牛 雪

（中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036）

0 引言

顯示交互指的是設(shè)備給操作員提供有用信息，操作員與設(shè)備通過指令進(jìn)行互動的技術(shù)?，F(xiàn)代信息化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展迅速，對顯示交互相關(guān)的信息顯示效率、信息處理效率以及人機(jī)交互效率均提出了更高的要求。控制站作為無人機(jī)系統(tǒng)的人機(jī)交互中心，其顯示交互性能是影響總體任務(wù)效能的重要因素。有統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，由于顯示交互設(shè)計缺陷導(dǎo)致的人為事故占無人機(jī)事故總數(shù)的60%以上［1］。因此，加強(qiáng)無人機(jī)控制站顯示交互技術(shù)的應(yīng)用，對于及時把握任務(wù)時機(jī)、提高任務(wù)效能是十分必要的。

無人機(jī)的任務(wù)環(huán)境日趨復(fù)雜多變，一站一機(jī)的傳統(tǒng)工作方式已無法滿足大范圍、高風(fēng)險區(qū)域的任務(wù)需求。多個無人機(jī)控制站同時/分時聯(lián)合控制無人機(jī)平臺執(zhí)行協(xié)同任務(wù)，可充分發(fā)揮個體優(yōu)勢，有效提高任務(wù)完成率。美國的小型控制站——遠(yuǎn)距顯示終端系統(tǒng)（OSRVTs）由單人操作，多站同時接收并顯示實(shí)時數(shù)據(jù)和圖像，并可配套多種不同型號的無人機(jī)使用。它的應(yīng)用展示了小型控制站在信息化網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中協(xié)同任務(wù)的巨大潛力［2］，提供了一種聯(lián)合任務(wù)實(shí)施方案，即通過信息的全區(qū)域快速分發(fā)實(shí)現(xiàn)多站協(xié)同任務(wù)應(yīng)用，以增強(qiáng)各任務(wù)單元之間作用效力的方式提高整體任務(wù)完成率。相較于中/大型控制站，小型控制站面臨著功能全面、界面友好、通用開放的發(fā)展趨勢［3-4］與有限處理、顯示以及操作等顯控資源配置約束之間的矛盾，其顯示交互性能尤為值得關(guān)注。

提供一套完善、可信的無人機(jī)顯示交互性能評估方法，在方案設(shè)計階段即可確定無人機(jī)的顯示交互性能是否滿足任務(wù)和操作需求是至關(guān)重要的。但目前對于無人機(jī)顯示交互性能尚缺乏一套行之有效的評估方法［5-7］，主要依靠研制人員與操作人員在使用中溝通并進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)判斷。鑒于以上情況，本文以小型/其他控制站協(xié)同任務(wù)為需求牽引，對無人機(jī)小型控制站多站任務(wù)協(xié)同的工作模式展開分析，并建立相應(yīng)的無人機(jī)顯示交互指標(biāo)體系。對定量和定性指標(biāo)分類研究，采用不同的量化方法進(jìn)行指標(biāo)值標(biāo)準(zhǔn)化。充分運(yùn)用群決策的層次分析法［8-9］，設(shè)計了小型控制站顯示交互性能評估模型，盡可能降低個人主觀因素的干擾。結(jié)合某小型控制站的評估算例，對顯示交互性能評估方法進(jìn)行了有效性和合理性檢驗(yàn)。

1 多站任務(wù)協(xié)同工作模式分析

借助小型控制站便于靈活部署的優(yōu)勢，利用多站（含1～多個小型控制站）執(zhí)行聯(lián)合任務(wù)，能在某些情況下拓展監(jiān)視、偵察、目標(biāo)作用范圍等，并提高應(yīng)急處置能力。

1.1 多站信息、數(shù)據(jù)共享

中/大型控制站作為主控制站，小型控制站作為信息、數(shù)據(jù)共享站。在無人機(jī)執(zhí)行以目標(biāo)信息獲取為主的任務(wù)時，主控制站控制無人機(jī)飛行和任務(wù)，同時近距離的小型控制站共享實(shí)時信息、數(shù)據(jù)的接收。小型控制站不具有飛行和任務(wù)控制權(quán)限，但有信息、數(shù)據(jù)接收權(quán)限，從而有效實(shí)現(xiàn)目標(biāo)信息的全域?qū)崟r共享。在信息、數(shù)據(jù)共享過程中，如圖1 所示，要求小型控制站具備鏈路狀態(tài)接收、地圖顯示、載荷視頻顯示、存儲、日志等顯示交互能力，并可根據(jù)操作需要全屏展示地圖或載荷視頻顯示區(qū)域。

圖1 多站信息、數(shù)據(jù)共享示意圖Fig.1 Schematic diagram of multi-station information and data sharing

1.2 多站聯(lián)合指揮控制

中/大型控制站作為主控制站，小型控制站作為近風(fēng)險區(qū)域的輔助控制站。任務(wù)中大部分時間由主控制站控制無人機(jī)飛行和任務(wù)，當(dāng)無人機(jī)抵近規(guī)劃的任務(wù)風(fēng)險區(qū)域時，授予輔助控制站部分指揮控制權(quán)。輔助控制站接收任務(wù)載荷的數(shù)據(jù)信息，并對一些時敏性較高的任務(wù)進(jìn)行短期控制。多站聯(lián)合指揮控制過程如圖2 所示，要求小型控制站具備上行命令發(fā)送、鏈路狀態(tài)接收、地圖顯示、載荷視頻顯示、存儲、日志等顯示交互能力，并可根據(jù)操作需要全屏展開地圖或載荷視頻顯示區(qū)域。

圖2 多站聯(lián)合指揮控制示意圖Fig.2 Schematic diagram of multi-station joint command and control

1.3 緊急情況應(yīng)對

中/大型控制站作為主控制站，小型控制站作為主站/其他站作用受限時的輔助控制站。無人機(jī)跟隨感興趣目標(biāo)在復(fù)雜地形區(qū)域行進(jìn)，在當(dāng)前控制站受外部影響無法完成操縱時，小型控制站與當(dāng)前控制站完成臨時控制權(quán)交接。交接后，小型控制站按照任務(wù)規(guī)劃實(shí)施緊急情況下的應(yīng)急操作、回收等。緊急情況應(yīng)對過程如下頁圖3 所示，要求小型控制站具備鏈路收發(fā)、任務(wù)規(guī)劃、飛行管控、存儲、日志等顯示交互能力。

圖3 緊急情況應(yīng)對示意圖Fig.3 Schematic diagram of emergency response situation

針對不同工作模式中的任務(wù)特點(diǎn)及需要，小型控制站應(yīng)提供功能性、顯示性、操作性和開放性兼具的顯示交互能力。

我跟喬振宇因?yàn)檫@些“政見不合”的事爭執(zhí)過多次，他一辯不過我必然出口抱怨：“我喬振宇堂堂一個大丈夫，當(dāng)初怎么就豬油蒙心找了你這個油鹽不進(jìn)的三等女了呢？”

2 小型控制站顯示交互指標(biāo)體系

無人機(jī)顯示交互性能與任務(wù)中涉及的系統(tǒng)能力、人機(jī)工程、認(rèn)知知識、人員心理因素等都有密切的聯(lián)系。根據(jù)小型控制站在多站協(xié)同任務(wù)中的使用特點(diǎn)，引入顯示交互性能的評估指標(biāo)，并對其分析、構(gòu)建指標(biāo)體系。小型控制站的顯示交互性能優(yōu)劣主要取決于功能全面性、功能區(qū)域組合性、顯示效果、操作效果和開放性5 方面因素，全面分析后構(gòu)建了包含5 個一級指標(biāo)、19 個二級指標(biāo)的顯示交互指標(biāo)體系，如圖4 所示。

圖4 小型控制站顯示交互指標(biāo)體系Fig.4 Display interactive index system of small control station

功能全面性涵蓋5 類要素：任務(wù)規(guī)劃能力、鏈路管控能力、飛行管控能力、載荷管控能力和輔助功能。當(dāng)前無人機(jī)仍然是“人在回路”的控制模式［10］，最終決定權(quán)依賴于控制站的管控。因此，控制站需具備豐富、靈活的功能性，以便適應(yīng)任務(wù)需求和外界形勢變化。

在顯示資源受限時，界面設(shè)計需要考慮對待處理信息分類、分級顯示，以及根據(jù)任務(wù)特點(diǎn)動態(tài)配置顯控資源。與中、大型控制站相比，小型控制站的功能區(qū)域組合性指標(biāo)更為關(guān)鍵，有助于提高控制站的任務(wù)適應(yīng)性，達(dá)到快速滿足操作人員指揮和決策需求的目的。

顯示效果通常取決于顯示因素的可視性和友好性?？梢暢潭戎饕c屏幕上字體顯示、色彩辨識、功能顯示視區(qū)等相關(guān)。液晶屏幕上字體顯示的最佳尺寸與操作視距有著緊密的聯(lián)系，色彩辨別能力隨操作視角變化而改變，且不同形式的儀表盤在視線范圍內(nèi)的認(rèn)讀可靠度也不盡相同。友好程度根據(jù)顯示亮度、必要信息的多維顯示、字符選擇、儀表盤顯示方式等評定。要滿足隨周圍光線明、暗自適應(yīng)的操作要求，保證操作人員在任何環(huán)境都能正常觀看。對重要度高的關(guān)鍵信息可采用多時間、多方位、多點(diǎn)位編碼技術(shù)表示，有利于提高信息處理的可靠性，并提供信息可替代能力。顯示字符要根據(jù)操作習(xí)慣，篩選出顏色、亮度對比、尺寸比例、筆劃粗細(xì)、清晰度等可辨識性較好的普通和特殊字符。儀表盤顯示有數(shù)字和標(biāo)度指示兩種：顯示數(shù)據(jù)需要精確讀取時采用數(shù)字式；僅有定性的數(shù)字或以定性為主時，優(yōu)先使用簡潔、清晰的標(biāo)度指示。

操作效果涉及3 個維度：輸入操作的觸覺靈敏度、操作便捷性和反饋能力。小型控制站的交互媒介包括觸摸屏和外部操縱器。對應(yīng)于不同功能類型的輸入，屏幕觸摸運(yùn)動量應(yīng)有粗、細(xì)調(diào)節(jié)的區(qū)別；另外，外部操縱器輸入量也根據(jù)其功能類型進(jìn)行設(shè)置，不同功能采集計數(shù)器可進(jìn)行快速或慢速的運(yùn)動量偏移。對各功能分區(qū)布局時，注意操作員的操作視角須盡量位于中心區(qū)域，監(jiān)視區(qū)域的觀察視角要考慮手臂遮擋影響，以及關(guān)鍵指標(biāo)的位置部署要考慮誤操作概率最小化。此外，任意有效輸入都要適度反饋，重要的功能參數(shù)變化要實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)響應(yīng)效果并給出多重反饋，以確保信息響應(yīng)的可靠度。

開放性主要從通用性和可擴(kuò)展性進(jìn)行衡量。基于任務(wù)的復(fù)雜性，顯示交互界面應(yīng)為操作人員提供支持多類型任務(wù)的接口，同時還要保證風(fēng)格和設(shè)計的盡量統(tǒng)一，通過控制站的資源通用保證無人機(jī)任務(wù)效能的正常發(fā)揮。隨著無人機(jī)性能的提高，顯示交互系統(tǒng)也需具備便捷、可靠的升級能力，既不影響對無人機(jī)新增功能的配套使用，又要最大程度實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有界面、操控方式的兼容。

3 小型控制站顯示交互性能評估模型設(shè)計

為了在方案、研制、使用、維護(hù)階段始終達(dá)到實(shí)時、直觀、精確展示無人機(jī)任務(wù)信息并高效輔助操作員指揮決策的目的，設(shè)計了小型控制站顯示交互性能評估模型。對顯示交互指標(biāo)體系中的指標(biāo)進(jìn)行分類，具體數(shù)值描述的指標(biāo)進(jìn)一步正向化處理；模糊描述的指標(biāo)進(jìn)一步精確化處理，將專家經(jīng)驗(yàn)量化描述；采用正向標(biāo)準(zhǔn)化和專家評價法［11］分類描述定量與定性指標(biāo)，具有較強(qiáng)實(shí)用性。綜合歸一化后的指標(biāo)量化結(jié)果，與通過群決策的層次分析法得到的指標(biāo)權(quán)值聯(lián)合計算，可算出評估總值。

3.1 指標(biāo)分類

圖4 中顯示交互體系的指標(biāo)描述特征各有不同，顯示交互指標(biāo)根據(jù)具體描述特性可區(qū)分為兩類：精確型指標(biāo)（用明確數(shù)值表示）和語言型指標(biāo)（用文字、語言定性描述）。對圖4 展開分析，其指標(biāo)分類結(jié)果如表1 所示。

表1 指標(biāo)分類Table 1 Classification of indexes

3.2 指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化

考慮到定量、定性各指標(biāo)的描述標(biāo)度不同，為了建立直觀且數(shù)量化的指標(biāo)評估模型，需要對指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理。

3.2.1 精確型指標(biāo)

設(shè)第i 個精確型指標(biāo)的指標(biāo)值為xi；標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)值為pi，其標(biāo)準(zhǔn)化處理如下：

其中，di為理想指標(biāo)值。

3.2.2 語言型指標(biāo)

語言型指標(biāo)的量化采用常用的專家評價法。由相關(guān)資深專家給出指標(biāo)的3 個百分制量化值m（最可能值）、o（樂觀值）、p（悲觀值），且認(rèn)為3 種值的概率分布近似服從正態(tài)分布，那么語言型指標(biāo)的量化值可按下式計算：

3.3 群決策的層次分析法確定判斷矩陣和權(quán)重

采用群決策的層次分析法來完成顯示交互性能評估模型的設(shè)計，能有效結(jié)合定量與定性分析的不同特點(diǎn)，且在常規(guī)層次分析法的基礎(chǔ)上對多個專家的評價進(jìn)行集結(jié)，可進(jìn)一步消除主觀因素對決策質(zhì)量的影響。

3.3.1 建立初始判斷矩陣

根據(jù)已建立的層次結(jié)構(gòu)，分析同層不同因素之間的關(guān)系，構(gòu)建某一層次因素相對于上一層因素重要度的判斷矩陣。在確定判斷矩陣的值時，需要依據(jù)上層因素定義的準(zhǔn)則，對本層相關(guān)的因素兩兩比較，并用1～9 的數(shù)字［12］標(biāo)度因素的重要性。

3.3.2 判斷矩陣綜合賦權(quán)

依據(jù)上式求出共識判斷矩陣的所有cij，即可得到共識判斷矩陣C。

3.3.4 權(quán)重確定

構(gòu)建矩陣C 之后，計算每個指標(biāo)對應(yīng)的權(quán)重。求出矩陣C 的最大特征根λmax和相關(guān)特征向量ω。對ω 歸一化處理，就可確定該層元素的最終權(quán)重值，處理后的ω 如下：

3.3.5 共識判斷矩陣一致性檢驗(yàn)

計算矩陣C 的一致性比例因子CR，公式如下：

共識判斷矩陣的CR 要滿足必要條件CR<0.1，否則對矩陣值適當(dāng)修改直至滿足條件為止。其中，一致性指標(biāo)CI 的求解公式為：

n 為對應(yīng)矩陣的階數(shù)。平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI值，如表2 所示。

表2 1-8 階矩陣的RITable 2 RI of matrices with order 1-8

3.4 綜合評估值計算

其中，P 為某一層次的指標(biāo)量化值向量；ω 為該層次的權(quán)重向量；E 為對應(yīng)上層指標(biāo)的綜合評估值。

根據(jù)式（8），利用底層因素的指標(biāo)量化值和權(quán)重值計算可得對應(yīng)上層指標(biāo)的評估值。

4 實(shí)例分析

對某小型控制站的顯示交互界面進(jìn)行分析評估，首先對二級指標(biāo)值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，根據(jù)式（1）～式（2）得到量化值，如表3 所示。

表3 某小型控制站指標(biāo)量化值Table 3 Index quantitative value of a small control station

邀請5 位專家對該小型控制站的顯示交互指標(biāo)進(jìn)行分析，并根據(jù)前文所述模型進(jìn)行打分計算。各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重值計算結(jié)果如圖5～下頁圖6 所示。

圖5 二級指標(biāo)權(quán)重值Fig.5 Weight value of level-2 index

圖6 一級指標(biāo)權(quán)重值Fig.6 Weight value of level-1 index

得到一級指標(biāo)評估值為：

綜合圖6 中的一級指標(biāo)權(quán)重值，計算顯示交互性能評估值：

通過對計算結(jié)果的分析可以看出：該小型控制站的顯示交互性能滿足任務(wù)需求，處于可接受的水平。對比功能全面性、功能區(qū)域組合性、顯示效果、操作效果、開放性5 類指標(biāo)，可以看出該小型控制站的功能全面性、功能區(qū)域組合性和開放性能力還有待優(yōu)化提升，是其顯示交互能力中較薄弱的環(huán)節(jié)。

5 結(jié)論

健全的無人機(jī)顯示交互性能設(shè)計不僅能減少操作和安全缺陷，而且能提高工作效率，從而實(shí)現(xiàn)任務(wù)效益最大化。本文在分析不同任務(wù)協(xié)同模式下顯示交互需求的基礎(chǔ)上，研究了多站任務(wù)協(xié)同無人機(jī)小型控制站的顯示交互指標(biāo)體系，并構(gòu)建了對應(yīng)的無人機(jī)顯示交互性能評估模型。結(jié)合實(shí)際算例進(jìn)行了評估，反映了該方法的合理可行性，為無人機(jī)顯示交互性能的評估提供了一種新的參考途徑，對于無人機(jī)顯示交互界面的設(shè)計和評估具有一定的指導(dǎo)意義。