0 引　言

随着船舶电子海图以及信息化系统技术的快速发展，基于现代化信息技术的电子海图导航系统功能不断完善，使用形式越来越多样化。基于电子海图的现代化信息导航系统和船舶海洋雷达导航系统、船舶控制显示平台、船舶智能识别系统，以及GPS定位系统等现代化信息设备之间的集成度越来越高，船舶的导航、显示以及操作功能基本实现了集成化，这使得船舶的导航系统的自动化水平不断提升，逐渐向智能导航系统发展。随着移动网络通信技术的不断进步，船舶的终端设备的功能越来越多，并且设备的性能持续提升，因此现代船舶的导航终端系统设备在可移动、便携以及灵活性等方面有很大的发展空间。随着船舶导航系统设备技术从单功能系统不断向多功能系统以及移动互联网技术的综合应用，逐渐形成综合性的、功能强大的以及技术复杂的船舶智能导航系统。由于船舶智能导航系统中每个子系统之间需要实时不间断地进行数据信息交互，这使得船舶智能导航系统的子系统之间的数据信息的传输路径的可靠性变得十分重要。如何将现代船舶的导航系统、通信系统以及移动互联网技术进行无缝对接整合，以整合出一个高可靠性的智能船舶导航系统平台，成为重要研究课题。

1 船舶智能导航系统 1.1 船舶智能导航技术

船舶智能导航系统包括船舶实时监控系统、船舶电子海图系统、船舶智能识别系统、船舶航行记录仪、图像音频采集系统、船舶危险预警系统、船舶数据处理中心等，并且船舶智能导航系统将这些子系统充分地整合在一起，最终使得船员在控制室利用1套交互控制软件就可以对船舶的航行路线、航行姿态进行实时监测和调整，实现了船舶航行线路的自动规划以及航路环境的自动监控。

船舶智能导航系统的功能主要有船舶航线设计、航路状态实时监控、船舶雷达自动探测跟踪、船舶航行危险预警等。船舶的航线设计功能可以实现船舶航线的智能设计，使得船舶可以自主避开礁石、浅水区域等危险海域，以方便船员驾驶船舶；船舶航路状态实时监控系统可以对船舶的航线情况进行监控，并且可以纠正偏离的航线，同时发出预警；船舶雷达自动探测跟踪系统可以将船舶雷达实时扫描的目标和电子海图目标进行叠加，实现船舶在航行过程中对周围的船舶进行实时跟踪，并且可以同时跟踪多个船舶目标；船舶航行危险预警系统可以对船舶的危险进行判断，并对存在危险的船舶进行报警，同时对船舶的航行情况以及船舶的操作流程进行记录。

船舶智能导航系统结构如图1所示。

GPS导航主要是对船舶的位置、航向的方向以及船舶的速度进行测量；计程仪主要是对船舶航行过程中船舶对水航行速度以及船舶对水航行方向进行测量；测深仪主要是对船舶航行水域的深度进行测量；罗经主要是对船首向数据进行测量；推进器主要是对船舶马达转速信息进行提取；风速仪主要是对船舶航行水域的的海风方向、速度以及温度进行测量，这些终端所测量的所有数据均传输给船舶航行记录仪、船舶自动识别系统、船舶安全报警系统等动态监控系统。船舶动态监控系统将船舶各类终端系统采集到的数据进行分类处理，并通过RS485以及CAN总线将解析分类之后的数据信息传输给数据处理单元，数据处理单元将处理完之后的信息通过以太网总线在导航雷达系统、电子海图信息显示系统、航行状态监测系统等船舶导航子系统中进行显示。

船舶智能导航系统中融合了自组织多地址分时通信、载波监控多地址分时通信、船舶雷达高精度图像采集、船舶操作室音频视频采集压缩处理技术、船舶雷达目标检测与显示、雷达信号噪声去除、电子海图实时显示、船舶航行环境目标检测识别、船舶航线的智能化设计、多种传感器数据信息整合等一系列的现代化信息技术，最终实现船舶对航行信息的自动收发以及记录、船舶GPS导航和电子海图导航系统的融合、船舶危险信息预警系统等功能。

1.2 船舶智能导航子系统

船舶智能导航子系统主要由船舶雷达导航系统以及电子海图信息显示系统构成，并且和船舶航行信息数据库进行对接，最终实现船舶的雷达系统和电子海图系统的智能导航。船舶的雷达导航系统是利用模拟信号脉冲的发送和回波检测对船舶航线周围水域的障碍物进行检测以及显示。电子海图信息系统主要目标是为了彻底替换掉沿用数百年的纸质航海图，并且将船舶上各种导航终端设备提供的综合信息在船舶电子海图上进行实时显示。此外利用船舶导航算法完成船舶的海上航线设计、航道水面环境监控以及船舶危险预警等功能，最终成为船舶数据信息处理以及显示平台。船舶智能导航子系统融合了船舶雷达图像信息的处理显示、船舶电子海图航线规划、船舶控制操作平台等，并使用局域网进行船舶航行信息的共享，极大地提升了船舶导航系统的自动化水平以及船舶航行的可靠性。船舶智能导航子系统软件结构如图2所示。

2 船舶导航数字系统界面交互设计 2.1 数字系统界面设计目标

作为人机交互数字界面的一个重要部分，数字系统界面主要是针对船舶操作控制系统，进行数据信息的采集、跟踪以及监测等复杂的数据信息管理系统。复杂的数字系统包括多个子系统，可以执行复杂功能的大规模数据操作任务，其基本特点如图3所示。

可以看出，数字系统界面的数据来源非常多，并且数据量大、信息结构复杂。数字系统界面在信息内容上的特点主要在于数据信息内容的多维度、多功能、多目标以及多任务等；数字系统界面在信息呈现方面的特点在于数字系统界面由多层子系统构成，数字系统界面的复杂性不是因为子系统的数量多、系统大，而是因为某些因素不同的子系统之间相互组合而构成的新的系统结构存在一定的不可预测性；数字系统界面在信息交互方面的特点在于数字系统界面呈现的数据信息和视觉编解码之间的复杂交互机制，其根本原因在于视觉认知系统的复杂性。

数字系统界面信息呈现的载体不仅仅限制在图形以及表格，而是可以采用音频、动画、三维视图以及虚拟现实等方式。数字系统界面通常是以人的感觉通道为基础进行信息的呈现，当前最重要的信息呈现是以视觉和听觉为基础的。对于船舶智能导航系统的控制界面，通常是以数据信息的视觉、听觉呈现以及语音输入等多种方法为基础的交互技术，这可以使得船舶驾驶人员可以快速地熟悉系统界面，并进行正确操作。数字系统界面从信息呈现的维度上来看，当前数字系统的界面在呈现各类信息的时候主要是以二维为主，未来在数字信息的呈现方面将会以三维数字系统的界面为发展方向。数字系统界面从信息的组织上来看，数字系统的界面在进行信息呈现的过程中不仅要考虑人眼视觉的美观性，更要注意数据信息在呈现过程中的简洁性以及有序性，这样可以实现人员操作和数据信息呈现的直观性以及人性化，以提升数据系统界面操作人员获得数据信息的效率。数字系统界面从信息呈现环境上来看，数字系统界面已经广泛在船舶导航等领域得到了应用。在不同的使用环境中数字系统界面的呈现形式也不一样，例如当数字系统界面的工作环境比较暗的时候，一般的数字系统界面的高亮显示会对工作人员的眼睛产生过度的刺激，数字系统界面应该设置成暗仓模型。

2.2 数字系统界面交互设计需求

数字系统界面交互设计的目标是基于人机交互技术提升系统使用者对应用软件使用的效率，最终提高系统使用者和数字系统界面在交互过程中的情感体验。数字系统界面交互设计的过程会受到用户、界面以及环境3个方面的影响。用户是数字系统界面人机交互的主体、界面是数字系统界面人机交互的载体，环境是数字系统界面人机交互的过程。数字系统界面交互设计的特点主要有用户认知困难、交互界面实时性强、应用环境复杂3个方面。数字系统界面交互系统中数据量的信息大、结构十分繁杂，因此用户需要在大量的数据信息空间中寻找自身需要的信息，同时用户和数字系统界面交互方式多种多样，所以用户在信息认知方面有着比较大的困难；数字系统界面交互系统通过什么样的形式将对用户有用的数据信息实时地呈现在用户面前，并且能够及时解决在人机交互过程中的突发故障，是一个十分重要的问题。随着现代化信息技术和大数据技术的飞速发展，数字系统界面交互技术的应用范围得到了进一步扩大，其使用环境也涉及到地面、海面、天空以及海底等地方。

数字系统界面交互可以按照作用分成提示类、推送类以及开展类3种交互方式。数字系统界面的提示类交互是指数据信息提示、操作流程提示、操作错误提示以及警告提示等。数据信息提示类交互可以使得用户迅速对数据信息进行识别；操作流程提示类交互可以降低用户学习交互系统的学习周期，同时可以给当前用户提供操作进程提示；操作错误类交互可以给当前用户提供交互系统操作错误提示，可以及时地将当前用户引导到正确的操作流程中；警告提示类交互可以使得用户在第一时间得到相关信息，确保用户可以及时获得紧急信息，根据数据信息的重要程度以及紧急程度的区别，不同的信息在交互过程中的提示方式也不一样。数字系统界面推送类交互是将部分预设的特殊紧急数据信息推送至数字系统界面的屏幕前面，可以第一时间让用户看到这些信息，提升用户的工作效率。数字系统界面的展开类交互是数据系统界面包含菜单栏、对话框等窗口的弹出以及关闭功能，在数据系统界面的展开类交互中，使用自然且符合用户习惯的交互方法，这样可以极大地减少用户的认知负荷。

2.3 有限空间下系统界面交互设计

由于数字系统界面所呈现的数据信息内容多而复杂，因此很难使用统一的图形显示结构来表示数据信息的整体情况，并且不同的用户对数字系统界面的任务功能需求不一样，所以对数据信息的侧重点也不一样。在数字系统界面交互设计过程中，除了数据信息的视觉呈现功能之外，另一个重要的因素是交互功能。数字系统界面的用户在对数据信息浏览过程中使用界面的交互功能和系统进行沟通，当需要浏览的数据信息量很大并且数据结构复杂的时候，传统数据系统界面有限的呈现空间极大地限制了数据信息的有效呈现，因此系统界面的交互设计实现了在有限的界面空间中进行符合用户需求的信息呈现。数字系统界面的交互设计有助于缓解有限的系统界面空间和大量的信息呈现之间的矛盾，一方面是大量的数据和有限的界面尺寸之间的矛盾；另一方面是二维数据信息的显示方法无法体现高维数据信息内容的矛盾。在数字系统界面交互设计过程中，需要遵循交互延时、交互成本、交互场景等规则。

本文提出的船舶智能导航系统界面的交互设计方法如图4所示。可以看出，船舶智能导航系统界面交互在设计过程中需要考虑人机界面交互策略以及人机界面优化方法，人机界面交互策略中包含视点平移、图表重配、信息过滤、概览细节显示以及变形和加层等方法；人机界面优化方法的目标包括加强用户的熟练程度、增加人机界面交互的效率、提高人机交互的直观性以及提高人机和环境之间的和谐。

3 结　语

随着现代化智能信息技术的快速发展，接入到船舶智能导航系统中的数据量以及数据种类不断增加，数据的更新速度不断提高，因此船舶智能导航系统如何合理高效地对这些大量的数据信息进行处理和筛选，成为重要的问题。船舶智能导航系统界面的交互设计中需要着重解决界面交互的可视化以及交互设计，界面的可视化水平决定了用户获得数据信息的效率。界面的可视化和交互密切相关，系统界面信息可视化的目标都是实现人机交互，所以需要在船舶导航系统界面交互设计中将数据信息进行有效呈现的同时又要提升人机交互的效率。本文研究船舶智能导航系统界面的交互设计，为船舶导航系统的发展提供参考。