联合作战条件下战场信息可视化设计方法研究*

郑佳佳 周 健

（中国电子科技集团公司第二十八研究所 南京 210023）

1 引言

现在战争的趋势是一体化联合作战，海量战场信息是联合作战的突出特点，作战优势在于战场信息的加工、处理和转化，只有让战场信息主动“开口说话”，指挥员才能突破“战争迷雾”，准确掌握战场动态和预判下一阶段行动计划。

2 战场信息可视化研究现状

战场信息可视化是利用知识图谱、计算机图形学等信息挖掘技术，综合利用仿真模型、虚拟现实、图形图表等人机交互的手段，将采集信息以视觉、听觉等的感官媒介传递给决策中枢，从而实现联合作战态势“一幅图”［1］。

为促进战场信息可视化发展，美国国防高级研究计划局（DARPA）研制了可实时显示的“战场信息可视化情报系统”；美国海军实验室（NRL）资助开发了“龙”战场可视化系统；美国陆军把战场信息可视化纳入《陆军训练与条令条例》中。

军事大国纷纷将战场可视化作为信息化的重要研究课题，美军显然走在了前列。在阿里巴巴、百度等科技巨头带领下，国内移动互联网、城市交通、数字金融等民用领域信息可视化发展走在了世界前列，但在军事领域，由于军队信息化基础薄弱，在战场信息可视化方面还处于探索阶段，尤其在联合作战指挥信息系统中，目前研究还处在空白。

3 战场信息可视化具有重要价值

从技术角度来看，联合作战指挥的情报信息量大、时效性高、来源广且价值密度低的数据集；从认知能力看，随着情报技术发展，指挥员能够在数据采集分析过程中挖掘出战场背后的规律如同大海捞针。在联合作战指挥信息系统中，战场信息可视化主要体现以下重要价值：

1）大大扩展了指挥员对战场态势感知的深度和广度，综合感知战场地形地貌、兵力部署、攻防范围等影响因子；

2）提高了指挥员对复杂信息的处理和分析的效率，降低认知负荷；

3）实现了联合作战信息系统的联合训练和效果评估的可视化模拟；

4）为联合作战各级指挥中心提供了从发现敌情到实际行动的全周期战场态势监控可视化大屏；

5）通过战场信息可视化支撑联合作战指挥，有力提升了我军在联合作战指挥上信息化水平。

4 战场信息可视化设计方法

联合作战指挥信息系统的战场信息可视化包括地理环境可视化、武器装备可视化、战场态势可视化、电磁对抗可视化、网络作战可视化、行动监控可视化等内容，根据其内容提出一套战场信息可视化人机交互设计方法。

4.1 首先重点分析指挥员的实际和潜在需求

在《交互设计精髓》中，Alan Cooper将用户需求归纳成三个模型：实际模型、表现模型和心理模型，表现模型越接近心理模型，用户越容易理解信息含义［2］。如图1，在联合作战指挥信息系统中，左侧是原始战场信息集，右侧是指挥员潜在需求，设计者需要对指挥员群体特征研究和目标需求调研，深度挖掘指挥员潜在需求。调研用户需求的方法包括：指挥员访谈、需求会议、调查问卷和用户行为模拟等。由于行业特殊性，一般通过反复的指挥员访谈和需求会议确定指挥员实际和潜在需求。

图1 分析指挥员实际需求和潜在需求模型

4.2 根据业务情境整编原始情报和选择可视化结构

在信息化战场上，各种观测先进手段会产生源源不断产生价值密度低且真伪难辨的情报信息，很容易误入对方制造的战场迷雾。这就需要信息系统按照一定的组织关系将原始情报信息归纳成多个共性的数据集，再选择适合此情景的可视化结构。如：针对南海X 护航行动专题，需要从情报库抽取航线的气象水文、海盗活动轨迹及支援舰队相对位置、历次突发事件处置报告及相关国际法等原始情报信息，再进行系统化整编形成支撑该护航行动的可视化专题。

图2 整编原始情报和选择可视化结构

4.3 基于时空的多维空间构建战场态势仿真模型

战场态势指的是基于时空的多维作战空间，包括自然环境、人文环境、电磁对抗、战场设施、兵力部署等［3］。构建这种时空共存的战场态势的仿真模型需要采用混合建模思路，此处介绍的方法采用了具有跨平台特点的Unity3D引擎来实现仿真系统的开发，利用计算机建模软件仿真实际和预演的动态变化的战场态势，具体构建方法如下：

1）利用采集的遥感测绘数据，通过CINEMA 4D 等地形编辑工具构建地形、地貌、设施等地理空间模型；

2）对于区域战场尤其是交战区、训练场，需要精确构建局部战场空间细节，如天气、季风等；

3）将兵力、装备、设施等实体模型和打击范围、探测范围、防御范围等能力模拟导入Unity3D 引擎开发工具；

4）通过Unity3D 引擎实现空间关联，利用C#开发脚本文件实现单元动作交互及场景控制，如动目标的活动轨迹、电磁环境覆盖范围、火力打击范围等；

5）根据实际需要为武器装备、行动轨迹、卫星照射范围、警醒效果等战场态势变化和细节动作添加动态效果。

图3 构建战场态势仿真模型的方法

4.4 依照任务阶段实时反馈战场动态

在联合作战指挥信息系统中，利用卫星定位、指令和报告以统一标准协议互联互通，通过态势屏、行动甘特图和执行矩阵三种视图对任务行动和任务部队实时监控，实现指挥员对战场动态的掌握和下一阶段行动计划的预判。目标的类型、数量、位置、航向、航速等信息以军标或三维形式反馈在二、三维态势图视图上，实时、近实时了解作战态势发展。任务行动实际进展与计划时间对比需要采用行动甘特图视图，以泳道图形式表达母子任务行动实际与计划的执行时间、执行状态、任务行动间的关联关系、里程碑关键点、告警提示等信息。描述具体的任务行动执行情况采用执行矩阵视图，这种视图描述了任务行动的名称、执行时间、状态、里程碑关键点、具体内容、执行效果等详细信息，并且可以以报告形式向上级汇报［4］。

这三种视图综合使用，可以让指挥员从部队状态、敌我态势、任务视角、时间视角、空间视角等不同角度全方位反馈战场动态和计划执行情况。

4.5 尊重指挥员使用习惯设计人机交互界面

在整个战场信息可视化设计过程中，人机交互界面是直面指挥员的“最后一公里”，直接决定了战场信息可视化“好不好用”。指挥员希望能够付出最少学习成本以获得最大的资源回馈，辅助其决策，这就要求设计者：

1）根据指挥员实际使用场景选择交互操作形式，如：指挥大厅采用鼠标交互形式、通信保障车内使用鼠标和触摸相结合的交互形式等；

2）依据交互操作形式组织界面布局、色彩、尺存、形状等组成要素设计；

3）借助指挥员过去的经验和习惯，设计可视化场景交互、图表呈现、行动监控等设计。

4.6 进行定性定量的人机交互可用性测试

在联合作战指挥信息系统版本推广之前，必须对其可视化模块进行易学性、易记性、容错性、操作效率和用户满意度的可用性评估，从而建立设计评价模型，在版本推广前发现可用性问题改进设计。通常采用定性和定量评价两种结合的可用性测试方法。

定性评价可以采用调查问卷、行为观察、用户访谈、经验评价等方式，定性评价需要预先设定样本容量、实验方法和实验目的，再获得小规模样本评价数据。

定量评价可以采用功能埋点测试、日志文件分析和眼动追踪测评方式，建立实验目标和条件假设、实验设计、实验运行和数据分析。

5 结语

在以联合作战背景下的作战指挥信息系统为研究背景，分析了场信息可视化对数据、指挥员和指挥中心的重要价值，并结合战场可视化技术，提出了从分析指挥员需求到可用性评估的一整套战场可视化人机交互设计方法和流程，为以后战场信息可视化设计者进行设计提供了参考依据，弥补在战场可视化领域人机交互设计的方法论。