聯合作戰條件下戰場信息可視化設計方法研究*

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

現在戰爭的趨勢是一體化聯合作戰，海量戰場信息是聯合作戰的突出特點，作戰優勢在于戰場信息的加工、處理和轉化，只有讓戰場信息主動“開口說話”，指揮員才能突破“戰爭迷霧”，準確掌握戰場動態和預判下一階段行動計劃。

2 戰場信息可視化研究現狀

戰場信息可視化是利用知識圖譜、計算機圖形學等信息挖掘技術，綜合利用仿真模型、虛擬現實、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，從而實現聯合作戰態勢“一幅圖”［1］。

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

軍事大國紛紛將戰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下，國內移動互聯網、城市交通、數字金融等民用領域信息可視化發展走在了世界前列，但在軍事領域，由于軍隊信息化基礎薄弱，在戰場信息可視化方面還處于探索階段，尤其在聯合作戰指揮信息系統中，目前研究還處在空白。

3 戰場信息可視化具有重要價值

從技術角度來看，聯合作戰指揮的情報信息量大、時效性高、來源廣且價值密度低的數據集；從認知能力看，隨著情報技術發展，指揮員能夠在數據采集分析過程中挖掘出戰場背后的規律如同大海撈針。在聯合作戰指揮信息系統中，戰場信息可視化主要體現以下重要價值：

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

2）提高了指揮員對復雜信息的處理和分析的效率，降低認知負荷；

3）實現了聯合作戰信息系統的聯合訓練和效果評估的可視化模擬；

4）為聯合作戰各級指揮中心提供了從發現敵情到實際行動的全周期戰場態勢監控可視化大屏；

5）通過戰場信息可視化支撐聯合作戰指揮，有力提升了我軍在聯合作戰指揮上信息化水平。

4 戰場信息可視化設計方法

聯合作戰指揮信息系統的戰場信息可視化包括地理環境可視化、武器裝備可視化、戰場態勢可視化、電磁對抗可視化、網絡作戰可視化、行動監控可視化等內容，根據其內容提出一套戰場信息可視化人機交互設計方法。

4.1 首先重點分析指揮員的實際和潛在需求

在《交互設計精髓》中，Alan Cooper將用戶需求歸納成三個模型：實際模型、表現模型和心理模型，表現模型越接近心理模型，用戶越容易理解信息含義［2］。如圖1，在聯合作戰指揮信息系統中，左側是原始戰場信息集，右側是指揮員潛在需求，設計者需要對指揮員群體特征研究和目標需求調研，深度挖掘指揮員潛在需求。調研用戶需求的方法包括：指揮員訪談、需求會議、調查問卷和用戶行為模擬等。由于行業特殊性，一般通過反復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 根據業務情境整編原始情報和選擇可視化結構

在信息化戰場上，各種觀測先進手段會產生源源不斷產生價值密度低且真偽難辨的情報信息，很容易誤入對方制造的戰場迷霧。這就需要信息系統按照一定的組織關系將原始情報信息歸納成多個共性的數據集，再選擇適合此情景的可視化結構。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、歷次突發事件處置報告及相關國際法等原始情報信息，再進行系統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構

4.3 基于時空的多維空間構建戰場態勢仿真模型

戰場態勢指的是基于時空的多維作戰空間，包括自然環境、人文環境、電磁對抗、戰場設施、兵力部署等［3］。構建這種時空共存的戰場態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引擎來實現仿真系統的開發，利用計算機建模軟件仿真實際和預演的動態變化的戰場態勢，具體構建方法如下：

1）利用采集的遙感測繪數據，通過CINEMA 4D 等地形編輯工具構建地形、地貌、設施等地理空間模型；

2）對于區域戰場尤其是交戰區、訓練場，需要精確構建局部戰場空間細節，如天氣、季風等；

3）將兵力、裝備、設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入Unity3D 引擎開發工具；

4）通過Unity3D 引擎實現空間關聯，利用C#開發腳本文件實現單元動作交互及場景控制，如動目標的活動軌跡、電磁環境覆蓋范圍、火力打擊范圍等；

5）根據實際需要為武器裝備、行動軌跡、衛星照射范圍、警醒效果等戰場態勢變化和細節動作添加動態效果。

圖3 構建戰場態勢仿真模型的方法

4.4 依照任務階段實時反饋戰場動態

在聯合作戰指揮信息系統中，利用衛星定位、指令和報告以統一標準協議互聯互通，通過態勢屏、行動甘特圖和執行矩陣三種視圖對任務行動和任務部隊實時監控，實現指揮員對戰場動態的掌握和下一階段行動計劃的預判。目標的類型、數量、位置、航向、航速等信息以軍標或三維形式反饋在二、三維態勢圖視圖上，實時、近實時了解作戰態勢發展。任務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行動實際與計劃的執行時間、執行狀態、任務行動間的關聯關系、里程碑關鍵點、告警提示等信息。描述具體的任務行動執行情況采用執行矩陣視圖，這種視圖描述了任務行動的名稱、執行時間、狀態、里程碑關鍵點、具體內容、執行效果等詳細信息，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、敵我態勢、任務視角、時間視角、空間視角等不同角度全方位反饋戰場動態和計劃執行情況。

4.5 尊重指揮員使用習慣設計人機交互界面

在整個戰場信息可視化設計過程中，人機交互界面是直面指揮員的“最后一公里”，直接決定了戰場信息可視化“好不好用”。指揮員希望能夠付出最少學習成本以獲得最大的資源回饋，輔助其決策，這就要求設計者：

1）根據指揮員實際使用場景選擇交互操作形式，如：指揮大廳采用鼠標交互形式、通信保障車內使用鼠標和觸摸相結合的交互形式等；

2）依據交互操作形式組織界面布局、色彩、尺存、形狀等組成要素設計；

3）借助指揮員過去的經驗和習慣，設計可視化場景交互、圖表呈現、行動監控等設計。

4.6 進行定性定量的人機交互可用性測試

在聯合作戰指揮信息系統版本推廣之前，必須對其可視化模塊進行易學性、易記性、容錯性、操作效率和用戶滿意度的可用性評估，從而建立設計評價模型，在版本推廣前發現可用性問題改進設計。通常采用定性和定量評價兩種結合的可用性測試方法。

定性評價可以采用調查問卷、行為觀察、用戶訪談、經驗評價等方式，定性評價需要預先設定樣本容量、實驗方法和實驗目的，再獲得小規模樣本評價數據。

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，建立實驗目標和條件假設、實驗設計、實驗運行和數據分析。

5 結語

在以聯合作戰背景下的作戰指揮信息系統為研究背景，分析了場信息可視化對數據、指揮員和指揮中心的重要價值，并結合戰場可視化技術，提出了從分析指揮員需求到可用性評估的一整套戰場可視化人機交互設計方法和流程，為以后戰場信息可視化設計者進行設計提供了參考依據，彌補在戰場可視化領域人機交互設計的方法論。