美军战术级指挥信息系统界面设计的发展及启示

肖 彬，李琳琳，张文瑾

（1.火箭军工程大学，西安 710025；2.解放军96941 部队，北京 100085）

0 引言

现代战争呈现快速化、智能化趋势，战场信息复杂、战场环境多变，一线指挥人员认知能力不足的“瓶颈”日益显现。战术级指挥信息系统（Tactical-C4ISR，T-C4ISR）界面应高效简洁，直观展现战场态势和任务信息。除遵守风格一致、界面简洁、人为可控等界面设计一般原则外，T-C4ISR 系统界面设计还应贴合指挥人员认知，直接面向指挥决策，满足作战任务需求，避免传统T-C4ISR 系统界面数据信息庞杂、功能结构分散、操作流程繁锁、面向任务单一等问题。

美军针对上述新需求，发展了T-C4ISR 系统界面设计理论，采用生态界面设计理论完成了RAPTOR 系统界面设计，具备贴合认知、高效感知、便捷决策的特点，有效提高了战术指挥人员战场感知和指挥决策能力，对我军T-C4ISR 系统建设发展具有一定的借鉴意义。

1 美军T-C4ISR 系统界面设计理论

美军于1994 年首次提出数字化战场概念，致力于建设战场作战指挥系统［1］。T-C4ISR 系统作为其中重要组成部分，其界面设计工作一并展开。目前，美军T-C4ISR 系统界面设计主要采用了两种不同的界面设计理论，分别体现在两种T-C4ISR系统中。

1.1 FBCB2 系统界面

美陆军于1997 年提出了“21 世纪部队旅及旅以下作战指挥系统”（Force XXI Battle Command Brigade and Below，FBCB2）的概念，增强了战术指挥人员战场态势感知能力［2］。FBCB2 系统界面设计中，采用图形用户界面（Graphical User Interface，GUI）理论，以确保系统研发效率和使用质量。

GUI 是一种采用图形方式显示的计算机操作用户界面，用户通过使用类似鼠标的输入设备来操作屏幕上的图标、菜单、窗口等界面显示元素，实现选择命令、调用文件、启动程序或执行各种日常任务的功能［3］。与以文本方式作为工作元素的命令行界面（Command Line Interface，CLI）相比，GUI 更人性化，对用户更加友好，满足用户个性化的界面需求。目前，大多数T-C4ISR 系统均采用GUI 设计理论。

FBCB2 系统界面［4］（如图1）设计中，GUI 理论主要体现在3 个方面［10］：一是类比表达，为界面对象和工作域对象之间建立起一对一映射，如图1 中等高线表示地形的设定；二是隐喻表达，对象间不是一对一映射关系，但它们提供的信息更具象征性，如图1 中用椭圆代表坦克履带表示坦克分队；三是字母数字，如用“B”代表“旅”，“T”代表“坦克”，与前两种方式相比，这种表达与对象缺乏视觉相似性，其表达含义取决于系统初始定义。

FBCB2 系统界面受到了Bennett 等专家的批评［10］。Bennett 等人指出，依据传统GUI 理论设计出的界面把强大的图像表现功能都浪费在与工作域毫不相关的图形表达上，而信息传递效率却很低。因此，Bennett 等人将这种界面评价为“无用用户图形界面”。

图1 美军FBCB2 系统基本界面

1.2 RAPTOR 系统界面

针对FBCB2 系统界面设计中的问题，美军应用了一种基于认知系统工程（Cognitive Systems Engineering，CSE）技术框架的界面设计理论体系——生态界面设计（Ecological Interface Design，EID）理论，并成功设计出了“战术作战资源辅助表达系统”（the Representation Aiding Portrayal of Tactical Operations Resources，RAPTOR 系统）界面，如图2 所示［10］。

图2 美军RAPTOR 系统界面

RAPTOR 系统界面主要由我军战斗资源、敌军战斗资源、敌我力量对比、空间同步网格、时间同步网格等界面组件和一些功能按钮组成。设计突破传统GUI 仅关注界面表达的局限，而是对战术指挥人员认知能力深入思考，聚焦于更好地“支持任务中战术指挥人员的决策制定或问题解决”［10］。通过界面设计，达到了全面描述任务信息和符合战术指挥人员认知特征的目的，提高了战术指挥人员指挥决策水平。但相较于传统GUI 理论，应用EID 理论需要融合人因工程、工程心理、软件工程等多学科，占用资源更多，设计过程更复杂，周期长、成本高，因此，对于开发周期短、生产任务重的装备研制具有较高难度，因此，美军也尚处于研究探索阶段。

1.3 试验中两种界面的表现

RAPTOR 系统界面研发阶段，美陆军组织进行了一系列的试验［10，12］，鉴定RAPTOR 系统和FBCB2系统两种界面对战术指挥人员指挥决策的支持程度。在2010 年一项试验中，工程人员设计了一个实战场景，对RAPTOR 系统界面和基本界面（模仿FBCB2 界面功能）进行了比较试验。16 名经验丰富的指挥员参加了这项试验。科研人员通过作战情况报告、关键任务监测、指挥决策考核、任务负荷评估等方式，获得了参试者试验中表现。作战情况报告测试中，RAPTOR 系统界面使用者在基本界面使用者所用时间的一半时长内，得到了两倍准确率的数据信息，如下页图3 所示。其他测试中，RAPTOR 系统界面表现也明显优于基本界面。由此可见，在T-C4ISR 系统界面设计中，EID 理论确实比传统的GUI 理论更有优势。

2 生态界面设计（EID）

生态界面设计（EID）由Rasmussen 和Vicente在1989 年首次提出，并进行举例、阐述［5-8］。EID 理论的基本目标是转变复杂人机系统中操作人员工作的行为类型——从利用有限认知资源的活动转变为充分利用强大感知和行动能力的活动。EID 主要围绕着复杂人机系统界面设计的3 个关键问题展开：1）如何完整描述工作，2）如何有效表达信息，3）如何更好设计界面。前两个问题的解决方案构成了EID 的理论基础，第3 个问题的解决方案形成了EID 的核心设计原则，如图4 所示。

图4 生态界面设计（EID）理论框架

2.1 理论基础

作战行动中，战术指挥人员处理的事件可分为三类［7］：1）熟悉事件，即战术指挥人员经常遇到，可熟练处理的事件；2）陌生事件，即可预见但很少发生，战术指挥人员缺乏相关经验，但可按照预想方案处理的事件；3）未知事件，即极少发生并无法预想，战术指挥人员独立决策处理的事件。因此，一个有效的T-C4ISR 系统界面应不仅能够全面描述作战任务信息，还要高效向战术指挥人员传递信息，为处理3 种事件提供完整信息支持。EID 的两项理论基础——抽象层级（The Abstraction Hierarchy，AH） 和技能、规则和知识（Skill-，Rule-，Knowledge-based behavior，SRK）框架为解决这两个问题提供了方案。

2.1.1 抽象层级结构（AH）

抽象层级结构是用于构建工作域模型的分析工具［8］，它可被定义为一种多层级体系框架。其中，较高层级用来描述工作域中功能性信息，较低层级用来描述工作域中物质性信息，上下层级间使用手段- 目的（means-end）连接进行关联，使层级结构更具导向性，为处理事件提供更多支持。

RAPTOR 系统界面设计中，工程人员将战术行动指挥控制工作域分解为如表1 所示的五级抽象层级结构［10］。其中，作战目标和任务约束是最高层级，包含任务计划和目标、潜在损失、公众认知等内容，通过这一层级容易掌握作战任务的概况，因此，具有最高认知辨识程度；战场环境属性是结构最底层，包含作战单元位置、地形特征和天气情况等要素，通过这一层级战术指挥人员几乎无法形成对作战任务的直观印象，因此，具有最低认知辨识程度。各层级之间通过手段-目的方式进行连接，上一层级是下一层级中活动的依据，下一层级为上一层级活动提供约束。例如，战术指挥人员在生成策略（表1 中第二层级）时，必须将作战目标和任务约束（表1 中第一层级）作为策略的总出发点，而将战术分队能力（表1 中第三层级）作为生成策略的限制条件。通过建立抽象层级结构，RAPTOR 系统界面为战术指挥人员提供了处理未知事件的信息基础，并为处理作战中各类事件提供了引导帮助。

表1 战术行动期间军事指挥和控制的工作域抽象层级结构

2.1.2 技能、规则和知识（SRK）框架

技能、规则和知识（SRK）框架［10］是系统可靠性和认知工程领域中一个被广泛接受的用于描述人们信息处理机制的框架。其基本内容是：信息可以用3 种不同的方式解释，即信号、记号或符号；工作中信息的表达方式决定了3 种认知控制模式中哪一种被激活，这3 种认知控制模式分别为基于技能的行为（Skill-based behavior，SBB）、基于规则的行为（Rule-based behavior，RBB） 和 基 于 知 识 的 行 为（Knowledge-based behavior，KBB）。其中，KBB 关注基于符号表示的分析问题解决，而RBB 和SBB 则关注对现象的感知和行动。三者的区别和关系如表2 所示。

表2 SBB、RBB、KBB 的比较

多数研究表明，操作人员倾向于应用较低水平的感知处理模式（即RBB 和SBB）。界面设计中充分利用这一倾向，会带来巨大效益，反之，将会在系统运行中产生严重错误。但即使信息形式可直接感知，复杂任务也会引起操作人员激活高层次的认知控制模式。因此，界面设计应充分考虑前述倾向，同时为高水平认知控制（KBB）提供支持［7］。

RAPTOR 系统界面设计中，工程人员引入SRK框架，将战术指挥人员面临的任务，按照激活认知控制模式水平的不同进行分类，并将最大程度地激活战术指挥人员感知处理模式作为目标。设计还充分考虑未知事件因素，在界面中提供了抽象层级结构中所有级别的关键信息。

2.2 核心设计原则和方法

EID 理论中，设计人员应将工作域完整地映射到界面上，以便被操作人员感知，而不需要再次处理。这就是EID 理论的核心设计原则——直接感知，该原则将界面设计的最终目标定义为把认知任务转变为感知任务。根据这一原则，在界面设计中涉及3 种映射：内容映射、形式映射和语义映射［9］。其中，内容映射反映有效控制系统所需信息在界面中的涵盖程度，可以通过抽象层级结构来提高映射的质量；形式映射反映操作人员准确获取界面信息的难易程度，也可解释为界面信息能够被直接感知的效率；语义映射则将内容映射和形式映射进行融合，直接改善操作人员实践表现。

RAPTOR 系统界面各组件中均体现着直接感知的核心原则，以敌我力量对比界面组件为例［10］。图5A-D 依次为一个作战过程中随时间变化的敌我力量对比情况，组件右侧表示当前敌我力量对比情况，左侧部分记录力量对比变化趋势，其中，左下方代表敌军力量优于我军，左上方代表敌军力量不如我军。这种界面表达能够使战术指挥人员直接获取敌我力量对比情况和趋势，无需通过二次认知即可决定作战策略延续或变更，使用传统界面则需要占用更多时间和认知资源才能达到同样目的。

图5 敌我力量对比和敌我力量对比趋势

3 启示及展望

虽然EID 理论在美军各类T-C4ISR 系统中并未全面推广，但美军却非常重视相关研究。Bennett更将RAPTOR 系统界面称赞为当前“军事指挥控制界面的最高水平”。目前，下一代美军T-C4ISR系统界面已应用EID 理论成果开展设计，相关理论对我军T-C4ISR 系统建设具有较好的借鉴意义，具体如下：

3.1 EID 理论对我军T-C4ISR 系统界面设计的启示

RAPTOR 系统界面的成功源于美军对界面作用的深刻认识：界面作为人机交互的媒介，直接影响系统功能发挥。我军缺乏对T-C4ISR 系统界面设计问题的关注，只是单纯将传统界面设计方法应用于T-C4ISR 系统界面设计，将指挥流程作为系统界面设计的主要依据，忽视战术指挥人员认知能力的局限，无法满足T-C4ISR 系统高效简洁、辅助决策的需求。

我军应重视T-C4ISR 系统界面设计，区分战术级与其他层次C4ISR 系统界面设计的不同需求。设计中贯彻服务作战、提升指挥决策水平的总目标，突破任务链条的传统设计思维，重组界面结构，依托抽象层次结构为战术指挥人员处理事件进行引导帮助；同时充分考虑人的因素，利用直接感知原则，减轻战术指挥人员认知负担，降低界面内容复杂性，增强界面信息融合能力，提高人机耦合程度，设计出高态势呈现、高决策支持的系统界面。

3.2 下一步可以开展的主要工作

EID 理论内容丰富，在T-C4ISR 系统中应用前景广阔，可以开展研究的内容主要集中在以下几个方向：

1）针对典型战术任务特点，梳理任务中具有不同认知辨识度的影响因素，构建战术任务抽象层级结构，展现战术任务约束和层级间手段-目的联系，为战术指挥人员指挥决策提供引导帮助，为T-C4ISR 系统界面设计提供依据。

2）结合典型任务中战术指挥人员需求，尽量将与该任务高关联信息整合到同一界面中，对界面功能进行优化重组，保证界面直观高效，符合战术指挥人员认知特点，支持高效态势感知和快速指挥决策。

3）受战术指挥人员认知能力及指挥终端展现模式的约束，开展战场态势表达方法研究，基于EID理论直接感知原则对界面模块进行再设计，通过数据可视化、多通道融合感知等技术，直观呈现与指挥决策紧密关联的战场态势，减轻战术指挥人员认知负担。

4）在传统人机界面评价方法基础上，加入有效感知和支持决策等评价指标，开展基于EID 理论的T-C4ISR 系统界面试验方法研究，设计相关试验方法和指标体系，完成对T-C4ISR 系统界面应用效果评价。

4 结论

EID 理论作为一种针对复杂人机系统的界面设计理论，具备高效利用感知能力、紧密贴合用户认知、全面支持用户决策等特点，能够设计出全面覆盖任务约束、符合操作人员认知特征的人机界面，在T-C4ISR 系统界面设计中具有很高的应用价值和广阔前景，对于我军目前采用的传统GUI 理论界面具有重要借鉴意义。我军应重视EID 理论的研究应用，紧前开展相关研究工作，推进我军T-C4ISR系统建设发展。