一種基于可重組軟件架構的觸摸顯控臺的設計與實現*

程莉莉 羅 威 肖俊東 李家志

(1.國家知識產權局專利局專利審查協作湖北中心 武漢 430060)(2.中國艦船研究設計中心 武漢 430064)

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一種基于可重組軟件架構的觸摸顯控臺的設計與實現*

程莉莉1羅 威2肖俊東2李家志2

(1.國家知識產權局專利局專利審查協作湖北中心 武漢 430060)(2.中國艦船研究設計中心 武漢 430064)

人機交互設備(含硬件、軟件)是船舶重要基礎設施，是影響船舶作戰能力形成的關鍵，顯控臺作為常用的人機交互設備，得到了用戶一定程度的認可，但是隨著時間的推移和技術進步，先進的商用人機交互軟硬件技術快速發展并得到廣泛應用，現有顯控臺已落后并且暴露出一些不足。論文提出一種基于可重組軟件架構的觸摸顯控臺，該顯控臺更適合使用觸摸屏，同時提供一種配套的基于可重組軟件架構的開發平臺，讓用戶更方便的選擇自己所需的軟件用戶界面模塊。

顯控臺; 觸摸屏; 可重組軟件架構

Class Number TP391

1 引言

艦艇人機交互設備(含硬件、軟件)是艦艇重要基礎設施，是影響艦艇作戰能力形成的關鍵要素[1～3]。艦艇顯控臺作為艦艇最常用的人機交互設備，廣泛應用于艦艇各類平臺中，得到了用戶一定程度的認可，但是隨著時間的推移和技術進步，先進的商用人機交互軟硬件技術快速發展并得到廣泛應用(如基于觸摸屏技術的手機、平板，以及配套的圖形系統)，現有艦艇人機交互軟硬件技術已落后并且暴露出一些不足。同時，艦船信息系統正向著一體化集成、全艦計算環境的方向發展，而現有艦艇人機交互軟硬件體制難以適應這種發展趨勢?，F有的人機交互設備顯控軟件的主要不足體現在以下幾點：

1) 現有顯控臺不適用直接采用觸摸屏?，F有的顯控臺最初的設計沒有考慮觸摸屏，若直接加上觸摸屏則顯得操作很不方便，不符合人機工程學原理[4～5]。

2) 現有艦艇人機交互設備顯控軟件界面是由軟件開發人員設計，供用戶定制的能力不足。實際作戰使用中，顯控臺用戶需要切換不同視圖界面，以適應不同的作戰需求；而現有裝備上的人機操控系統人機交互界面顯示要素繁雜，人機交互界面布局是由軟件開發人員設計，在產品供貨之后，界面就基本定型，用戶只能被動接受而不能改變，不能針對不同操作人員的使用習慣靈活布局。

3) 現有艦艇人機交互設備顯控軟件顯示資源利用不充分。指揮員不關注的內容占用了較多的顯示資源，其需重點關注的內容不突出，如目標表頁在表頁顯示器部分已有顯示，卻還在副屏占用了大部分的顯示資源，造成了顯示資源的浪費，降低了交互效率[6～7]。

4) 現有艦艇人機交互設備顯控軟件重組靈活性不足。目前大部分型號項目仍然是按照各家單位在各自設備上開發顯控軟件，開發出來的人機交互軟件難以靈活集成到同一個顯控設備上。某些項目對顯控和任務進行了分離，并且顯控和任務軟件都由各單位開發。當顯控部件數量很多時，這種預設的組合種類也會很多，用戶對于顯控靈活重組的需求將會變得愈加強烈。

5) 觸摸式人機交互方式已經在手機、平板、筆記本電腦等設備上廣泛使用，觸摸操控的方式已經深入人心?，F有艦艇信息系統用戶都是在觸控設備的環境下長大的，對觸控操控方式、手機圖形系統界面自由可定制的思想早已習慣，他們對現役人機交互顯控臺加入觸摸技術以及人機交互界面的自由可定制特性有著迫切的需求[8～10]。

針對以上問題，本文提出一種基于可重組軟件架構的觸摸顯控臺，該顯控臺更適合使用觸摸屏，同時提供一種配套的基于可重組軟件架構的開發平臺，讓用戶更方便的選擇自己所需的軟件用戶界面模塊。本問題提出方案的主要特點如下：

1) 針對觸摸屏技術對顯控臺進行優化，更方面用戶操作，符合人機工程學原理[11～12]。

2) 顯控軟件界面可供用戶定制。組件窗口可由用戶移動、縮放、打開、關閉、定制顯示內容，各組件之間布局可由用戶設置，將用戶最關注的信息展示出來，充分利用顯示資源。利用這種界面定制機制，可使用戶能夠根據自身需要和任務特點自行定制操作界面，組合功能單元，重組顯控軟件，提高交互效率。

2) 顯控軟件使用組件化的軟件框架。在組件化的軟件框架下，各組件窗口可由各家單位獨立開發，然后由組件化的軟件框架程序統一集成。此方案所用到的軟件框架的一大優點是可以動態加載組件，這樣當組件程序部署在公共計算服務器上時，顯控設備就可以隨時下載這些組件程序安裝并運行[13～14]。

3) 顯控軟件支持觸摸交互。其所依賴的顯控臺使用可觸摸寬屏，寬屏可以提供一塊相對較大的顯示區域，可在指揮員不用仰頭的情況下進行顯控界面組件的整體布局，同時指揮員可以直接觸摸操控對組件大小位置進行調整。

4) 顯控軟件采用國產自主可控圖形系統。支持多點觸控，具有豐富的控件，具備三維效果、動畫效果、手勢操作等新特性，可以設計出更加直觀易用的人機交互界面。

2 硬件設計

我們顯控臺的硬件設計方案如下圖所示，本顯控臺的最主要特點是除了摸球外，其它所有人機交互都采用觸摸屏的方式。顯控臺的輸入輸出部件均采用寬觸摸屏，主屏幕為豎直方向，主要用來展示各種狀態信息和操控信息；副屏幕為水平方向，可用來展示信息，也可虛擬輸入部件。為了在同一屏幕里展示更多信息，主、副屏幕均采用寬觸摸屏[1～2]。

圖1 基于觸摸屏的顯控臺示意圖

3 基于可重組組件的軟件架構設計

可重組組件軟件架構的設計思想是展示顯控終端功能柔性可重組，終端與平臺松耦合，體現“即裝即用/柔性重組/按需服務”的思想。通過實現組件管理器、多個組件、輔助服務器，形成有機統一整體，展示出終端與平臺的松耦合特點，終端功能的可重組特點等。

可重組顯控軟件框架演示系統主要由組件管理器，多個組件，輔助服務器三大部分組成：

1) 組件管理器負責管理組件顯示位置、大小進行管理，并接收用戶操控，傳遞給多個組件；

2) 組件是信息與操控的主體，訂閱輔助服務器的態勢信息并顯示，同時，發布用戶操控命令給其它模塊；

3) 輔助服務器自身維護一個態勢、傳感器、武器的模擬狀態，同時使用訂閱發布機制發布態勢信息，接收用戶操控命令，同步改變自己的模擬狀態。

圖2 軟件體系架構示意圖

組件之間通過DDS 接口通信，主要是各種發布與訂閱信息，包括指示信息等；組件之間，組件與管理器之間同時通過共享內存接口通信，主要是各種狀態信息，如用戶選擇，當前系統狀態等；組件與組件管理器使用圖形系統與控件系統接口編程，實現基本界面交互功能；組件與虛擬服務器之間使用DDS 訂閱發布機制交互，傳輸各種戰場信息[5～6]。

圖3 信息接口通信示意圖

最終的用戶界面效果如圖4所示。主屏幕主要用來擺放各信息組件，主要包括作戰系統狀態信息相關組件(態勢組件、鷹眼圖組件、本艦信息組件、時間信息組件、導航信息組件、目標信息組件)、作戰指揮相關組件(對空作戰指揮組件、對海作戰指揮組件、對水下作戰指揮組件)、武器控制相關組件(導彈控制組件、艦炮控制組件、魚雷控制組件)、傳感器控制組件(搜索雷達控制組件、跟蹤雷達控制組件、聲納控制組件)。副屏幕主要用來將輸入設備虛擬化，輸入設備包括鍵盤、摸球、專用按鍵等，并且對整個人機交互軟件的設置、配置菜單、選項布置在副屏幕里，同時也可以在虛擬輸入設備不用時顯示目標信息組件等。

態勢組件為主要組件，可使用2D展示當前態勢，也可使用3D方式展示當前戰場態勢，通過直觀圖形實時顯示當前目標的屬性以及位置和運動信息。態勢圖中的目標可以進行目標指示、敵我識別等快捷操作。態勢圖支持多點觸控，可以放大、縮小、漫游。

人機界面可快速部署預設的操控界面。合理布局菜單，簡化操作邏輯。

圖4 軟件界面總體結構示意圖

4 結語

基于可重組軟件架構的觸摸顯控臺的設計與實現，順應了行業“創新引領”的工作理念和我國裝備創新的潮流，是加快建設行業內積水創新、進步的具體體現。主要特點在于：

1) 新型觸控式人機交互軟件及顯控臺能夠增加新技術的使用，可提高操作效率。

2) 顯控軟件基于國產自主研發軟件框架，軟件開發自主可控。

3) 基于組件的顯控軟件的實施，可逐步形成人機交互軟件集成規范，軟件組件獨立開發，集中管控，集中測試、認證和發布；將來引入競爭，組件采取競標方式開發，擇優入庫，有助于作戰系統集成優化的推進。

4) 顯控軟件組件化、可定制的思想，對于顯控軟件動態部署、顯控軟件重組、整合信息資源并進行集成優化具有重要的意義，并且對于顯控與任務分離及全艦計算環境的實施有著重要的現實意義。

[1] Zhang Guanxiang，Zhang Meng，Zhong Huiling，Huang Xiaoyu.Research of transportation scientific and technological projects evaluation based on improved triangular whitenization weight function[C]//The 2010 International conference on logistics systems and intelligent management.Harbin，China，2010(3)：1500-1503.

[2] 周臨震，李青祝，秦珂.基于UG NX系統的二次開發[M].南京：江蘇大學出版社，2012：2-12.

[3] Shi Jianming，Zhou Dong，Geng Jie，Lv Chuan.Research on flexible cables simulation based on CATIA/DELMIA[J]. Applied Mechanics and Materials,2010，26(28)：800-804.

[4] EON Reality，Inc..EON Studio TM Rapid Production of 3D Interactive Content[EB/OL]. 2012：http://www.eonreality.com/.

[5] The Mathworks Inc..Matrixvb user’s guide：introduction to computation，visualization，programming[M]. 2010：1-7.

[6] 顏聲遠.武器裝備人機工程[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2009：91-92.

[7] Dassault system.DELMIA V5R18：Humantask simulation tools[EB/OL]. 2012：http://ol.cadfamily.com/delmia/online/DELMIA_default.htm.

[8] C.D.威肯斯，J.D.李.人因工程學導論(第2版)[M].上海：華東師范大學出版社，2007：256.

[9] 沈麗麗.立體視覺信息客觀指標評價算法研究[D].天津:天津大學博士學位論文，2010：24-29.

[10] Carl W.Turner，James R.Lewis，Jakob Nielsen.Determining usability test sample size[J]. International Encyclopedia of Ergonomics and Human Factors,2006(3)：3084-3088.

[11] Joseph S.Nye.Bound to lead：the changing nature of American power[M]. Basic Books，1990：102.

[12] Zhang Hong.The study on soft-power of enterprise culture[C]//2011 Internationa conference on business computing and global informatization.Shanghai，China，2011：32-34.

[13] 李春艷，李倩.企業軟實力及其形成的關鍵因素分析[J].東北師范大學學報,2010(1)：38-44.

Design and Implementation of A Reconfigurable Software Architecture for Touchable Console

CHENG Lili1LUO Wei2XIAO Jundong2LI Jiazhi2

(1. Patent Examination Cooperation Hubei Center of The Patent Office, Wuhan 430060)(2. China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064)

Human-machine interaction devices(including hardware and software) is an important ship-borne infrastructure， which significantly impact combat capability for warship，console as the most commonly useful human-machine interaction device, it obtains accreditation for users to some extents, but as time goes by and technology improves, advanced commercial human-machine interactive technology quickly advances and get widely application, current ship-borne console exposes some defects. In this paper, a reconfigurable software architecture for touchable console is proposed, which is more suitable for touchable console, mean while a development platform is proposed for this software architecture, it makes users more easily to choose their desired user interfaces module.

console, touchable screen, reconfigurable software architecture

2016年5月18日,

2016年6月27日

程莉莉，女，博士，助理研究員，研究方向：光電子信息和無損檢測技術。羅威，男，博士，高級工程師，研究方向：艦船電子信息系統。肖俊東，男，碩士，工程師，研究方向：艦船電子信息系統。李家志，男，碩士，高級工程師，研究方向：艦船電子信息系統。

TP391

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.11.041