強(qiáng)、操控簡單；3.計算機(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展以及計算機(jī)軟件技術(shù)的進(jìn)步，尤其是圖像處理技術(shù)快速發(fā)展等為開發(fā)功能強(qiáng)大的艦載武器系統(tǒng)人機(jī)界面提供了技術(shù)支撐；4.艦載武器系統(tǒng)發(fā)展為分布式，單機(jī)單控、“煙筒式”武器系統(tǒng)逐漸消失，綜合控制逐漸成為主流，要求人機(jī)界面發(fā)展必須與系統(tǒng)發(fā)展相適應(yīng)。

為滿足軍事需求和廣泛應(yīng)用現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)，這個時期艦載武器系統(tǒng)人機(jī)界面研究得到了迅猛的發(fā)展。在艦載武器系統(tǒng)研制中，把人機(jī)界面設(shè)計研究作為研制工作中一項重要的內(nèi)容，以艦載通用火控系統(tǒng)人機(jī)工程設(shè)計為標(biāo)志，實現(xiàn)了艦載武器系統(tǒng)人機(jī)界面跨越式的發(fā)展。

發(fā)展期艦載武器系統(tǒng)人機(jī)界面主要理念是以操控者為中心，圍繞突出顯示作戰(zhàn)重要信息，強(qiáng)化作戰(zhàn)功能一鍵操控，其主要的特點(diǎn)如下所述。

（一）標(biāo)準(zhǔn)化 發(fā)展期艦載武器系統(tǒng)人機(jī)界面在標(biāo)準(zhǔn)化方面具有顯著特點(diǎn)，做到操控模塊硬件標(biāo)準(zhǔn)化，操控流程標(biāo)準(zhǔn)化，名詞術(shù)語定義標(biāo)準(zhǔn)化，以及顯示方式標(biāo)準(zhǔn)化（按照國軍標(biāo)顏色規(guī)定表示狀態(tài)、彩色全漢字顯示一致性），實現(xiàn)各型艦載武器系統(tǒng)一個面孔，解決不同艦載武器系統(tǒng)操控人員戰(zhàn)位互換、通訓(xùn)難題。

（二）模塊化 艦載武器系統(tǒng)操控設(shè)備采用標(biāo)準(zhǔn)化硬件模塊，便于不同系統(tǒng)剪裁增添；顯示界面分區(qū)采用模塊化組件，既便于軟件開發(fā)又便于使用人員操控使用。

（三）集成化 首先顯示界面采用計算機(jī)圖形和電視、雷達(dá)圖像綜合集成顯示態(tài)勢、狀態(tài)；其次是不同性質(zhì)信息綜合集成，實現(xiàn)綜合顯示、集中操控，大大減少顯控設(shè)備和操控人員。

（四）多媒體化 作戰(zhàn)信息不僅采用圖文彩色顯示，而且伴隨聲、光、電等多種媒體，突出重要信息顯示與告警，多通道刺激操控者感官，提高了操控者快速反應(yīng)能力，并采用多種輸入手段，實現(xiàn)了對作戰(zhàn)信息的快速響應(yīng)。

（五）多功能化 隨著研究的深入，發(fā)展期艦載武器系統(tǒng)人機(jī)界面的功能更加全面，在作戰(zhàn)功能方面不僅提供系統(tǒng)完好狀態(tài)下對各種打擊目標(biāo)作戰(zhàn)操控，而且提供復(fù)雜作戰(zhàn)條件下降功能作戰(zhàn)操控，使系統(tǒng)始終能夠保障在當(dāng)時作戰(zhàn)狀態(tài)條件下艦載最大作戰(zhàn)效能的發(fā)揮；在訓(xùn)練功能方面，提供各種訓(xùn)練仿真條件操控，使訓(xùn)為戰(zhàn)落實到裝備研制中，提供仿真戰(zhàn)斗環(huán)境滿足對操控人員訓(xùn)練要求；在檢查功能方面，提供對系統(tǒng)及各單機(jī)設(shè)備進(jìn)行全面檢查操控，故障檢測到可更換插件板，給操控者隨時掌握、了解裝備狀態(tài)提供了手段，大大縮短臨戰(zhàn)準(zhǔn)備時間。

（六）輔助決策與綜合操控 在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動化技術(shù)支持下，艦載武器系統(tǒng)人機(jī)界面提供系統(tǒng)最佳工作方式、作戰(zhàn)指揮輔助決策和綜合操控能力，在系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)綜合顯示情況下，實現(xiàn)了探測器、火控臺、艦載武器一人綜合操控，大大減少了控制臺、戰(zhàn)位數(shù)量，減輕了指揮員負(fù)擔(dān)。

二、艦載武器系統(tǒng)人機(jī)界面發(fā)展展望

隨著艦載武器系統(tǒng)信息化的發(fā)展，支持艦載武器系統(tǒng)運(yùn)行信息源也更加廣泛，新型精確打擊制導(dǎo)彈藥逐漸投入使用，促進(jìn)了艦載武器作戰(zhàn)能力向遠(yuǎn)程、精確打擊，有效毀傷聚焦。在艦載武器系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)由分布式向開放式方向發(fā)展過程中，要求艦載武器系統(tǒng)人機(jī)界面功能必須滿足日益增長的軍事需求。而虛擬現(xiàn)實技術(shù)、人工智能技術(shù)日趨成熟，計算機(jī)高速處理芯片普及，并逐漸在艦載武器系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，將推動新型艦載武器系統(tǒng)人機(jī)界面設(shè)計與研究朝著下列方向發(fā)展。

（一）開放式 為了提高艦載武器系統(tǒng)靈活控制能力，未來的艦載武器系統(tǒng)應(yīng)能在任意節(jié)點(diǎn)進(jìn)行武器的使用和管控。多模態(tài)、多通道輸入與輸出是開放式艦載武器系統(tǒng)一個重要特征，人機(jī)界面設(shè)計與研究應(yīng)滿足開放式艦載武器系統(tǒng)的要求，即在任意節(jié)點(diǎn)插入便攜式控制裝置，通過插入密鑰的方式啟動艦載武器系統(tǒng)，在網(wǎng)絡(luò)通信支持下通過便攜式控制裝置人機(jī)界面的操控，完成艦載武器作戰(zhàn)任務(wù)。滿足開放式艦載武器系統(tǒng)要求的人機(jī)交互操控界面，將大大提高艦載武器系統(tǒng)戰(zhàn)術(shù)使用靈活性和作戰(zhàn)效能。

（二）智能化 未來新型艦載武器系統(tǒng)信息源多，作戰(zhàn)運(yùn)用方式多，需要決策與操控工作量大，在實現(xiàn)人與裝備共同決策方面要盡量發(fā)揮裝備智能作用以減輕艦載武器操控者決策、操控負(fù)荷。艦載武器系統(tǒng)人機(jī)界面設(shè)計要把人機(jī)交互的研究重點(diǎn)放在智能化交互，突破以操控者為中心的人機(jī)交互、智能決策等關(guān)鍵技術(shù)，解決信息化、開放式艦載武器系統(tǒng)作戰(zhàn)操控的準(zhǔn)確性和快速性，為具有強(qiáng)實時特征的信息化艦載武器系統(tǒng)作戰(zhàn)需要操控者進(jìn)行干預(yù)處理時提供多通道、多媒體顯示信息，以及提供該“信息”最佳處理輔助決策方案，以減少操控者決策錯誤、提高操控快速性和準(zhǔn)確性，實現(xiàn)充分發(fā)揮艦載武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的目標(biāo)。

（三）虛擬現(xiàn)實 艦載武器系統(tǒng)人機(jī)界面設(shè)計在多媒體交互基礎(chǔ)上正在向虛擬現(xiàn)實技術(shù)方向發(fā)展。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)設(shè)計新型艦載武器系統(tǒng)人機(jī)界面，進(jìn)一步突破在以人為中心的多樣化人機(jī)交互（數(shù)據(jù)交互、圖像交互、語音交互、行為交互）關(guān)鍵技術(shù)，解決并實現(xiàn)人機(jī)一體、“機(jī)宜人”的難題。利用數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣、語音輸入等虛擬輸入設(shè)備，進(jìn)行人機(jī)交互操作，省去了繁瑣的命令或者菜單操作，使操作人員能夠更自然，像使用自己身體一樣的駕馭裝備，提高艦載武器系統(tǒng)操控效率和人機(jī)友好性。

（四）科學(xué)評估 如何對人機(jī)界面設(shè)計方案進(jìn)行質(zhì)量評估一直是人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計研究領(lǐng)域中的一個重要問題。目前，在武器裝備人機(jī)界面設(shè)計中還沒有一套有效的評估理論與方法，這些問題已開始受到關(guān)注。新型艦載武器系統(tǒng)人機(jī)界面設(shè)計研究，應(yīng)將建立一套全面、科學(xué)評價人機(jī)界面設(shè)計方案指標(biāo)體系與評估方法作為一個重要問題來研究，為優(yōu)化人機(jī)界面方案提供科學(xué)依據(jù)，使艦載武器系統(tǒng)人機(jī)界面質(zhì)量評估由經(jīng)驗決策向科學(xué)決策方向發(fā)展。

三、結(jié)語

本文探討了艦載武器系統(tǒng)人機(jī)界面應(yīng)用與發(fā)展特點(diǎn)，對新型人機(jī)界面的發(fā)展作了展望。軍事需求牽引、計算機(jī)技術(shù)發(fā)展是推動艦載武器系統(tǒng)人機(jī)界面設(shè)計與研究的直接動因；圍繞如何充分發(fā)揮艦載武器作戰(zhàn)效能、提高人機(jī)友好性和簡化操控，始終是艦載武器系統(tǒng)人機(jī)界面設(shè)計與研究永恒不變的主題與目標(biāo)。

[1]周 蘇．人機(jī)界面設(shè)計[M]．北京：科學(xué)出版社，2007．

[2]李 雪，葉偉銘．下一代人機(jī)界面研究[J]．職業(yè)技術(shù)，2008，(100)：85-87．

[3]羅仕鑒．人機(jī)界面設(shè)計[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002．