基于复杂信息系统数字界面中军事人员心智模型匹配度的研究

马婧 彭宁玥 薛澄岐

摘要：随着计算机技术和信息化技术的不断发展，越来越多的传统人机硬件界面被数字交互界面所代替，成为我国信息化武器装备系统的重要载体。然而，复杂信息系统数字界面与人类认知能力间的不均衡一直制约我国信息化武器性能的实施与发挥。本文提出了基于ERP技术与行为研究相结合的复杂信息系统数字界面交互模式与军事人员心智模型匹配度评估方法。

关键词：复杂信息系统数字界面 心智模型 匹配度

引言

以数字技术、网络技术和多媒体技术为代表的现代信息革命把人类引向了现代信息社会，数字界面已越来越多地取代传统的人机硬件界面而成为导弹、战机、舰艇等信息化武器装备人机交互系统的主要载体，在信息化武器装备系统越来越复杂的同时，对操作人员的要求也在进一步提高。然而，军事人员在战场上多一秒的判断和延误，都有可能造成操作失误，甚至延误战机，造成严重的后果。因此，如何充分利用人类的认知特征、认知习惯、信息的上下文等，避免交互路径的冗余、繁杂、易出错、不合理等可用性问题，以一种自然、高效、顺畅的方式进行交互，则成为复杂信息系统数字界面设计的一个研究重点。

一、复杂信息系统数字界面研究的重要性

（一）信息化技术的不断发展：伴随着计算机技术和信息化技术的迅猛发展，在全世界掀起了以信息技术为核心的科技革命，即“第三次浪潮战争”。复杂信息系统的人机交互模式也发生了变化，从传统的模式控制方式转变为数字化视觉信息界面。信息化技术已广泛应用到导弹、战机、舰艇等信息化武器装备人机交互数字界面中。信息化武器装备系统中的人机交互数字界面是军事人员获取态势信息、进行情报信息分析和处理的重要媒介，是信息化战场人机交互系统功能实现的重要组成部分。在现代军事战争中，由于作战范围变得广阔，情报信息产生的空间范围快速加大；作战节奏加快，单位时间内产生的情报信息量急剧增多；多种兵种联合作战中多种武器的使用投入，情报信息的内容也变得更加广泛。人机界面作为信息化武器装备系统的控制中枢——大脑，由多层次、多结构的复杂视觉元素组成，通过收集、清洗、分析、整合、显示和共享各种态势信息，为系统的使用者提供操作和决策的根据。因此，为了充分发挥信息化武器装备系统的使用效能，为了保证军事人员的作战效率和精准度，必须对系统的人机界面进行合理的设计。目前，人机交互数字界面已成为当前信息化武器装备人机界面设计研究的新重点和难点。

（二）人为失误是发生事故的主要成因：经认知心理学和行为学专家研究后发现，人们无法确保长时间自我意识的警惕，对绝大多数人而言，长时间的认知過程往往带来的是瞬时的麻痹。通过对“伊春824特大飞行事故”、“723动车追尾事故”和“八宝煤矿五次爆炸”等近年来发生的特大事故的原因进行探究，可以发现，由于信息监控系统设计不足导致的信息误读和人为操作失误是发生事故的主要原因一。由此可见，在复杂信息系统的设计过程中，只有理解军事人员对于界面视觉信息的认知过程，分析导致操作者发生错误的内在机理，才能将大量错综复杂的情报信息准确无误地呈现在视觉信息界面中，解决复杂信息系统数字界面与人类认知能力间的不均衡问题。因此，本文通过研究复杂信息系统数字界面中军事人员心智模型匹配度，获取军事人员对界面的认知过程，使得设计界面尽可能地贴近他们头脑中对于所使用界面的理解，避免因军事人员对界面理解错误而判断失误，从而提高复杂信息系统数字界面的使用效率。

二、心智模型

（一）心智模型的研究：心智模型是关于认知的理论，即人们在对日常事物进行理解和推理时，对问题情景或外在事物所建立起的存在于人们短期记忆中的一种暂时表征，又或是保存在人们长期记忆中对外在世界的稳定表征或图像。通过对心智模型的研究，可以帮助设计者理解用户是如何进行推理和解释新鲜事物或遇到的问题，从而预测出用户在面临陌生环境时的行为活动。目前，专家和学者对于用户心智模型的研究主要分为两个方向：1.心智模型的形成及发展；2.心智模型的作用和目的（如表1）。

Alan Cooper认为，用户与系统之间的交互存在三种模型：即实现模型（ImplementationModel）、心智模型（MentalModel）和表现模型（Represented Model）。实现模型是关于设备和程序如何进行工作的模型，描述了程序用代码实现的细节；心智模型反映了用户对于产品如何工作的认知，即用户头脑中对于所使用界面的理解；表现模型是设计者选择如何将程序的功能展现给用户的方式，以交互界面的形式呈现。而表现模型越接近用户心智模型，用户就会感到操作越容易使用和理解。反之，表现模型和用户心智模型反差越大，用户在使用过程中就会觉得不解疑惑。因此，在复杂信息系统数字界面设计中最重要的目标之一就是理解军事人员的认知过程，使表现模型和军事人员的心智模型尽可能接近，从而建立与军事人员实际操作中的心智模型相匹配的表现模型，研究与军事人员心智模型匹配度的重要性也就不言而喻了。

（二）心智模型的构建：为了顺利地评估复杂信息系统数字界面与军事人员心智模型的匹配度，设计者的首要工作就是构建目标军事人员的心智模型。常见的构建用户心智模型的方法有如下七种（如表2）：

三、现有匹配度的研究方法

现有评估复杂信息系统数字界面与用户心智模型匹配度的方法多从主观角度出发，如：用户模型法、专家访谈法、问卷调查法、启发式评估法等。这类主观评估方法虽最为常用，但若以多重评估方式相互交替或是相互结合的方式来开展匹配度评估工作，无疑能够进一步提升该评估过程的信效度与合理性。因此，对现有的应用于其他领域的匹配度方法进行研究，可以对复杂信息系统数字界面与军事人员心智模型匹配度评估起到很好的启发作用。张磊等针对飞机显示界面设计中存在的问题，综合使用主观和客观测量方法对不同颜色匹配特性进行研究。以反应时间作为绩效评价指标，并利用模糊数学的方法对主观数据进行处理。白雅娟等基于人工神经网络理论，对主观赋权的权重进行了修正，将匹配度评价体系进行了层次划分，修正后的权重系数反映了特种车辆驾驶室人机界面匹配性评级的特点。祁丽霞等把面向对象作为设计思想，将驾驶情况下的人机界面中的元部件进行了类封装，从现实世界的角度以评价的方式对类的组织管理进行评价。刘述文以驾驶室内人机界面为模型，利用人机界面多层次模糊综合评价方法对其逐层进行评价，以提高驾驶室内人机界面匹配度评估的有效性与可行性。Chunfu Li基于视觉形式的标识内容与心理模型匹配度越高，被试的信息转移表现越好这一假设进行实验，对三组不同年级小学生的反应时间与正确率的记录测量，采取绩效评估的方式对信息可视化方法与用户心智模型匹配度进行探究。

四、提出基于事件相关电位（ERPS）的匹配度研究方法

综上所述，在进行复杂信息系统数字界面与军事人员心智模型匹配度评估时，不仅可以使用主观评估的方法，还可以采取绩效评估法与生理测量法这些更为客观的测量方式，与传统的主观测量和行为测量互补，进一步提高测量的信效度。本文创新性地提出采用事件相关电位（ERPs）的评估方式，可作为观察被试对某一特定刺激（事件）的特定生理反应的主要评估依据，获取脑电指标的潜伏期、波幅和脑区分布等特征，并该特征与行为数据建立对应关系，建立“认知一行为”映射模型，通过脑电指标的平均波幅以及潜伏期的变化规律，从脑生理测量层面对数字界面交互模式与用户心智模型匹配度进行评价。不仅有助于揭示军事人员的认知过程，更能显著提高匹配度评估的客观性和有效性。

除了对复杂信息系统数字界面与军事人员心智模型匹配度进行评估之外，将通过ERPs技术获得的脑电数据与行为测量得到的数据，在SPSS数据分析平台进行数据分析，得到“认知一行为”的映射关系与激活脑区的功能分析，从而得到复杂信息系统数字界面与心智模型匹配度评估的ERPs指标，及指标的属性变化。

结语

复杂信息系统的人机交互界面是信息化战场人机交互系统功能实现的重要组成部分，只有充分利用军事人员的认知特征和认知习惯，避免军事人员对界面产生疑问和误读，才能进一步提高我国信息化武器性能实施与发挥的效率。本文提出了基于ERPs技术的复杂信息系统数字界面与军事人员心智模型匹配度评估方法，即基于脑生理测量技术的运用进展，将脑生理测量技术、行为测量技术和主观评价数据相结合，从生理层面、绩效层面与主观层面多个维度来同步获取军事人员对界面的认知过程，捕获军事人员的心智模型，获得复杂信息系统数字界面与军事人员心智模型的匹配度，并对复杂信息系统数字界面的优化设计提供参考意义。