人机交互中的情境认知

无论是狭义的人机交互（人-计算机交互），还是广义的人机交互（人-机器-环境交互），都将必不可少地涉及到信息问题，即信息的输入、信息的处理和信息的输出三个基本过程，前面一章我们结合这个基本过程对人机交互中信息输入——人的感觉过程进行了描述，下面将针对信息的处理部分——人的情境认知特性进行说明。

前雷鸟飞行队的领队和美国空军参谋长（1990年-1994年任期）Merrill McPeak认为区别一个好的战斗机飞行员与一个伟大的战斗机飞行员的一个标准就是是否具有情境意识（Situational Awareness, 简称SA）。Merrill McPeak 认为如果一个飞行员能够对近期刚刚过去的情境和当前的情境在头脑中建立和保持准确清晰的画面，那么他就能创造出辉煌的战绩。既然情境意识那么重要，那它究竟是什么呢？

在第一次世界大战期间，Oswald Boelke提出了这样的观点“在敌人意识到我们之前获得对敌人意图的意识是非常重要得，因此我们迫切地需要找到实现这个目的的方法”，这就是情境意识概念的雏形定义。在二十世纪八十年代之前，这个思想并没有获得太多的重视，但是，自从20世纪80年代后期以来，这个思想已成了最受人-机-环境系统工程学中人机交互研究领域关注的问题之一。确切地说，对这个问题的原始动力源自于航空工业的要求：随着航空设备自动化/智能化水平的不断提高，飞行员及空中交通管制人员的任务、时间压力很大（即人的体力负荷下降、心理负荷增加的现象变得更加突出），这就要求他们应具有更好的情境意识以应对日益复杂的监视/控制操作。因此，对情境意识的研究在航空人机交互领域已成了一个极有发展前景的研究方向。

与其他涉及到人主观活动的的概念（如注意、工作负荷、紧张、冒险）相似，情境意识（SA）的定义并不是绝对唯一的，而是被用来描述那些不能被直接测量、评价概念，这也是造成此概念难以准确定义的一个重要原因。目前，对情境意识的定义公认比较好的是Endsley于1988年人素学协会年会上发表的“Design and evaluationfor Situation Awareness enhancement”（Proceedings of the Human Factors Society 32 nd Annual Meeting (Volume 1, pp. 97-101).  Santa Monica, CA）一文中提出的情境意识（SA）的定义：“…the perception of theelements in the environment within a volume of time and space, thecomprehension of their meaning, and the projection of their status in the nearfuture.”（情境意识就是在一定的时间和空间内对环境中的各组成成分的感知、理解，进而预知这些成分的随后变化状况。）。

另外，1995年，Smith和Hancock的定义是：“Situationalawareness is the invariant in the agent-environment system that generates themomentary knowledge and behaviour require to attain the goals specified by anarbiter of performance in the environment.” （情境意识是人-环境系统中的不变量，该不变量产生瞬间的知识和行为特性以满足由一个在环境中决定者提出的具体要求。）。而Bedny和Meister于1999年对情境意识也下的定义则是这样：“Situational awarenessis the conscious dynamic reflection on the situation by an individual. Itprovides dynamic orientation to the situation, the opportunity to reflect notonly the past, present and future, but the potential features of the situation.The dynamic reflection contains logical-conceptual, imaginative, conscious andunconscious components which enables individuals to develop mental models ofexternal events.”（情境意识是一个个体对情境有意识的动态反应。它不但反映了情境的过去、现在和未来动态变化趋势，还反映了该情境可能的要素特征。这种动态的反映包括逻辑概念、想象虚构、有意识和无意识的成分——能够使个体形成外部事件的心理模型。）

结合上面提到的三个情境意识定义，我们可以看出，Endsley1988年的定义主要强调当前情境的感知、理解及未来发展预测；相比之下，Smith 与Hancock1995年的定义则侧重于人与情境之间的交互，主要集中于两者之间有机协调作用的方法；而Bedney和Meister 1999年提出的定义则主要着重于情境意识产生反射的方面，尤其是涉及到了对当前系统理解的心理关系模型。这些定义之间的主要区别是：它们对决定情境意识的交互特性侧重的程度不同，这种区别也可以根据是侧重情境意识的过程还是情境意识的结果来衡量，而这两者很可能对正确地理解情境意识都起着重要作用。从根本上说，SA就是指意识到你周围发生了什么，并且了解这些信息对你的现在和将来都意味着什么。这种意识通常以如下方式定义：即对于一项特定的工作或目标来说，最重要的信息是什么。

尽管情境意识作为人机交互领域中非常常见的概念，但是它仍然缺乏统一的严格定义，几乎每个学者或对此都可能有不同的定义。然而，作为把人、机和环境之间的交互作为一个整体来进行分析的集成概念，它仍具有基本的可描述性：一般而言，通过情境意识这个概念可以把人的能力、经验、目标驱动行为、信息环境、资源约束及其它们之间的相互关系有机联系成为一体。但情境意识本质上不是决策或执行行为，例如，人可以存在这样的情形：有较高的情境意识，但执行行为的绩效却较差（较差的反应）；有较低的情境意识，但执行行为的绩效却较好（较好的反应）。这是由于有许多其他的因素（如决策产生偏差，执行反应失误等）会影响情境意识的处理过程。

我们研究的情境认知（situation(al) cognitive，SC）与情境意识(SA)不完全相同，它不但包括情境意识，而且还包括决策、执行行为等因素。它们之间的关系详见图1所示：

从上图可以看出：在信息处理过程中，情境意识(SA)只属于中间处理阶段，而情境认知（SC）则贯穿了整个信息处理过程，即包括了信息的输入、中间处理和信息的输出三个阶段，因而可以宏观地说，对情境认知（SC）的研究就是对以“人”为核心的人、机、环境三者之间关系及其最佳匹配研究，同时也是人机交互界面（如汽车、飞机等驾驶室显示/控制面板）优化设计的基础和根据，是保障人员安全和提高训练效率的重要手段，是涉及到研究新一代高性能军用、民用飞机亟待解决的重大安全技术问题。对交通运输、智能家居、机器人的智能化/情感化、工业设计/控制、空中交通管制员/飞行员的科目训练等相关的研究领域都有着现实意义，尤其是对当前高新技术中的人机系统功能优化设计与配置方面有着重要的现实指导意义。

上个世界末，如何提高空战中飞行员的情境认知已成了美国空军发展计划署（USAF Development PlanningDirectorate）对人机交互系统技术投资的一个重点目标，并正在进行实时情境评估智能处理器项目（OLIPSA ON-LINEINTELLIGENT PROCESSOR FOR SITUATION ASSESSMENT）的研究，见图2；同时欧洲共同体也正在实施“通过情境认知整合提高训练的安全性”(ESSAI  Enhanced Safety through Situation AwarenessIntegration in training)的项目研究计划。

图3说明了OLIPSA模型的功能方块图，具有四个阶段处理器结构：（1）一个事件检测器；（2）一个当前情境评估器；（3）一个未来情境预测器；（4）一个发生事件环境处理器。

下面将结合我们的研究进行以下几个问题的探讨：情境认知究竟是什么；有关情境认知的影响因素；有关情境认知的定性模型分析。

情境认知机理与情境认知定义的概念、方法有着密切地联系。三个主要的理论方法是：信息处理方法、行为方法、生态关系（人与环境之间的关系）方法。信息处理方法已由Endsley（1995）用三级情境意识模型较好地得到描述，这种方法把一个发展的情境认知看作高层的认知处理行为。而行为理论方法仅把情境认知看作有意识的朝向动态反应行为（如Bedny和Meister所描述的那样, 1999）。感知循环模型把情境认知看作是人与所处环境间的一个动态交互作用，这种方法的支持者建议把情境认知定义为这种交互作用的前后关系（Smith和Hancock, 1995；Adams等，1995）。下面将针对这三种观点依次进行说明。

（1）第一层：感知情境中的元素

具备情境意识（SA）第一步就是要感知环境中相关因素的重要性、特性、力度。对于不同的领域和工作类型，SA的要求是很不一样的。如对于一个飞行任务而言，在飞机驾驶舱中，飞行员所要感知的重要元素是其他飞行器的状态、飞行高度、系统态势、警示灯以及它们相关的飞行数据特性等；而对于一个地面指挥员来说，他需要的是了解敌军状态、鉴别敌我双方的位置和行为、地势障碍特征和天气情况等因素。同样，对于一个航空交通管制人员或者机动车驾驶员则需要完全不同的信息作为情境意识。

信息感知可以通过视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉或它们的综合。比如，一个调酒师可能会通过尝、闻或视觉刺激来收集发酵过程中的重要信息；一个外科医生会调动所有感觉以及可得到的其他历史信息来诊断病人的健康状况，所有这些可能都是细微不易察觉的。一个训练有素的心脏病学家可以听出心跳节奏中几分钟之内的不同之处，也可以看得出心电图纸所显示出的重要特点，然而这些正是未训练过的观察者会经常忽略掉的；有经验的飞行员仅凭听到发动机的声音或在座舱里看到指示灯的状态就知道那里出了毛病；同样，在很多复杂的系统当中，电子显示及系统提供的可读信息更需要得到重视，然而事实上很多第一层的情境意识来自于人直接感知环境——看看窗外或感觉震动，常常忽略了一些重要的间接信息来源，使得情境意识的第一层就存在不完整性。

每一种信息来源都与可靠性的不同层有关。在大多数领域中，信息的可信性（主要基于传感器精度、组织或提供信息的个体可靠性）以及信息本身共同构成了情境意识第一层的重要部分。

在许多领域中，仅是搜集第一层的所有需要数据就是一项非常困难的工作，如在军事行动中，由于变化迅速的情境中视野模糊、噪声、烟雾、迷惑性信息、动力学因素等的影响，就很难对该情境的所有因素做出评估，而地面指挥员必须要在敌军极力保密或提供假消息情况下对当前态势做出判断，其难度可想而知。又如在飞机降落阶段，跑道标志可能很模糊，相关信息飞行员可能也知之甚少，对于复杂系统（如电子设备）中大量信息的蜂拥而至，使得感知有用信息变得异常困难，如何准确及时处理大量直接、间接信息，并实施决策，这对于飞行员是非常困难的。

航空领域关于SA的问题大部分出现在第一层中。Jones和Endsley（1996）发现，情境意识中76%的错误都与未注意到必要信息有关。在一些案例中（大约2/5），必要信息并未提供给本该了解这些信息的人员，或由于系统局限或缺陷并未清晰地呈现出来，而导致了这些错误的发生。例如，跑道线退色模糊、天气多云或者天电干扰无线电信号传送。在另外一些案例中（大约1/5），他们也确实探测到一些必要信息，但随后得到一些新信息后就把之前的信息忘掉了。还有一些案例中（大约1/3），所有信息都摆在那，其中关键信息却没有抓出来。这可能由于人们被外界因素干扰而分心（比如一个电话或与工作无关的谈话），更多的可能由于人们处理了工作中与紧迫任务相关的其他信息。基于情境意识的设计也就意味着确保系统中必要信息是可以获得的，其呈现方式使得用户很容易处理这些系统信息，以免可能有大量未经过过滤的信息占用着用户有限的注意资源。

（2）第二层：理解当前情境

拥有情境意识的第二步，就是要理解与相关目标和对象有关系的数据和感知到的暗示都意味着什么。这种理解（SA第二层）是基于对第一层中不连贯的元素进行整合，以及这些信息与个人目标所进行比较而得出的。它包括将众多数据流汇聚成信息，也包括重视这些合成信息的重要性和意义，因为这些信息涉及近期目标的实现问题。情境意识第二步就像是拥有很高的阅读理解水平，而不仅仅是读懂单词。

比如邻近十字路口的司机，他看到黄灯亮了，此时他知道他必须根据与十字路口的距离来处理这个警示，并通过感知到前面车的减速情况，进一步决定要停下来还是穿过这个路口以及在靠近前车的速度大小。这样，司机对于情境如何影响他的目标理解也定义了情境意识第二层所必需的条件是什么。

在起飞过程中，飞行员一旦看到预示问题的警示灯亮起，就要立刻通知指挥塔台以判断问题的严重性，并运用多年跑道经验来综合看待这些问题，当然同时也是为了明确是否应当终止飞行做准备。一名新飞行员可能和许多老飞行员一样可以达到SA第一层，但是在整合众多目标数据信息以期获得更好的情境理解时却有很多不足之处。

对于一个地面指挥员来说，他的SA第二层或许包括以下理解：特定地区的分析报告也就意味着附近敌军的态势，或者观察地面车辆走过的痕迹，并据此推断其所在部队的前面刚走过什么军种以及数量等。

通过理解数据流的重要性，具备情境意识第二层的人已经可以把与目标相关的特定含义与手边的信息联系起来了。至于目标的重要性以及它们如何影响情境意识将在本章的后半部分将会充分探讨。

据统计，大约19%的航空情境意识错误都与情境意识第二层的问题有关。在这类案例中，人们能够看到或听到必要数据（情境意识第一层），但却不能正确的理解这些信息的意义。例如，一个飞行员可能知道他的飞机在海拔一万米的高度，但可能并未意识到下面有山而造成的空间不够，或者他已经偏离了飞行航线控制系统的控制范围。如何根据感知到的众多信息流加深对当前情境的理解需要很好的数据融合能力或一个智力模型，这样才能把这些迥然不同的数据流整合在一起并解释出来。一个新手，或者刚到达一个全新类型的场景的人，可能并没有这种知识背景可以参考，所以谈及发展加深情境意识第二层时，他们将处于明显的劣势。我们在这章的后半部分将着很多笔墨来探讨智力模型的作用。

（3）第三层：预测将来的情境

一旦人们知道了元素是什么以及对于当前目标而言它们意味着什么时，就可以预测这些元素将来会起什么作用（至少是短期的），这种能力即情境意识第三层。一个人只有能够很好的理解情境（第二层）和他所操作系统的功能和趋势时，才能达到情境意识第三层。

拥有了情境意识第三层，司机就可以知道如果红灯时他继续过十字路口的话，他可能会被车撞倒。这个可能性使得他作决定前更加谨慎；地面指挥员基于自己的情境意识第三层，可以预测敌军将从哪个方向靠近，以及己方行动可能的效果如何。飞行员和空中交通管制人员可以积极有效地预测各个飞机的动向，以及提前预判可能出现的问题。

根据当前情境的理解形成预测，这需要非常了解该领域（一个高度完善的智力模型）以及大量的智力工作。很多领域的专家都耗费了大量时间来研究形成情境意识第三层以及发展预测理论。近几年，通过不断的研究，有些专家开发出了一套某个具体领域的情境意识理论并可以对事件做出相应的回应，规避了很多令人不快的情境，如目前我国已开发出了奥运会应急事件预案处理系统等。

一般而言，在情境意识第二层的基础上没能形成正确及时的预测（形成情境意识第三层），这可能是因为没有足够的智力资源（如一个人不断的超量输入其他信息），或者是因为没有足够的专业知识。但有时也是因为过分主观估计当前形势，比如，空中交通管制人员主观地猜测一架飞机将会在它现有速度的基础上减速，而不是在以减速的基础上匀速。据统计，目前大约6%的航空情境意识错误与情境意识第三层有关。可能是因为在这个领域，获取情境意识第一层和第二层的难度要远远大于获得很好的第三层吧。若没有足够的专业知识，设计精细的信息系统，还有良好的用户界面，人们可能会止步于情境意识早期阶段，很难达到第三层，这可能与情境意识受任务因素、环境因素和个体因素影响的缘故吧。这从一个侧面也说明了为什么两个人面对相同的任务可能得出不同的结论，这应该与人的不同能力、经验、训练等因素有关。

总之，Endsley的三层情境意识（SA）模型表明随着信息在较高层处理，觉知程度越来越高，并指出综合理解需要用知识和目标来整合外部的数据，进而预测后续的情境变化。这个模型基于普通的认知过程，适用于多个应用领域。在动态系统中，Endsley建议应根据系统的具体子类（如模式觉知、空间觉知、时间觉知）进行有区别地分析处理。

感知时间和众多元素的时间动力都对情境意识起着重要作用。一般说来，时间在众多领域中都对情境意识产生巨大作用。情境意识中一个关键问题就是要了解：在事件发生或必须采取某些行动之前，有多少时间可以利用。

大部分领域中，操作者收集外部（情境）信息时，他们感兴趣的不仅仅基于空间（某些元素有多远），而且还包括该元素要过多久才会对他们的目标和任务产生影响。时间在情境意识第二层（理解）和第三层（预测将来事件）中都有着重要作用。情境意识中另外一个很重要的时间因素即真实世界情境意识的动力因素，即对于信息变化速度的理解要充分考虑到对将来情境的预测。由于情境是在不断地变化的，所以人们的情境意识也必须不断地变化，否则就会信息过时或不准确。在高度复杂的不确定性环境中，操作人员为了保持情境意识，最好通过训练获得的动态信息处理认知策略。

 第二种方法基于行为理论（如Bedny和Meister所描述的那样）。该理论提出了由八个主功能块组成的朝向行为函数模型。这是一种交互式、认知、子（次）系统方法。作为一个信息处理方法，它与传统的认知心理方法不同，不是对感知、记忆、思维和行为执行的具体处理，而是依赖于任务的性质和个体的目的进行的处理。这种观点看上去与认知心理学的矩阵方法类似，由过程的两个主要维度和功能构成。在情境评估方面，Bedny和Meister主张功能块必须朝向该情境的含义理解任务。他们的模型的八个功能模块通过前馈和反馈循环进行连接，如图5所示：

如图5所示，在情境认知和行为建构发展中，每个功能模块都有一个具体的任务，其内容依赖于动态情境的特性。其作用如表5所示：

由Bedny和Meister提出的活动理论是指，通过传感器-感知系统获得新信息传到功能模块1，再由个体的环境概念模型（功能块8）、它们的任务目标计划‘图式’（功能块2）和它们要求活动类型的朝向（功能块5）进行解释。然后，这个解释通知人的任务目标完整的‘图式’（功能块2）。依据指向任务目标（功能块4）的重要性和动机及其与环境的结合（功能块5），由个人决定在功能块3内有关的环境特征是什么。它们结合任务目标的程度在功能块2内被决定，并依次受评估制定标准（功能块6）和环境当前状态（功能块3）的影响。这种评估的结果控制操作行为和人与任务的结合（功能块5），从中可以产生进一步的标准（功能块6）。与环境的交互作用被当作经验（功能块7）储存并通知个体储存环境的表征（功能块8）。如交互式模型所示，从人的行为和概念模型（分别为功能块5和8）得来的信息前馈到来自环境信息的新解释（功能块1）。

作为一个活动的系统理论，该模型看上去并不完善，主要有两个重要的问题：一是缺乏来自功能块2的前馈（如一条连接功能块4的直线），二是从功能块5没有到环境的连接直线。尽管这样，交互式子系统对人的认知进行了较有力的说明。Bedny和Meister认为产生情境认知的关键过程是概念模型（功能块8）、图式-目标（功能块2）和主观相关任务条件（功能块3）。他们建议前两个功能块应是相对稳定的（即功能块2和8），而后者更易于控制（功能块3）。如果操作者误导了主观相关事物，那么将导致情境认知的错误发展。这可能被认为是丧失了部分的情境认知。这样以来，将会涉及情境认知整体的进行，进而使操作者重新客观地评估事物的重要性，并创建一个更接近现实的情境反应将会变得更难。

对情境认知的另外一个观点：是它既不是环境中固有的事物，也不是人的固有的特点，只是通过人与环境交互作用而存在（Smith an Hancock）。这种看法是Neisser的感知循环模型的一个发展（Adams 等）。Adams 等人主张情境认知的过程-结果二分法应根据人的信息处理理论所使用的范围而定。过程涉及情境认知状态修正的感知和认知活动，而结果要考虑情境认知状态中可用的信息和知识。在Neisser的开创性工作“认知与现实”中，他提出这样的观点：人的思维方式与其交互的环境紧密相关。他证实：在特定情境中，已有知识将直接导致对某种类型信息的期望（如心理模型），这种知识依次引导行为挑选某种信息并提供解释信息的准备方式。在事件发展过程中，随着环境不断地变化，适应于环境刷新后的内在认知图信息，将依次引导操作者进一步的搜索，感知循环的一个方框图说明详见图6。

感知循环可以被用于解释在飞机座舱内飞行员的信息处理。例如（假定飞行员对他们控制的系统有正确的知识），他们形成的心理模型将能够使自己预料事件（如飞行中需要的状态），搜索确定的证据（考虑预测），控制行为过程（不断调节操纵杆或油门杆）并连续检查输出量是否象希望的那样（仪表显示是否符合预期的要求）。如果他们发现有些数据与预期的不一致（如仪表读数或高或低于预期的要求）时，他们就会调动更多有关飞机/环境的知识，以找到充分地解释支持随后的监视/控制活动。该模型的完成就是对过程（飞机/环境信号采样的循环）和结果（在任何一点飞机/环境模型的及时刷新）的描述。

在这些理论中间都有合理的成分。内嵌（embedded）交互式模型（Smith和Hancock；Adams等）在解释情境认知的动态方面有长处，如瞬间的知识是怎样被刷新的和环境中的信息是怎样被检索到的。这表现了人与环境交互的高层认识，基于系统的方法在这方面似乎特别有用。认知子系统方法（Bedny和Meister）对考虑基本功能及它们可能是怎样进行交互的方面非常理想。这种方法主要使用于对个体大脑信息处理活动方面。三级情境意识模型（Endsley）用一种注重实效的方式为评估洞察力（领悟抓住事物内在的或隐藏的性质或靠直觉感受的行为能力）的不同程度提供了一个功能模型。尽管内嵌交互式模型认为数据是基于整个环境的状况获得的（同时，认知子系统方法认为有关个体的数据也是重要的），三级情境意识模型为“当进行情境知觉分析时，在个体中哪种数据类型可能被查找到”提供了一个指导。通过更综合的人的认知功能模型所有这三种观点都得到巩固。基于对人生理的生物模型研究，Pedersen认为知觉系统具有几个信息处理级别。第一级要求人们从充满噪声的环境中检测信号和目标，筛出非目标信息；第二级要求人们必须将这些检测到的信号组织成有意图的信息模式。最后，即第三级，通过把这些模式归类整理及合并到已存在的信任和知识网络，人们必须理解它们。再回到结果-过程二分法，交互式子系统模型和感知循环主要集中于过程，而三层情境意识模型主要集中于结果。在情境认知测量中，这两者都不能被忽略，因为后者很可能由前者所决定。

目前工效界对情境认知究竟是一个过程还是结果一直存在着争论。三层模型和交互式子系统强调是结果（也就是操作者大脑中的情境认知的合成状态），而感知循环则强调是过程（也就是操作者获取情境认知的行动）。这个争论很可能要延续一段时间。

在人们的工作记忆中，情境认知是建立在大量不同的认知机制上的。尽管在任何一个领域，情境认知的重要因素都是有很大不同的，但这些领域的基本认知过程其实都是很一致的，因为这种认知过程是所有人都拥有的信息处理能力，情境认知就是这一过程的产物。人的情境认知反过来还会影响人搜索何种信息以及对哪些信息感兴趣，这与产品对于过程的影响同属一个循环圈。通过加深对人们如何发展情境认知的理解以及对这一过程中的挑战与限制的理解，可以加强情境认知的设计方法就显而易见了。情境认知就是个性化了的深度态势感知。

深度态势感知

深度态势感知本质上就是变与不变、一与多、自主与被动等诸多悖论产生并解决的过程。所以该系统不应是简单的人机交互而应是贯穿整个人机环境系统的自主（包含期望、选择、控制，甚至涉及情感领域）认知过程。鉴于研究深度态势感知系统涉及面较广，极易产生非线性、随机性、不确定性等系统特征，使之系统建模研究时常面临着较大困难。在之前的研究中，多种有价值的理论模型被提出并用于描述态势感知系统行为，但这些模型在对实际工程应用系统的实质及影响因素方面考虑还不够全面，也缺乏对模型可用性的实验验证，所以本章重点就是针对深度态势感知概念的实质及影响因素这两个关键问题进行了较深入探讨，追根溯源，以期早日实现高效安全可靠之深度态势感知系统，并应用于相应的人机智慧产品或系统中。

本文来源：人机与认知实验室

投稿邮箱：liuyali@c2.org.cn

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