基于戰(zhàn)場時空信息一體化的戰(zhàn)斗機智能座艙

趙丹華，薛仲杰，譚征宇，張瑞佛

基于戰(zhàn)場時空信息一體化的戰(zhàn)斗機智能座艙

趙丹華1，薛仲杰1，譚征宇2，張瑞佛1

（1.湖南大學 設計藝術學院，長沙 410082；2.湖南大學 重慶研究院，重慶 401121）

針對未來戰(zhàn)斗機座艙面對復雜空天地一體化信息戰(zhàn)場環(huán)境，剖析戰(zhàn)役級OODA環(huán)中重要節(jié)點及相關態(tài)勢感知信息認知模型若干概念，理清其中座艙信息通道和OODA環(huán)流程場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)勢感知快速切入敵方OODA環(huán)，實施打擊并取得戰(zhàn)場優(yōu)勢提供指導。從戰(zhàn)斗機迭代發(fā)展出發(fā)，分析座艙的演變過程，探討當下技術發(fā)展對未來座艙的信息結(jié)構(gòu)和整體布局產(chǎn)生的影響及帶來的趨勢。通過文獻查閱提出了飛行員在OODA環(huán)各作戰(zhàn)環(huán)下態(tài)勢感知信息需求。通過一體化模型整合在不同階段和場景下的戰(zhàn)斗機作戰(zhàn)信息，形成座艙內(nèi)作戰(zhàn)一體化體系，并通過概念設計平衡戰(zhàn)斗機座艙中飛行員動作需求與信息空間布局，達成初步驗證和表達理論框架。通過分析OODA環(huán)結(jié)合態(tài)勢感知模型進行戰(zhàn)斗機智能座艙信息系統(tǒng)一體化設計研究，以飛行員的戰(zhàn)斗流程中動作需求為中心，通過一體化框架進行戰(zhàn)斗機智能座艙設計整合了多源、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)任務動作為中心的信息一體化的戰(zhàn)斗機座艙設計，對未來戰(zhàn)斗機設計具有指導意義。

OODA；態(tài)勢感知；戰(zhàn)斗機智能座艙；一體化設計；場景動作；信息系統(tǒng)

在技術發(fā)展推動下，“海陸空”天地信息一體化作戰(zhàn)體系逐步完成。未來戰(zhàn)斗機即將面臨復雜甚至極端惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境，在多維立體化條件下執(zhí)行多平臺、多任務的高度信息化作戰(zhàn)方式[1]。戰(zhàn)斗機座艙是飛行員操作飛機執(zhí)行作戰(zhàn)飛行任務的核心部位[2]。未來戰(zhàn)斗機座艙設計是以戰(zhàn)斗機的作戰(zhàn)流程OODA環(huán)（Observation，Orientation，Decision，Action）下的態(tài)勢感知為核心，綜合考慮飛行員在戰(zhàn)場所處環(huán)境面臨的復雜信息情況和生理心理等因素[3]，充分發(fā)揮人機系統(tǒng)工效的系統(tǒng)設計。飛行員需依靠座艙顯示系統(tǒng)獲取態(tài)勢感知，隨后操作戰(zhàn)斗機內(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，達成完成作戰(zhàn)任務目的。未來戰(zhàn)斗機座艙內(nèi)信息一體化設計讓駕駛員在戰(zhàn)斗機智能座艙內(nèi)獲得全面、清晰的戰(zhàn)場態(tài)勢信息，增強視距內(nèi)和超視距作戰(zhàn)能力，形成精準操作，完成打擊。

同時，“戰(zhàn)斗機智能座艙”的設計意義，在于其潛在的時間與空間構(gòu)成，即戰(zhàn)場時空信息的一體化表達；也在于其發(fā)揮人的戰(zhàn)斗潛力，即態(tài)勢感知和動作執(zhí)行效能。一方面，戰(zhàn)場時空信息的時間與空間關系是迅速迭代的，“場景引導”和“場景預判”幾乎同時發(fā)生，即時空感知（態(tài)勢感知）和時空動作幾乎同時發(fā)生。因此座艙設計必須符合駕駛員態(tài)勢感知和時空動作的特征，提供功能完整的智能活動空間。另一方面，智能座艙其實是某種任務場景的空間容器，“作戰(zhàn)任務”是座艙存在和座艙設計的本質(zhì)。因此智能座艙設計所表達的是以人為中心，包括以我方戰(zhàn)斗機飛行員與敵方作戰(zhàn)人員的關系為中心的一體化戰(zhàn)斗機座艙空間交互設計。

1 概念闡述

1.1 戰(zhàn)斗機智能座艙和態(tài)勢感知

近期的局部戰(zhàn)爭表明，在未來的高科技戰(zhàn)場，空軍的地位和作用越來越重要[4]。戰(zhàn)斗機是主要為空對空作戰(zhàn)而設計的固定翼軍用飛機[5]。在軍事沖突中，戰(zhàn)斗機的作用是建立戰(zhàn)場的制空權(quán)。對戰(zhàn)場上空的控制允許轟炸機和攻擊機對敵方目標進行戰(zhàn)術和戰(zhàn)略轟炸。

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

人在決策的過程中，對環(huán)境信息系統(tǒng)的感知、推理和預測，稱之為態(tài)勢感知（SA）[8]，態(tài)勢感知主要面向的是不確定性強、人必須介入的大型復雜動態(tài)環(huán)境或系統(tǒng)[9]，尤其是戰(zhàn)斗機面臨的復雜戰(zhàn)場。可視化技術在復雜戰(zhàn)場中，讓用戶能夠快速理解態(tài)勢感知系統(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完成質(zhì)量的重要因素之一[10]，它與提高飛行員態(tài)勢感知來源、操作工效、減輕工作負荷等重要問題密切相關。

1.2 OODA環(huán)及相關概念發(fā)展

OODA環(huán)是對空中體系作戰(zhàn)整體行動全過程較為清晰的描述，因當下空中作戰(zhàn)融合多方信息、多量信息等成為復雜系統(tǒng)[11]。前期Holovatch[12]提出復雜系統(tǒng)的特點是其許多成分之間的特定時間相關的相互作用。蘇珊·賈森則提出了以人為中心的設計雙循環(huán)模型，平衡了系統(tǒng)查詢方法和以人為中心的實現(xiàn)方法[13]，對具體設計對象進行分析之后抽象得出層級。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)從觀測到行動階段作用空中作戰(zhàn)的飛行員，由觀察（Observe）–調(diào)整（Orient）–決定（Decide）–行動（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，針對敵方關鍵節(jié)點進行打擊，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)覆蓋對方，從而實現(xiàn)穿透性制空，見圖1。

隨著信息技術的發(fā)展，OODA環(huán) 2.0提出增強獲取信息能力削弱對手。在2.0的基礎上，隨著人工智能等技術發(fā)展，OODA 環(huán) 3.0在對應的4個環(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行判斷，飛行員在座艙中的行為在戰(zhàn)場空間和時間維度上得以進一步擴展。飛行員的交戰(zhàn)領域在人工智能加空天信息一體化的背景下擴展到以目標為縱深，時間上的態(tài)勢感知預測將由原先的“分秒制”轉(zhuǎn)變?yōu)椤靶r制”。設計需要協(xié)同一體化，通過發(fā)現(xiàn)使用者的真實需求，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，飛行員對戰(zhàn)斗機作戰(zhàn)流程不同階段的需求至關重要。在滿足飛行員需求的基礎上，進行座艙內(nèi)空間信息一體化整合，構(gòu)建座艙內(nèi)符合飛行員面對不同階段的全面信息輔助內(nèi)容和座艙造型設計。

圖1 OODA環(huán)流程[14]

圖2 OODA環(huán)發(fā)展[16]

1.3 態(tài)勢感知和可視化回顧

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

表1 態(tài)勢感知時間空間意義

Tab.1 Temporal-spatial significance of situational awareness

Endsley提出態(tài)勢感知應用于自動化人機交互接口模型已被廣泛使用，其模型表示在一定時間內(nèi)，對空間內(nèi)的環(huán)境元素感知，對它們的意義進行理解，以預測近未來的狀態(tài)[20]。在復雜作戰(zhàn)環(huán)境中，態(tài)勢感知關注一個人對特定任務所能獲取到的相關知識[21-22]。基于Endsley的態(tài)勢感知模型，人們可以將態(tài)勢感知分為3個層次，分別是感知（Perception）、理解（Comprehension）、預測（Prediction）三級態(tài)勢感知，從對環(huán)境中信息的觀察到對關鍵信息的解讀整合，并形成對未來情況的理解。Endsley的態(tài)勢感知模型可以看作是一個標準的信息處理模型，這個模型普遍存在于認知信息學中[23-25]。三級模型的基石之一是假設環(huán)境中的特征映射到個體頭腦中的心智模型[26]，并且這些模型用于開發(fā)態(tài)勢感知。由經(jīng)驗形成的心智模型，將注意力引向環(huán)境中的關鍵要素，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)勢感知[27]。因此態(tài)勢感知是一個復雜的感知與系統(tǒng)匹配的過程，受到了記憶力和注意力的極大影響，其中包含了短時記憶、長時記憶和感知記憶。感知記憶包含對戰(zhàn)場環(huán)境中要素的采集，獲得原始信號；短時記憶對這些信號理解并識別，標定重要性。根據(jù)Endsley模型，進行對未來狀態(tài)的預測，需要從長時記憶提取圖式（Schema），這些圖式是決策者對環(huán)境綜合理解和預測時所需要的各類信息和知識。在當下戰(zhàn)場信息系統(tǒng)愈發(fā)復雜的前提下，決策者的決策必須由態(tài)勢感知系統(tǒng)和自動化系統(tǒng)輔助了解當前環(huán)境，從而進行判斷。因此根據(jù)態(tài)勢感知Endsley所提出的基礎模型結(jié)合OODA環(huán)，梳理出現(xiàn)有戰(zhàn)斗機OODA環(huán)與態(tài)勢感知座艙信息結(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)斗地點的準確實時信息；戰(zhàn)場的共同、相關信息圖式按照特定的興趣和特殊需要水平進行比較”[29]。態(tài)勢的可視化的軟件產(chǎn)物就是（通用）作戰(zhàn)態(tài)勢圖[30]。國外歐美軍事對態(tài)勢圖進行了大量的探索和研究，如今戰(zhàn)斗機中控制/信息顯示技術比以往更加多樣化、靈活化，允許各種各樣的設計存在。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)勢感知系統(tǒng)的關鍵模塊，信息可視化與態(tài)勢感知具有很強的關聯(lián)性[31]，它直接關聯(lián)作戰(zhàn)人員的信息獲取與儲存方式，對未來戰(zhàn)場內(nèi)作戰(zhàn)人員的判斷將有較大影響，而信息可視化與態(tài)勢感知的關聯(lián)，見圖4。

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

1）信息可視化是飛行員有效態(tài)勢感知來源。視覺感知可獲取的信息量和信息密度相對較大，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)勢感知過程提供支持。

2）信息可視化增強態(tài)勢感知能力。飛行員利用可視化視圖進行態(tài)勢感知，易于識別和理解復雜戰(zhàn)場環(huán)境中的要素，使態(tài)勢感知能力得到增強。

3）信息可視化支持態(tài)勢感知的各個層次可視化（可以支持感知層、理解層、預測層）。

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

1.4 戰(zhàn)斗機座艙中信息可視化的發(fā)展分析

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

表2 戰(zhàn)斗機發(fā)展迭代

Tab.2 Fighter aircraft's development

隨著信息時代的到來，戰(zhàn)場環(huán)境正在形成天地一體化大測繪的概念。這個信息化的大測繪是利用“海陸空”天地一體化的導航定位和遙測、遙感等空間數(shù)據(jù)獲取手段來自動化、智能化和實時化地將信息隨時隨地提供給每個人，服務到每件事，戰(zhàn)斗機的海陸空信息一體化通過天地一體化網(wǎng)絡實現(xiàn)[36]。該網(wǎng)絡以地面網(wǎng)絡為基礎、以空間網(wǎng)絡為延伸，覆蓋太空、空中、陸地、海洋等自然空間，為天基、空基、陸基、海基等各類用戶的活動提供信息保障的基礎設施[37]。Buzan[38]同樣指出基于空間信息一體化技術，讓各國之間能夠精細觀察彼此，獲得大量戰(zhàn)場信息。戰(zhàn)斗機座艙內(nèi)部通過技術融合，整合地空一體化信息并實時傳輸至戰(zhàn)斗機。戰(zhàn)斗機作戰(zhàn)飛行人員通過傳輸信息獲得戰(zhàn)場環(huán)境，形成態(tài)勢感知，見圖5。

文中梳理了戰(zhàn)斗機座艙的演變與發(fā)展（見表3），分析了隨著技術的發(fā)展和在軍事上的應用與未來戰(zhàn)場環(huán)境逐步轉(zhuǎn)向天地信息一體化，對未來空中作戰(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)勢感知信息結(jié)構(gòu)的特點，座艙中人機交互的發(fā)展趨勢與未來戰(zhàn)斗機中飛行員面臨的信息需求總結(jié)，期望為未來空戰(zhàn)的座艙設計提供借鑒和設計指導。

科學技術的進步和系統(tǒng)綜合水平的提高是推進座艙設計水平提升的關鍵力量。從第1代顯示儀表至第4代顯示儀表，每代顯示儀表的運用都使座艙儀表板簡潔化，同時促使工程師設計出相匹配的儀表布置原則，減輕飛行員的視覺負擔。系統(tǒng)綜合水平的提高使得座艙內(nèi)各系統(tǒng)的開關可以相互綜合，如幾個連貫的操作動作，飛行員只需完成第1個，后續(xù)幾個由計算機自動控制完成。此外，結(jié)合多功能顯示器，變“硬開關”為“軟開關”，戰(zhàn)斗機飛行員可直接在顯示器上完成操作。

戰(zhàn)斗機座艙的設計越來越強調(diào)人機工效，強調(diào)將飛行員與座艙及其環(huán)境的相互關系、協(xié)調(diào)性和人性化聯(lián)系起來綜合設計，使座艙任務作業(yè)更能夠與飛行員相適應，而不是要求飛行員適應座艙內(nèi)部硬件及其環(huán)境，從而減輕飛行員的負擔，讓不同飛行員可以舒適地操縱飛機，提高工作效率和安全性。第1代和第2代戰(zhàn)斗機的設計是為了最大限度地提高飛機的性能（例如速度、射程、有效載荷能力、機動性等），而第3代戰(zhàn)斗機的性能則因任務和航空電子系統(tǒng)的進步（例如隱形、監(jiān)視、武器等）而得到提高。第3代戰(zhàn)斗機采用了精確制導的彈藥系統(tǒng)，支持向視覺以外的交戰(zhàn)過渡。在向第4代戰(zhàn)斗機過渡的過程中，取得了一定的進展，使戰(zhàn)斗機和多用途戰(zhàn)斗機能夠發(fā)揮空對空或空對地作用，或進行空中偵察、監(jiān)視和支援。目前，第5代戰(zhàn)斗機正在開發(fā)中，以支持網(wǎng)絡中心戰(zhàn)。第5代戰(zhàn)斗機的特點是具有與其他飛機聯(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)，從而增強了戰(zhàn)斗機飛行員在日益復雜情況下的情勢察覺和戰(zhàn)術決策能力。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)觀測區(qū)域和行動區(qū)域形態(tài)在不斷變化，戰(zhàn)斗機的座艙顯示與控制（顯控）系統(tǒng)是飛行員和飛機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代的觀測和行動區(qū)域機械式分離，到第5代的信息融合，形成分布式態(tài)勢感知，空間擴展。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，作戰(zhàn)行動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)斗機座艙OODA環(huán)和態(tài)勢感知信息可視化迭代發(fā)展對照

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

續(xù)表1

1.5 戰(zhàn)斗機智能交互方式的發(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)勢信息變得越來越復雜，有限的2D顯示可能不足以以容易理解的方式呈現(xiàn)飛行員的關鍵信息。大面積全景顯示器與立體3D分離技術相結(jié)合[62]，為飛行員提供了遠優(yōu)于現(xiàn)有技術的態(tài)勢信息。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，包含時間和空間關系的4D飛行軌跡[64]等內(nèi)容，同時還能分屏顯示飛行數(shù)字地圖、全景地圖、系統(tǒng)狀態(tài)及飛機各個飛行階段的相關信息等。四維全景顯示技術的應用，能夠提高飛行員的感知力，當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]，幫助飛行員進行未來飛行軌跡及飛行信息的預測。

2）飛行員–戰(zhàn)斗機多智能體與自動化。在技術不斷發(fā)展的背景下，戰(zhàn)場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)絡鏈接和座艙內(nèi)智能體和空中交通管制員進行溝通，飛機座艙內(nèi)的智能體和地面交通管理員將根據(jù)戰(zhàn)場情況，輔助飛行員進行下一步動作判斷，支持執(zhí)行和協(xié)調(diào)他們的活動。人–智能體之間的交互設計符合交互設計研究的共性[67]。因此未來戰(zhàn)斗機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)同關系”，他們輔助飛行員與機載設備相互適應，協(xié)同完成飛行打擊任務。其次是意圖推進器，可綜合任務計劃內(nèi)容和機載系統(tǒng)當前狀態(tài)推斷飛行員下一步操作。最后是綜合自動化，可給予機器適度權(quán)限，在減輕飛行員操作強度的同時保證決策的可靠性。

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

2 一體化座艙信息系統(tǒng)設計

2.1 座艙信息系統(tǒng)設計

戰(zhàn)場環(huán)境巨大且復雜，當下作戰(zhàn)可視化環(huán)境（The Joint Operations Visualization Environment）是面向戰(zhàn)術決策支持系統(tǒng)的可視化軟件產(chǎn)物。針對信息系統(tǒng)設計已經(jīng)具有一定的研究基礎。針對國內(nèi)外信息系統(tǒng)設計研究綜述，見表4。

表4 信息系統(tǒng)設計研究綜述

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）多任務處理。戰(zhàn)斗機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)斗機座艙內(nèi)的飛行員態(tài)勢感知范圍更廣，響應速度更快，以達成同時發(fā)生的多任務形成，然而未來戰(zhàn)場面臨多平臺、多任務、復雜信息集合的特點，飛行員面對嘈雜、暴力、混亂的空戰(zhàn)領域，可能同時需要處理來自眼睛和耳朵的信息，并同步控制世界上最復雜、需要最快響應的機器。因此空中作戰(zhàn)的多任務處理仍然是一個重大挑戰(zhàn)。當下針對多任務處理的挑戰(zhàn)并行提出，精神學家Meyer提出人類無法完成多任務處理[83]，飛行員可通過訓練，切實努力突破自身并完成多任務空中作戰(zhàn)操作處理。當下天地信息一體化背景下信息復雜度提高，多任務同步處理難度提升，同步多任務處理對飛行員仍是重大挑戰(zhàn)。

2）多層級。信息分布于多層級結(jié)構(gòu)上應用，擁有機構(gòu)清晰、配置靈活可跨平臺等優(yōu)點[84]。在數(shù)據(jù)總量增加、種類增多、不斷擴張的基礎上，飛機座艙內(nèi)設備和其他連接到互聯(lián)網(wǎng)的設備傳感器的增加，輔助戰(zhàn)場態(tài)勢感知數(shù)據(jù)生成和增長的速度正在加快。艙內(nèi)同時采用云服務來存儲、處理和分析數(shù)據(jù)，因此針對座艙內(nèi)信息顯示和處理的層級也會不斷增加。

3）信息爆炸。一體化信息集成至座艙后，座艙內(nèi)信息更加復雜，通過信息一體化飛行員可感知一定時間和環(huán)境要素，提升態(tài)勢感知整體能力。但戰(zhàn)場一體化信息數(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信息做出反應。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，飛行員識別信息的過程和操作復雜度提升。現(xiàn)有的戰(zhàn)斗機布局已不能適配未來戰(zhàn)場。

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

當下戰(zhàn)斗機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知負荷。戰(zhàn)場信息由多方判定，飛行員需要快速反應，針對戰(zhàn)場信息做出反饋，操作形成精準打擊，而隨著技術的發(fā)展，未來智能座艙的信息維度將進一步提升，在下一步的設計中，戰(zhàn)斗機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

飛行員需要進行飛行操控，在戰(zhàn)場中進行必要的機動操作。飛行員的迫切要求是能以簡單易懂的方式自動實時地顯示所需要的信息[16]。通過文獻調(diào)研得知，戰(zhàn)斗機飛行員需要顯示信息簡單直觀，友好且協(xié)調(diào)有序以應對復雜多變的戰(zhàn)場環(huán)境和瞬息萬變的戰(zhàn)斗狀態(tài)。現(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（中國4代機）“Super Maneuverability”（超機動性）、“Super Sonic Cruise”（超音速巡航）、“Stealth”（隱身）、“Superior Avionics for Battle Awareness and Effectiveness”（高可維護性和超視距打擊）的基礎上進行進一步升級。超視距作戰(zhàn)[87]帶來的變化能夠減少超機動動作的需求，因此更多的時候處于遠距離信息作戰(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別信息[88]。具備超視距感知和作戰(zhàn)能力，可提前對超視距空域進行探測和空域目標進行分析、監(jiān)視等工作，聯(lián)合操作形成超視距打擊。由于未來戰(zhàn)斗機武器性能提高，可聯(lián)合無人作戰(zhàn)平臺進行協(xié)同作戰(zhàn)。因此需要飛行員進行戰(zhàn)場態(tài)勢評估，對僚機（無人作戰(zhàn)武器）進行指揮工作[89]。同時需要聯(lián)合空、地等指揮單位執(zhí)行超視距的打擊任務。未來戰(zhàn)斗機的部分任務會被智能化系統(tǒng)替代，但是由于戰(zhàn)場環(huán)境復雜，可能出現(xiàn)自主化系統(tǒng)失效或者無法應對特殊情況等情形，因此需要飛行員與自主化系統(tǒng)進行人機協(xié)同操作，必要時對系統(tǒng)進行接管等動作，見圖7。

圖7 智能戰(zhàn)斗機座艙中信息和功能要素分析

2.3 戰(zhàn)斗機座艙信息一體化設計

一體化設計是一種綜合整體的設計方法，匯集了通常單獨考慮的專業(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]指出一體化設計的出現(xiàn)主要有3個原因，其中之一即部分的信息分散，一體化設計可協(xié)助整體的協(xié)調(diào)以實現(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計在于通過科學的設計方法，整合多個學科的最新科學知識，并將之體現(xiàn)在最終的設計或者設計概念的發(fā)展中[93]。一體化設計體現(xiàn)在不同設計領域中，比如建筑物的整體建筑設計[94]，其中包括建筑學、結(jié)構(gòu)工程和建筑與可持續(xù)發(fā)展設計等。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)品設計方面，一體化設計主張作用于產(chǎn)品設計的創(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]。當不同的專業(yè)相互依賴或“耦合”時，就需要進行一體化設計。

2.4 信息一體化（框架）設計和以人為本的理念

戰(zhàn)斗機智能座艙在多技術融合、大數(shù)據(jù)支持的態(tài)勢感知基礎上，應當了解整體戰(zhàn)場環(huán)境的態(tài)勢感知、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，了解機載狀態(tài)和戰(zhàn)場情況，圍繞作戰(zhàn)任務展開行動。楊建民提出，當下軍事信息系統(tǒng)研究設計，應當綜合考慮開發(fā)環(huán)境、參與者、需求和設計流程[98]。結(jié)合OODA環(huán)下對態(tài)勢感知，人們認為作戰(zhàn)飛行員于空中戰(zhàn)場應當了解座艙內(nèi)的具體信息，并通過座艙信息系統(tǒng)理解戰(zhàn)場情況，擴展戰(zhàn)場感知視野，及時進行調(diào)整并針對實時信息進行反饋行動。同時座艙能夠監(jiān)測飛行員狀態(tài)，并通過智能體進行交互，給出建議，輔助飛行員實施最終的打擊任務，整體圍繞戰(zhàn)場信息、飛行員和戰(zhàn)斗機座艙，針對OODA環(huán)中的從觀察、調(diào)整到?jīng)Q定行動，進行了信息整合的一體化框架設計，見圖8。

3 面向信息一體化的智能戰(zhàn)斗機座艙設計

座艙中的3個重要方面分別是外界戰(zhàn)場關鍵感知，內(nèi)部座艙感知及操作。在一體化的視角下，分析具體設計中具體功能和信息要素，形成整合圖鑒（見圖8），并在流程設計方面，對每個信息的相關環(huán)節(jié)進行分析，發(fā)現(xiàn)其中問題，通過一體化理念進行調(diào)節(jié)整合分析。戰(zhàn)斗機座艙是飛行員在空中進行巡航、作戰(zhàn)等操作的核心區(qū)域，座艙設計體現(xiàn)了戰(zhàn)斗機的綜合技術水平，也在一定程度上反映出它的作戰(zhàn)能力。戰(zhàn)斗機座艙設計是一項以飛機的作戰(zhàn)任務，戰(zhàn)術技術性能和結(jié)構(gòu)設計為依據(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)新設計大賽，“X–Fighting面向信息一體化的智能座艙設計”探討了面向未來空中戰(zhàn)場OODA環(huán)循環(huán)中新態(tài)勢感知下的座艙設計研究。

駕駛員對內(nèi)飾造型的感知首先來自空間感知，其次是形態(tài)特征[99]。針對此次戰(zhàn)斗機座艙設計，考慮側(cè)重座艙內(nèi)單人駕駛戰(zhàn)斗機的場景，孫海洋等提出基于場景的設計由一種思維模式發(fā)展為一種有組織的方式[100]，而場景一詞由戲劇延伸而來，代表：“在一段時間內(nèi)，空間中所發(fā)生的敘事性動作行為構(gòu)成的場景畫面”。因此在單人面對多任務與復雜信息處理的場景下，對座艙內(nèi)可視化區(qū)域和內(nèi)部的空間元素進行一體化整合，平衡戰(zhàn)斗機飛行員的OODA環(huán)下針對態(tài)勢感知反饋的動作、行為和戰(zhàn)斗機座艙空間中布局，以達成駕駛戰(zhàn)斗機和打擊目標二者任務的平衡條件下實現(xiàn)精準打擊目標。其中對于信息獲取階段，基于信息一體化設計框架中紅色部分所提出的交互信息一體化設計，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)場信息、指揮部信息，以及根據(jù)不同飛行員動作習慣，進行個性化設置等層級進行分解分級，對信息分布、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行設計。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作。平視顯示系統(tǒng)將導航、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獲取與分級，并且平視顯示提升駕駛安全，降低駕駛員認知負荷的優(yōu)點，使其具有更大的戰(zhàn)場場景和環(huán)境空間觀測區(qū)域（見圖9–02）。在未來飛機座艙內(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)不同信息進行界面的重新整合與分級。

圖8 基于信息一體化未來智能戰(zhàn)斗機座艙設計框架

在交互形式上，見圖8所示框架中從決定到行動部分，整體概念設計基于戰(zhàn)斗機飛行員從態(tài)勢感知到?jīng)Q策動作的瞬時觸發(fā)性考慮，利用眼動鎖定敵機，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飛行員的快速打擊行為，自動化適應并完成一系列操作。見圖9–03中，通過虛擬AR戰(zhàn)斗平臺規(guī)劃最佳追蹤路徑并鎖定了敵機對象之后，交互信息系統(tǒng)（見圖9–04）將在玻璃罩艙及AR中顯示對敵機方位的鎖定，此時空中信息與飛行員的實時交互為整體背景，飛行員根據(jù)規(guī)劃路徑進行決策追蹤并直接利用語音交互下達對此目標的操作準備命令，如“發(fā)射導彈”“雷達鎖定”等指令，通過可變形觸摸屏幕上的按鈕進行攻擊。觸摸技術提供了許多優(yōu)勢[56]（觸摸屏提供更加直觀的操作可進行直接操作，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，對空中信息的判斷不準確造成無效打擊或誤傷隊友的情況，X–Fighting 智能座艙中將根據(jù)圖8框架中提出的對戰(zhàn)場信息進行天地信息一體化協(xié)同，實時監(jiān)測導出顯示在作戰(zhàn)交互系統(tǒng)終端屏幕（見圖10）實現(xiàn)遠程信息與終端參與輔助判斷，進行飛行中的任務判斷輔助，達成明確的敵我判斷，并針對敵方目標進行分級判斷，排列優(yōu)先打擊對象層級。

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)設計需以駕駛員為中心，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)設計的全流程中關注飛行員在OODA環(huán)中不同環(huán)節(jié)中需求，才能保證座艙系統(tǒng)設計結(jié)果的有效性，并體現(xiàn)其最終價值。戰(zhàn)斗機作戰(zhàn)流程根據(jù)OODA環(huán)模型可大致細分為巡航、目標識別、超視距打擊、視距內(nèi)打擊、組織戰(zhàn)斗協(xié)同、效果評估等6個階段，見圖12。

1）巡航階段。根據(jù)天地一體化信息，綜合使用各類情報信息，一體化整合為統(tǒng)一態(tài)勢信息。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)場空域?qū)ο笄闆r，包括友方戰(zhàn)機位置及部署，敵機數(shù)量、空域位置和戰(zhàn)機戰(zhàn)力信息等。

2）目標識別階段。針對天地一體化信息對目標性質(zhì)加以判別識別，確定戰(zhàn)場態(tài)勢信息，飛行員通過座艙全息顯示系統(tǒng)查看整個三維戰(zhàn)場物理域信息，開始協(xié)同作戰(zhàn)部署和指揮，向友機發(fā)送作戰(zhàn)指令，包括友機需到達位置，以及動作路線。

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

4）進入視距內(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)勢戰(zhàn)機的視距內(nèi)侵入。此時，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，飛行員對其進行功能自定義，并在近距離空戰(zhàn)中快捷操作實現(xiàn)戰(zhàn)術動作。進入纏斗階段，飛行員利用艙蓋全景顯示器標定和凸顯敵機位置（見圖11），在智能作戰(zhàn)系統(tǒng)導引下尋找導彈發(fā)射位置，最終擊落敵機。

5）打擊效果評估階段。綜合使用各種探測器材和情報信息，評估打擊效果，必要時組織兵力抵近觀察、判別，綜合運用各種手段，評估前期打擊效果，視情況組織兵力實施補充打擊。

圖11 X–Fighting 智能座艙

Fig.11 X-Fighting's intelligent cockpit

圖12 X-Fighting 智能戰(zhàn)斗機作戰(zhàn)流程

4 結(jié)語

針對未來技術不斷發(fā)展的復雜天地信息一體化戰(zhàn)場背景下，對戰(zhàn)役級OODA環(huán)下的作戰(zhàn)態(tài)勢認知與相關信息可視化進行了探討。厘清了OODA環(huán)框架下作戰(zhàn)人員的作戰(zhàn)態(tài)勢認知信息需求，梳理了一體化信息設計下戰(zhàn)斗機飛行員在作戰(zhàn)流程場景中的動作需求。提出了一體化信息系統(tǒng)設計理念，并建立概念模型。根據(jù)模型進行了座艙內(nèi)信息布局和空間設計，平衡空間關系與戰(zhàn)斗機飛行員不同階段動作需求。達成快速感知瞬時打擊敵方動作實現(xiàn)，為在未來空戰(zhàn)中提前切入敵方OODA環(huán)奪取戰(zhàn)場先機提供設計指導。

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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

國家社科藝術基金（20BG103）

趙丹華（1982—），女，博士，教授，主要研究方向為智慧座艙與出行體驗、情感設計與人因分析、設計研究范式與邊界、汽車造型特征與特征線。

責任編輯：陳作