基于战场时空信息一体化的战斗机智能座舱
2022-07-28赵丹华薛仲杰谭征宇张瑞佛
赵丹华，薛仲杰，谭征宇，张瑞佛
基于战场时空信息一体化的战斗机智能座舱
赵丹华1，薛仲杰1，谭征宇2，张瑞佛1
（1.湖南大学 设计艺术学院，长沙 410082；2.湖南大学 重庆研究院，重庆 401121）
针对未来战斗机座舱面对复杂空天地一体化信息战场环境，剖析战役级OODA环中重要节点及相关态势感知信息认知模型若干概念，理清其中座舱信息通道和OODA环流程场景下飞行员具体需求，为飞行员在空中获得一体化信息态势感知快速切入敌方OODA环，实施打击并取得战场优势提供指导。从战斗机迭代发展出发，分析座舱的演变过程，探讨当下技术发展对未来座舱的信息结构和整体布局产生的影响及带来的趋势。通过文献查阅提出了飞行员在OODA环各作战环下态势感知信息需求。通过一体化模型整合在不同阶段和场景下的战斗机作战信息，形成座舱内作战一体化体系，并通过概念设计平衡战斗机座舱中飞行员动作需求与信息空间布局，达成初步验证和表达理论框架。通过分析OODA环结合态势感知模型进行战斗机智能座舱信息系统一体化设计研究，以飞行员的战斗流程中动作需求为中心，通过一体化框架进行战斗机智能座舱设计整合了多源、多层、多量信息，构建了以飞行员在OODA环作战流程中作战任务动作为中心的信息一体化的战斗机座舱设计，对未来战斗机设计具有指导意义。
OODA；态势感知；战斗机智能座舱；一体化设计；场景动作；信息系统
在技术发展推动下，“海陆空”天地信息一体化作战体系逐步完成。未来战斗机即将面临复杂甚至极端恶劣的战场环境，在多维立体化条件下执行多平台、多任务的高度信息化作战方式[1]。战斗机座舱是飞行员操作飞机执行作战飞行任务的核心部位[2]。未来战斗机座舱设计是以战斗机的作战流程OODA环（Observation，Orientation，Decision，Action）下的态势感知为核心，综合考虑飞行员在战场所处环境面临的复杂信息情况和生理心理等因素[3]，充分发挥人机系统工效的系统设计。飞行员需依靠座舱显示系统获取态势感知，随后操作战斗机内部件完成巡航、接敌、作战、打击，切入敌人OODA环，并破坏其核心节点，达成完成作战任务目的。未来战斗机座舱内信息一体化设计让驾驶员在战斗机智能座舱内获得全面、清晰的战场态势信息，增强视距内和超视距作战能力，形成精准操作，完成打击。
同时，“战斗机智能座舱”的设计意义，在于其潜在的时间与空间构成，即战场时空信息的一体化表达；也在于其发挥人的战斗潜力，即态势感知和动作执行效能。一方面，战场时空信息的时间与空间关系是迅速迭代的，“场景引导”和“场景预判”几乎同时发生，即时空感知（态势感知）和时空动作几乎同时发生。因此座舱设计必须符合驾驶员态势感知和时空动作的特征，提供功能完整的智能活动空间。另一方面，智能座舱其实是某种任务场景的空间容器，“作战任务”是座舱存在和座舱设计的本质。因此智能座舱设计所表达的是以人为中心，包括以我方战斗机飞行员与敌方作战人员的关系为中心的一体化战斗机座舱空间交互设计。
1 概念阐述
1.1 战斗机智能座舱和态势感知
近期的局部战争表明，在未来的高科技战场，空军的地位和作用越来越重要[4]。战斗机是主要为空对空作战而设计的固定翼军用飞机[5]。在军事冲突中，战斗机的作用是建立战场的制空权。对战场上空的控制允许轰炸机和攻击机对敌方目标进行战术和战略轰炸。
战斗机的关键性能特征不仅包括火力，还包括对于目标飞机的更高速度、灵敏性、生存能力、探测能力、飞机性能、电子战能力和武器威力等[6-7]。飞行员获得空中优势的成功或失败取决于飞行员的技能、部署战斗机的战术合理性和态势感知能力等。
人在决策的过程中，对环境信息系统的感知、推理和预测，称之为态势感知（SA）[8]，态势感知主要面向的是不确定性强、人必须介入的大型复杂动态环境或系统[9]，尤其是战斗机面临的复杂战场。可视化技术在复杂战场中，让用户能够快速理解态势感知系统[9]。因此座舱内信息可视化部分是飞行员获得信息的界面，而控制是飞行员发布指令的界面。合理的座舱布局和显控配置是影响飞行任务完成质量的重要因素之一[10]，它与提高飞行员态势感知来源、操作工效、减轻工作负荷等重要问题密切相关。
1.2 OODA环及相关概念发展
OODA环是对空中体系作战整体行动全过程较为清晰的描述，因当下空中作战融合多方信息、多量信息等成为复杂系统[11]。前期Holovatch[12]提出复杂系统的特点是其许多成分之间的特定时间相关的相互作用。苏珊·贾森则提出了以人为中心的设计双循环模型，平衡了系统查询方法和以人为中心的实现方法[13]，对具体设计对象进行分析之后抽象得出层级。美国空军上校约翰·柏伊德提出的OODA环循环程序[14]，其中指出，作战环从观测到行动阶段作用空中作战的飞行员，由观察（Observe）–调整（Orient）–决定（Decide）–行动（Action）构成。OODA环的核心在于根据观察信息，穿透敌军防空体系，针对敌方关键节点进行打击，破坏敌方OODA环循环，即约翰·柏伊德提出的穿透敌方OODA环，使得我方OODA环循环覆盖对方，从而实现穿透性制空，见图1。
随着信息技术的发展，OODA环 2.0提出增强获取信息能力削弱对手。在2.0的基础上，随着人工智能等技术发展，OODA 环 3.0在对应的4个环节中引入了智能体概念[15]，见图2。
OODA环3.0阶段飞行员将综合智能体进行判断，飞行员在座舱中的行为在战场空间和时间维度上得以进一步扩展。飞行员的交战领域在人工智能加空天信息一体化的背景下扩展到以目标为纵深，时间上的态势感知预测将由原先的“分秒制”转变为“小时制”。设计需要协同一体化，通过发现使用者的真实需求，才能保证最终的产品品质[17]。因此分析信息一体化背景下，飞行员对战斗机作战流程不同阶段的需求至关重要。在满足飞行员需求的基础上，进行座舱内空间信息一体化整合，构建座舱内符合飞行员面对不同阶段的全面信息辅助内容和座舱造型设计。
图1 OODA环流程[14]
图2 OODA环发展[16]
1.3 态势感知和可视化回顾
从前文伯伊德所提出的“穿透性制空”作战，人们认为态势感知在OODA环中至关重要。作战态势认知是指挥决策的基础，也应嵌套在OODA环闭合回路中，并对这个回路的顺畅运行起到关键作用。在OODA 环理论框架下，可论述作战态势认知的概念[18]。态势感知一词最初是道格拉斯飞机公司在人因工程研究期间使用的，同时开发垂直和水平态势显示，并评估下一代商用飞机的数字控制布局。它被认为是在战场情况下成功决策的关键[19]，见表1。
表1 态势感知时间空间意义
Tab.1 Temporal-spatial significance of situational awareness
Endsley提出态势感知应用于自动化人机交互接口模型已被广泛使用，其模型表示在一定时间内，对空间内的环境元素感知，对它们的意义进行理解，以预测近未来的状态[20]。在复杂作战环境中，态势感知关注一个人对特定任务所能获取到的相关知识[21-22]。基于Endsley的态势感知模型，人们可以将态势感知分为3个层次，分别是感知（Perception）、理解（Comprehension）、预测（Prediction）三级态势感知，从对环境中信息的观察到对关键信息的解读整合，并形成对未来情况的理解。Endsley的态势感知模型可以看作是一个标准的信息处理模型，这个模型普遍存在于认知信息学中[23-25]。三级模型的基石之一是假设环境中的特征映射到个体头脑中的心智模型[26]，并且这些模型用于开发态势感知。由经验形成的心智模型，将注意力引向环境中的关键要素，通过整合这些要素，使感知者能够理解它们的含义，然后产生未来可能的状态，被用来发展态势感知[27]。因此态势感知是一个复杂的感知与系统匹配的过程，受到了记忆力和注意力的极大影响，其中包含了短时记忆、长时记忆和感知记忆。感知记忆包含对战场环境中要素的采集，获得原始信号；短时记忆对这些信号理解并识别，标定重要性。根据Endsley模型，进行对未来状态的预测，需要从长时记忆提取图式（Schema），这些图式是决策者对环境综合理解和预测时所需要的各类信息和知识。在当下战场信息系统愈发复杂的前提下，决策者的决策必须由态势感知系统和自动化系统辅助了解当前环境，从而进行判断。因此根据态势感知Endsley所提出的基础模型结合OODA环，梳理出现有战斗机OODA环与态势感知座舱信息结构环境，见图3。
军事背景下的态势感知被定义为“能够获得友军、敌军、中立地区和非战斗地点的准确实时信息；战场的共同、相关信息图式按照特定的兴趣和特殊需要水平进行比较”[29]。态势的可视化的软件产物就是（通用）作战态势图[30]。国外欧美军事对态势图进行了大量的探索和研究，如今战斗机中控制/信息显示技术比以往更加多样化、灵活化，允许各种各样的设计存在。航空电子传感器和处理器的发展为飞行员提供了获取更多、更准确信息的能力，并以“融合”的形式呈现出来[20]。因此智能信息可视化模块已成为各类态势感知系统的关键模块，信息可视化与态势感知具有很强的关联性[31]，它直接关联作战人员的信息获取与储存方式，对未来战场内作战人员的判断将有较大影响，而信息可视化与态势感知的关联，见图4。
图3 战斗机OODA环与态势感知座舱信息结构[28]
1）信息可视化是飞行员有效态势感知来源。视觉感知可获取的信息量和信息密度相对较大，其他交互通道可作为有效辅助，信息可视化为飞行员OODA环中态势感知过程提供支持。
2）信息可视化增强态势感知能力。飞行员利用可视化视图进行态势感知，易于识别和理解复杂战场环境中的要素，使态势感知能力得到增强。
3）信息可视化支持态势感知的各个层次可视化（可以支持感知层、理解层、预测层）。
图4 现有飞机座舱态势感知与信息结构环境[28]
1.4 战斗机座舱中信息可视化的发展分析
战斗机座舱的发展无需追溯到莱特兄弟，作为世界上第一架飞机，它尚未形成完整的飞机座舱概念[32]。自第一架战斗机Voisin III于第一次世界大战问世以来[33]，战斗机座舱跟随战斗机的性能推进发展，逐步进入智能化。1990年航空历史学家Hallion[34]主张将战斗机的发展划分为6代，而按照一般国际标准将自二战之后出现的喷气式战斗机发展划分为了5个阶段，目前我国将战斗机的发展分为了4代[35]，见表2。
表2 战斗机发展迭代
Tab.2 Fighter aircraft's development
随着信息时代的到来，战场环境正在形成天地一体化大测绘的概念。这个信息化的大测绘是利用“海陆空”天地一体化的导航定位和遥测、遥感等空间数据获取手段来自动化、智能化和实时化地将信息随时随地提供给每个人，服务到每件事，战斗机的海陆空信息一体化通过天地一体化网络实现[36]。该网络以地面网络为基础、以空间网络为延伸，覆盖太空、空中、陆地、海洋等自然空间，为天基、空基、陆基、海基等各类用户的活动提供信息保障的基础设施[37]。Buzan[38]同样指出基于空间信息一体化技术，让各国之间能够精细观察彼此，获得大量战场信息。战斗机座舱内部通过技术融合，整合地空一体化信息并实时传输至战斗机。战斗机作战飞行人员通过传输信息获得战场环境，形成态势感知，见图5。
文中梳理了战斗机座舱的演变与发展（见表3），分析了随着技术的发展和在军事上的应用与未来战场环境逐步转向天地信息一体化，对未来空中作战OODA环特征发展的影响，初步总结得出未来智能座舱中OODA环和态势感知信息结构的特点，座舱中人机交互的发展趋势与未来战斗机中飞行员面临的信息需求总结，期望为未来空战的座舱设计提供借鉴和设计指导。
科学技术的进步和系统综合水平的提高是推进座舱设计水平提升的关键力量。从第1代显示仪表至第4代显示仪表，每代显示仪表的运用都使座舱仪表板简洁化，同时促使工程师设计出相匹配的仪表布置原则，减轻飞行员的视觉负担。系统综合水平的提高使得座舱内各系统的开关可以相互综合，如几个连贯的操作动作，飞行员只需完成第1个，后续几个由计算机自动控制完成。此外，结合多功能显示器，变“硬开关”为“软开关”，战斗机飞行员可直接在显示器上完成操作。
战斗机座舱的设计越来越强调人机工效，强调将飞行员与座舱及其环境的相互关系、协调性和人性化联系起来综合设计，使座舱任务作业更能够与飞行员相适应，而不是要求飞行员适应座舱内部硬件及其环境，从而减轻飞行员的负担，让不同飞行员可以舒适地操纵飞机，提高工作效率和安全性。第1代和第2代战斗机的设计是为了最大限度地提高飞机的性能（例如速度、射程、有效载荷能力、机动性等），而第3代战斗机的性能则因任务和航空电子系统的进步（例如隐形、监视、武器等）而得到提高。第3代战斗机采用了精确制导的弹药系统，支持向视觉以外的交战过渡。在向第4代战斗机过渡的过程中，取得了一定的进展，使战斗机和多用途战斗机能够发挥空对空或空对地作用，或进行空中侦察、监视和支援。目前，第5代战斗机正在开发中，以支持网络中心战。第5代战斗机的特点是具有与其他飞机联网的固有能力，并通过智能数据融合算法管理大量数据，从而增强了战斗机飞行员在日益复杂情况下的情势察觉和战术决策能力。通过分析可见，从第1代到第5代，飞行员在空中作战的OODA环循环观测区域和行动区域形态在不断变化，战斗机的座舱显示与控制（显控）系统是飞行员和飞机之间传递信息的界面，由显示和控制2部分组成，见图6。从第1代的观测和行动区域机械式分离，到第5代的信息融合，形成分布式态势感知，空间扩展。未来作战在座舱内的飞行员的感知能力和范围大大增强，作战行动能力也更加自主灵活。
图5 天地信息一体化示意图[39]
表3 战斗机座舱OODA环和态势感知信息可视化迭代发展对照
Tab.3 The development of OODA andsituational awareness' information visualization in cockpit
续表1
1.5 战斗机智能交互方式的发展
1）座舱显示系统物理重构–PCCADS（Panoramic Cockpit Control and Display System）。随着态势信息变得越来越复杂，有限的2D显示可能不足以以容易理解的方式呈现飞行员的关键信息。大面积全景显示器与立体3D分离技术相结合[62]，为飞行员提供了远优于现有技术的态势信息。四维全景显示屏能够在同一窗口中集中显示[63]飞行空中地图、地面的作战地形、座舱状态、作战目标，包含时间和空间关系的4D飞行轨迹[64]等内容，同时还能分屏显示飞行数字地图、全景地图、系统状态及飞机各个飞行阶段的相关信息等。四维全景显示技术的应用，能够提高飞行员的感知力，当下飞行员座舱显示屏幕可辅助合成打击功能路径信息和地形图像[65]，帮助飞行员进行未来飞行轨迹及飞行信息的预测。
2）飞行员–战斗机多智能体与自动化。在技术不断发展的背景下，战场上航行追踪效率和打击效率仍然有限，因此提出了下一代智能航空交通系统（SATS）[66]，即飞行员通过网络链接和座舱内智能体和空中交通管制员进行沟通，飞机座舱内的智能体和地面交通管理员将根据战场情况，辅助飞行员进行下一步动作判断，支持执行和协调他们的活动。人–智能体之间的交互设计符合交互设计研究的共性[67]。因此未来战斗机座舱中将存在多智能体，飞行员与座舱中的智能体以及地面协管员形成“协同关系”，他们辅助飞行员与机载设备相互适应，协同完成飞行打击任务。其次是意图推进器，可综合任务计划内容和机载系统当前状态推断飞行员下一步操作。最后是综合自动化，可给予机器适度权限，在减轻飞行员操作强度的同时保证决策的可靠性。
图6 随OODA环发展座舱中观察行动区域变化[16]
2 一体化座舱信息系统设计
2.1 座舱信息系统设计
战场环境巨大且复杂，当下作战可视化环境（The Joint Operations Visualization Environment）是面向战术决策支持系统的可视化软件产物。针对信息系统设计已经具有一定的研究基础。针对国内外信息系统设计研究综述，见表4。
表4 信息系统设计研究综述
Tab.4 Information system design review
续表2
2.2 目前面临的问题与需求
2.2.1 目前面临的问题
1）多任务处理。战斗机座舱通过天地信息一体化智能网联等信息感知方式让战斗机座舱内的飞行员态势感知范围更广，响应速度更快，以达成同时发生的多任务形成，然而未来战场面临多平台、多任务、复杂信息集合的特点，飞行员面对嘈杂、暴力、混乱的空战领域，可能同时需要处理来自眼睛和耳朵的信息，并同步控制世界上最复杂、需要最快响应的机器。因此空中作战的多任务处理仍然是一个重大挑战。当下针对多任务处理的挑战并行提出，精神学家Meyer提出人类无法完成多任务处理[83]，飞行员可通过训练，切实努力突破自身并完成多任务空中作战操作处理。当下天地信息一体化背景下信息复杂度提高，多任务同步处理难度提升，同步多任务处理对飞行员仍是重大挑战。
2）多层级。信息分布于多层级结构上应用，拥有机构清晰、配置灵活可跨平台等优点[84]。在数据总量增加、种类增多、不断扩张的基础上，飞机座舱内设备和其他连接到互联网的设备传感器的增加，辅助战场态势感知数据生成和增长的速度正在加快。舱内同时采用云服务来存储、处理和分析数据，因此针对座舱内信息显示和处理的层级也会不断增加。
3）信息爆炸。一体化信息集成至座舱后，座舱内信息更加复杂，通过信息一体化飞行员可感知一定时间和环境要素，提升态势感知整体能力。但战场一体化信息数据体量庞大，信息数量增加，信息来源复杂、模态多样。在作战过程中飞行员需要迅速接收信息并对信息做出反应。在空中作战状态瞬息变化，由于信息来源的噪音、缺失、不一致等造成信息来源的不确定性，飞行员识别信息的过程和操作复杂度提升。现有的战斗机布局已不能适配未来战场。
4）多智能体下的协同信任。飞行员与自动化交互的主要问题之一是缺乏模式意识[85]（即自动化当前和未来的状态和行为），当自动化采取意外行动或未能按预期运行时，飞行员有时会遇到所谓的自动化意外。缺乏模式意识和自动化意外可以被视为人与机器的属性和能力不匹配的症状。
当下战斗机座舱中面临的主要问题仍然是信息来源。多层、多样化、来源多方的信息造成飞行员认知负荷。战场信息由多方判定，飞行员需要快速反应，针对战场信息做出反馈，操作形成精准打击，而随着技术的发展，未来智能座舱的信息维度将进一步提升，在下一步的设计中，战斗机智能座舱的信息整合仍是重中之重。
2.2.2 飞行员需求分析
飞行员需要进行飞行操控，在战场中进行必要的机动操作。飞行员的迫切要求是能以简单易懂的方式自动实时地显示所需要的信息[16]。通过文献调研得知，战斗机飞行员需要显示信息简单直观，友好且协调有序以应对复杂多变的战场环境和瞬息万变的战斗状态。现代空战包含视距内和超视距作战，拥有超视距作战能力将在空中具有更高获胜率[86]。在原有5代战机（中国4代机）“Super Maneuverability”（超机动性）、“Super Sonic Cruise”（超音速巡航）、“Stealth”（隐身）、“Superior Avionics for Battle Awareness and Effectiveness”（高可维护性和超视距打击）的基础上进行进一步升级。超视距作战[87]带来的变化能够减少超机动动作的需求，因此更多的时候处于远距离信息作战的操作中。未来多频段高隐身作战也需要飞行员能在驾舱中获取更明确的敌我识别信息[88]。具备超视距感知和作战能力，可提前对超视距空域进行探测和空域目标进行分析、监视等工作，联合操作形成超视距打击。由于未来战斗机武器性能提高，可联合无人作战平台进行协同作战。因此需要飞行员进行战场态势评估，对僚机（无人作战武器）进行指挥工作[89]。同时需要联合空、地等指挥单位执行超视距的打击任务。未来战斗机的部分任务会被智能化系统替代，但是由于战场环境复杂，可能出现自主化系统失效或者无法应对特殊情况等情形，因此需要飞行员与自主化系统进行人机协同操作，必要时对系统进行接管等动作，见图7。
图7 智能战斗机座舱中信息和功能要素分析
2.3 战斗机座舱信息一体化设计
一体化设计是一种综合整体的设计方法，汇集了通常单独考虑的专业。它试图考虑决策过程所需的所有因素和调节[90]。Stevens等[91]指出一体化设计的出现主要有3个原因，其中之一即部分的信息分散，一体化设计可协助整体的协调以实现其信息协同的潜力[92]。建筑师赫尔佐格同样提出一体化设计在于通过科学的设计方法，整合多个学科的最新科学知识，并将之体现在最终的设计或者设计概念的发展中[93]。一体化设计体现在不同设计领域中，比如建筑物的整体建筑设计[94]，其中包括建筑学、结构工程和建筑与可持续发展设计等。该方法也可以整合建筑生命周期管理与建筑物最终用户的更多考虑[95]。在产品设计方面，一体化设计主张作用于产品设计的创意过程和产品生产过程中，以及整合资源等系统[96-97]。当不同的专业相互依赖或“耦合”时，就需要进行一体化设计。
2.4 信息一体化（框架）设计和以人为本的理念
战斗机智能座舱在多技术融合、大数据支持的态势感知基础上，应当了解整体战场环境的态势感知、一体化天地信息和地面协同信息，辅助飞行员通过传感器捕捉到的外界信息，了解机载状态和战场情况，围绕作战任务展开行动。杨建民提出，当下军事信息系统研究设计，应当综合考虑开发环境、参与者、需求和设计流程[98]。结合OODA环下对态势感知，人们认为作战飞行员于空中战场应当了解座舱内的具体信息，并通过座舱信息系统理解战场情况，扩展战场感知视野，及时进行调整并针对实时信息进行反馈行动。同时座舱能够监测飞行员状态，并通过智能体进行交互，给出建议，辅助飞行员实施最终的打击任务，整体围绕战场信息、飞行员和战斗机座舱，针对OODA环中的从观察、调整到决定行动，进行了信息整合的一体化框架设计，见图8。
3 面向信息一体化的智能战斗机座舱设计
座舱中的3个重要方面分别是外界战场关键感知，内部座舱感知及操作。在一体化的视角下，分析具体设计中具体功能和信息要素，形成整合图鉴（见图8），并在流程设计方面，对每个信息的相关环节进行分析，发现其中问题，通过一体化理念进行调节整合分析。战斗机座舱是飞行员在空中进行巡航、作战等操作的核心区域，座舱设计体现了战斗机的综合技术水平，也在一定程度上反映出它的作战能力。战斗机座舱设计是一项以飞机的作战任务，战术技术性能和结构设计为依据，充分考虑人的生理、心理诸因素，以充分发挥人–机系统工效的系统工程。2021年以“未来”“科技”与“人因”为主题的首届未来座舱创新设计大赛，“X–Fighting面向信息一体化的智能座舱设计”探讨了面向未来空中战场OODA环循环中新态势感知下的座舱设计研究。
驾驶员对内饰造型的感知首先来自空间感知，其次是形态特征[99]。针对此次战斗机座舱设计，考虑侧重座舱内单人驾驶战斗机的场景，孙海洋等提出基于场景的设计由一种思维模式发展为一种有组织的方式[100]，而场景一词由戏剧延伸而来，代表：“在一段时间内，空间中所发生的叙事性动作行为构成的场景画面”。因此在单人面对多任务与复杂信息处理的场景下，对座舱内可视化区域和内部的空间元素进行一体化整合，平衡战斗机飞行员的OODA环下针对态势感知反馈的动作、行为和战斗机座舱空间中布局，以达成驾驶战斗机和打击目标二者任务的平衡条件下实现精准打击目标。其中对于信息获取阶段，基于信息一体化设计框架中红色部分所提出的交互信息一体化设计，与传统显示方式的区别在于将不再局限于单一的物理设备，而是多位置、多显示形式、多通道的整合（见图8），将传统的物理仪表盘整合成为一体的环绕式曲面屏幕（见图9–01），根据战场信息、指挥部信息，以及根据不同飞行员动作习惯，进行个性化设置等层级进行分解分级，对信息分布、不同显示区域的信息传递、不同信息维度的可视化等维度进行设计。飞行员可以在视线不离开前方路面的前提下，获得各类信息，有效地提高驾驶的安全性，获得更加直接的操作动作。平视显示系统将导航、空中情况、自身情况等数据，可视化处理到前方屏幕中的位置，帮助驾驶员获取驾驶信息、辅助驾驶信息和打击目标获取与分级，并且平视显示提升驾驶安全，降低驾驶员认知负荷的优点，使其具有更大的战场场景和环境空间观测区域（见图9–02）。在未来飞机座舱内或将面临庞大的多样化信息，而搭载平视显示的环绕屏幕也可根据不同信息进行界面的重新整合与分级。
图8 基于信息一体化未来智能战斗机座舱设计框架
在交互形式上，见图8所示框架中从决定到行动部分，整体概念设计基于战斗机飞行员从态势感知到决策动作的瞬时触发性考虑，利用眼动锁定敌机，快速通过驾驶员语音交互决策，下方柔性屏幕快速切换为物理按键屏幕用以适应飞行员的快速打击行为，自动化适应并完成一系列操作。见图9–03中，通过虚拟AR战斗平台规划最佳追踪路径并锁定了敌机对象之后，交互信息系统（见图9–04）将在玻璃罩舱及AR中显示对敌机方位的锁定，此时空中信息与飞行员的实时交互为整体背景，飞行员根据规划路径进行决策追踪并直接利用语音交互下达对此目标的操作准备命令，如“发射导弹”“雷达锁定”等指令，通过可变形触摸屏幕上的按钮进行攻击。触摸技术提供了许多优势[56]（触摸屏提供更加直观的操作可进行直接操作，更容易形成手眼协调），有助于保持飞行员的注意力向上和向前，以实现更安全和更有效的飞行[101]。
为解决未来遇到在视距和超视距作战中，对空中信息的判断不准确造成无效打击或误伤队友的情况，X–Fighting 智能座舱中将根据图8框架中提出的对战场信息进行天地信息一体化协同，实时监测导出显示在作战交互系统终端屏幕（见图10）实现远程信息与终端参与辅助判断，进行飞行中的任务判断辅助，达成明确的敌我判断，并针对敌方目标进行分级判断，排列优先打击对象层级。
图9 X–Fighting面向信息一体化作战的智能座舱
图10 X–Fighting 作战交互系统
Fig.10 X-Fighting's information system
座舱系统设计需以驾驶员为中心，驾驶员作为座舱的使用者和决策的最终决定者，只有在座舱系统设计的全流程中关注飞行员在OODA环中不同环节中需求，才能保证座舱系统设计结果的有效性，并体现其最终价值。战斗机作战流程根据OODA环模型可大致细分为巡航、目标识别、超视距打击、视距内打击、组织战斗协同、效果评估等6个阶段，见图12。
1）巡航阶段。根据天地一体化信息，综合使用各类情报信息，一体化整合为统一态势信息。飞行员通过座舱内的环绕屏显示系统直观地查看战场空域对象情况，包括友方战机位置及部署，敌机数量、空域位置和战机战力信息等。
2）目标识别阶段。针对天地一体化信息对目标性质加以判别识别，确定战场态势信息，飞行员通过座舱全息显示系统查看整个三维战场物理域信息，开始协同作战部署和指挥，向友机发送作战指令，包括友机需到达位置，以及动作路线。
3）超视距打击阶段。指挥控制协同作战武器平台或由自身携带的远距空对空导弹发起攻击，同时通过座舱内全息显示系统查看导弹的飞行位置。
4）进入视距内攻击阶段。系统完成超视距范围的打击之后，遭遇同等优势战机的视距内侵入。此时，飞行员切换目视距离战斗模式，座舱内显示屏（下视显示器）变换为物理操作按键，飞行员对其进行功能自定义，并在近距离空战中快捷操作实现战术动作。进入缠斗阶段，飞行员利用舱盖全景显示器标定和凸显敌机位置（见图11），在智能作战系统导引下寻找导弹发射位置，最终击落敌机。
5）打击效果评估阶段。综合使用各种探测器材和情报信息，评估打击效果，必要时组织兵力抵近观察、判别，综合运用各种手段，评估前期打击效果，视情况组织兵力实施补充打击。
图11 X–Fighting 智能座舱
Fig.11 X-Fighting's intelligent cockpit
图12 X-Fighting 智能战斗机作战流程
4 结语
针对未来技术不断发展的复杂天地信息一体化战场背景下，对战役级OODA环下的作战态势认知与相关信息可视化进行了探讨。厘清了OODA环框架下作战人员的作战态势认知信息需求，梳理了一体化信息设计下战斗机飞行员在作战流程场景中的动作需求。提出了一体化信息系统设计理念，并建立概念模型。根据模型进行了座舱内信息布局和空间设计，平衡空间关系与战斗机飞行员不同阶段动作需求。达成快速感知瞬时打击敌方动作实现，为在未来空战中提前切入敌方OODA环夺取战场先机提供设计指导。
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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
国家社科艺术基金（20BG103）
赵丹华（1982—），女，博士，教授，主要研究方向为智慧座舱与出行体验、情感设计与人因分析、设计研究范式与边界、汽车造型特征与特征线。
责任编辑：陈作
