指揮控制系統界面態勢信息呈現方式研究

方澤茜，吳曉莉，江曉曼

(南京理工大學 設計藝術與傳媒學院，南京 210094)

1 引言

面對信息化、數字化、智能化的時代發展趨勢，作戰任務愈發聯合化、多樣化，作戰空間也愈發具備信息爆炸、超速節奏、進程隱秘、無人控制等特點[1]。伴隨信息獲取和處理技術不斷涌現，戰場的信息感知能力、信息獲取能力和網絡連通性的得到了大幅度的增強，作為戰場空間的智慧中樞，指揮控制系統由先進技術驅動、多樣需求牽引，經歷了循序量變至質變的演化。不難發現，實用高效的指揮控制系統是作戰能力進階、戰場空間變革的堅強基石，對系統建設進行問題突破和困難制勝，逐漸成為軍事國防建設的重點內容。

即使在自動或智能的系統中，“人”仍然扮演著重要的角色，作為系統的監視器或操作員，對系統性能負有最終決策責任[2]。戰場的緊張高壓、高速過量信息和系統界面的信息任務組織和呈現方式等因素，往往容易造成指戰員認知過載、負荷過重、理解失誤、決策偏差等等問題[3]。同時戰場感知信息(數據)呈現的爆發式增長帶來的數量優勢并不必然形成決策和行動優勢，海量數據甚至會增加指戰員的負擔。指揮控制系統內部的信息總量還會持續不斷增加,要求了系統具備獲取、處理、利用和分發信息的優越能力(見圖1)，從而增強作戰空間內各主體間的有序行動、交互和人機自主協同[4]，這對系統的人機交互設計提出了更大挑戰。

圖1 指揮控制系統中態勢信息的活動加工流程

大量實例研究己證明，在復雜人機交互且富有挑戰性的環境中，Situation Awareness(簡稱SA，常譯為態勢感知或情景意識)都成為了人們研究的關鍵問題[5]。鑒于SA是在動態復雜環境中進行有效決策的基礎，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”的特征(Freezing Probe)[6]，以提供基于理論分層測量數據，其實用性和認可度在多年的研究中受到了證實。探究感知、理解和預測三層次的邏輯推進關系、粘合關聯狀態和內在循環反復的情況逐漸成為了SA獲取的關鍵研究環節。

圖2 指揮控制系統中的態勢感知分層測量模型

SA過程在指揮控制系統的應用中會不斷的發生重啟與循環重復，是周期動態的態勢獲取過程，信息作為其處理驅動力，創造了SA持續心理表征過程中起作用的認知機制和過程的重要細節。O.Braseth等人[7](2013年)通過對基于SA的用戶測試數據進行對齊和格式塔分組，簡化理解了大型數據集；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為手段，設計基于可視分析的監管水域船舶航行風險態勢感知認知框架；Yemao Man等人[10](2018年)旨在過模擬監控原型和態勢感知的模擬試驗，實現遠程監控的無人貨船艦橋系統?？梢钥闯?，指揮信息系統在信息感知方面的研究可以通過引入SA，圍繞龐雜變化的復雜信息環境中，通過辨析獲取流程、量化感知程度、提高感知能力等內容，討論指戰員的感知與決策。

指揮控制系統是一個人機密集交互的復雜系統，“人”是指用戶(指戰員)，主要通過界面獲取信息、執行交互操作，做出判斷和決策；“機”則是與人協同交互的指揮控制系統軟硬件，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，形成可視化的態勢信息呈現，輔助指戰員完成相應的功能操作[11]。如何確保界面呈現信息是指揮員在執行任務中易于被關注的、被感知和理解，能夠高效準確的形成判斷，成為了提升系統的綜合效能，影響指揮決策任務質量的關鍵研究方向[12]。

2 對象與方法

2.1 實驗目的

在信息化作戰環境中，戰場上實時動態的指揮命令、綜合保障、戰場態勢等均以信息(數據)形式呈現并進行傳遞。系統交互界面呈現的信息量大，關系復雜，指戰員會進入復雜性認知[13]。系統中以信息查詢任務的主線涵蓋繁雜的信息內容，亟需從時間、空間和認知的邏輯角度梳理[14]進行維度劃分，包括基礎屬性、實時情況、工作狀態、地理位置、區域范圍、裝備狀態等，盡可能地條理化描述，成為指戰員的信息儲備，有助于長時間的監控關注和調取需要。

針對指揮控制系統的界面信息呈現問題，劉崗等人[15](2020年)針對防空指揮信息系統的人機交互界面，選取了12名較有經驗的開發人員進行開發者訪談調研，根據調研結果指出在用戶調研方面‘用戶需求信息碎片化的提供’，在信息可視化方面‘大量數據的優化簡化’、‘偵查與火力范圍的顯示’、‘地名信息易重疊遮擋’等交互設計關鍵點(見圖3a)。劉文等人[16](2021年)總結了包括圖像復雜度，信息組織方式和信息呈現形式在內的認知負荷的人機界面應用，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務需求、數據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，需要即可操作，需要即可分析”的新型調度指揮系統建設。

圖3a 指揮控制系統人機交互界面設計流程模型(劉崗等，2020)

圖3b 指揮控制活動信息加工模型(劉文等，2021)

指揮控制系統的界面布局是信息呈現區域、形式和內容的重要載體[18]，按照布局方式可以歸類為擴散展開型布局、環繞集中型布局、雙側展開型布局、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航菜單區、GIS地圖區和操作執行區，不同的布局位置會導致不同的信息感知程度以及視覺搜索路徑。針對性的信息查詢任務跟進占據了系統任務執行的大部分時間，其信息呈現位置以主體在界面中顯示位置作為中心，結合主體距離遠近參數和同方向排列型布局方式可歸類為GIS區域邊緣、GIS區域內、GIS區域外，對應多維信息的隨機或指定分配可形成多種同時呈現的組合方式(見圖4)。信息維度的呈現位置、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測，是進一步辨析界面信息呈現機制的探索方向。

圖4 指揮控制系統中信息維度與呈現位置的組合

2.2 實驗設備與被試

實驗程序采用E-Prime編寫，刺激呈現在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的任務界面，保持基本界面的態勢信息不變。然后給被試介紹主體或區域、呈現位置和信息內容三種目標物的特征，作為記憶測試問題的回答準備。

在南京理工大學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模擬界面，以區域信息查詢作為模擬任務(紅色圓形部分為任務區域)，分別為智慧消防系統中的事故區域、軍棋推演系統中的武器射程區域和戰場態勢系統戰斗機主體，均呈現于大小在1 920 px×1 080 px的系統界面內(見圖5)。結合區域屬性內容與信息維度劃分，三類實驗主體的信息呈現內容如表1所示，這些呈現內容為定量，根據界面中的信息呈現位置(A處：GIS區域邊緣，B處：GIS區域內，C處：GIS區域外)進行不同維度內容的呈現組合設置，如表2所示，因而形成了復雜的信息感知態勢環境。

圖5 實驗基礎界面

圖6 實驗流程

表2 實驗信息的呈現組合方式(以軍棋推演系統為例)

2.4 實驗設計

采用3(指揮系統)×3(GIS界面)×5(被試)的組間設計，自變量是三種信息呈現組合方式，呈現于被試的指揮系統將隨機分配，以避免被試發現信息內容的呈現規律性，每組5個試次，共計45個試次。實驗結果將結合信息記憶程度(測試反應時、正確率指標與記憶測試問卷指標)與態勢感知程度(SA測量問卷指標)，依據SA理論，考察實驗中不同信息呈現組合的感知與記憶程度，探討系統界面中主體或區域信息呈現方案的態勢感知難易程度。

3 結果

3.1 不同組合呈現方式的感知效應

以呈現組合作為自變量的數據包括三部分：在不同呈現組合條件下，正確率與反應時間的數據對應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測量問卷對應第三層預測層及全程的態勢感知效果，通過SART程度測量式問卷對實驗界面、組合呈現、信息獲取三方面進行評分。三個因變量的實驗統計數據見圖6。

圖6 呈現組合作為自變量的數據統計

經數據分析，對不同的變量數據進行參數或非參數的檢驗方法選擇，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，正確率和反應時的結果均表明數據的分布大致相同(正確率P=0.358，P>0.05；反應時P=0.825，P>0.05)；比較理解層的判斷差異，采用Kruskal-Wallish H檢驗，正確率的結果表明數據的分布大致相同(P=0.965，P>0.05)；比較預測層與整體感知差異，采用One-Way ANOVA test，問卷結果表明各組合得分均數差異不大(P=0.737，P>0.05)；整體來看，從呈現組合的角度分析，三層實驗結果均不具有統計學意義，不同數據結果在組合一、二、三之均間沒有顯著差異。

表3 呈現組合作為自變量的數據分析結果

3.2 信息維度作為自變量的數據結果

從呈現組合的數據看，實驗結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，因實驗過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，提取對應問題，分析正確與否的判斷結果，探究每個信息維度(a-e)下，不同呈現位置對信息獲取的影響程度，信息維度與呈現位置的對應見表2。

3.2.1 感知層的判斷結果

感知層的數據來源于被試對于某信息維度呈現位置的判斷結果，可以看出針對獨立信息維度，三種呈現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果見圖7。經Fisher精確檢驗，維度a、b、c、e不受呈現位置的影響，每個維度的三組差異不具有統計學意義(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Fisher精確檢驗分析結果可以看出，不同呈現位置對感知判斷具有影響，差異具有統計學意義，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‘區域狀態’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據

表4 信息維度a、b、c、e的數據檢驗

表5 信息維度d的數據檢驗

3.2.2 理解層的正誤結果

理解層的數據來源于被試對于某信息維度內容補充的結果，可以看出針對獨立信息維度，三種呈現位置對被試信息內容記憶成功與否的影響。五種信息維度的理解層分析結果見圖8。經Fisher精確檢驗，維度a、b、d、e不受呈現位置的影響，每個維度的三組差異不具有統計學意義(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Fisher精確檢驗分析結果可以看出，不同呈現位置對理解記憶具有影響，差異具有統計學意義，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據

表6 信息維度a、b、d、e的數據檢驗

表7 信息維度c的數據檢驗

4 討論

本文基于態勢感知理論，主要考察以智慧消防、軍棋推演和戰場態勢為例的指揮控制系統中的區域態勢信息，其呈現組合方式影響態勢感知程度，分層關注感知程度的呈現影響因素，從用戶層面細化解構系統界面問題，將正確率、反應時和SA測量作為重要指標進行考察。

4.1 信息組合呈現的感知效應

從呈現組合作為自變量的結果可知，經統計分析三種呈現組合并無統計學意義上的差異；每層數據在三種組合方式之間各有差距，但差距范圍均不顯著；在感知層的數據差異對比相較另兩層的更為明顯，且三種組合均沒有表現出層次之間的穩定上升或下降趨勢，這說明五種信息維度所產生的這三種組合方式并未對用戶的SA過程產生相應的影響效果。分析得知，實驗結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與單維度信息單獨呈現的兩種方式，可能在數量上干擾針對維度的測試；信息內容在數字和文字量的不同，形成感知難易程度的區別干擾；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

從信息維度作為自變量的結果可知，某些信息維度在SA的單層次中確實會受到呈現位置不同而產生感知影響，在針對主體的信息呈現設計時，需要考慮信息所被應用的感知階段并對應感知效率更高的界面呈現位置，‘區域狀態’一類的信息維度在感知初始環節可采用GIS區域內的呈現位置，‘地理位置’一類的信息維度在感知中間環節可采用GIS區域外的呈現位置，從而幫助指戰員在針對性的任務信息查詢時，進行更好的作戰判斷和決策。同時，感知(任務)環節的后期是否需要將內容的呈現位置做出相應調整，單個信息維度在多層次中差異明顯的結果等，為后續研究提供了深入方向。

在已有的信息維度相關研究中，丁凱[20]在研究中提出了非線性、網狀和交互式是網絡時代信息結構重要特征的論斷，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計進行分析，總結出信息層級視覺設計與格式塔心理學的關系，構建了層級的秩序化設計；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構并進行了相關的設計。結合本次實驗結果可以發現，復雜系統場景空間關系復雜，時序狀態較多，若無法清晰地通過呈現位置關聯信息維度關系，會增大用戶理解和記憶難度。需要按照信息歸屬、重要程度、呈現距離等規則對信息維度分層分級，通過圖層過濾、粒度篩選、多細節層級等可視化方式指導界面設計，便于用戶快速清晰的搜尋、識別和理解。

5 小結

在指揮控制系統界面的信息查詢任務中，基于態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據驗證。通過SA測量實驗結果表明：

(1)從統計學的分析結果可知，信息維度的不同組合式呈現對任意層級的態勢感知程度都沒有顯著性差異；不過通過數據統計可見，三種組合方式在態勢感知層次中仍具有不同程度的關聯趨勢。

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

總結來看，學者們對于系統界面和指戰員(用戶)的交互現狀已有了一定的研究基礎，并從人因感知視角指出系統信息的問題與解決方案，但少有針對信息呈現的分層策略研究。通過實驗結果可以看出，雖然以組合方式的信息呈現并未對SA產生顯著效應，但從信息維度的角度發現了特定維度對感知造成的顯著影響，對信息維度呈現和態勢感知層級關聯仍需進一步深入，從而將SA的分層測量應用于界面改進，制定均衡的信息呈現策略，實現更高效的用戶信息感知，以上結果將為后續信息維度的分層研究提供合適的參考。