0 引　言

组合导航系统在确保舰船航行安全中至关重要，应用该系统还可提升舰船自动化水平。在舰船组合导航系统中应用人机交互技术，可进一步提升舰船组合导航效果，为船员提供清晰的导航结果^[1-3]。为此设计一个交互性能友好、界面美观的人机交互界面系统，对舰船组合导航系统的发展至关重要。田华等^[4]设计人机交互系统，利用深度学习识别手势，经过姿态估计提取关节特征，通过卷积神经网络分类特征，完成人机交互，该系统可有效识别手势，完成人机交互。谢新连等^[5]设计人机交互系统，利用单深度相机跟踪目标物与手势，结合触觉重定向方法，提升交互操作切换的连续性，避免因手抖影响交互效果，该系统具备较优的交互精度。但这2个系统均无法精准采集有效信息，使用的信息中存在大量冗余信息，影响人机交互效果，无法达到实时性需求，不能保证舰船航行安全。

为舰船组合导航人机交互界面系统设计，提供精准的有价值信息^[6]，避免受冗余信息影响，降低人机交互效果。为此设计基于数据挖掘的舰船组合导航人机交互界面系统，为确保舰船航向安全提供帮助。

1 舰船组合导航人机交互界面系统

按照开放性模块化原理，设计舰船组合导航人机交互界面系统，该系统的结构如图1所示。用户通过语音输入模块输入舰船组合导航人机交互界面的控制指令，通过无线局域网传输控制指令至舰船搭载PC机；通过组合导航模块实时采集舰船的导航信息与环境信息；舰船搭载PC机中舰船导航信息挖掘模块，依据控制指令，利用自适应K中心点聚类算法在采集的导航信息与环境信息内，挖掘有效的舰船导航信息与环境信息，生成最佳导航信息集。舰船路径规划模块依据最佳导航信息集，建立舰船航行的环境地图，利用改进遗传算法规划舰船航行路径完成舰船导航控制；经由通信模块传输至控制显示模块，通过该模块呈现舰船导航控制结果。

1.1 舰船组合导航模块

利用舰船组合导航模块实时采集舰船导航信息与环境信息，该模块的结构如图2所示。利用嵌入式计算机设计舰船组合导航模块，该模块主要包含嵌入式处理器、FLASH与SDRAM等，具备显示与存储导航、环境信息以及海图功能，还能够实时处理导航设备采集的导航信息与环境信息^[7-8]。

1.2 基于数据挖掘的舰船导航信息挖掘

利用自适应K中心点聚类算法在实时采集的舰船导航信息与环境信息内，采集有效的舰船导航信息与环境信息，生成最佳舰船导航信息集。信息挖掘过程中，为方便描述舰船导航信息与环境信息统称为导航信息，令随机2个舰船导航信息样本点是i(x_i,y_i)、j(x_j, j)，它们距离是d，通过舰船导航信息观测值和实际值间的差值，获取均方误差，聚类算法挖掘舰船导航信息步骤为：

1) 在(x,y)内任意选择m个初始对象(G₁,G₂,…,G_m)，以(G₁,G₂,…,G_m)为初始聚类中心点，确定舰船导航信息聚类中心点数K；

2) 利用式（1）求解其余舰船导航信息样本点至每个(G₁,G₂,…,G_m)的距离，将每个舰船导航信息样本点，划入和每个(G₁,G₂,…,G_m)距离最近的类簇内；

3) 任意选取一个非中心点G_r，通过式（2）求解获取E值，持续由G_r取代G_m，令E值不断降低；

4) 反复操作步骤2与步骤3，以误差值不再改变为止，此时聚类中心不再改变，结束算法。

输出K个聚类中心点的类簇，即有效舰船导航信息与环境信息聚类结果，通过聚类结果，生成最佳导航信息集。

1.3 基于改进遗传算法的舰船路径规划

依据生成的最佳导航信息集，绘制舰船航行的环境地图，按照绘制的环境地图，利用改进遗传算法规划舰船路径。舰船路径规划是在绘制的二维环境地图中完成的，在该环境地图中找到一条最短路径，且不会与障碍物发生碰撞，同时该路径为一条平滑航线。舰船航行的起点是A，终点B是舰船的目的地，路径规划即在A与B之间，在约束区间中获取中间点时序坐标，结构是 $ \left( {{{x'}_0},{{y'}_0}} \right) \to \left( {{{x'}_1},{{y'}_1}} \right) \cdots \left( {{{x'}_g},{{y'}_g}} \right) \to \left( {{{x'}_h},{{y'}_h}} \right) $ ，其中，A的坐标是 $ \left( {{{x'}_0},{{y'}_0}} \right) $ ；B的坐标是 $ \left( {{{x'}_h},{{y'}_h}} \right) $ ， $ \left( {{{x'}_g},{{y'}_g}} \right) \left( {g = 1,2, \cdots ,h - 1} \right) $ 为A与B间的一系列中间点，A与B间中间点数量是h，仅需编码 $ \left( {{{x'}_g},{{y'}_g}} \right) $ 。大地坐标系xoy内，舰船路径点坐标为二维的，变换xoy获取XOY，降低编码繁琐程度。在XOY内，A与B间的连线为X轴，将X轴均匀分割成 $ {X_1},{X_2}, \cdots , {X_{h - 1}} $ ，因此在XOY内，舰船路径点编码便简化成一维的Y轴编码问题。舰船路径规划具体步骤如下：

步骤1　种群初始化，利用生成的最佳导航信息集，绘制舰船航行的环境地图，在该环境地图中选择 $ V \times V $ 个网格点，舰船路径会经过网格点中心，不包含障碍物网格点。

步骤2　分析产生的舰船路径是否是不间断的，若是间断路径，那么展开插入处理，令舰船路径为不间断的，若产生的初始舰船路径为不间断的，那么选取一条航线的网格点，在其附近可行网格点内插入航线，对比分析插入航线前后的f值，如果f值变大，那么由新产生的航线取代插入前的航线。以确保舰船路径为不间断的为前提，展开删除处理，去掉多余的路径点，分析生成航线有无重复路径点，若有，那么去掉多余航路点，降低网格点数量，提升f值。

步骤3　利用轮盘赌法实施选择操作，求解种群内个体f值。

步骤4　分析是否达到最大迭代次数Q_max，若达到Q_max，那么继续步骤8，反之继续步骤5；

步骤5　展开交叉、变异操作，交叉是否成功，若成功，那么实施寻优处理，返回步骤4。

步骤6　分析是否达到Q_max，若达到Q_max，那么返回步骤5，反之继续步骤7。

步骤7　展开重构操作，返回步骤6。

步骤8　展开平滑操作，选取两两邻近航路点的中点，记作H₁，H₂，连接H₁，H₂，首次平滑航线，降低舰船转向角，以此类推，共平滑处理4次，获取平滑的舰船规划路径。

1.4 舰船组合导航人机交互界面设计

以可用性为舰船组合导航人机交互界面的设计原理，设计符合用户需求、可提升工作效率的舰船组合导航人机交互界面，可用性舰船组合导航人机交互界面设计流程如图3所示。

2 实验结果与分析

以某舰船为实验对象，该船长204 m，宽23 m，排水量47000 t，满载排水量57000 t，在该船中应用本文设计的组合导航人机交互界面系统，验证本文系统的有效性。

应用本文系统后，组合导航人机交互界面系统的主页如图4所示，航行至目标位置时，点击组合导航模块后，可呈现导航信息采集结果，实现组合导航的人机交互，组合导航模块操作结果如图5所示。综合分析图4与图5可知，本文系统可有效应用于该船中，首页可呈现各个模块的操作按钮，并呈现舰船的目标位置；操作组合导航模块后，可有效采集舰船导航信息，利用GPS采集的地理位置信息与实际位置信息相差较小，说明本文系统可精准采集舰船导航信息，且可呈现提示信息，提示导航设备是否正常工作，若有导航设备无法正常工作，可及时提醒船员进行维修，避免影响舰船导航信息采集精度。实验证明，本文系统可有效实现舰船组合导航的人机交互，为舰船导航提供便利，方便船员实时了解舰船导航状况。

舰船导航信息与环境信息挖掘结果如图6所示。分析图6可知，本文系统可有效挖掘有效舰船导航信息与环境信息，且挖掘结果边缘并未出现边界混淆情况。实验证明，本文系统可有效挖掘有效导航信息与环境信息。

本文系统路径规划结果如图7所示。分析图7可知，本文系统可完成舰船路径规划，规划后的舰船航行路径，可有效避开障碍物，结果表明，本文系统可有效根据组合导航人机界面，实时掌握舰船的航行情况，确保航行安全。

3 结　语

人机交互技术属于衡量系统性能的关键因素之一，人机交互效果优劣，直接影响舰船组合导航效果，为此设计基于数据挖掘的舰船组合导航人机交互界面系统，提升舰船组合导航效果，便于船员及时了解舰船航行的实时情况，及时发现存在的问题，避免发生不必要的危险，确保舰船海上航行安全。