基于情境的战场态势感知界面模型*

杨 松，杨 强，杨朝晖，周 莉

(海军装备研究院,北京 100036)



基于情境的战场态势感知界面模型*

杨 松，杨 强，杨朝晖，周 莉

(海军装备研究院,北京 100036)

情境信息能够嵌入到战场态势感知界面,辅助进行用户操作意图判断、界面自适应、界面资源推荐、多用户协作推荐等智能响应,从而提高指挥人员对战场态势的觉察、理解与预测能力。目前情境信息作用于战场态势感知界面的机制和流程尚未明确,从而对情境信息的利用造成障碍。基于此,首先提出面向未来的战场态势感知界面的5种特征,接着阐述了战场态势感知界面的6类典型情境因素,最后给出了基于情境的战场态势感知界面模型。该研究,为基于情境的战场态势感知界面的设计与使用指明了方向。

情境;态势感知;智能用户界面

支持战场态势感知的指挥界面称为战场态势感知界面。随着科技的发展,未来战场态势感知界面要体现出一定的智能性,比如能够感知各类情境、能够理解指挥人员的交互行为、能够依据情境进行界面自适应响应等,总之情境信息对于战场态势感知界面具有重要的价值。但是由于情境信息种类繁多、瞬息万变,而且情境信息作用于战场态势感知界面的机制和流程还不明确,迫切需要一个基于情境的战场态势感知界面模型,以指导敏捷、轻量的战场态势感知界面的设计与使用。本文首先提出未来战场态势感知界面具备的5种特征,然后阐述了战场态势感知界面典型的6类情境因素,最后给出了基于情境的战场态势感知界面模型。

1 相关概念

徐光祐[1]指出在普适计算环境下用户不再与单一计算机交互,而是与若干设备进行显式或隐式的交互,在这种场景下用户很难直接确定与哪个设备交互,从而事实上构成与整个信息空间(Cyberspace)的交互,最终辨别用户交互意图的难题就交给信息空间去解决,而信息空间通过对用户、任务、环境等状态信息的综合分析辨别用户交互意图。在该过程中的状态信息就是情境信息。Dey[2]等给出一个被广泛认可的情境定义,认为情境是用于表征实体状态的信息,实体是用户与应用交互过程中相关的人、地名和对象,包括用户与应用本身。从上述定义看,情境信息与战场信息[3]具有明显差别。情境信息侧重于各类实体的“状态”,而战场信息侧重于各实体的“信息内容”,但是情境信息可以从战场信息抽取而来。

态势感知[4]是在一定的时空条件下,对环境因素进行获取、理解以及对其未来状态进行预测。从未来发展趋势看,支持态势感知的指挥界面,即战场态势感知界面应该具备如下5种特征:按需互联、灵活显示、自然交互、便捷协同、高效感知。这5种特征体现了以用户为中心的设计(User-centered Design, UCD)[5]思想,反映了高级的智能用户界面特征。而这5种特征的实现都离不开指挥环境中的各类情境信息,因此对情境信息的利用影响着战场态势感知界面的智能性[6]。因此研究基于情境的战场态势感知界面具有重要的意义。

2 战场态势感知界面中的情境因素

情境信息的种类很多,存在不同的分类方法。Schilit[7]认为情境是与用户相关的信息,包括用户的位置、身份、用户周边的物理对象(Physical Object)以及与用户交互的设备的状态。Abowd[2]认为位置、身份、活动和时间是最重要的情境因素。洪颖[8]认为应该划分为设备情境、时空情境、用户情境、任务/问题情境。

上述分类适用于通用的情境分类,可以直接作用于战场态势感知界面分析研究。为满足上文提到的5种特征,本文认为战场态势感知界面还应该强调如下6方面的情境,如图1所示。虽然这6方面在粒度、范围上可能存在交叉,但是不影响它们作为战场态势感知界面的主要优化方向。

图1 战场态势感知界面的情境因素

1)可视化过程中的情境

战场态势感知界面可视化的基本目标是让指挥人员快速、方便地觉察与理解目标,但是现有可视化过程存在种种不足,主要包括:战场态势通常基于地理信息系统形成不同领域、不同任务的态势图,但是目前不同层次级别的单位在态势显示内容与细节上完全相同,无法体现指挥人员层次、任务级别的差异;战场态势在显示上缺乏跨设备的灵活自适应机制,缺少标号的聚合与解聚机制等。上述问题之所以长期得不到解决,主要因为它们涉及众多显式和隐式的情境,包括单位承担的任务差异、用户的个性需求与状态、任务执行阶段与状态、屏幕的大小与位置、信息的组织层次与质量等,这些情境信息如何进行采集并嵌入到战场态势感知界面中还没有好的解决方案。

2)显示设备的组织管理情境

在态势感知环境中,比如战役级指挥所,通常存在多个显示设备,比如各类显示屏幕。从任务视角观察,这些屏幕在逻辑上具有显著的联系,主要包括4种[9]:关联性、解释性(比如B屏幕的内容用于解释A屏幕)、逻辑性(比如因果关系、依赖关系等)和过程性(比如先后相继的步骤或环节)。这4种联系就是显示设备的组织管理情境,在面向未来的战场态势感知界面上应充分考虑上述组织管理情境,促进战场态势感知界面在显示上的便利性、关联性。

3)海量数据显示中的情境

战场态势信息的多维特征,给态势显示能力带来了挑战。如果要掌握全域的信息,指挥人员需要在多图层、多视图、甚至多屏幕之间频繁切换,造成众多不便。而且,为防止对指挥人员的认知能力、瞬时记忆等的冲击,海量数据不能以大量原始数据的形式直接进行显示,而要进行抽取、筛选、融合显示等预先处理,在这个过程中涉及用户状态、显示设备状态、任务状态等各类情境信息,因此如何将上述情境信息与海量数据结合以实现一个具有较高感知认知效率、较低干扰度的态势显控系统,是这个领域面临的一个挑战。

4)人员视觉规律情境

从人类视觉搜索理论[10-11]看,跨模态(文本、音频、视频、图像等)的显示、有效的颜色编码机制、视觉搜索的区域与面积都对指挥人员的视觉搜索效率产生较大影响,从而影响态势感知效率。因此,战场态势感知界面的设计应该充分考虑指挥人员作为自然人的特征,将跨模态显示、颜色编码等注意力导引技术引入进来,以高效但并无武断的方式提高战场态势感知能力。

5)态势感知模型中的情境

根据Endsley的态势感知模型[4],态势感知分为觉察、理解、预测三个层次,每个层次对态势显示的内容、样式、位置、时效性、关联性等具有不同的要求。因此,在战场态势感知界面方面也应充分考虑上述态势感知的分层需求,结合任务阶段、用户状态、信息时效性等情境高效地呈现战场态势。

6)态势感知沉浸感中的情境

沉浸感对指挥人员准确高效的态势感知具有重要意义。增强沉浸感需要充分利用各类情境信息,比如为了解决复杂的态势感知要素与有限屏幕空间的矛盾,可以通过信息的叠加显示、虚实结合等方式对指挥人员进行各类提示与告警。同时为了保持指挥人员执行任务的连续性,需要选择合适的中断时机对用户进行提示与告警。而且,为了使用户不用较大幅度地移动位置、转动身体即可获取所需信息,也需要对显示位置、显示方式进行合理组织。在上述过程中,任务状态(阶段、重要性等)、指挥人员状态(注意力、疲劳度、任务量等)、设备状态(位置、大小、分辨率等)等情境信息都需要在态势感知界面中进行体现。

另外,战场态势感知界面还应该考虑多用户环境下的情境作用机制,这种界面改变了传统的界面与用户的一一对应关系,因此对用户、任务等情境信息的识别变得更加复杂。

3 基于情境的战场态势感知界面模型

情境信息如何作用在战场态势感知界面中,是亟需解决的问题。基于情境的战场态势感知界面应该具备即时性[12]、情境感知特征,既要强调界面使用的敏捷与轻量化,又需要将情境信息嵌入到战场态势感知界面的底层,从而可以实时影响界面的显示状态,甚至影响信息处理流程。

为满足上述需求,本文提出了基于情境的战场态势感知界面模型,如图2所示,主要包括5部分内容。

图2 基于情境的战场态势感知界面模型

1)情境采集

情境采集需要结合软硬件设施共同进行。硬件设施包括各类环境传感器、穿戴式设备、基础运行设备等,可以获取用户状态、设备状态等情境信息。软件设施包括各类软件探针、日志记录、状态监测系统等,可以获取界面状态、任务状态等情境信息。从上述情境的来源看,情境信息表现出明显的多源异构特征,而且数据量随着用户数量、设备数量、任务数量的递增而急剧增加,从而给情境信息的采集、表示、存储等带来了较大挑战。

2)情境融合

情境融合要克服情境的多源异构特性、存储的分布式特征,实现集中式的情境聚合机制,从而提供持久性的存储。情境融合还要提供统一的情境数据模型,为情境推理提供数据关联和查询服务[13]。在具体实施过程中,也可以借鉴信息融合中各类技术和概念,实现信号层、特征层的融合,但是决策层的融合应属于情境推理的范围。

3)情境推理

情境推理是实现战场态势感知界面智能性的重要手段。由于底层情境信息很难被上层应用直接理解,因此有必要将底层情境信息解释为高层情境信息,在该过程中存在众多方法,比如贝叶斯网络、证据理论、隐马尔科夫模型等方法。在推理过程中,也要参考一定的模型,比如利用用户心智模型与情境的结合可以对用户意图进行推理,利用任务模型与情境的结合则可以对任务进行推理。

4)情境属性控制

情境属性是为记录情境信息而为界面控件增加的属性。通过增加情境属性,在情境发生变化后立即通过修改情境属性而实现界面的即时响应,同时也有利于保持业务控制逻辑,从而体现出即时性和轻量化的特点。情境属性的控制主要实现情境信息在界面上作用方式的控制,典型的控制内容包括:

•显隐控制:由于用户权限、隐私等造成的界面窗口显示与隐藏的控制需求;

•强调控制:突出界面中的重要区域或信息的控制需求;

•显示样式控制:界面信息的显示样式需求,比如单用户视图、多用户视图等;

•操作能力控制:对用户操作能力限制的控制需求,比如运行或禁止操作、操作次数限制等;

•操作流程控制:由于权限或者业务限制造成的操作优先权等流程控制的需求;

•设备属性控制:不同显示设备的屏幕大小、输入模态、分辨率等限制需求。

5)战场态势感知界面

为降低业务模型、控制逻辑、界面显示三者之间的耦合度,同时便于在模型中嵌入情境属性,可以采取MVC(Model-View-Controller,M-V-C,模型-视图-控制器)范型进行机制设计。如图2所示,其中:模型包括战场态势感知界面的业务规则、情境属性。当业务数据发生改变时,它能够通知视图相应改变。视图是战场态势感知界面的显示与交互部分,它通过接收用户的交互信息向控制器发送用户请求事件,还可以向模型查询业务状态并接收模型发出的状态变化事件。控制器除了实现情境属性控制功能之外,还担当协调(Collaborator)和同步(Synchronizer)的角色,具体包括:一是通过与视图、模型的协调,判断当前情境状态,并对用户的视图选择进行控制;二是通过对情境信息、操作状态等数据的同步,将模型与视图匹配在一起,共同完成用户请求。

需要强调的是,前面提到的情境属性控制的内容已经嵌入到战场态势感知界面中,直接利用控制器中的协调、同步功能,对模型和视图产生影响。上述MVC设计为战场态势感知界面的设计提供了一种通用的设计模式,既可以对该类界面的设计进行规范,也可以对相关控件的设计提供支持。而且,该模式实现了界面与控制逻辑的分离,逻辑层次更加清晰,便于后续的扩展与复用。

4 结束语

军事任务的执行置身于各种情境之中,合理利用这些情境可以提高任务执行的效率。通过对情境的采集、融合、推理等过程,并将其嵌入到战场态势感知界面中,可以增强界面的灵活性，交互性与智能性。对情境的利用也是未来指挥环境中需要重点考虑的方向。未来指挥环境中强调任务驱动、以用户为中心的设计,就是要突出个体特征、强调群体协作、追求界面的易用性,在该过程中情境信息必不可少。本文首先提出未来战场态势感知界面具备的5种特征,接着阐述了战场态势感知界面6类典型情境因素,最后给出了基于情境的战场态势感知界面模型。后续研究方向包括情境的跨域融合方法、情境推理方法、多用户环境下的情境采集等。

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[13]Andr C, Corr A, Rosa R D. A Multi-tiered Model for Context-aware Systems[C]. New York, NY, USA: 2014.

Battlefield Situation-aware Interface Model on Context

YANG Song, YANG Qiang, YANG Zhao-Hui, ZHOU Li

(Naval Academy of Armament, Beijing 100036, China)

Context information can be embedded into battlefield situation-aware interface, which can help judge users’ intention, provide adaptive user interface, recommend interface resources and collaborative mechanism. By this way, the ability of situation perception, understand, prediction can be promoted. Currently the embedding mechanism and processing flow for context information are not yet definitive, which cause obstacles to the utilization of context. This paper firstly proposes 5 merits for future battlefield situation-aware interface, and then analyses 6 type context. At last, a context-aware interface model for battlefield is presented. Research results above indicate direction for design and use of battlefield situation-aware interface.

context; situation awareness; intelligent user interface

2016-12-13

2016-12-30

国家自然科学基金资助项目(61502519)。

杨 松(1964-),男,江苏盱眙人,硕士,高级工程师,研究方向为通信与信息系统。 杨 强(1979-),男,博士,工程师。 杨朝晖(1971-),女,硕士,高级工程师。 周 莉(1982-),男,博士,工程师。

1673-3819(2017)02-0081-04

TJ391；TJ761.1

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2017.02.016