指挥控制系统界面态势信息呈现方式研究
时间：2023-02-21 23:40:04 来源：千叶帆 本文已影响人
方泽茜，吴晓莉，江晓曼
(南京理工大学 设计艺术与传媒学院，南京 210094)
面对信息化、数字化、智能化的时代发展趋势，作战任务愈发联合化、多样化，作战空间也愈发具备信息爆炸、超速节奏、进程隐秘、无人控制等特点[1]。伴随信息获取和处理技术不断涌现，战场的信息感知能力、信息获取能力和网络连通性的得到了大幅度的增强，作为战场空间的智慧中枢，指挥控制系统由先进技术驱动、多样需求牵引，经历了循序量变至质变的演化。不难发现，实用高效的指挥控制系统是作战能力进阶、战场空间变革的坚强基石，对系统建设进行问题突破和困难制胜，逐渐成为军事国防建设的重点内容。
即使在自动或智能的系统中，“人”仍然扮演着重要的角色，作为系统的监视器或操作员，对系统性能负有最终决策责任[2]。战场的紧张高压、高速过量信息和系统界面的信息任务组织和呈现方式等因素，往往容易造成指战员认知过载、负荷过重、理解失误、决策偏差等等问题[3]。同时战场感知信息(数据)呈现的爆发式增长带来的数量优势并不必然形成决策和行动优势，海量数据甚至会增加指战员的负担。指挥控制系统内部的信息总量还会持续不断增加,要求了系统具备获取、处理、利用和分发信息的优越能力(见图1)，从而增强作战空间内各主体间的有序行动、交互和人机自主协同[4]，这对系统的人机交互设计提出了更大挑战。
图1 指挥控制系统中态势信息的活动加工流程
大量实例研究己证明，在复杂人机交互且富有挑战性的环境中，Situation Awareness(简称SA，常译为态势感知或情景意识)都成为了人们研究的关键问题[5]。鉴于SA是在动态复杂环境中进行有效决策的基础，为了开展辅助决策过程的研究，有必要对SA进行量化(见图2)。在SA理论中，SAGAT测量方法因其“中断”、“冻结”的特征(Freezing Probe)[6]，以提供基于理论分层测量数据，其实用性和认可度在多年的研究中受到了证实。探究感知、理解和预测三层次的逻辑推进关系、粘合关联状态和内在循环反复的情况逐渐成为了SA获取的关键研究环节。
图2 指挥控制系统中的态势感知分层测量模型
SA过程在指挥控制系统的应用中会不断的发生重启与循环重复，是周期动态的态势获取过程，信息作为其处理驱动力，创造了SA持续心理表征过程中起作用的认知机制和过程的重要细节。O.Braseth等人[7](2013年)通过对基于SA的用户测试数据进行对齐和格式塔分组，简化理解了大型数据集；
刘志方等人[8](2015年)运用眼动测量，考察了组合仪表方式对歼击机仪表飞行偏差和任务中眼动模式的影响作用；
雷进宇等人[9](2018年)以SA理论与可视分析技术为手段，设计基于可视分析的监管水域船舶航行风险态势感知认知框架；
Yemao Man等人[10](2018年)旨在过模拟监控原型和态势感知的模拟试验，实现远程监控的无人货船舰桥系统。可以看出，指挥信息系统在信息感知方面的研究可以通过引入SA，围绕庞杂变化的复杂信息环境中，通过辨析获取流程、量化感知程度、提高感知能力等内容，讨论指战员的感知与决策。
指挥控制系统是一个人机密集交互的复杂系统，“人”是指用户(指战员)，主要通过界面获取信息、执行交互操作，做出判断和决策；
“机”则是与人协同交互的指挥控制系统软硬件，是将来源于各方的信息融合处理后，通过界面以文字、符号、图形、表格、视频及影像等格式，形成可视化的态势信息呈现，辅助指战员完成相应的功能操作[11]。如何确保界面呈现信息是指挥员在执行任务中易于被关注的、被感知和理解，能够高效准确的形成判断，成为了提升系统的综合效能，影响指挥决策任务质量的关键研究方向[12]。
2.1 实验目的
在信息化作战环境中，战场上实时动态的指挥命令、综合保障、战场态势等均以信息(数据)形式呈现并进行传递。系统交互界面呈现的信息量大，关系复杂，指战员会进入复杂性认知[13]。系统中以信息查询任务的主线涵盖繁杂的信息内容，亟需从时间、空间和认知的逻辑角度梳理[14]进行维度划分，包括基础属性、实时情况、工作状态、地理位置、区域范围、装备状态等，尽可能地条理化描述，成为指战员的信息储备，有助于长时间的监控关注和调取需要。
针对指挥控制系统的界面信息呈现问题，刘岗等人[15](2020年)针对防空指挥信息系统的人机交互界面，选取了12名较有经验的开发人员进行开发者访谈调研，根据调研结果指出在用户调研方面‘用户需求信息碎片化的提供’，在信息可视化方面‘大量数据的优化简化’、‘侦查与火力范围的显示’、‘地名信息易重叠遮挡’等交互设计关键点(见图3a)。刘文等人[16](2021年)总结了包括图像复杂度，信息组织方式和信息呈现形式在内的认知负荷的人机界面应用，并提出了均衡策略(见图3b)；
吕楠等人[17](2022年)将轨道交通各类信息从业务需求、数据分析和信息交互三方面进行全面融合分析，促进了“需要即可呈现，需要即可操作，需要即可分析”的新型调度指挥系统建设。
图3a 指挥控制系统人机交互界面设计流程模型(刘岗等，2020)
图3b 指挥控制活动信息加工模型(刘文等，2021)
指挥控制系统的界面布局是信息呈现区域、形式和内容的重要载体[18]，按照布局方式可以归类为扩散展开型布局、环绕集中型布局、双侧展开型布局、横向排列型布局、纵向排列型布局五种布局形式[19]，按照功能使用角度可以归类为导航菜单区、GIS地图区和操作执行区，不同的布局位置会导致不同的信息感知程度以及视觉搜索路径。针对性的信息查询任务跟进占据了系统任务执行的大部分时间，其信息呈现位置以主体在界面中显示位置作为中心，结合主体距离远近参数和同方向排列型布局方式可归类为GIS区域边缘、GIS区域内、GIS区域外，对应多维信息的随机或指定分配可形成多种同时呈现的组合方式(见图4)。信息维度的呈现位置、组合方式是否会影响信息维度感知的获取效果，和对信息主体的理解与预测，是进一步辨析界面信息呈现机制的探索方向。
图4 指挥控制系统中信息维度与呈现位置的组合
2.2 实验设备与被试
实验程序采用E-Prime编写，刺激呈现在17英寸显示器中央，屏幕分辨率为1 280×1 024 px，亮度为92 cd/m2。要求被试熟悉指挥控制系统的任务界面，保持基本界面的态势信息不变。然后给被试介绍主体或区域、呈现位置和信息内容三种目标物的特征，作为记忆测试问题的回答准备。
在南京理工大学募集志愿者参与实验，选择被试为15名，均为在读研究生，男10人，女5人，年龄在19 -24岁之间，视力或矫正视力正常，无色盲或色弱。实验前，录入被试的性别、年龄、在职时间及视力等相关信息。志愿者均填写知情同意书。
2.3 实验材料
实验刺激项为指挥控制系统模拟界面，以区域信息查询作为模拟任务(红色圆形部分为任务区域)，分别为智慧消防系统中的事故区域、军棋推演系统中的武器射程区域和战场态势系统战斗机主体，均呈现于大小在1 920 px×1 080 px的系统界面内(见图5)。结合区域属性内容与信息维度划分，三类实验主体的信息呈现内容如表1所示，这些呈现内容为定量，根据界面中的信息呈现位置(A处：GIS区域边缘，B处：GIS区域内，C处：GIS区域外)进行不同维度内容的呈现组合设置，如表2所示，因而形成了复杂的信息感知态势环境。
图5 实验基础界面
图6 实验流程
表2 实验信息的呈现组合方式(以军棋推演系统为例)
2.4 实验设计
采用3(指挥系统)×3(GIS界面)×5(被试)的组间设计，自变量是三种信息呈现组合方式，呈现于被试的指挥系统将随机分配，以避免被试发现信息内容的呈现规律性，每组5个试次，共计45个试次。实验结果将结合信息记忆程度(测试反应时、正确率指标与记忆测试问卷指标)与态势感知程度(SA测量问卷指标)，依据SA理论，考察实验中不同信息呈现组合的感知与记忆程度，探讨系统界面中主体或区域信息呈现方案的态势感知难易程度。
3.1 不同组合呈现方式的感知效应
以呈现组合作为自变量的数据包括三部分：在不同呈现组合条件下，正确率与反应时间的数据对应SA第一层感知层的实验效果，通过五道题来探究被试对于某一信息呈现位置的判断正确与否，题目按照五种信息维度进行来分配；
记忆问卷对应第二层理解层的实验效果，通过十道选择题来探究被试是否能正确完成每条信息的完整补充；
SA测量问卷对应第三层预测层及全程的态势感知效果，通过SART程度测量式问卷对实验界面、组合呈现、信息获取三方面进行评分。三个因变量的实验统计数据见图6。
图6 呈现组合作为自变量的数据统计
经数据分析，对不同的变量数据进行参数或非参数的检验方法选择，得到分布差异分析表(见表3)。比较不同组合方式之间的感知层判断差异，采用Kruskal-Wallish H检验，正确率和反应时的结果均表明数据的分布大致相同(正确率P=0.358，P>0.05；
反应时P=0.825，P>0.05)；
比较理解层的判断差异，采用Kruskal-Wallish H检验，正确率的结果表明数据的分布大致相同(P=0.965，P>0.05)；
比较预测层与整体感知差异，采用One-Way ANOVA test，问卷结果表明各组合得分均数差异不大(P=0.737，P>0.05)；
整体来看，从呈现组合的角度分析，三层实验结果均不具有统计学意义，不同数据结果在组合一、二、三之均间没有显著差异。
表3 呈现组合作为自变量的数据分析结果
3.2 信息维度作为自变量的数据结果
从呈现组合的数据看，实验结果并不能证明信息维度的组合方式对被试的感知影响程度有所不同，但同时，因实验过程中对信息维度进行了同等份额的分配，故也可将五个信息维度分别看作自变量，提取对应问题，分析正确与否的判断结果，探究每个信息维度(a-e)下，不同呈现位置对信息获取的影响程度，信息维度与呈现位置的对应见表2。
3.2.1 感知层的判断结果
感知层的数据来源于被试对于某信息维度呈现位置的判断结果，可以看出针对独立信息维度，三种呈现位置对被试信息感知成功与否的影响。五种信息维度的感知层分析结果见图7。经Fisher精确检验，维度a、b、c、e不受呈现位置的影响，每个维度的三组差异不具有统计学意义(维度a：P=0.679，维度b：P=1.00，维度c：P=0.271，维度e：P=0.643；
P>0.05)；
维度d经Fisher精确检验分析结果可以看出，不同呈现位置对感知判断具有影响，差异具有统计学意义，见表4(P=0.000；
p<0.05)。维度d在B处的判断正确率明显高于A与C，说明‘区域状态’维度信息在B处的感知效果最好。
图7 信息维度的感知层判断数据
表4 信息维度a、b、c、e的数据检验
表5 信息维度d的数据检验
3.2.2 理解层的正误结果
理解层的数据来源于被试对于某信息维度内容补充的结果，可以看出针对独立信息维度，三种呈现位置对被试信息内容记忆成功与否的影响。五种信息维度的理解层分析结果见图8。经Fisher精确检验，维度a、b、d、e不受呈现位置的影响，每个维度的三组差异不具有统计学意义(维度a：P=0.806，维度b：P=1.00，维度d：P=0.688，维度e：P=0.5594；
P>0.05)；
维度c经Fisher精确检验分析结果可以看出，不同呈现位置对理解记忆具有影响，差异具有统计学意义，见表6(P=0.001；
p<0.05)。维度c在C处的判断正确率明显高于A与B，说明‘地理位置’维度信息在C处的感知效果最好。
图8 信息维度的理解层判断数据
表6 信息维度a、b、d、e的数据检验
表7 信息维度c的数据检验
本文基于态势感知理论，主要考察以智慧消防、军棋推演和战场态势为例的指挥控制系统中的区域态势信息，其呈现组合方式影响态势感知程度，分层关注感知程度的呈现影响因素，从用户层面细化解构系统界面问题，将正确率、反应时和SA测量作为重要指标进行考察。
4.1 信息组合呈现的感知效应
从呈现组合作为自变量的结果可知，经统计分析三种呈现组合并无统计学意义上的差异；
每层数据在三种组合方式之间各有差距，但差距范围均不显著；
在感知层的数据差异对比相较另两层的更为明显，且三种组合均没有表现出层次之间的稳定上升或下降趋势，这说明五种信息维度所产生的这三种组合方式并未对用户的SA过程产生相应的影响效果。分析得知，实验结果的可能受到以下条件的影响：信息维度的组合包含两种维度信息同时处在同位置的呈现与单维度信息单独呈现的两种方式，可能在数量上干扰针对维度的测试；
信息内容在数字和文字量的不同，形成感知难易程度的区别干扰；
实验过程中的提问方式是文字而不是图示以及维度组合的随机性等等。
4.2 信息维度的单独效应
从信息维度作为自变量的结果可知，某些信息维度在SA的单层次中确实会受到呈现位置不同而产生感知影响，在针对主体的信息呈现设计时，需要考虑信息所被应用的感知阶段并对应感知效率更高的界面呈现位置，‘区域状态’一类的信息维度在感知初始环节可采用GIS区域内的呈现位置，‘地理位置’一类的信息维度在感知中间环节可采用GIS区域外的呈现位置，从而帮助指战员在针对性的任务信息查询时，进行更好的作战判断和决策。同时，感知(任务)环节的后期是否需要将内容的呈现位置做出相应调整，单个信息维度在多层次中差异明显的结果等，为后续研究提供了深入方向。
在已有的信息维度相关研究中，丁凯[20]在研究中提出了非线性、网状和交互式是网络时代信息结构重要特征的论断，视觉层级对于用户获取信息的效果和效率具有重要意义；
黄颖宜[21]对手机界面信息可视化元素秩序性设计进行分析，总结出信息层级视觉设计与格式塔心理学的关系，构建了层级的秩序化设计；
马钧等人[22]基于Edouard Thomas层次分析过程理论分析了汽车人机交互界面的逻辑框架，提出了不同逻辑框架结构并进行了相关的设计。结合本次实验结果可以发现，复杂系统场景空间关系复杂，时序状态较多，若无法清晰地通过呈现位置关联信息维度关系，会增大用户理解和记忆难度。需要按照信息归属、重要程度、呈现距离等规则对信息维度分层分级，通过图层过滤、粒度筛选、多细节层级等可视化方式指导界面设计，便于用户快速清晰的搜寻、识别和理解。
在指挥控制系统界面的信息查询任务中，基于态势感知对用户的信息获取过程进行分层测量和分析，可以对感知效果进行实验数据验证。通过SA测量实验结果表明：
(1)从统计学的分析结果可知，信息维度的不同组合式呈现对任意层级的态势感知程度都没有显著性差异；
不过通过数据统计可见，三种组合方式在态势感知层次中仍具有不同程度的关联趋势。
(2)单独针对信息维度分析，通过实验结果可知在界面中不同的呈现位置会对特定信息维度产生显著性影响：‘区域状态’的信息维度在GIS地图区处的感知效果优于其他呈现位置；
‘地理位置’的信息维度在在操作执行区处的感知效果优于其他呈现位置。
总结来看，学者们对于系统界面和指战员(用户)的交互现状已有了一定的研究基础，并从人因感知视角指出系统信息的问题与解决方案，但少有针对信息呈现的分层策略研究。通过实验结果可以看出，虽然以组合方式的信息呈现并未对SA产生显著效应，但从信息维度的角度发现了特定维度对感知造成的显著影响，对信息维度呈现和态势感知层级关联仍需进一步深入，从而将SA的分层测量应用于界面改进，制定均衡的信息呈现策略，实现更高效的用户信息感知，以上结果将为后续信息维度的分层研究提供合适的参考。
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