中国指挥与控制学会会刊 
在军事领域,指挥员“围桌而论”是普遍存在的一种会商形式,比如物理沙盘、首长会商桌等都是典型的多人共享桌面交互方式,但是这些传统意义上的“桌面”无法提供与作战对象的直接交互并给出各种信息反馈,交互桌面技术的出现为此提供了新途径。交互桌面既保留了“围桌而论”的群组(Group)模式,又能提供各种自然、直接、高效的交互手段,同时还为复杂军事信息的可视化提供了一种大幅面展现平台,对于提高军事指挥领域的信息化水平,实现精确指挥具有积极的意义。
本文从作战仿真角度探讨了交互桌面技术在军事指挥中的应用,介绍了交互桌面在作战仿真中所面临的各种基础性挑战,最后设计了一个面向任务的、以用户为中心的未来作战仿真场景。
1 相关工作
随着交互桌面使用,军事领域开始这方面的研究和应用。美国南加州大学认知技术中心研制的TAOs[4]是一个桌面电子沙盘系统,用来辅助指挥员进行战术训练,比如反潜、目标动作分析等,但是不支持多人并行操作。美军研制的COMET[5]是一个支持多用户、多点触控、以指挥员为中心的交互桌面,它通过在指控系统中的试用,发现指挥员通过交互桌面可以更方便地直接操纵数据,通过多点触控技术设计学习成本低。岳峰[6]等人基于uTable构建的交互桌面电子沙盘,采用手势和光笔交互方式进行地图浏览与态势标绘,交互桌面的自然人机交互技术使军事人员从繁琐的系统操作中解放出来。Gouin[7]通过对未来情报分析中心需求的分析,认为交互桌面适合专家“围桌而论”讨论军事问题。加拿大国防研究及发展中心推进的项目[8],旨在发掘交互桌面的用途,并探索其在未来的最佳使用方式。
其他与军事关联紧密的领域,比如突发事件处置、基于地理信息的应用等方面也存在部分交互桌面应用。但是从上述所有的研究及应用情况看,基于交互桌面的应用目前还是以概念演示和技术演示居多,处于初步发展阶段。在实现具有复杂逻辑性、规则和流程性要求的应用时还需要进一步的研究。
2 基于交互桌面的作战仿真面临的挑战
但正是上述优势也给交互桌面的使用、特别是界面管理带来了极大的挑战,造成交互桌面的应用范围与深度都非常有限。交互桌面面临着一系列的技术挑战主要有:
1)自然交互带来的问题
交互桌面提供的自然人机交互技术基本符合指挥员的交互隐喻(Metaphor),提供了较高的沉浸感和满意度。但它也为作战仿真带来了一些问题,比如“胖手指”问题造成的定位不精确、常用手势记忆问题、手掌在桌面上自然垂放造成的误操作、多通道交互技术之间的配合等。围绕交互桌面还有许多其他的交互技术,比如脑控、注意力管理等,这些技术也正在不断完善中。
解决上述问题,应通过多通道交互技术的融合来提高交互的准确性和鲁棒性。同时,在用户界面设计上充分考虑自然用户界面(Natural User Interface, NUI)与传统GUI图形用户界面的不同,适当调整界面元素的位置与布局,提供触控效果的反馈,并特别针对无意操作等问题提供恢复机制等。
2)多人操作带来的问题
交互桌面支持多用户的协同操作,同时也带来了并发操作和用户管理的问题。
并发操作问题主要包括焦点管理、并发操作冲突管理等问题。焦点管理是针对现有操作系统仅支持单人单焦点输入的现状,在多人并发操作的情况下保证每个人的输入具有连续性和完整性。并发操作冲突管理主要解决用户操作的全局冲突、整体元素冲突[11],比如全局视图切换与局部工作区之间的冲突等。用户管理主要包括用户识别、用户跟踪、用户状态记忆、权限管理、信息传输与共享等与用户身份鉴别有关的问题。
解决上述问题,需要综合采取界面管理、环境设备检测、社会规则等多种措施。在界面管理上可以在交互桌面上划分显式工作区或隐式工作区,从而降低对用户区分的要求,并减少多人之间的干扰。在环境设备检测方面,可以通过在操作环境中布设各类光学、视觉传感器(比如Kinect等)实现多人在无须佩戴设备的场景下进行并发操作。最后通过引入社会规则,比如操作权限、操作位置等,也可以配合解决多人同时操作的问题。
3)水平放置带来的问题
交互桌面由于水平放置,存在界面朝向问题。由于采用WIMP(Window,Icon,Menu,Pointer)模式设计的传统系统主要针对单人操作场景,在多人“围桌”观看时存在视角问题。DiamondSpin[12]提到每个人并不能得到最佳视角,这很容易得到验证。虽然通过界面元素的旋转可以符合单个用户的视角,但是对于文本这种方向特征非常明显的界面元素,在多人浏览时总是存在视角矛盾。另外,交互桌面的大小也影响着用户的观感范围和触控范围。单一指挥人员临桌操作时,除了关注自己局部工作区以外,还需要对全局变化有一定的觉察,比如各类告警信息等。因此交互桌面在幅面上不应设计过大,但是也要考虑多人协作时的需求,较好的情况是桌面幅面可以根据不同任务灵活扩展。
针对多人查看中的界面朝向问题,可以通过交互桌面本身界面的复制、映射等技术来进行弥补。同时,还可以考虑将内容从交互桌面投射到墙面显示屏上,以同时满足多人的查看需要。
4)遗留系统的改造与迁移问题
5)其他问题
作为一种新型的指挥平台,交互桌面能否被用户接受取决于能否提高指挥人员决策的效率。除此之外还存在一些现实问题,比如信息过载的问题、规章纪律约束、操作的严肃性、误操作的回溯、新技术的接受程度、责任区分带来的惰性等。这些问题都对交互桌面的推广应用带来了部分障碍。
3 基于交互桌面的作战仿真场景
本文依据当前参谋作业流程并结合人机交互技术的发展,设计了一个以用户为中心的未来作战仿真场景,如图2 所示。从系统场景描述、交互桌面功能、指挥员操作行为、参谋操作行为四个方面进行介绍。
1)场景描述
以一名指挥员、两名参谋构成作战仿真的最小群组,以交互桌面作为仿真和信息可视化的中心平台,以普适显示(Ubiquitous Displays)、PAN(Personal Area Network)和BAN(Body Area Network)通信、用户识别与定位、多通道交互、混合现实、群件系统等技术构建的一个智能指挥环境。
2)交互桌面功能
交互桌面提供了如下功能:提供动态环境、实时情报等各种位置相关信息的动态更新,提供任务相关信息(方案、计划、兵力部署)、各类知识的显示与查询;提供已有资料(视频、照片)与现场信息的增强现实显示;保持与其他节点信息的实时同步与共享;保持与指挥所内部各类硬件设备的按需互联;保持与情报处理中心、战备值班系统、突发事件处置等系统的互操作;提供多通道人机交互手段,并根据任务需求灵活调整与划分工作区;识别用户,记录其状态,并根据其喜好自动调整界面布局;提供各类作业工具与辅助计算工具,方便参谋进行协同方案拟制。
3)指挥员操作行为
通过PAN/BAN设备的提示感知到有上级指示下达;通过PAD查阅上级指示(通过PAD查阅权限来控制命令知晓范围,指挥员通过个人生物学特征的自动识别获取任务最高权限);将适合共享的命令信息通过手势或音控等途径发送到交互桌面,指示参谋制作方案;在墙面投影上察看实时情报信息、任务信息、状态信息,必要时与参谋讨论方案制作情况;临桌(指临近交互桌面)察看方案制作情况,用手势或笔在电子地图上描绘意图和决心,形成决心图草图,并交予参谋拟制;临桌察看任务区环境,通过多点触控、手势等方式察看兵力、装备等信息;在授权后使用桌面小部件(Widget)察看我方隐藏兵力,并进行直接交互操作;接收参谋制作的方案,利用仿真手段进行方案推演,并进行评估。
4)参谋员操作行为
通过PAN/BAN设备或其他告警形式感知到任务下达;向现场指挥员确认并领受任务,临桌通过自然手势察看任务相关信息并讨论;临桌通过GIS察看我方兵力部署,通过混合现实技术察看海洋水文、海底环境、气象、电磁环境等信息;通过群件技术向下级单位或部门验证部队状态,索要进一步的信息并在桌面显示;采用笔式、手势、Marker等方式双人配合进行极限作战方案拟制;方案拟制完毕后通过手势将其推送到指挥员PAD或者墙面投影。
上述作战仿真场景是一个多人协作并不断迭代的过程。它既适合于带实兵的作战指挥又适合于指挥过程的模拟和团队训练。
4 结束语
交互桌面在作战仿真中运用,既可以满足传统面对面作业方式和决策习惯,又可以充分利用新型交互平台的计算能力、显示与交互优势,有利于形成共享的感知环境,提高指挥效率。但它的多人并发操作、多点触控、水平放置等特点也带来了界面管理的不便,由于这些问题尚没有很好地解决,因此目前在作战仿真中的应用范围与深度都非常有限,但是其应用前景不可忽视。
后续研究方向是考虑结合三维可视化,增强现实技术构建立体的作战仿真环境;基于交互桌面的智能指挥环境,无意触控检测与预测机制等。