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摘 要：本文从交互设计要素入手,以降低用户的认知负荷水平、提高人机系统工作绩效为目的,对雷达任务编排系统界 面的设计展开研究。以某雷达任务编排系统为研究载体,提出了交互设计策略和方法,并进行交互设计实践。最后通过 NASA- TLX 主观量表和任务绩效法对设计前后的系统分别进行对比测试。实验结果显示,在重新设计的任务编排系统中,被试的认知 负荷明显低于原系统,证明了设计策略的有效性。
关键词：任务编排系统,认知负荷,人机交互,雷达界面
Research on Interaction Design of Observation Arrangement System Based on Cognitive Load
LAN Xinyu1.2. GONG Qian1.2. XIE Huiran1.2. GONG Xiaodong1.2
(1.Beijing Institute of Technology, Beijing 100081;2.Radar Ergonomics Joint Innovation Laboratory, Beijing 100081)
【Abstract】： In order to reduce the cognitive load level of users and improve the performance of man-machine system, this paper studies the interface design of observation arrangement system from the interaction design elements. Taking an observation arrangement system as the research carrier, the strategy and method of interaction design are put forward and the interaction design practice is carried out. Finally, NASA-TLX scale and task performance method were used to compare and test the system before and after design. The experimental results showed that the cognitive load of the subjects in the redesigned observation arrangement system was significantly lower than that in the original system. It proves the effectiveness of information architecture design strategy.
【Key words】： observation arrangement system;cognitive load;human-computer interaction;radar interface
引言
任务编排系统是某测量雷达显控系统的重要组成部 分,主要功能是为操作员制定雷达观测计划提供计算支 持和参考依据。由于一个时段内,需要完成的观测任务 众多而雷达资源有限,因此需要基于一定的算法合理安 排各个任务的执行时刻,并优先跟踪更重要的目标,这 个过程称为“雷达资源调度”[1]。该模块工作的基本逻 辑是由系统基于设计好的算法给出任务的优先级,提 供任务取舍的初步规划,由操作员进行决策确认或者调 整,并给出执行指令。显然,系统信息的组织和呈现 方式会直接影响操作员对信息的感知,影响操作员对 系统任务编排状态的理解,进而关系到决策的效率与可 靠性。
1 认知负荷概述
1988 年 Sweller 基于资源有限理论和图式理论提 出了认知负荷理论。Sweller 认为,人的感觉记忆和短 时记忆的容量是有限的(如图 1 所示),人在认知过程 中需要认知资源总量即认知负荷 [2]。认知资源包括注意 资源和工作记忆,任何与认知相关的活动都会消耗认知 资源,造成认知负荷,当认知活动所需的认知资源超过 人所拥有的认知资源时,就会造成认知负荷超载 [3]。
在与复杂信息系统的交互中,人不仅要浏览和识别 系统界面中的信息,还要回忆系统的操作方式和密码, 并在经验的指导下综合考量和分析计算机提供的各种信 息做出决策。可以将认知负荷理解为操作员在这一系列 复杂的认知活动中投入的认知资源总量,当执行的任务复杂度高、时间紧迫时,容易产生认知资源不足、认知 负荷超载的情况。
2 交互设计要素与认知负荷的关系
信息架构、交互流程、界面布局等交互设计要素对 于用户与系统的交互效率都有直接的影响。
(1) 信息架构的核心思想是通过对信息的组织和信息 空间的构建达到让信息易于查找和理解的目的 [4]。Web 信 息的组织模式(信息分类方式)和层级数量对用户的视 觉搜索效率有明显的影响 [5]。信息架构会影响认知主体 信息识别的时间与准确率,这些指标也在一定程度上反 映了用户在交互过程中所需消耗的认知资源,即认知负 荷水平。(2)交互流程是指用户的操作路径,由用户的 交互动作构成 [6],用户的交互路径则来源于对系统状态 和系统所呈现信息的理解和判断。在设计中要结合用户 的需求和认知能力,通过适时和恰当的反馈推动认知活 动,以此降低用户认知负荷。(3)界面布局会影响用户 对信息的感知和加工过程,是系统信息架构的外在视觉 表达,不同布局类型下的注视时间、注视点数量和视觉 路径有明显差别 [7],布局设计对于用户理解界面信息有 直接的影响 [8]。信息的位置关系与逻辑关系的匹配程度 高,有助于用户对信息的理解,从而降低认知负荷。
总之,基于以上交互设计要素优化雷达显控界面, 是降低操作员认知负荷、提高系统绩效的有效途径。
3 任务编排系统分析
3.1 任务编排流程特点
(1)信息类别和基数大。任务编排列表往往包括数百个任务,形成几十个冲突组,任务和目标的参数也较 多,数据密度大,使操作人员在一定时段内所面临的信 息处理工作量大。(2)循环性。循环性主要指,解决一 部分冲突组后刷新数据可能生成新的冲突组,此时需要 继续任务编排工作,编排工作是循环的、重复的工作, 直至解决所有冲突组,合理进行任务取舍和雷达观测资 源的调配。(3)多阶段多场景。任务编排包括多个阶 段和交互场景,在不同阶段和场景下对信息关注的侧重 点不同,通常在某一个时点,仅关注诸多任务的一个子集,体现出明显的阶段性。
3.2 任务编排系统痛点分析
如图 2 所示是某任务编排的原始界面, 通过流程分 析总结出几点痛点 ：(1)任务数量多、参数多、信息密 度高,界面信息过载,导致较高的认知负荷。(2)信息 搜索困难。信息搜索困难由两方面原因引起,首先是在 任务编排阶段,原系统设计将所有任务全部展开,冲突 组夹在其中,操作员的视线在纵向和横向上均有大范围 的扫描,从表格中搜索所关注的目标信息需要消耗较多 的认知资源 ;其次是原界面的布局逻辑与阅读习惯不匹 配。(3)场景感知度低。主要指系统没有对工作的不同 阶段和场景进行明确的区分,在一些场景下编排结果缺 少直观的反馈,导致用户对系统状态和交互场景的感知 度低。
3.3 任务编排系统交互设计目标
根据以上分析提出任务编排系统的交互设计目标 ：
(1)信息架构 ：基于不同交互阶段,将信息分层以控制 信息流量,降低用户认知负荷 ;(2)交互流程 ：满足不 同场景的需求,建立流畅、精炼有助于推进工作进度的 交互流程 ;(3)界面布局 ：建立符合用户视觉规律和认 知规律的界面布局。
4 任务编排系统交互设计实践
4.1 基于场景感知的交互流程
基于不同场景下的目标,为每个场景设计相对独立 且完整的交互流程,使用户对系统有明确的感知。如 图 3 所示,任务编排包括 3 个主要的交互场景,场景一 是任务编排工作的主线,包括了从新建任务计划到发布 计划的全部工作流程,编排的过程中操作员可能因为其 他任务暂时离开,即第二个场景“继续未完成的计划”; 第三个场景“编辑待执行的任务计划”是指当任务计划 已经编排完成并发布等待执行时,将其撤回再次编辑。 三个场景在流程上有重合的部分,也有独立的部分。重合的部分尽量不增加新的页面和跳转,减少操作步骤。 独立的部分则是场景需求特殊性的体现,可以加强操作 员对系统的感知。
4.2 基于流程和时序的信息架构
4.2.1 基于流程的信息组织方案
任务编排系统的信息体现出明显的阶段性特点,因 此将操作流程的阶段作为划分信息组织方案的依据。主 要的流程包括选择任务计划、筛选并计算冲突、任务编 排、发布和执行 5 个步骤,梳理每个步骤下需求的信息 如表 1 所示。
4.2.2 基于时序的信息组织结构
在基于流程组织方案的基础上,进一步按照处理冲 突组的时间顺序组织信息,通过层级和线性的信息组织 结构实现信息的时序呈现,使操作员专注于当前操作所 需要的信息。
(1)时序结构中的层级结构。层级是信息组织的主 要结构方式,构成了任务编排系统的基本框架。层级组 织结构的顶层是任务编排和任务执行两个部分。任务编 排部分基本按照任务编排的流程来进一步划分层级 ：第 一层是不同场景下的任务编排入口,第二层是各个场景 对应的信息类别,第三层及更深的层次是具体的、详细的 信息内容。如图 4 所示是任务编排系统的层级结构框架。
(2)时序结构中的线性结构。线性结构是指信息随 着用户的操作逐步呈现,完成当前的操作才能看到后边 的信息。从新建任务计划到选择任务编排方案的整个过 程中,各个阶段和子目标的信息逐步呈现,引导操作员 有序地完成编排工作。如图 5 所示是任务编排系统中的 线性结构。
4.3 引导认知的布局设计
布局是表达基于时序的信息架构的重要手段之一。 在任务编排界面中,布局设计有两个目的,一是体现信息的时间层次 ;二是减少无关信息对主要操作的干扰。 基于信息架构的梳理,对任务编排系统进行从结构层的 信息架构到框架层的界面布局的设计,基本的布局和信 息层级如图 6 所示。总体布局分为 3 个基本层次 ：导航 栏、一级信息和二级信息。
4.4 高保真设计
任务计划界面的一级信息区是任务计划列表,包括 执行中的计划、已发布的计划、编排中的计划和新建任 务计划等选项。选择不同的任务计划使得二级信息区会 呈现相应的信息。如图 7 所示,新建任务计划时,右侧 会呈现筛选条件的对话框。
任务计划创建成功后会进入任务编排界面。任务编 排界面中的冲突组信息依照时序分为 4 个信息层次,冲 突组概况是第一层,向操作员说明冲突组的信息容量, 便于估计工作量 ;冲突组列表是第二层,具体展示了每 个冲突组包含的任务数量、解决状态等信息 ;第三层是 某冲突组详细的任务信息 ;最后一层是编排方案。将每 个层次的信息单独置于一个窗口,界面中共有 4 个窗口,如图 8 所示。前两层的信息作为导航和无模态反馈 的形式存在,切换冲突组时界面变化主要发生在后两个 层次,对操作员的注意资源占用较少,在满足信息层次 化的同时达到了降低无关信息干扰的目的。
5 实验设计与评估
5.1 实验思路
A、B 两组被试人员分别使用原系统和设计方案完 成同一任务,通过比较两组的实验结果来验证设计方案 的合理性。若实验 B 的认知负荷水平小于实验 A 的认 知负荷水平,则证明基于认知负荷的任务编排系统界面 交互设计方法的有效性。
实验用的界面分两套,分别用于操作教学和实验。 被试在学习基本的操作和任务编排原理后,完成制定的 任务,具体操作为 ：(1)新建任务计划 ;(2)筛选任务 ; (3)分别为 3 个冲突组选择编排方案 ;(4)更新数据 库 ;(5)确认没有新冲突组产生,发布任务计划。
5.2 评价方法与指标
NASA-TLX 评价量表是目前公认可靠性强、适用范 围广的认知负荷测量方法 [9.10]。本实验通过 NASA-TLX 主观量表评价配合任务绩效法测量被试在操作中的认知 负荷水平。NASA-TLX 量表通过问卷形式发放,要求被 试在完成实验操作后填写,包括 NASA-TLX 量表的 6 项指标评分和权重指标。任务绩效法采集的数据包括被 试完整的操作时间、为冲突组选择编排放方案的时间以 及其他操作的时间。
5.3 实验数据及结果
在每个被试完成任务之后,将采集的数据导出并计 算认知负荷水平和绩效。认知负荷计算分两步进行,首先计算各维度的权重,再计算被试的认知负荷值。权重 的计算公式如式(1)所示,表示各维度在权重比较中 获胜的次数,为各维度总的对比次数 15.接着通过公式(2)计算被试的认知负荷值,指认 知负荷,各维度的评分。
绩效通过计算完成时间得到,包括被试完成任务的 总时间、选择编排方案所用时间和其他操作所用的时间。
认知负荷和操作时间的计算结果如表 2 所示。
由此可得,在完成以截取后时间为编排依据的任务 编排模拟工作中,使用经过重新设计后的任务编排系统 界面的被试,总体认知负荷值和完成任务的时间都明显 低于使用原系统执行同样任务的被试,说明优化后的界 面有效降低了用户的认知负荷水平。
6 结语
军事信息化的发展水平是衡量一个国家军事现代化 的重要指标,对于雷达显控终端的发展,除了技术支 持,优秀的人机交互也是提高系统绩效、充分利用雷达 资源的关键所在。目前军事领域的交互设计研究主要是 商业设计的理论的迁徙,未来仍需要在设计实践中检验这些理论的可行性,并逐渐摸索出适用于军事系统的交 互设计方法。
参考文献
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