人机交互中情境认知的研究

【情境认知就是态势认知，它们都扩大了感知的范围和深度，有时候，我们需要把一物/事与它物/事区分开来，才对该物有了认知，可使用表征、标定等；有时候我们需要把一物/事与它物/事联系开来，才对该物有了认知，可使用上下文、情境、场景、态势等；更多的时候，我们需要两者结合起来使用，既区别又联系，可使用各种推理方法，如归纳演绎类比等。然而这些方法又不全是合理的，因此何时何处何范围合理地使用这些方法将是目前需要解决的一个重要问题。】

摘要  随着现代技术设备自动化/智能化水平的不断提高，显示/控制装置中动态信息越来越多，而人的主要作用已由操作控制向监视转移，即人的体力负荷下降、心理负荷增加的现象变得更加突出。鉴于此，有关人的情境认知研究已成了目前人机交互研究领域中比较活跃的一个方向，本文通过对情境觉知的发展历史、概念定义、影响因素、定性模型分析，并结合前人的研究成果建立了一个新的情境觉知定义和相应的情境觉知多级触发定性分析模型，初步揭示了情境认知差异形成的机制，并为进一步建立定量的情境认知分析模型（包括不同情境下人的感觉、理解、预测等阶段的临界值）打下了基础。

关键词：人机交互  工效 情境认知

简介

在第一次世界大战期间，Oswald Boelke提出了这样的观点“在敌人觉察之前获得对敌人的觉察是非常重要得，因此迫切需要找到一种实现的方法”，这就是情境觉知概念的雏形定义。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工效学关注的问题之一。研究这个问题的原始动力源自航空工业的要求：由于飞行员及空中交通管制人员的任务、时间压力很大，这就要求他们应具有更好的情境觉知以应对日益复杂的监视/控制作业。随着航空设备自动化/智能化水平的不断提高，现代飞机座舱中动态信息越来越多，而飞行员的主要作用已由操作向监视转移（即人的体力负荷下降、心理负荷增加的现象变得更加突出），因此，对情境觉知的研究在航空工效领域已成了一个极有发展前景的研究方向。

目前，如何提高空战中飞行员的情境觉知已成了美国空军发展计划署（USAF Development PlanningDirectorate）对人机系统技术投资的一个重点目标，并正在进行实时情境觉知评估智能处理器项目（OLIPSA  ON-LINE INTELLIGENT PROCESSOR FOR SITUATIONASSESSMENT）的研究；同时欧洲共同体也正在实施“通过情境觉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。

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

一、情境觉知的定义

当前，情境觉知是一个在航空工效领域文献中非常常见的概念，但缺乏统一的严格定义，几乎每个学者或飞行员对此都可能有不同的定义。但是，作为把人、环境情形和系统状态之间的交互作为一个整体来进行分析的集成概念，它具有基本的可描述性。当前的最基础的研究工作就是通过对情境觉知影响因素的系统分析实现概念定义，以便于对其进行定性、定量建模。

1、Endsley的定义

 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，情境觉知（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，对情境觉知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 evaluation for SituationAwareness enhancement”（ Proceedings of the HumanFactors Society 32 nd Annual Meeting (Volume 1, pp. 97 -101).  Santa Monica, CA）一文中提出的情境觉知（SA）的定义：

“…the perception of theelements in the environment within a volume of time and space, the

comprehension of theirmeaning, and the projection of their status in the near future.”（情境觉知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）

2、我们建立的定义

情境觉知就是在特定的任务情境下，操作者基于对当前设备和环境的动态变化感知、综合，运用基于分析（短时/工作记忆）、联想（长时记忆）、规则（长时记忆）的预测方式，实现任务连续情境的模式识别与匹配并采取相应的对策，进而达到圆满完成任务的目的。

为更加详细地解释该定义，可进一步地情境觉知分为三个重要阶段：

1、情境觉知第一阶段：对环境中各成分的感知

为实现情境觉知，首先应对环境中各相关成分的状况、属性及动态特性进行感知。对于飞行员而言，需要精确地觉察飞机本身的信息（如空速、位置、高度、航线、航向等）、气候变化、空中交通控制通讯、紧急通告及其它的有关信息。

2、情境觉知第二阶段：对目前的情境的综合理解

情境的综合理解是基于对第一阶段中各杂乱无章成分的综合。情境觉知第二阶段不仅是简单地意识到这些成分，而是依据不同的目的，飞行员充分理解了这些成分所具有的意义，并迅速将其综合形成一幅清晰而又完整的情境状况思维图像。

3、情境觉知第三阶段：对随后情境的预测和规划

基于情境觉知第二阶段形成的情境状况思维图像，对环境中各成分将来的（至少是短期的）变化状况预测并以此规划出相应的对策过程，就构成了情境觉知第三阶段（也是最高的阶段）。

二、有关情境觉知的影响因素

情境觉知被认为是操作者与有关的系统及环境之间交互所产生的一种综合作用。获得并保持情境觉知的影响因素有很多，既包括内在的（飞行员认知活动）也包括外在的（环境及系统），也有直接或间接之分，详见以下各表：

表1影响情景觉知因素的结构分类表

下面将对表1中的影响因素分类进行具体的说明：

表2 影响情境觉知的直接内部因素表

表3 影响情境觉知的间接内部因素表

表4 影响情境觉知的直接外部因素表

表5 影响情境觉知的间接外部因素表

总之，通过对上述因素的分析，可以得出，不同个体情境觉知的差别主要在于：感知能力（包括感知速度、编码速度、警觉性及模式匹配能力）、注意分配、记忆（包括工作记忆和长期记忆）能力、高级认知能力（分析、综合理解、预测）、决策及操作能力等方面。我们可以因此制定出提高情境觉知技能的相应训练措施。例如，可以要求操作者识别特定区域内的重要特征（如情境中的成分、这些成分的运动特性及其随后的变化情况）。另外，对情境觉知的获取与保持也可以训练。例如，使用有效的扫描、注意方式、从客体有限特征数据中提取最大信息量等。此外，通过训练建立的有效反馈机能还可以增强操作者情境觉知的精确性和完整性，使操作者充分了解自己对情境中的评估和觉知错误，以便更好地进行修正。

三、有关情境觉知的定性模型

情境觉知可被看成是飞行员与系统、环境诸多成分相互作用的合成产物。但从更广意义上讲，情境觉知是飞行员为完成任务在特定环境下充分运用各种认知活动（如目的、感觉、注意、动因、预测、自动性、运动技能、计划、模式识别、练习、动机、经验、编［译］码技能及认识的提取、存储、执行等）的综合体现。

1、Beringer和Hancock的模型

Beringer和 Hancock在1989年提出的情境觉知成分加工的三层模型（详见下图）：

（1）高层加工：其主要活动包括保持情境觉知，即保持决策和动作的优先次序、子任务的有机整合以及监视任务变化的预示。

（2）中层加工（信息处理）：通知观测者，环境中的成分是什么、在哪里、什么时间出现。

（3）低层加工：从内部或外部的环境中感知刺激（信息）。

2、Finnie和Taylor的模型

Finnie和Taylor（1998）根据Power的感知控制理论提出了一个情境觉知模型。感知控制整合模型的主要思想在于情境觉知是由行为控制的。与感知控制理论类似，情境觉知的获取与保持是从减小实际与期望的误差行为中得来的。

3、Endsley的模型

Endsley于2000年明确地提出人对环境中有关成分的感知是形成情境觉知的基础，决策、动作执行被看成是与情境觉知不同的阶段。人们情境觉知的活动不是一成不变的，这可能与内在能力、经验和练习程度有关；另外，人们的某种目的与计划也可能使对环境的感知和分析受到影响；任务系统与环境中的其它因素（如工作负荷、压力、系统复杂性等）对情境觉知也产生重要的影响。

4、我们建立的模型

高级飞行员存在着情境觉知“跳蛙”现象，即从感知刺激阶段直接进入预测规划阶段（跳过了综合理解阶段），这主要是由于注意和环境任务的驱动引起的，他们进行的是信息的关键特征搜索，而不是整个客体的搜索。与一般飞行员的情境觉知相比，他们SA的采样更离散一些，尤其是在感知刺激后的信息过滤中，表现了较强的“去伪存真、去粗取精”的能力。对于每个刺激客体而言，既包括有用的信息特征，又包括冗余的其它特征，而高级飞行员具备了准确把握刺激客体的关键信息特征的能力（可以理解为“由小见大”的能力），所以能够形成跳跃式扫视、立即规划预测的情境觉知能力。对于一般飞行员来说，由于没有形成高级飞行员所具备的情境觉知能力，所以觉察到的刺激客体中不但包括有用的信息特征，又包括冗余的其它特征，所以扫视范围较大，并需要综合理解那些被感知的信息，然后才能预测规划。与高级飞行员相比，信息采样量大，情境觉知比较连续渐进（速度较慢），具体如下图所示：

在有时间、任务压力的情境下，经验丰富的高级飞行员常常使用基于认知（而不是基于评估）的决策策略。事实上，他们是基于以前的经验进行反应和行动，而不是通过常规统计的方法进行决策选择。基本认知决策中的情境评估是基于图式和脚本的。图式是一类概念或事件的描述，是形成长期记忆组织的基础。在“Top-Down”处理过程中，被感知事件的信息可按照最匹配的存在思维图式进行映射，而在“Bottom-Up”处理过程中，根据被感知事件激起的思维图式调整不一致的匹配，或通过积极的搜索匹配最新变化的思维图式结构。

我们建立的SA多级触发模型与Endsley模型不同之处在于：SA的三个阶段之间的关系是递进触发式的，即只有当环境信息达到一定的数量/质量要求时，感知阶段才可能起作用并把信息传输到一个信息“过滤器”（过滤器的基本功能是让指定的信号能比较顺利地通过，而对其他的信号起衰减作用，利用它可以突出有用的信号，抑制/衰减干扰、噪声信号，达到提高信噪比或选择的目的）中；只有经过过滤后的有效信息达到一定的阈值时，才能实现有效信息的综合理解阶段；然后，通过与长时记忆中存储的经验图式匹配产生“Top-Down”处理过程（基于联想、程序）或面对当前情境刺激直接进行“Bottom-Up”处理过程（基于分析），信息经过这样两个过程或（它们的）复合处理并达到一定的临界值后，规划预测阶段才能够正常进行；最后，对情境规划预测的指令分成两路，其中一路形成反馈，对感知、综合理解、预测规划等阶段进行修正，另一路形成决策输出并实现行为控制。

         面对同样的情境成分，高级飞行员与一般飞行员表现出的觉知过程（如信息的接受、处理、加工）是不同的，这种现象不妨称为“信息不对称”现象。这主要是由于许多高级飞行员使用的是基于经验性思维图式/脚本的认知活动，这些图式/脚本认知活动是形成自动性模式（即不需要每一步都进行分析）的基础。另一方面，高级飞行员有时也要被迫对特定的情境做有意识的分析（自动性模式已不能保证准确操作的要求）。高级飞行员很少把注意转移到诸如驾驶的基本技巧或显示/控制位置等因素上，这将会减小他的分心。

这种现象也许与训练规则有关，因为在规则中一般飞行员被要求依程序执行，而规则程序设定了触发其情境觉知的阈值（即遇到规定的信息被激或）；而熟练驾驶员通过大量的实践和训练经验，形成了一种内隐的触发情境觉知阈值（即遇到对自己有用的关键信息特征就被激活，而不是规定的）。

一个“Top-Down”处理过程提取信息依赖于（至少受其影响）对事物特性的以前认识；一个“Bottom-Up”处理过程提取信息只与当前的刺激有关。所以，任何涉及对一个事物识别的过程都是“Top-Down”处理过程，即对于该事物已知信息的组织过程。“Top-Down”处理过程已被证实对深度知觉及视错觉有影响。“Top-Down”与“Bottom-Up”过程是可以并行处理的。

利用“Top-Down”处理过程，飞行员的注意和规划可以在SA第一阶段发生时就朝向环境的有关方面，然后，根据目标综合理解信息形成SA第二阶段。与这些“Top-Down”过程并行，“Bottom-Up”处理过程也产生了。例如，环境中变化的趋势及模式意味着新的规划必须适应新的注意需要，这就需要飞行员当前的注意和规划要随着环境的变化而变化。而且，飞行员的注意（即从众多竞争目标中挑选出的最重要的目标）将指引向最适合的思维模型或图式的选择，进而使两者相匹配以实施规划预测（SA第三阶段）。

在大多数正常情境下，飞行员按“Top-Down”处理过程达到目标；而在不正常或紧急情境下，飞行员可能会按“Bottom-Up”处理过程达到新的目标。无论如何，飞行员应在情境中保持主动性的（前摄的）（如使用前馈控制策略保持在情境变化的前面）而不是反应性的（如使用反馈控制策略跟上情境的变化），这一点是很重要的。这种主动性的（前摄的）策略可以通过对不正常或紧急情境下的反应训练获得。

五、结论

本文通过对情境觉知的发展历史、概念定义、影响因素、定性模型分析，并结合前人的研究成果建立了一个新的情境觉知定义和相应的情境觉知多级触发定性分析模型，为进一步的模拟实验设计及定量模型的建立打下了一个基础。应用情境觉知的途径似乎主要有两种，即改善系统界面的设计和飞行员、空中交通管制人员的训练。但是作为一个较前沿的研究课题，情境觉知正引起广大工程师及科学工作者们对于其潜在的应用方面的兴趣。除了在航空方面外，医学、地面运输交通、能源生产及过程控制领域都正在尝试这方面的研究和应用。

参考文献

 [1]陈信、袁修干，人-机-环境系统工程计算机仿真（飞行器人-机-环境系统工程系列专著）.北京航空航天大学出版社，2001.12

[2]Endsley, Design and evaluation forSituation Awareness enhancement,Proceedings of the Human Factors Society 32 nd Annual Meeting.1988, Vol1, 97 -101

[3]Endsley,M. R. (2000). Flight crews and modern aircraft: In search of SA. Paperpresented to the Royal Aeronautical Society. 2000,12

[4]Beringer,D. B., and Hancock, P. A. Exploring situational awareness: A review and theeffects of stress on rectilinear normalisation. In Proceedings of the FifthInternational Symposium on Aviation Psychology. Columbus: Ohio StateUniversity.1989, Volume 2,646-651

[5]Finnie,S. and Taylor, R.M. The Cognitive Cockpit. Flight Deck International. UK:International Press. 1998

[6]Hartman, B., &Secrist, G. Situation Awareness is More than Exceptional Vision. Aviation, Space andEnvironmental Medicine,1991, 62, 1084-1091.

[7]Harwood, K., Barnett,B., & Wickens, C. D. “Situational Awareness: A Conceptual and MethodologicalFramework”. Proc.of the 11th Symposium of Psychology in the Department of Defense. 1988

[8]Zacharias, G. L. Situation Awareness Metric for Cockpit ConfigurationEvaluation (TechnicalReport R8910): Charles River Analytics Inc. 1989c, 12

本文来源：人机与认知实验室

投稿邮箱：liuyali@c2.org.cn

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