基于復(fù)雜信息系統(tǒng)數(shù)字界面中軍事人員心智模型匹配度的研究

馬婧 彭寧玥 薛澄岐

摘要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的傳統(tǒng)人機(jī)硬件界面被數(shù)字交互界面所代替，成為我國信息化武器裝備系統(tǒng)的重要載體。然而，復(fù)雜信息系統(tǒng)數(shù)字界面與人類認(rèn)知能力間的不均衡一直制約我國信息化武器性能的實(shí)施與發(fā)揮。本文提出了基于ERP技術(shù)與行為研究相結(jié)合的復(fù)雜信息系統(tǒng)數(shù)字界面交互模式與軍事人員心智模型匹配度評估方法。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜信息系統(tǒng)數(shù)字界面 心智模型 匹配度

引言

以數(shù)字技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和多媒體技術(shù)為代表的現(xiàn)代信息革命把人類引向了現(xiàn)代信息社會(huì)，數(shù)字界面已越來越多地取代傳統(tǒng)的人機(jī)硬件界面而成為導(dǎo)彈、戰(zhàn)機(jī)、艦艇等信息化武器裝備人機(jī)交互系統(tǒng)的主要載體，在信息化武器裝備系統(tǒng)越來越復(fù)雜的同時(shí)，對操作人員的要求也在進(jìn)一步提高。然而，軍事人員在戰(zhàn)場上多一秒的判斷和延誤，都有可能造成操作失誤，甚至延誤戰(zhàn)機(jī)，造成嚴(yán)重的后果。因此，如何充分利用人類的認(rèn)知特征、認(rèn)知習(xí)慣、信息的上下文等，避免交互路徑的冗余、繁雜、易出錯(cuò)、不合理等可用性問題，以一種自然、高效、順暢的方式進(jìn)行交互，則成為復(fù)雜信息系統(tǒng)數(shù)字界面設(shè)計(jì)的一個(gè)研究重點(diǎn)。

一、復(fù)雜信息系統(tǒng)數(shù)字界面研究的重要性

（一）信息化技術(shù)的不斷發(fā)展：伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息化技術(shù)的迅猛發(fā)展，在全世界掀起了以信息技術(shù)為核心的科技革命，即“第三次浪潮戰(zhàn)爭”。復(fù)雜信息系統(tǒng)的人機(jī)交互模式也發(fā)生了變化，從傳統(tǒng)的模式控制方式轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化視覺信息界面。信息化技術(shù)已廣泛應(yīng)用到導(dǎo)彈、戰(zhàn)機(jī)、艦艇等信息化武器裝備人機(jī)交互數(shù)字界面中。信息化武器裝備系統(tǒng)中的人機(jī)交互數(shù)字界面是軍事人員獲取態(tài)勢信息、進(jìn)行情報(bào)信息分析和處理的重要媒介，是信息化戰(zhàn)場人機(jī)交互系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的重要組成部分。在現(xiàn)代軍事戰(zhàn)爭中，由于作戰(zhàn)范圍變得廣闊，情報(bào)信息產(chǎn)生的空間范圍快速加大；作戰(zhàn)節(jié)奏加快，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的情報(bào)信息量急劇增多；多種兵種聯(lián)合作戰(zhàn)中多種武器的使用投入，情報(bào)信息的內(nèi)容也變得更加廣泛。人機(jī)界面作為信息化武器裝備系統(tǒng)的控制中樞——大腦，由多層次、多結(jié)構(gòu)的復(fù)雜視覺元素組成，通過收集、清洗、分析、整合、顯示和共享各種態(tài)勢信息，為系統(tǒng)的使用者提供操作和決策的根據(jù)。因此，為了充分發(fā)揮信息化武器裝備系統(tǒng)的使用效能，為了保證軍事人員的作戰(zhàn)效率和精準(zhǔn)度，必須對系統(tǒng)的人機(jī)界面進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。目前，人機(jī)交互數(shù)字界面已成為當(dāng)前信息化武器裝備人機(jī)界面設(shè)計(jì)研究的新重點(diǎn)和難點(diǎn)。

（二）人為失誤是發(fā)生事故的主要成因：經(jīng)認(rèn)知心理學(xué)和行為學(xué)專家研究后發(fā)現(xiàn)，人們無法確保長時(shí)間自我意識的警惕，對絕大多數(shù)人而言，長時(shí)間的認(rèn)知過程往往帶來的是瞬時(shí)的麻痹。通過對“伊春824特大飛行事故”、“723動(dòng)車追尾事故”和“八寶煤礦五次爆炸”等近年來發(fā)生的特大事故的原因進(jìn)行探究，可以發(fā)現(xiàn)，由于信息監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)不足導(dǎo)致的信息誤讀和人為操作失誤是發(fā)生事故的主要原因一。由此可見，在復(fù)雜信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，只有理解軍事人員對于界面視覺信息的認(rèn)知過程，分析導(dǎo)致操作者發(fā)生錯(cuò)誤的內(nèi)在機(jī)理，才能將大量錯(cuò)綜復(fù)雜的情報(bào)信息準(zhǔn)確無誤地呈現(xiàn)在視覺信息界面中，解決復(fù)雜信息系統(tǒng)數(shù)字界面與人類認(rèn)知能力間的不均衡問題。因此，本文通過研究復(fù)雜信息系統(tǒng)數(shù)字界面中軍事人員心智模型匹配度，獲取軍事人員對界面的認(rèn)知過程，使得設(shè)計(jì)界面盡可能地貼近他們頭腦中對于所使用界面的理解，避免因軍事人員對界面理解錯(cuò)誤而判斷失誤，從而提高復(fù)雜信息系統(tǒng)數(shù)字界面的使用效率。

二、心智模型

（一）心智模型的研究：心智模型是關(guān)于認(rèn)知的理論，即人們在對日常事物進(jìn)行理解和推理時(shí)，對問題情景或外在事物所建立起的存在于人們短期記憶中的一種暫時(shí)表征，又或是保存在人們長期記憶中對外在世界的穩(wěn)定表征或圖像。通過對心智模型的研究，可以幫助設(shè)計(jì)者理解用戶是如何進(jìn)行推理和解釋新鮮事物或遇到的問題，從而預(yù)測出用戶在面臨陌生環(huán)境時(shí)的行為活動(dòng)。目前，專家和學(xué)者對于用戶心智模型的研究主要分為兩個(gè)方向：1.心智模型的形成及發(fā)展；2.心智模型的作用和目的（如表1）。

Alan Cooper認(rèn)為，用戶與系統(tǒng)之間的交互存在三種模型：即實(shí)現(xiàn)模型（ImplementationModel）、心智模型（MentalModel）和表現(xiàn)模型（Represented Model）。實(shí)現(xiàn)模型是關(guān)于設(shè)備和程序如何進(jìn)行工作的模型，描述了程序用代碼實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)；心智模型反映了用戶對于產(chǎn)品如何工作的認(rèn)知，即用戶頭腦中對于所使用界面的理解；表現(xiàn)模型是設(shè)計(jì)者選擇如何將程序的功能展現(xiàn)給用戶的方式，以交互界面的形式呈現(xiàn)。而表現(xiàn)模型越接近用戶心智模型，用戶就會(huì)感到操作越容易使用和理解。反之，表現(xiàn)模型和用戶心智模型反差越大，用戶在使用過程中就會(huì)覺得不解疑惑。因此，在復(fù)雜信息系統(tǒng)數(shù)字界面設(shè)計(jì)中最重要的目標(biāo)之一就是理解軍事人員的認(rèn)知過程，使表現(xiàn)模型和軍事人員的心智模型盡可能接近，從而建立與軍事人員實(shí)際操作中的心智模型相匹配的表現(xiàn)模型，研究與軍事人員心智模型匹配度的重要性也就不言而喻了。

（二）心智模型的構(gòu)建：為了順利地評估復(fù)雜信息系統(tǒng)數(shù)字界面與軍事人員心智模型的匹配度，設(shè)計(jì)者的首要工作就是構(gòu)建目標(biāo)軍事人員的心智模型。常見的構(gòu)建用戶心智模型的方法有如下七種（如表2）：

三、現(xiàn)有匹配度的研究方法

現(xiàn)有評估復(fù)雜信息系統(tǒng)數(shù)字界面與用戶心智模型匹配度的方法多從主觀角度出發(fā)，如：用戶模型法、專家訪談法、問卷調(diào)查法、啟發(fā)式評估法等。這類主觀評估方法雖最為常用，但若以多重評估方式相互交替或是相互結(jié)合的方式來開展匹配度評估工作，無疑能夠進(jìn)一步提升該評估過程的信效度與合理性。因此，對現(xiàn)有的應(yīng)用于其他領(lǐng)域的匹配度方法進(jìn)行研究，可以對復(fù)雜信息系統(tǒng)數(shù)字界面與軍事人員心智模型匹配度評估起到很好的啟發(fā)作用。張磊等針對飛機(jī)顯示界面設(shè)計(jì)中存在的問題，綜合使用主觀和客觀測量方法對不同顏色匹配特性進(jìn)行研究。以反應(yīng)時(shí)間作為績效評價(jià)指標(biāo)，并利用模糊數(shù)學(xué)的方法對主觀數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。白雅娟等基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論，對主觀賦權(quán)的權(quán)重進(jìn)行了修正，將匹配度評價(jià)體系進(jìn)行了層次劃分，修正后的權(quán)重系數(shù)反映了特種車輛駕駛室人機(jī)界面匹配性評級的特點(diǎn)。祁麗霞等把面向?qū)ο笞鳛樵O(shè)計(jì)思想，將駕駛情況下的人機(jī)界面中的元部件進(jìn)行了類封裝，從現(xiàn)實(shí)世界的角度以評價(jià)的方式對類的組織管理進(jìn)行評價(jià)。劉述文以駕駛室內(nèi)人機(jī)界面為模型，利用人機(jī)界面多層次模糊綜合評價(jià)方法對其逐層進(jìn)行評價(jià)，以提高駕駛室內(nèi)人機(jī)界面匹配度評估的有效性與可行性。Chunfu Li基于視覺形式的標(biāo)識內(nèi)容與心理模型匹配度越高，被試的信息轉(zhuǎn)移表現(xiàn)越好這一假設(shè)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對三組不同年級小學(xué)生的反應(yīng)時(shí)間與正確率的記錄測量，采取績效評估的方式對信息可視化方法與用戶心智模型匹配度進(jìn)行探究。

四、提出基于事件相關(guān)電位（ERPS）的匹配度研究方法

綜上所述，在進(jìn)行復(fù)雜信息系統(tǒng)數(shù)字界面與軍事人員心智模型匹配度評估時(shí)，不僅可以使用主觀評估的方法，還可以采取績效評估法與生理測量法這些更為客觀的測量方式，與傳統(tǒng)的主觀測量和行為測量互補(bǔ)，進(jìn)一步提高測量的信效度。本文創(chuàng)新性地提出采用事件相關(guān)電位（ERPs）的評估方式，可作為觀察被試對某一特定刺激（事件）的特定生理反應(yīng)的主要評估依據(jù)，獲取腦電指標(biāo)的潛伏期、波幅和腦區(qū)分布等特征，并該特征與行為數(shù)據(jù)建立對應(yīng)關(guān)系，建立“認(rèn)知一行為”映射模型，通過腦電指標(biāo)的平均波幅以及潛伏期的變化規(guī)律，從腦生理測量層面對數(shù)字界面交互模式與用戶心智模型匹配度進(jìn)行評價(jià)。不僅有助于揭示軍事人員的認(rèn)知過程，更能顯著提高匹配度評估的客觀性和有效性。

除了對復(fù)雜信息系統(tǒng)數(shù)字界面與軍事人員心智模型匹配度進(jìn)行評估之外，將通過ERPs技術(shù)獲得的腦電數(shù)據(jù)與行為測量得到的數(shù)據(jù)，在SPSS數(shù)據(jù)分析平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得到“認(rèn)知一行為”的映射關(guān)系與激活腦區(qū)的功能分析，從而得到復(fù)雜信息系統(tǒng)數(shù)字界面與心智模型匹配度評估的ERPs指標(biāo)，及指標(biāo)的屬性變化。

結(jié)語

復(fù)雜信息系統(tǒng)的人機(jī)交互界面是信息化戰(zhàn)場人機(jī)交互系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的重要組成部分，只有充分利用軍事人員的認(rèn)知特征和認(rèn)知習(xí)慣，避免軍事人員對界面產(chǎn)生疑問和誤讀，才能進(jìn)一步提高我國信息化武器性能實(shí)施與發(fā)揮的效率。本文提出了基于ERPs技術(shù)的復(fù)雜信息系統(tǒng)數(shù)字界面與軍事人員心智模型匹配度評估方法，即基于腦生理測量技術(shù)的運(yùn)用進(jìn)展，將腦生理測量技術(shù)、行為測量技術(shù)和主觀評價(jià)數(shù)據(jù)相結(jié)合，從生理層面、績效層面與主觀層面多個(gè)維度來同步獲取軍事人員對界面的認(rèn)知過程，捕獲軍事人員的心智模型，獲得復(fù)雜信息系統(tǒng)數(shù)字界面與軍事人員心智模型的匹配度，并對復(fù)雜信息系統(tǒng)數(shù)字界面的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考意義。