多站任务协同无人机显示交互性能评估研究

牛 雪

（中国西南电子技术研究所，成都 610036）

0 引言

显示交互指的是设备给操作员提供有用信息，操作员与设备通过指令进行互动的技术。现代信息化网络发展迅速，对显示交互相关的信息显示效率、信息处理效率以及人机交互效率均提出了更高的要求。控制站作为无人机系统的人机交互中心，其显示交互性能是影响总体任务效能的重要因素。有统计数据显示，由于显示交互设计缺陷导致的人为事故占无人机事故总数的60%以上［1］。因此，加强无人机控制站显示交互技术的应用，对于及时把握任务时机、提高任务效能是十分必要的。

无人机的任务环境日趋复杂多变，一站一机的传统工作方式已无法满足大范围、高风险区域的任务需求。多个无人机控制站同时/分时联合控制无人机平台执行协同任务，可充分发挥个体优势，有效提高任务完成率。美国的小型控制站——远距显示终端系统（OSRVTs）由单人操作，多站同时接收并显示实时数据和图像，并可配套多种不同型号的无人机使用。它的应用展示了小型控制站在信息化网络环境中协同任务的巨大潜力［2］，提供了一种联合任务实施方案，即通过信息的全区域快速分发实现多站协同任务应用，以增强各任务单元之间作用效力的方式提高整体任务完成率。相较于中/大型控制站，小型控制站面临着功能全面、界面友好、通用开放的发展趋势［3-4］与有限处理、显示以及操作等显控资源配置约束之间的矛盾，其显示交互性能尤为值得关注。

提供一套完善、可信的无人机显示交互性能评估方法，在方案设计阶段即可确定无人机的显示交互性能是否满足任务和操作需求是至关重要的。但目前对于无人机显示交互性能尚缺乏一套行之有效的评估方法［5-7］，主要依靠研制人员与操作人员在使用中沟通并进行经验判断。鉴于以上情况，本文以小型/其他控制站协同任务为需求牵引，对无人机小型控制站多站任务协同的工作模式展开分析，并建立相应的无人机显示交互指标体系。对定量和定性指标分类研究，采用不同的量化方法进行指标值标准化。充分运用群决策的层次分析法［8-9］，设计了小型控制站显示交互性能评估模型，尽可能降低个人主观因素的干扰。结合某小型控制站的评估算例，对显示交互性能评估方法进行了有效性和合理性检验。

1 多站任务协同工作模式分析

借助小型控制站便于灵活部署的优势，利用多站（含1～多个小型控制站）执行联合任务，能在某些情况下拓展监视、侦察、目标作用范围等，并提高应急处置能力。

1.1 多站信息、数据共享

中/大型控制站作为主控制站，小型控制站作为信息、数据共享站。在无人机执行以目标信息获取为主的任务时，主控制站控制无人机飞行和任务，同时近距离的小型控制站共享实时信息、数据的接收。小型控制站不具有飞行和任务控制权限，但有信息、数据接收权限，从而有效实现目标信息的全域实时共享。在信息、数据共享过程中，如图1 所示，要求小型控制站具备链路状态接收、地图显示、载荷视频显示、存储、日志等显示交互能力，并可根据操作需要全屏展示地图或载荷视频显示区域。

图1 多站信息、数据共享示意图Fig.1 Schematic diagram of multi-station information and data sharing

1.2 多站联合指挥控制

中/大型控制站作为主控制站，小型控制站作为近风险区域的辅助控制站。任务中大部分时间由主控制站控制无人机飞行和任务，当无人机抵近规划的任务风险区域时，授予辅助控制站部分指挥控制权。辅助控制站接收任务载荷的数据信息，并对一些时敏性较高的任务进行短期控制。多站联合指挥控制过程如图2 所示，要求小型控制站具备上行命令发送、链路状态接收、地图显示、载荷视频显示、存储、日志等显示交互能力，并可根据操作需要全屏展开地图或载荷视频显示区域。

图2 多站联合指挥控制示意图Fig.2 Schematic diagram of multi-station joint command and control

1.3 紧急情况应对

中/大型控制站作为主控制站，小型控制站作为主站/其他站作用受限时的辅助控制站。无人机跟随感兴趣目标在复杂地形区域行进，在当前控制站受外部影响无法完成操纵时，小型控制站与当前控制站完成临时控制权交接。交接后，小型控制站按照任务规划实施紧急情况下的应急操作、回收等。紧急情况应对过程如下页图3 所示，要求小型控制站具备链路收发、任务规划、飞行管控、存储、日志等显示交互能力。

图3 紧急情况应对示意图Fig.3 Schematic diagram of emergency response situation

针对不同工作模式中的任务特点及需要，小型控制站应提供功能性、显示性、操作性和开放性兼具的显示交互能力。

我跟乔振宇因为这些“政见不合”的事争执过多次，他一辩不过我必然出口抱怨：“我乔振宇堂堂一个大丈夫，当初怎么就猪油蒙心找了你这个油盐不进的三等女了呢？”

2 小型控制站显示交互指标体系

无人机显示交互性能与任务中涉及的系统能力、人机工程、认知知识、人员心理因素等都有密切的联系。根据小型控制站在多站协同任务中的使用特点，引入显示交互性能的评估指标，并对其分析、构建指标体系。小型控制站的显示交互性能优劣主要取决于功能全面性、功能区域组合性、显示效果、操作效果和开放性5 方面因素，全面分析后构建了包含5 个一级指标、19 个二级指标的显示交互指标体系，如图4 所示。

图4 小型控制站显示交互指标体系Fig.4 Display interactive index system of small control station

功能全面性涵盖5 类要素：任务规划能力、链路管控能力、飞行管控能力、载荷管控能力和辅助功能。当前无人机仍然是“人在回路”的控制模式［10］，最终决定权依赖于控制站的管控。因此，控制站需具备丰富、灵活的功能性，以便适应任务需求和外界形势变化。

在显示资源受限时，界面设计需要考虑对待处理信息分类、分级显示，以及根据任务特点动态配置显控资源。与中、大型控制站相比，小型控制站的功能区域组合性指标更为关键，有助于提高控制站的任务适应性，达到快速满足操作人员指挥和决策需求的目的。

显示效果通常取决于显示因素的可视性和友好性。可视程度主要与屏幕上字体显示、色彩辨识、功能显示视区等相关。液晶屏幕上字体显示的最佳尺寸与操作视距有着紧密的联系，色彩辨别能力随操作视角变化而改变，且不同形式的仪表盘在视线范围内的认读可靠度也不尽相同。友好程度根据显示亮度、必要信息的多维显示、字符选择、仪表盘显示方式等评定。要满足随周围光线明、暗自适应的操作要求，保证操作人员在任何环境都能正常观看。对重要度高的关键信息可采用多时间、多方位、多点位编码技术表示，有利于提高信息处理的可靠性，并提供信息可替代能力。显示字符要根据操作习惯，筛选出颜色、亮度对比、尺寸比例、笔划粗细、清晰度等可辨识性较好的普通和特殊字符。仪表盘显示有数字和标度指示两种：显示数据需要精确读取时采用数字式；仅有定性的数字或以定性为主时，优先使用简洁、清晰的标度指示。

操作效果涉及3 个维度：输入操作的触觉灵敏度、操作便捷性和反馈能力。小型控制站的交互媒介包括触摸屏和外部操纵器。对应于不同功能类型的输入，屏幕触摸运动量应有粗、细调节的区别；另外，外部操纵器输入量也根据其功能类型进行设置，不同功能采集计数器可进行快速或慢速的运动量偏移。对各功能分区布局时，注意操作员的操作视角须尽量位于中心区域，监视区域的观察视角要考虑手臂遮挡影响，以及关键指标的位置部署要考虑误操作概率最小化。此外，任意有效输入都要适度反馈，重要的功能参数变化要实现瞬态响应效果并给出多重反馈，以确保信息响应的可靠度。

开放性主要从通用性和可扩展性进行衡量。基于任务的复杂性，显示交互界面应为操作人员提供支持多类型任务的接口，同时还要保证风格和设计的尽量统一，通过控制站的资源通用保证无人机任务效能的正常发挥。随着无人机性能的提高，显示交互系统也需具备便捷、可靠的升级能力，既不影响对无人机新增功能的配套使用，又要最大程度实现与现有界面、操控方式的兼容。

3 小型控制站显示交互性能评估模型设计

为了在方案、研制、使用、维护阶段始终达到实时、直观、精确展示无人机任务信息并高效辅助操作员指挥决策的目的，设计了小型控制站显示交互性能评估模型。对显示交互指标体系中的指标进行分类，具体数值描述的指标进一步正向化处理；模糊描述的指标进一步精确化处理，将专家经验量化描述；采用正向标准化和专家评价法［11］分类描述定量与定性指标，具有较强实用性。综合归一化后的指标量化结果，与通过群决策的层次分析法得到的指标权值联合计算，可算出评估总值。

3.1 指标分类

图4 中显示交互体系的指标描述特征各有不同，显示交互指标根据具体描述特性可区分为两类：精确型指标（用明确数值表示）和语言型指标（用文字、语言定性描述）。对图4 展开分析，其指标分类结果如表1 所示。

表1 指标分类Table 1 Classification of indexes

3.2 指标的标准化

考虑到定量、定性各指标的描述标度不同，为了建立直观且数量化的指标评估模型，需要对指标标准化处理。

3.2.1 精确型指标

设第i 个精确型指标的指标值为xi；标准化后的指标值为pi，其标准化处理如下：

其中，di为理想指标值。

3.2.2 语言型指标

语言型指标的量化采用常用的专家评价法。由相关资深专家给出指标的3 个百分制量化值m（最可能值）、o（乐观值）、p（悲观值），且认为3 种值的概率分布近似服从正态分布，那么语言型指标的量化值可按下式计算：

3.3 群决策的层次分析法确定判断矩阵和权重

采用群决策的层次分析法来完成显示交互性能评估模型的设计，能有效结合定量与定性分析的不同特点，且在常规层次分析法的基础上对多个专家的评价进行集结，可进一步消除主观因素对决策质量的影响。

3.3.1 建立初始判断矩阵

根据已建立的层次结构，分析同层不同因素之间的关系，构建某一层次因素相对于上一层因素重要度的判断矩阵。在确定判断矩阵的值时，需要依据上层因素定义的准则，对本层相关的因素两两比较，并用1～9 的数字［12］标度因素的重要性。

3.3.2 判断矩阵综合赋权

依据上式求出共识判断矩阵的所有cij，即可得到共识判断矩阵C。

3.3.4 权重确定

构建矩阵C 之后，计算每个指标对应的权重。求出矩阵C 的最大特征根λmax和相关特征向量ω。对ω 归一化处理，就可确定该层元素的最终权重值，处理后的ω 如下：

3.3.5 共识判断矩阵一致性检验

计算矩阵C 的一致性比例因子CR，公式如下：

共识判断矩阵的CR 要满足必要条件CR<0.1，否则对矩阵值适当修改直至满足条件为止。其中，一致性指标CI 的求解公式为：

n 为对应矩阵的阶数。平均随机一致性指标RI值，如表2 所示。

表2 1-8 阶矩阵的RITable 2 RI of matrices with order 1-8

3.4 综合评估值计算

其中，P 为某一层次的指标量化值向量；ω 为该层次的权重向量；E 为对应上层指标的综合评估值。

根据式（8），利用底层因素的指标量化值和权重值计算可得对应上层指标的评估值。

4 实例分析

对某小型控制站的显示交互界面进行分析评估，首先对二级指标值进行标准化处理，根据式（1）～式（2）得到量化值，如表3 所示。

表3 某小型控制站指标量化值Table 3 Index quantitative value of a small control station

邀请5 位专家对该小型控制站的显示交互指标进行分析，并根据前文所述模型进行打分计算。各项指标的权重值计算结果如图5～下页图6 所示。

图5 二级指标权重值Fig.5 Weight value of level-2 index

图6 一级指标权重值Fig.6 Weight value of level-1 index

得到一级指标评估值为：

综合图6 中的一级指标权重值，计算显示交互性能评估值：

通过对计算结果的分析可以看出：该小型控制站的显示交互性能满足任务需求，处于可接受的水平。对比功能全面性、功能区域组合性、显示效果、操作效果、开放性5 类指标，可以看出该小型控制站的功能全面性、功能区域组合性和开放性能力还有待优化提升，是其显示交互能力中较薄弱的环节。

5 结论

健全的无人机显示交互性能设计不仅能减少操作和安全缺陷，而且能提高工作效率，从而实现任务效益最大化。本文在分析不同任务协同模式下显示交互需求的基础上，研究了多站任务协同无人机小型控制站的显示交互指标体系，并构建了对应的无人机显示交互性能评估模型。结合实际算例进行了评估，反映了该方法的合理可行性，为无人机显示交互性能的评估提供了一种新的参考途径，对于无人机显示交互界面的设计和评估具有一定的指导意义。