王　穎　牟蘇斌

(中國電子科技集團公司第二十八研究所　南京　210007)

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基于GOMS模型的機載指控系統(tǒng)人機界面優(yōu)化研究*

王穎牟蘇斌

(中國電子科技集團公司第二十八研究所南京210007)

摘要針對目前機載指控系統(tǒng)軟件功能越來越多、使用方式越來越復(fù)雜的應(yīng)用現(xiàn)狀，提出其面向任務(wù)的可用性問題，并結(jié)合實際執(zhí)行的任務(wù)，運用GOMS模型原理，對該類軟件頻繁操作的任務(wù)進行定量分析。最后，根據(jù)分析結(jié)果指導(dǎo)該任務(wù)人界面操作的優(yōu)化，并為今后界面的設(shè)計和優(yōu)化提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞人機交互; GOMS模型; 指控系統(tǒng); 可用性

Class NumberTN929.53

1引言

機載指控系統(tǒng)作為預(yù)警機上用于作戰(zhàn)指揮的信息系統(tǒng)，主要任務(wù)包括完成情報收集和數(shù)據(jù)融合，為整個預(yù)警機系統(tǒng)提供實時、統(tǒng)一和完整的戰(zhàn)場態(tài)勢；根據(jù)指派的作戰(zhàn)任務(wù)，臨機規(guī)劃智能決策，組織作戰(zhàn)行動；指揮地面防空、電子對抗、航空兵等實施空天地網(wǎng)電一體的聯(lián)合作戰(zhàn)，在前出作戰(zhàn)、遠程作戰(zhàn)、防空反導(dǎo)、聯(lián)合作戰(zhàn)及非戰(zhàn)爭軍事行動中達成行動優(yōu)勢。隨著作戰(zhàn)理論的發(fā)展、戰(zhàn)術(shù)指標的提升和作戰(zhàn)戰(zhàn)法的充實，該類軟件系統(tǒng)的產(chǎn)品功能日益增多，持續(xù)朝著大型復(fù)雜信息系統(tǒng)的方向轉(zhuǎn)變。

考慮到機載指控系統(tǒng)的工作環(huán)境是在飛行過程中的預(yù)警機機艙內(nèi)，具高分貝的噪聲和劇烈的顛簸等因素，對機上工作人員進行人機交互操作的過程帶來了太多的不利影響：在地面安穩(wěn)環(huán)境下操作的簡單動作，在顛簸的機上變得十分困難。因此機載指控系統(tǒng)的界面不僅要系統(tǒng)考慮人的因素，還要強調(diào)人在飛行中的生理和心理特點，更需要考慮界面的可用性等問題[1]。在此之前的機載指控系統(tǒng)研發(fā)過程中，偏重產(chǎn)品功能的實現(xiàn)，盡量做到覆蓋面廣、功能齊全、綜合性強；另一方面，往往對人機交互設(shè)計的重視不夠，忽略了軟件用戶的使用體驗，長期存在大部分軟件功能很少使用，人機交互操作過于繁瑣等一系列問題[2]。不幸的是，該類軟件當(dāng)前的人機交互設(shè)計上的主要依據(jù)是軟件研發(fā)人員的經(jīng)驗判斷和部隊官員對軟件開發(fā)的指示，缺乏定性定量分析方法對人機界面的優(yōu)劣進行判斷和優(yōu)化。迫切需要新的理論和方法改變這一現(xiàn)狀，從整體上優(yōu)化工作人員使用軟件的操作步驟，提高人機界面的易操作性和高效性。

GOMS模型是關(guān)于用戶在與系統(tǒng)軟件交互時使用的認知過程模型，GOMS模型理論為人們提供了一種對操作界面系統(tǒng)化定性和定量的分析方法。利用GOMS行為模型，我們對指控系統(tǒng)軟件的操作按執(zhí)行的任務(wù)進行分析驗證，對每個任務(wù)的每個操作行為進行定量分析，得到每個任務(wù)執(zhí)行時所需操作的動作和時間；同時，根據(jù)任務(wù)執(zhí)行的操作流程，在程序相應(yīng)的操作代碼中增加時間和操作內(nèi)容的記錄，每次任務(wù)執(zhí)行后，將記錄的操作動作和時間進行整理，對操作行為量化對比，分析出最耗時的具體任務(wù)和其具體的操作步驟，用于界面操作的優(yōu)化，將復(fù)雜的任務(wù)流程簡單化，使人機界面更加高效和易操作[3～4]。

2GOMS模型理論

Card，Moran和Newall于1983年在《人機交互心理學(xué)》書中提出了GOMS模型，這是一種早期人機交互領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛的用戶模型[5]。GOMS是一個縮略語，它代表目標(Goals)、操作(Operators)、方法(Methods)和選擇規(guī)則(Selection rules)。

· 目標：描述操作員希望達到的行動目的。一個行動往往可以被分解成較小的行動。例如，行動目標是對來襲的敵機進行攔截，這個目標可以被分解成：找到需要攔截的敵機；指派我機進行攔截；計算出截擊方案線等子任務(wù)。

· 操作：完成一個任務(wù)時使用產(chǎn)品的每個動作，如移動鼠標、點擊鼠標鍵和鍵盤輸入等。操作是用戶為了使用一個交互式系統(tǒng)所必需的感知、認知或神經(jīng)動作。因此，它們可能影響系統(tǒng)的狀態(tài)，或者只是影響用戶的心理狀態(tài)。

· 方法：用于描述完成目標的一個過程，由低水平的操作組成，對于相同的目標，可以有不同的方法。因此，一個方法表示用戶存儲其任務(wù)知識的一種方式，方法不是在任務(wù)執(zhí)行階段建立的規(guī)劃，而是用戶已有的經(jīng)驗性過程。

· 選擇規(guī)則：用于描述如何按照當(dāng)前的事態(tài)選擇適用的方法。在嘗試完成一個目標時，對用戶而言，通常存在多個可以利用的方法。將選擇使用哪個方法，不一定是一個決策過程的延伸，因為有可能任務(wù)環(huán)境的特征指示僅有一個方法是最合適的[6]。

GOMS模型的研究方法就是首先把操作員使用界面的行為理解為完成任務(wù)的過程，大的任務(wù)的實現(xiàn)是由很多小的任務(wù)所組成的，這些小的任務(wù)可以分解為更細小的原子任務(wù)。每個原子任務(wù)的實現(xiàn)，都依靠不同的操作行為完成，每個操作行為都附有不同的屬性。不同屬性的操作行為基于界面的限定可以構(gòu)成不同的方法，用戶就可以根據(jù)不同的選擇規(guī)則來完成最終的任務(wù)，GOMS模型從四個方面來記錄使用者行為目標和操作過程，對人機界面交互系統(tǒng)進行任務(wù)分解和逐步精化，在GOMS定義的基本行為中，每個操作行為經(jīng)過定量的分析以后都能得到一定的時間。因此，利用GOMS模型導(dǎo)入操作員實現(xiàn)終極目標的過程，就可以測試出用戶與界面交互所用的時間，統(tǒng)計出每個任務(wù)每步操作執(zhí)行的時間，對比結(jié)果，將消耗時間長的步驟再次進行優(yōu)化，同時進行如下優(yōu)化：1)將日常使用的功能和任務(wù)所需要的控制與數(shù)據(jù)突出地放在界面上,2)把所有其它不經(jīng)常使用的功能放到次要界面位置上,讓它們遠離操作員正常的視野；3)對界面的按鈕盒、對話框和菜單的放置和布局的優(yōu)化可以有準確時間依據(jù)，完成對人機界面全面的優(yōu)化，其在人機界面的應(yīng)用和優(yōu)化如圖1所示[7]。

圖1　GOMS模型對人機界面優(yōu)化示意圖

對GOMS行為與目標的分解說明其不僅可以應(yīng)用于對交互界面進行定性研究也可以做定量分析。GOMS的構(gòu)建者通過對用戶行為的總結(jié)提煉和實驗研究，給出了所定義的幾項基本操作行為的典型時間(見表1)。用戶為完成某目標所用的時間，就是用戶與界面進行交互的各個基本操作加起來的總時間。從定量分析的角度來講，它可以預(yù)測用戶使用某項功能界面所需的時間，評價界面的績效性，對現(xiàn)存的界面進行完善和優(yōu)化。

做GOMS的導(dǎo)入研究時，判斷使用者在何時終止動作進行心理運作，也就是在過程中什么時候插入心理準備的時間是比較難確定的。而相對來說，基本的肢體行為擊鍵、指向和歸位是比較易于觀察和記錄的。因此，GOMS模型的提出者，通過大量研究，給出了一組心理準備(M)的插入規(guī)則[8]，如表2所示。

表1　GOMS模型基本操作時間

表2　GOMS定位心里活動規(guī)則

3GOMS模型在指控人機界面的應(yīng)用

指控系統(tǒng)人機界面接收外部信息,轉(zhuǎn)換為界面顯示信息,以圖形、列表等形式展現(xiàn)給指揮員。同時，提供指揮員與指控系統(tǒng)交互操作的界面，將指揮員的意圖以干預(yù)命令的形式發(fā)送給指控軟件。在機上指揮員與界面具體的交互方法主要包括:命令交互、菜單選項、對話框操作和快捷鍵使用等類型，這些交互方法各具優(yōu)缺點。

命令交互是交互計算機系統(tǒng)最早使用的一種交互界面，至今仍廣泛使用，稱之為干預(yù)命令。干預(yù)命令語言與其它計算機語言一樣有嚴格的語法和語義，但比其它計算機語言更簡練，便于記憶，貼近作戰(zhàn)命令。通過在界面上通過鍵盤直接輸入干預(yù)命令，可以快速與戰(zhàn)術(shù)軟件進行交互。

菜單的操作是通過選擇菜單，完成與指控軟件的直接交互，其執(zhí)行速度快，但是無法輸入交互的參數(shù)，通常都是通過菜單選擇相應(yīng)的對話框完成干預(yù)操作。

對話框操作是通過菜單彈出對應(yīng)的對話框，將需要干預(yù)的參數(shù)進行輸入或通過選擇框控件進行參數(shù)的選擇，形成具有參數(shù)的干預(yù)命令發(fā)送到戰(zhàn)術(shù)軟件，其操作時間隨著輸入?yún)?shù)的多少而定，并將參數(shù)直接展現(xiàn)給操作員。

快捷鍵的操作是將經(jīng)常使用的命令通過對鍵盤的一個按鍵動作而完成的，操作最為方便。

機上的指揮人員經(jīng)過長時間的操作訓(xùn)練，對界面操作十分熟練，每次飛行過程的目標任務(wù)非常清晰，其行為目標由最終目標和一系列子目標組成，指揮員會根據(jù)不同目標選擇恰當(dāng)?shù)牟僮鞣椒?。在指控人機界面軟件中，增加記錄操作員每次操作的內(nèi)容和消耗時間的程序，在飛行任務(wù)執(zhí)行時，實時記錄操作員的每個操作內(nèi)容和消耗時間，在飛行任務(wù)結(jié)束后，對操作的任務(wù)頻率和消耗時間進行統(tǒng)計，對于最經(jīng)常使用的任務(wù)可將其相關(guān)按鈕和菜單布局到界面直接可操作的位置，對其操作動作按GOMS模型進行分析，從而評估任務(wù)在不同操作方案中在實效上的消耗時間，并對操作的動作進行精簡，再進行定性定量分析，使界面系統(tǒng)得以改進和完善。

下面例舉一個具體的威脅估計任務(wù)，通過GOMS模型，對威脅估計任務(wù)執(zhí)行時的每個操作步驟進行分解和用時計算，并實時記錄飛機在空中任務(wù)的執(zhí)行過程中威脅估計任務(wù)執(zhí)行的時間，對威脅估計任務(wù)的操作進行優(yōu)化。

3.1威脅估計任務(wù)的GOMS分析

威脅估計的任務(wù)是根據(jù)敵空中目標的類型、數(shù)量，以及相對我方重要海面艦船、港口、基地等保衛(wèi)目標的航向、速度、方位、距離，結(jié)合這些保衛(wèi)目標的防御能力、重要程度等信息估計出敵空中目標對我保衛(wèi)目標的威脅等級。

威脅估計任務(wù)的操作步驟主要是設(shè)置評估目標，然后通過威脅估計表將威脅等級表現(xiàn)出來。威脅估計表由上下兩張子表組成，上面的子表顯示敵空中目標對我保衛(wèi)目標的威脅信息，下面的子表用于顯示敵艦船或敵高炮及導(dǎo)彈陣地對我方空中保衛(wèi)目標構(gòu)成的威脅狀態(tài)，表格中字體顏色表示不同的威脅等級。紅色字體表示一等威脅，粉紅色字體表示二等威脅，橙色字體表示三等威脅，并在趨勢中以上三角和下三角分別表示威脅的趨勢。

圖2　評估目標對話框

通常情況下通過評估目標對話框，設(shè)置需要評估的我方目標批號，其操作步驟如下：輸入我方目標批號，設(shè)置某批我方空中或水面目標為評估批，對其進行威脅評估計算。在批號列表中顯示的是當(dāng)前評估批的全集，如圖2所示。

操作包括：

【批號】編輯框：通過鍵盤輸入綜合批號(批號定義為1到6位的數(shù)字)。

【批號列表】：用于顯示當(dāng)前評估批的全集。

【設(shè)置】按鈕：用于設(shè)置選定的綜合目標為評估批。

【取消】按鈕：用于取消選定的綜合目標為評估批。

【清除】按鈕：用于清除【批號】編輯框的內(nèi)容。

【關(guān)閉】按鈕：用于關(guān)閉對話框。

設(shè)置評估目標的操作具體描述如下：第一步，將鼠標移動到菜單區(qū)，點擊【情報處理】菜單下的【定評估批】對話框，完成操作“指向P”，兩次“擊鍵K”；第二步，將手移到鍵盤上，完成操作“心里準備M”；第三步，將光標聚焦到批號輸入框，完成操作“歸位H”；第四步，輸入六個字符，完成六個操作“擊鍵K”；第五步，將鼠標移動到【設(shè)置】鍵，完成操作“歸位H”；第六步，用鼠標點擊【設(shè)置】鍵，完成操作“擊鍵K”；將選定的綜合目標設(shè)置為評估批，同時該批號進入自動【批號列表】，如圖3所示。

這樣全部操作過程為：M P K K M H K K K K K K H K；P = 1.1s, H = 0.4s, K = 0.2s,M=1.35s。然后可以按照標準時2M+P+2H+9K = 1.35×2+1.1+0.4×2+9×0.2 = 7.4s,即使用對話框進行威脅估計設(shè)置需要時間7.4s。

圖3　設(shè)置評估批

3.2威脅估計任務(wù)的改進操作

對于指揮人員來說，大量的移動鼠標和進行鍵盤的操作，在機上這個實時顛簸的環(huán)境中，不是非常方便的一個操作，本研究增加了鍵盤命令輸入、鼠標操作和快捷鍵操作，對評估目標操作進行改進。

1) 使用干預(yù)命令確定威脅計算目標

在人機界面的干預(yù)對話框中直接輸入干預(yù)命令輸入“DPGP批號”。

操作過程描述如下：第一步，用戶用手把圖形輸入器件移動到干預(yù)命令對話框中，完成“指向P”；第二步，將手移到鍵盤上，完成操作“歸位H”；第三步，輸入“DPGP”5個字符和6個數(shù)字批號，完成11個操作“擊鍵K”；第四步，敲擊ENTER鍵，完成操作“擊鍵K”。這樣全部操作過程為：M P H K K K K K K K K K K K K ，M+P+H+12K = 1.35+1.1+0.4+12×0.2 = 5.25s,即使用干預(yù)命令輸入方法完成操作需要時間5.25s。

2) 通過航跡右鍵菜單直接操作

通過鼠標左鍵選中需要進行定為威脅目標的航跡，點擊右鍵，彈出右鍵菜單，點擊【定目標】菜單，直接可以將選中的目標定為威脅目標。

操作過程描述如下：第一步，將鼠標移動到指定的航跡，完成操作“指向P”；第二步，查找航跡，點擊鼠標左鍵，完成操作“心里準備M”和操作“擊鍵K”；第三步，點擊鼠標右鍵，完成操作“擊鍵K”；第四步，將鼠標移動到菜單【定目標】，完成操作“指向P”；第四步，點擊菜單【定目標】，完成操作“擊鍵K”。這樣全部操作過程為：M P M K P K，2M+2P+2K = 2×1.35+2×1.1+2×0.2 = 5.3s,即使用右鍵菜單完成操作需要時間5.3s。

3) 快捷鍵的操作

通過鼠標左鍵選中需要進行定為威脅目標的航跡，點擊指定的鍵盤鍵，直接可以將選中的目標定為威脅目標。

操作過程描述如下：第一步，將鼠標移動到指定的航跡，完成操作“指向P”；第二步，查找航跡，點擊鼠標左鍵，完成操作“心里準備M”和操作“擊鍵K”；第三步，點擊指定的鍵盤鍵，完成操作“擊鍵K”。這樣全部操作過程為：M P M K K，2M+P+2K = 2×1.35+1×1.1+2×0.2 = 4.2s,即使用快捷鍵完成操作需要時間4.2s。

根據(jù)計算結(jié)果可知，威脅估計任務(wù)的改進操作最低用時4.2s，平均時間降低近3.2s，可以根據(jù)上述操作的消耗時間，為該任務(wù)增加干預(yù)命令和快捷鍵操作二種形式的操作，使用戶界面的操作效率得到一定程度的提高，并滿足不同操作員的操作習(xí)慣。

4結(jié)語

快捷方便、直觀、簡潔的操作界面為指揮員的指揮提供了高效的方法，但如何定性、定量地描述哪些操作簡單，哪些操作容易，哪些操作困難是進行人機界面優(yōu)化的關(guān)鍵，GOMS模型提供了一個定量分析界面操作的時間和方法，但是GMOS模型適用范圍有限，用這個模型測試得到的結(jié)果也是理想狀態(tài)下的結(jié)果，對不可預(yù)測的因素就不能使用這個方法[9～10]。本研究利用GOMS模型分別對指控人機界面按任務(wù)的執(zhí)行對對話框界面、圖形用戶界面和鼠標操作進行了實證研究，用于指導(dǎo)對人機界面進行量化的評估和分析，對比改進前后的操作時間變化，為設(shè)計、修改、改善機載指控系統(tǒng)的界面提供了參考依據(jù)，對界面的優(yōu)化具有重要意義。

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收稿日期:2016年1月4日,修回日期:2016年2月27日

作者簡介:王穎,女,碩士,高級工程師,研究方向：指控系統(tǒng)、人機界面。

中圖分類號TN929.53

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.07.041

Human Computer Interface Optimization Based on GOMS Model for Airborne Command and Control System

WANG YingMOU Subin

(The 28th Research Institute of China Electronic Technology Group Corporation, Nanjing210007)

AbstractIn view of the fact that there were more and more software functions and more and more complicated usage manners of the airborne command and control system, the problem of the task oriented usability was suggested. And then, combining with the actually performed tasks, the quantitative analysis was carried out for the frequent operations of the software by using the principle of GOMS model. Finally, the optimization of the human computer interface operation of this task software was guided according to the analysis results, and the reference evidence was provided for the design and optimization of the interface.

Key Wordshuman computer interaction, GOMS model, command and control system, usability