自21世纪以来，计算机领域不断发展，使船舶管理进入信息化时代。电子海图的出现，为船舶在海上航行带来了极大便利。不仅降低了大型船舶偏航的风险，也提升了大型船舶智能化管理水平^[1-2]。大型船舶的智能导航系统结合电子海图，GPS定位等功能，为航行提供航向角、航速、当前位置等信息。但目前大型船舶海上导航界面类型较多，且不同船舶类型以及型号存在区别，其应用到的导航功能也不尽相同。因此，现有的船舶导航界面无法适应大型船舶航行需求。

为此，张博等^[3]提出的图形化人机交互界面设计方法，该方法在导航界面设计过程中注重图形界面，以图形的方式着重呈现船舶航行相关数据信息。但该方法在应用过程中，船舶航行时的某些参数数据以图形方式呈现，导致其呈现的参数无法精准被工作人员看见，如船舶当前剩余燃油量，以曲线的方式呈现，无法使用户充分掌握当前精准数值。冯书庆等^[4]提出导航图形化界面设计方法，该方法以船舶姿 态导航界面为主要研究对象，以OpenGL开放图形库为基础，利用视口控制算法、颜色选取等方式设计船舶姿态导航界面。但该方法在应用过程中，船舶姿态导航界面排列不够合理，因此应用效果不佳。

视觉传达技术是以可视化形式传播的主动行为，本文以视觉传达技术为基础，提出基于视觉传达技术的大型船舶智能导航界面设计方法，以提升大型船舶智能导航界面的普适性。

以用户视觉传达为中心设计理念（UCD）为基础，设计以用户为中心的大型船舶智能导航界面设计模型，该模型结构如图1所示。在大型船舶智能导航界面设计模型内，利用用户分析单元确定导航用户目标以及用户导航需求分析，然后通过界面规格与功能设计单元确定导航界面内容和导航界面功能后，使用信息架构与交互设计单元对大型船舶智能导航界面里的内容进行注释与归类后，设计智能导航界面内每个功能的界面连接、搜索栏和自定义功能后，通过界面设计与导航设计单元设计大型船舶智能导航界面板式、界面颜色以及连接导航模块功能等，实现大型船舶智能导航界面设计。

图 1 视觉传达大型船舶智能导航界面设计模型 Fig. 1 Schematic diagram of intelligent navigation interface design model for large ships

在设计大型船舶智能导航界面时，需连接船舶导航的硬件，其中包含船舶上用的硬件和陆地上用的硬件^[5]，该硬件负责发送与接收船舶信号，结构如图2所示。在大型船舶智能导航模块硬件内，包含用户移动终端、若干台用户PC端和信号接收装置、信号处理与发送装置。其中信号接收装置负责接收船舶卫星定位信号，并通过信号处理和发送装置将船舶卫星定位信号处理结果发送到用户移动终端内，其中包括船舶的位置、航向角、航速等基础信息。用户移动终端负责接收卫星定位信号处理结果并为用户展示当前导航界面，在该导航界面上显示船舶卫星定位信号等信息，并执行用户检索、自定义等操作。其中用户PC端为陆地所用硬件，其功能与移动PC端相同。

图 2 大型船舶智能导航模块硬件结构 Fig. 2 Hardware structure of intelligent navigation module for large ships8.

导航界面视觉传达功能设计是设计船舶智能导航界面的基础。设计大型船舶智能导航界面主要功能有海图管理、航线设计、航行再现等视觉传达功能，导航界面视觉传达功能结构如图3所示。本文设计的船舶导航界面视觉传达功能包括海图管理、海图作业、航路监视、航行再现、航线设计和打印6个主功能模块。其中海图管理功能内包含海图显示、搜索、海图调整功能；海图作业功能内包括陆标定位、经纬度定位、区域标记等多个视觉传达功能，主要为用户提供大型船舶海上定位功能；航线设计功能内包括航线编辑、航线保存、演示以及检索功能，其可为用户设计由出发地到目的地的多条航线；航路监视功能则可实现水深检测、航速检测等，其主要负责船舶在航行过程中的导航提醒；航行再现和打印功能分别为用户提供历史航迹查询、历史航线数据导出以及海图、数据等打印功能。

图 3 船舶导航界面视觉传达功能设计 Fig. 3 Function Design of Ship Navigation Interface

大型船舶智能导航界面上呈现船舶导航路径的本质是从海图管理模块、海图作业模块内，检索当前船舶位置并依据该位置与目的地位置数据，检索出二者之间最短距离的过程。导航界面使用A-star算法实现船舶到目的地路径估算，获取导航序列结果。设计A-star算法估算大型船舶智能导航序列，如图4所示。用户通过大型船舶智能导航界面点击航线设计功能后，该功能向海图管理功能发送查询最短路径请求后，海图管理功能从海图作业功能中调取海图数据后，执行A-star算法估算路径后，将该估算路径结果返回到航线设计功能中，航线设计功能绘制船舶导航路径并将该路径输出到用户显示界面内，同时也将该导航路径保存到航线再现功能内。经过上述步骤，实现大型船舶智能导航。

图 4 A-star算法估算大型船舶智能导航序列 Fig. 4 A-star algorithm estimates intelligent navigation sequence of large ships

若使大型船舶智能导航界面达到较好的视觉传达效果，需使用较为全面的图形套件设计船舶智能导航界面。在此界面设计与导航设计单元使用视觉传达技术内的Qtopia图形套件搭建船舶智能导航的图形界面，其详细过程如下：

1) 建立PC端开发环境。

2) 利用Qtopia图形套件内的desineg设计船舶智能导航界面。依据船舶智能导航界面开发需求，在qvfb内设置交叉编译工具后，在应用程序开发板上运行该交叉编译工具。然后在Qtopia图形库内，复制船舶智能导航界面所需的库文件后，使用autoconfig工具生成Makefile文件，对该文件进行交叉编译。再将交叉编译好的Makefile文件复制到文件系统内，同时启动Linux运行脚本，并在Linux内导入Qtopia环境变量声明。在文件系统启动后，自动启动Qtopia图形界面，此时就将船舶智能导航的图形界面导入到用户端的界面上，至此完成大型船舶智能导航界面设计。

以某船舶为实验对象，给出本文方法设计的船舶智能导航界面的海图界面，如图5所示。分析可知，本文方法设计的智能导航界面可向用户呈现当前船舶所在海域大致位置，也可以图表的形式向用户展示当前船舶的经度、纬度、航速、航向以及呼号、目的地等基础信息。结果说明，本文方法设计的大型船舶智能导航界面可充分为用户进行导航，且其呈现的船舶航行信息较为全面，具备较好的应用效果。

图 5 船舶智能导航界面（部分） Fig. 5 Ship intelligent navigation interface (part)

验证本文方法设计的船舶智能导航界面的视觉传达效果，以用户注视船舶智能导航界面的再注视比率作为衡量指标，测试用户对海图管理、海图作业和航线设计3个功能内子功能的注视比率，并设置界面功能再注视比率阈值为0.3，测试结果如表1所示。分析表1可知，在海图管理、海图作业和航线设计内各个子功能内，除了航线保存的再注视比率稍微高于所设置的再注视比率阈值外，其他各自功能的再注视比率数值均远高于所设置的再注视比例阈值。尤其是海图作业内的点标注功能，其在注视比率高达0.824。上述结果表明，本文方法设计的大型船舶智能导航界面可有效抓住用户的视线，达到较好的视觉传达效果。

表 1(Tab. 1)

表 1 船舶导航界面功能再注视比率值 Tab. 1 Function refocus ratio of ship navigation interface 主功能 子功能 再注视比率值 海图管理 海图显示 0.647 海图搜索 0.733 海图调整 0.759 海图作业 陆标定位 0.661 经纬度定位 0.659 船位标定 0.703 点标注 0.824 区域标定 0.582 线标注 0.533 航线设计 航线编辑 0.419 航线保存 0.302 航线演示 0.588 航线检索 0.636

表 1 船舶导航界面功能再注视比率值 Tab.1 Function refocus ratio of ship navigation interface

测试本文方法设计的大型船舶智能导航界面的服务性能，以船舶方位角作为衡量指标，测试在一段航行时间内，本文导航界面提供的航向角与该船舶实际航向角偏差情况，结果如图6所示。分析可知，使用本文方法为该船舶航向角导航数值，该导航数值与其实际航向角数值相差较小，其中最大差值仅为0.02°左右。该数值对于大型船舶在海上航行来说，属于可以忽略数值。因此本文方法具备较为精准的航向角导航能力，实际应用效果较好。

图 6 导航航向角曲线 Fig. 6 Navigation heading angle curve

本文提出基于视觉传达技术的大型船舶智能导航界面设计方法，在该方法内利用视觉传达技术内的Qtopia图形套件搭建船舶智能导航的图形界面。经过实际验证，本文方法设计的大型船舶智能导航界面呈现导航参数较为全面，且可充分吸引用户注意力，具备较好的视觉传达效果和实际应用效果。