方澤茜，吳曉莉，江曉曼

(南京理工大學(xué) 設(shè)計藝術(shù)與傳媒學(xué)院，南京 210094)

1 引言

面對信息化、數(shù)字化、智能化的時代發(fā)展趨勢，作戰(zhàn)任務(wù)愈發(fā)聯(lián)合化、多樣化，作戰(zhàn)空間也愈發(fā)具備信息爆炸、超速節(jié)奏、進程隱秘、無人控制等特點[1]。伴隨信息獲取和處理技術(shù)不斷涌現(xiàn)，戰(zhàn)場的信息感知能力、信息獲取能力和網(wǎng)絡(luò)連通性的得到了大幅度的增強，作為戰(zhàn)場空間的智慧中樞，指揮控制系統(tǒng)由先進技術(shù)驅(qū)動、多樣需求牽引，經(jīng)歷了循序量變至質(zhì)變的演化。不難發(fā)現(xiàn)，實用高效的指揮控制系統(tǒng)是作戰(zhàn)能力進階、戰(zhàn)場空間變革的堅強基石，對系統(tǒng)建設(shè)進行問題突破和困難制勝，逐漸成為軍事國防建設(shè)的重點內(nèi)容。

即使在自動或智能的系統(tǒng)中，“人”仍然扮演著重要的角色，作為系統(tǒng)的監(jiān)視器或操作員，對系統(tǒng)性能負(fù)有最終決策責(zé)任[2]。戰(zhàn)場的緊張高壓、高速過量信息和系統(tǒng)界面的信息任務(wù)組織和呈現(xiàn)方式等因素，往往容易造成指戰(zhàn)員認(rèn)知過載、負(fù)荷過重、理解失誤、決策偏差等等問題[3]。同時戰(zhàn)場感知信息(數(shù)據(jù))呈現(xiàn)的爆發(fā)式增長帶來的數(shù)量優(yōu)勢并不必然形成決策和行動優(yōu)勢，海量數(shù)據(jù)甚至?xí)黾又笐?zhàn)員的負(fù)擔(dān)。指揮控制系統(tǒng)內(nèi)部的信息總量還會持續(xù)不斷增加,要求了系統(tǒng)具備獲取、處理、利用和分發(fā)信息的優(yōu)越能力(見圖1)，從而增強作戰(zhàn)空間內(nèi)各主體間的有序行動、交互和人機自主協(xié)同[4]，這對系統(tǒng)的人機交互設(shè)計提出了更大挑戰(zhàn)。

圖1 指揮控制系統(tǒng)中態(tài)勢信息的活動加工流程

大量實例研究己證明，在復(fù)雜人機交互且富有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中，Situation Awareness(簡稱SA，常譯為態(tài)勢感知或情景意識)都成為了人們研究的關(guān)鍵問題[5]。鑒于SA是在動態(tài)復(fù)雜環(huán)境中進行有效決策的基礎(chǔ)，為了開展輔助決策過程的研究，有必要對SA進行量化(見圖2)。在SA理論中，SAGAT測量方法因其“中斷”、“凍結(jié)”的特征(Freezing Probe)[6]，以提供基于理論分層測量數(shù)據(jù)，其實用性和認(rèn)可度在多年的研究中受到了證實。探究感知、理解和預(yù)測三層次的邏輯推進關(guān)系、粘合關(guān)聯(lián)狀態(tài)和內(nèi)在循環(huán)反復(fù)的情況逐漸成為了SA獲取的關(guān)鍵研究環(huán)節(jié)。

圖2 指揮控制系統(tǒng)中的態(tài)勢感知分層測量模型

SA過程在指揮控制系統(tǒng)的應(yīng)用中會不斷的發(fā)生重啟與循環(huán)重復(fù)，是周期動態(tài)的態(tài)勢獲取過程，信息作為其處理驅(qū)動力，創(chuàng)造了SA持續(xù)心理表征過程中起作用的認(rèn)知機制和過程的重要細(xì)節(jié)。O.Braseth等人[7](2013年)通過對基于SA的用戶測試數(shù)據(jù)進行對齊和格式塔分組，簡化理解了大型數(shù)據(jù)集；劉志方等人[8](2015年)運用眼動測量，考察了組合儀表方式對殲擊機儀表飛行偏差和任務(wù)中眼動模式的影響作用；雷進宇等人[9](2018年)以SA理論與可視分析技術(shù)為手段，設(shè)計基于可視分析的監(jiān)管水域船舶航行風(fēng)險態(tài)勢感知認(rèn)知框架；Yemao Man等人[10](2018年)旨在過模擬監(jiān)控原型和態(tài)勢感知的模擬試驗，實現(xiàn)遠程監(jiān)控的無人貨船艦橋系統(tǒng)?？梢钥闯?，指揮信息系統(tǒng)在信息感知方面的研究可以通過引入SA，圍繞龐雜變化的復(fù)雜信息環(huán)境中，通過辨析獲取流程、量化感知程度、提高感知能力等內(nèi)容，討論指戰(zhàn)員的感知與決策。

指揮控制系統(tǒng)是一個人機密集交互的復(fù)雜系統(tǒng)，“人”是指用戶(指戰(zhàn)員)，主要通過界面獲取信息、執(zhí)行交互操作，做出判斷和決策；“機”則是與人協(xié)同交互的指揮控制系統(tǒng)軟硬件，是將來源于各方的信息融合處理后，通過界面以文字、符號、圖形、表格、視頻及影像等格式，形成可視化的態(tài)勢信息呈現(xiàn)，輔助指戰(zhàn)員完成相應(yīng)的功能操作[11]。如何確保界面呈現(xiàn)信息是指揮員在執(zhí)行任務(wù)中易于被關(guān)注的、被感知和理解，能夠高效準(zhǔn)確的形成判斷，成為了提升系統(tǒng)的綜合效能，影響指揮決策任務(wù)質(zhì)量的關(guān)鍵研究方向[12]。

2 對象與方法

2.1 實驗?zāi)康?/h3>

在信息化作戰(zhàn)環(huán)境中，戰(zhàn)場上實時動態(tài)的指揮命令、綜合保障、戰(zhàn)場態(tài)勢等均以信息(數(shù)據(jù))形式呈現(xiàn)并進行傳遞。系統(tǒng)交互界面呈現(xiàn)的信息量大，關(guān)系復(fù)雜，指戰(zhàn)員會進入復(fù)雜性認(rèn)知[13]。系統(tǒng)中以信息查詢?nèi)蝿?wù)的主線涵蓋繁雜的信息內(nèi)容，亟需從時間、空間和認(rèn)知的邏輯角度梳理[14]進行維度劃分，包括基礎(chǔ)屬性、實時情況、工作狀態(tài)、地理位置、區(qū)域范圍、裝備狀態(tài)等，盡可能地條理化描述，成為指戰(zhàn)員的信息儲備，有助于長時間的監(jiān)控關(guān)注和調(diào)取需要。

針對指揮控制系統(tǒng)的界面信息呈現(xiàn)問題，劉崗等人[15](2020年)針對防空指揮信息系統(tǒng)的人機交互界面，選取了12名較有經(jīng)驗的開發(fā)人員進行開發(fā)者訪談?wù){(diào)研，根據(jù)調(diào)研結(jié)果指出在用戶調(diào)研方面‘用戶需求信息碎片化的提供’，在信息可視化方面‘大量數(shù)據(jù)的優(yōu)化簡化’、‘偵查與火力范圍的顯示’、‘地名信息易重疊遮擋’等交互設(shè)計關(guān)鍵點(見圖3a)。劉文等人[16](2021年)總結(jié)了包括圖像復(fù)雜度，信息組織方式和信息呈現(xiàn)形式在內(nèi)的認(rèn)知負(fù)荷的人機界面應(yīng)用，并提出了均衡策略(見圖3b)；呂楠等人[17](2022年)將軌道交通各類信息從業(yè)務(wù)需求、數(shù)據(jù)分析和信息交互三方面進行全面融合分析，促進了“需要即可呈現(xiàn)，需要即可操作，需要即可分析”的新型調(diào)度指揮系統(tǒng)建設(shè)。

圖3a 指揮控制系統(tǒng)人機交互界面設(shè)計流程模型(劉崗等，2020)

圖3b 指揮控制活動信息加工模型(劉文等，2021)

指揮控制系統(tǒng)的界面布局是信息呈現(xiàn)區(qū)域、形式和內(nèi)容的重要載體[18]，按照布局方式可以歸類為擴散展開型布局、環(huán)繞集中型布局、雙側(cè)展開型布局、橫向排列型布局、縱向排列型布局五種布局形式[19]，按照功能使用角度可以歸類為導(dǎo)航菜單區(qū)、GIS地圖區(qū)和操作執(zhí)行區(qū)，不同的布局位置會導(dǎo)致不同的信息感知程度以及視覺搜索路徑。針對性的信息查詢?nèi)蝿?wù)跟進占據(jù)了系統(tǒng)任務(wù)執(zhí)行的大部分時間，其信息呈現(xiàn)位置以主體在界面中顯示位置作為中心，結(jié)合主體距離遠近參數(shù)和同方向排列型布局方式可歸類為GIS區(qū)域邊緣、GIS區(qū)域內(nèi)、GIS區(qū)域外，對應(yīng)多維信息的隨機或指定分配可形成多種同時呈現(xiàn)的組合方式(見圖4)。信息維度的呈現(xiàn)位置、組合方式是否會影響信息維度感知的獲取效果，和對信息主體的理解與預(yù)測，是進一步辨析界面信息呈現(xiàn)機制的探索方向。

圖4 指揮控制系統(tǒng)中信息維度與呈現(xiàn)位置的組合

2.2 實驗設(shè)備與被試

實驗程序采用E-Prime編寫，刺激呈現(xiàn)在17英寸顯示器中央，屏幕分辨率為1 280×1 024 px，亮度為92 cd/m2。要求被試熟悉指揮控制系統(tǒng)的任務(wù)界面，保持基本界面的態(tài)勢信息不變。然后給被試介紹主體或區(qū)域、呈現(xiàn)位置和信息內(nèi)容三種目標(biāo)物的特征，作為記憶測試問題的回答準(zhǔn)備。

在南京理工大學(xué)募集志愿者參與實驗，選擇被試為15名，均為在讀研究生，男10人，女5人，年齡在19 -24歲之間，視力或矯正視力正常，無色盲或色弱。實驗前，錄入被試的性別、年齡、在職時間及視力等相關(guān)信息。志愿者均填寫知情同意書。

2.3 實驗材料

實驗刺激項為指揮控制系統(tǒng)模擬界面，以區(qū)域信息查詢作為模擬任務(wù)(紅色圓形部分為任務(wù)區(qū)域)，分別為智慧消防系統(tǒng)中的事故區(qū)域、軍棋推演系統(tǒng)中的武器射程區(qū)域和戰(zhàn)場態(tài)勢系統(tǒng)戰(zhàn)斗機主體，均呈現(xiàn)于大小在1 920 px×1 080 px的系統(tǒng)界面內(nèi)(見圖5)。結(jié)合區(qū)域?qū)傩詢?nèi)容與信息維度劃分，三類實驗主體的信息呈現(xiàn)內(nèi)容如表1所示，這些呈現(xiàn)內(nèi)容為定量，根據(jù)界面中的信息呈現(xiàn)位置(A處：GIS區(qū)域邊緣，B處：GIS區(qū)域內(nèi)，C處：GIS區(qū)域外)進行不同維度內(nèi)容的呈現(xiàn)組合設(shè)置，如表2所示，因而形成了復(fù)雜的信息感知態(tài)勢環(huán)境。

圖5 實驗基礎(chǔ)界面

圖6 實驗流程

表2 實驗信息的呈現(xiàn)組合方式(以軍棋推演系統(tǒng)為例)

2.4 實驗設(shè)計

采用3(指揮系統(tǒng))×3(GIS界面)×5(被試)的組間設(shè)計，自變量是三種信息呈現(xiàn)組合方式，呈現(xiàn)于被試的指揮系統(tǒng)將隨機分配，以避免被試發(fā)現(xiàn)信息內(nèi)容的呈現(xiàn)規(guī)律性，每組5個試次，共計45個試次。實驗結(jié)果將結(jié)合信息記憶程度(測試反應(yīng)時、正確率指標(biāo)與記憶測試問卷指標(biāo))與態(tài)勢感知程度(SA測量問卷指標(biāo))，依據(jù)SA理論，考察實驗中不同信息呈現(xiàn)組合的感知與記憶程度，探討系統(tǒng)界面中主體或區(qū)域信息呈現(xiàn)方案的態(tài)勢感知難易程度。

3 結(jié)果

3.1 不同組合呈現(xiàn)方式的感知效應(yīng)

以呈現(xiàn)組合作為自變量的數(shù)據(jù)包括三部分：在不同呈現(xiàn)組合條件下，正確率與反應(yīng)時間的數(shù)據(jù)對應(yīng)SA第一層感知層的實驗效果，通過五道題來探究被試對于某一信息呈現(xiàn)位置的判斷正確與否，題目按照五種信息維度進行來分配；記憶問卷對應(yīng)第二層理解層的實驗效果，通過十道選擇題來探究被試是否能正確完成每條信息的完整補充；SA測量問卷對應(yīng)第三層預(yù)測層及全程的態(tài)勢感知效果，通過SART程度測量式問卷對實驗界面、組合呈現(xiàn)、信息獲取三方面進行評分。三個因變量的實驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)見圖6。

圖6 呈現(xiàn)組合作為自變量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計

經(jīng)數(shù)據(jù)分析，對不同的變量數(shù)據(jù)進行參數(shù)或非參數(shù)的檢驗方法選擇，得到分布差異分析表(見表3)。比較不同組合方式之間的感知層判斷差異，采用Kruskal-Wallish H檢驗，正確率和反應(yīng)時的結(jié)果均表明數(shù)據(jù)的分布大致相同(正確率P=0.358，P>0.05；反應(yīng)時P=0.825，P>0.05)；比較理解層的判斷差異，采用Kruskal-Wallish H檢驗，正確率的結(jié)果表明數(shù)據(jù)的分布大致相同(P=0.965，P>0.05)；比較預(yù)測層與整體感知差異，采用One-Way ANOVA test，問卷結(jié)果表明各組合得分均數(shù)差異不大(P=0.737，P>0.05)；整體來看，從呈現(xiàn)組合的角度分析，三層實驗結(jié)果均不具有統(tǒng)計學(xué)意義，不同數(shù)據(jù)結(jié)果在組合一、二、三之均間沒有顯著差異。

表3 呈現(xiàn)組合作為自變量的數(shù)據(jù)分析結(jié)果

3.2 信息維度作為自變量的數(shù)據(jù)結(jié)果

從呈現(xiàn)組合的數(shù)據(jù)看，實驗結(jié)果并不能證明信息維度的組合方式對被試的感知影響程度有所不同，但同時，因?qū)嶒炦^程中對信息維度進行了同等份額的分配，故也可將五個信息維度分別看作自變量，提取對應(yīng)問題，分析正確與否的判斷結(jié)果，探究每個信息維度(a-e)下，不同呈現(xiàn)位置對信息獲取的影響程度，信息維度與呈現(xiàn)位置的對應(yīng)見表2。

3.2.1 感知層的判斷結(jié)果

感知層的數(shù)據(jù)來源于被試對于某信息維度呈現(xiàn)位置的判斷結(jié)果，可以看出針對獨立信息維度，三種呈現(xiàn)位置對被試信息感知成功與否的影響。五種信息維度的感知層分析結(jié)果見圖7。經(jīng)Fisher精確檢驗，維度a、b、c、e不受呈現(xiàn)位置的影響，每個維度的三組差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義(維度a：P=0.679，維度b：P=1.00，維度c：P=0.271，維度e：P=0.643；P>0.05)；維度d經(jīng)Fisher精確檢驗分析結(jié)果可以看出，不同呈現(xiàn)位置對感知判斷具有影響，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義，見表4(P=0.000；p<0.05)。維度d在B處的判斷正確率明顯高于A與C，說明‘區(qū)域狀態(tài)’維度信息在B處的感知效果最好。

圖7 信息維度的感知層判斷數(shù)據(jù)

表4 信息維度a、b、c、e的數(shù)據(jù)檢驗

表5 信息維度d的數(shù)據(jù)檢驗

3.2.2 理解層的正誤結(jié)果

理解層的數(shù)據(jù)來源于被試對于某信息維度內(nèi)容補充的結(jié)果，可以看出針對獨立信息維度，三種呈現(xiàn)位置對被試信息內(nèi)容記憶成功與否的影響。五種信息維度的理解層分析結(jié)果見圖8。經(jīng)Fisher精確檢驗，維度a、b、d、e不受呈現(xiàn)位置的影響，每個維度的三組差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義(維度a：P=0.806，維度b：P=1.00，維度d：P=0.688，維度e：P=0.5594；P>0.05)；維度c經(jīng)Fisher精確檢驗分析結(jié)果可以看出，不同呈現(xiàn)位置對理解記憶具有影響，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義，見表6(P=0.001；p<0.05)。維度c在C處的判斷正確率明顯高于A與B，說明‘地理位置’維度信息在C處的感知效果最好。

圖8 信息維度的理解層判斷數(shù)據(jù)

表6 信息維度a、b、d、e的數(shù)據(jù)檢驗

表7 信息維度c的數(shù)據(jù)檢驗

4 討論

本文基于態(tài)勢感知理論，主要考察以智慧消防、軍棋推演和戰(zhàn)場態(tài)勢為例的指揮控制系統(tǒng)中的區(qū)域態(tài)勢信息，其呈現(xiàn)組合方式影響態(tài)勢感知程度，分層關(guān)注感知程度的呈現(xiàn)影響因素，從用戶層面細(xì)化解構(gòu)系統(tǒng)界面問題，將正確率、反應(yīng)時和SA測量作為重要指標(biāo)進行考察。

4.1 信息組合呈現(xiàn)的感知效應(yīng)

從呈現(xiàn)組合作為自變量的結(jié)果可知，經(jīng)統(tǒng)計分析三種呈現(xiàn)組合并無統(tǒng)計學(xué)意義上的差異；每層數(shù)據(jù)在三種組合方式之間各有差距，但差距范圍均不顯著；在感知層的數(shù)據(jù)差異對比相較另兩層的更為明顯，且三種組合均沒有表現(xiàn)出層次之間的穩(wěn)定上升或下降趨勢，這說明五種信息維度所產(chǎn)生的這三種組合方式并未對用戶的SA過程產(chǎn)生相應(yīng)的影響效果。分析得知，實驗結(jié)果的可能受到以下條件的影響：信息維度的組合包含兩種維度信息同時處在同位置的呈現(xiàn)與單維度信息單獨呈現(xiàn)的兩種方式，可能在數(shù)量上干擾針對維度的測試；信息內(nèi)容在數(shù)字和文字量的不同，形成感知難易程度的區(qū)別干擾；實驗過程中的提問方式是文字而不是圖示以及維度組合的隨機性等等。

4.2 信息維度的單獨效應(yīng)

從信息維度作為自變量的結(jié)果可知，某些信息維度在SA的單層次中確實會受到呈現(xiàn)位置不同而產(chǎn)生感知影響，在針對主體的信息呈現(xiàn)設(shè)計時，需要考慮信息所被應(yīng)用的感知階段并對應(yīng)感知效率更高的界面呈現(xiàn)位置，‘區(qū)域狀態(tài)’一類的信息維度在感知初始環(huán)節(jié)可采用GIS區(qū)域內(nèi)的呈現(xiàn)位置，‘地理位置’一類的信息維度在感知中間環(huán)節(jié)可采用GIS區(qū)域外的呈現(xiàn)位置，從而幫助指戰(zhàn)員在針對性的任務(wù)信息查詢時，進行更好的作戰(zhàn)判斷和決策。同時，感知(任務(wù))環(huán)節(jié)的后期是否需要將內(nèi)容的呈現(xiàn)位置做出相應(yīng)調(diào)整，單個信息維度在多層次中差異明顯的結(jié)果等，為后續(xù)研究提供了深入方向。

在已有的信息維度相關(guān)研究中，丁凱[20]在研究中提出了非線性、網(wǎng)狀和交互式是網(wǎng)絡(luò)時代信息結(jié)構(gòu)重要特征的論斷，視覺層級對于用戶獲取信息的效果和效率具有重要意義；黃穎宜[21]對手機界面信息可視化元素秩序性設(shè)計進行分析，總結(jié)出信息層級視覺設(shè)計與格式塔心理學(xué)的關(guān)系，構(gòu)建了層級的秩序化設(shè)計；馬鈞等人[22]基于Edouard Thomas層次分析過程理論分析了汽車人機交互界面的邏輯框架，提出了不同邏輯框架結(jié)構(gòu)并進行了相關(guān)的設(shè)計。結(jié)合本次實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，復(fù)雜系統(tǒng)場景空間關(guān)系復(fù)雜，時序狀態(tài)較多，若無法清晰地通過呈現(xiàn)位置關(guān)聯(lián)信息維度關(guān)系，會增大用戶理解和記憶難度。需要按照信息歸屬、重要程度、呈現(xiàn)距離等規(guī)則對信息維度分層分級，通過圖層過濾、粒度篩選、多細(xì)節(jié)層級等可視化方式指導(dǎo)界面設(shè)計，便于用戶快速清晰的搜尋、識別和理解。

5 小結(jié)

在指揮控制系統(tǒng)界面的信息查詢?nèi)蝿?wù)中，基于態(tài)勢感知對用戶的信息獲取過程進行分層測量和分析，可以對感知效果進行實驗數(shù)據(jù)驗證。通過SA測量實驗結(jié)果表明：

(1)從統(tǒng)計學(xué)的分析結(jié)果可知，信息維度的不同組合式呈現(xiàn)對任意層級的態(tài)勢感知程度都沒有顯著性差異；不過通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計可見，三種組合方式在態(tài)勢感知層次中仍具有不同程度的關(guān)聯(lián)趨勢。

(2)單獨針對信息維度分析，通過實驗結(jié)果可知在界面中不同的呈現(xiàn)位置會對特定信息維度產(chǎn)生顯著性影響：‘區(qū)域狀態(tài)’的信息維度在GIS地圖區(qū)處的感知效果優(yōu)于其他呈現(xiàn)位置；‘地理位置’的信息維度在在操作執(zhí)行區(qū)處的感知效果優(yōu)于其他呈現(xiàn)位置。

總結(jié)來看，學(xué)者們對于系統(tǒng)界面和指戰(zhàn)員(用戶)的交互現(xiàn)狀已有了一定的研究基礎(chǔ)，并從人因感知視角指出系統(tǒng)信息的問題與解決方案，但少有針對信息呈現(xiàn)的分層策略研究。通過實驗結(jié)果可以看出，雖然以組合方式的信息呈現(xiàn)并未對SA產(chǎn)生顯著效應(yīng)，但從信息維度的角度發(fā)現(xiàn)了特定維度對感知造成的顯著影響，對信息維度呈現(xiàn)和態(tài)勢感知層級關(guān)聯(lián)仍需進一步深入，從而將SA的分層測量應(yīng)用于界面改進，制定均衡的信息呈現(xiàn)策略，實現(xiàn)更高效的用戶信息感知，以上結(jié)果將為后續(xù)信息維度的分層研究提供合適的參考。