美軍戰術級指揮信息系統界面設計的發展及啟示

肖 彬，李琳琳，張文瑾

（1.火箭軍工程大學，西安 710025；2.解放軍96941 部隊，北京 100085）

0 引言

現代戰爭呈現快速化、智能化趨勢，戰場信息復雜、戰場環境多變，一線指揮人員認知能力不足的“瓶頸”日益顯現。戰術級指揮信息系統（Tactical-C4ISR，T-C4ISR）界面應高效簡潔，直觀展現戰場態勢和任務信息。除遵守風格一致、界面簡潔、人為可控等界面設計一般原則外，T-C4ISR 系統界面設計還應貼合指揮人員認知，直接面向指揮決策，滿足作戰任務需求，避免傳統T-C4ISR 系統界面數據信息龐雜、功能結構分散、操作流程繁鎖、面向任務單一等問題。

美軍針對上述新需求，發展了T-C4ISR 系統界面設計理論，采用生態界面設計理論完成了RAPTOR 系統界面設計，具備貼合認知、高效感知、便捷決策的特點，有效提高了戰術指揮人員戰場感知和指揮決策能力，對我軍T-C4ISR 系統建設發展具有一定的借鑒意義。

1 美軍T-C4ISR 系統界面設計理論

美軍于1994 年首次提出數字化戰場概念，致力于建設戰場作戰指揮系統［1］。T-C4ISR 系統作為其中重要組成部分，其界面設計工作一并展開。目前，美軍T-C4ISR 系統界面設計主要采用了兩種不同的界面設計理論，分別體現在兩種T-C4ISR系統中。

1.1 FBCB2 系統界面

美陸軍于1997 年提出了“21 世紀部隊旅及旅以下作戰指揮系統”（Force XXI Battle Command Brigade and Below，FBCB2）的概念，增強了戰術指揮人員戰場態勢感知能力［2］。FBCB2 系統界面設計中，采用圖形用戶界面（Graphical User Interface，GUI）理論，以確保系統研發效率和使用質量。

GUI 是一種采用圖形方式顯示的計算機操作用戶界面，用戶通過使用類似鼠標的輸入設備來操作屏幕上的圖標、菜單、窗口等界面顯示元素，實現選擇命令、調用文件、啟動程序或執行各種日常任務的功能［3］。與以文本方式作為工作元素的命令行界面（Command Line Interface，CLI）相比，GUI 更人性化，對用戶更加友好，滿足用戶個性化的界面需求。目前，大多數T-C4ISR 系統均采用GUI 設計理論。

FBCB2 系統界面［4］（如圖1）設計中，GUI 理論主要體現在3 個方面［10］：一是類比表達，為界面對象和工作域對象之間建立起一對一映射，如圖1 中等高線表示地形的設定；二是隱喻表達，對象間不是一對一映射關系，但它們提供的信息更具象征性，如圖1 中用橢圓代表坦克履帶表示坦克分隊；三是字母數字，如用“B”代表“旅”，“T”代表“坦克”，與前兩種方式相比，這種表達與對象缺乏視覺相似性，其表達含義取決于系統初始定義。

FBCB2 系統界面受到了Bennett 等專家的批評［10］。Bennett 等人指出，依據傳統GUI 理論設計出的界面把強大的圖像表現功能都浪費在與工作域毫不相關的圖形表達上，而信息傳遞效率卻很低。因此，Bennett 等人將這種界面評價為“無用用戶圖形界面”。

圖1 美軍FBCB2 系統基本界面

1.2 RAPTOR 系統界面

針對FBCB2 系統界面設計中的問題，美軍應用了一種基于認知系統工程（Cognitive Systems Engineering，CSE）技術框架的界面設計理論體系——生態界面設計（Ecological Interface Design，EID）理論，并成功設計出了“戰術作戰資源輔助表達系統”（the Representation Aiding Portrayal of Tactical Operations Resources，RAPTOR 系統）界面，如圖2 所示［10］。

圖2 美軍RAPTOR 系統界面

RAPTOR 系統界面主要由我軍戰斗資源、敵軍戰斗資源、敵我力量對比、空間同步網格、時間同步網格等界面組件和一些功能按鈕組成。設計突破傳統GUI 僅關注界面表達的局限，而是對戰術指揮人員認知能力深入思考，聚焦于更好地“支持任務中戰術指揮人員的決策制定或問題解決”［10］。通過界面設計，達到了全面描述任務信息和符合戰術指揮人員認知特征的目的，提高了戰術指揮人員指揮決策水平。但相較于傳統GUI 理論，應用EID 理論需要融合人因工程、工程心理、軟件工程等多學科，占用資源更多，設計過程更復雜，周期長、成本高，因此，對于開發周期短、生產任務重的裝備研制具有較高難度，因此，美軍也尚處于研究探索階段。

1.3 試驗中兩種界面的表現

RAPTOR 系統界面研發階段，美陸軍組織進行了一系列的試驗［10，12］，鑒定RAPTOR 系統和FBCB2系統兩種界面對戰術指揮人員指揮決策的支持程度。在2010 年一項試驗中，工程人員設計了一個實戰場景，對RAPTOR 系統界面和基本界面（模仿FBCB2 界面功能）進行了比較試驗。16 名經驗豐富的指揮員參加了這項試驗。科研人員通過作戰情況報告、關鍵任務監測、指揮決策考核、任務負荷評估等方式，獲得了參試者試驗中表現。作戰情況報告測試中，RAPTOR 系統界面使用者在基本界面使用者所用時間的一半時長內，得到了兩倍準確率的數據信息，如下頁圖3 所示。其他測試中，RAPTOR 系統界面表現也明顯優于基本界面。由此可見，在T-C4ISR 系統界面設計中，EID 理論確實比傳統的GUI 理論更有優勢。

2 生態界面設計（EID）

生態界面設計（EID）由Rasmussen 和Vicente在1989 年首次提出，并進行舉例、闡述［5-8］。EID 理論的基本目標是轉變復雜人機系統中操作人員工作的行為類型——從利用有限認知資源的活動轉變為充分利用強大感知和行動能力的活動。EID 主要圍繞著復雜人機系統界面設計的3 個關鍵問題展開：1）如何完整描述工作，2）如何有效表達信息，3）如何更好設計界面。前兩個問題的解決方案構成了EID 的理論基礎，第3 個問題的解決方案形成了EID 的核心設計原則，如圖4 所示。

圖4 生態界面設計（EID）理論框架

2.1 理論基礎

作戰行動中，戰術指揮人員處理的事件可分為三類［7］：1）熟悉事件，即戰術指揮人員經常遇到，可熟練處理的事件；2）陌生事件，即可預見但很少發生，戰術指揮人員缺乏相關經驗，但可按照預想方案處理的事件；3）未知事件，即極少發生并無法預想，戰術指揮人員獨立決策處理的事件。因此，一個有效的T-C4ISR 系統界面應不僅能夠全面描述作戰任務信息，還要高效向戰術指揮人員傳遞信息，為處理3 種事件提供完整信息支持。EID 的兩項理論基礎——抽象層級（The Abstraction Hierarchy，AH） 和技能、規則和知識（Skill-，Rule-，Knowledge-based behavior，SRK）框架為解決這兩個問題提供了方案。

2.1.1 抽象層級結構（AH）

抽象層級結構是用于構建工作域模型的分析工具［8］，它可被定義為一種多層級體系框架。其中，較高層級用來描述工作域中功能性信息，較低層級用來描述工作域中物質性信息，上下層級間使用手段- 目的（means-end）連接進行關聯，使層級結構更具導向性，為處理事件提供更多支持。

RAPTOR 系統界面設計中，工程人員將戰術行動指揮控制工作域分解為如表1 所示的五級抽象層級結構［10］。其中，作戰目標和任務約束是最高層級，包含任務計劃和目標、潛在損失、公眾認知等內容，通過這一層級容易掌握作戰任務的概況，因此，具有最高認知辨識程度；戰場環境屬性是結構最底層，包含作戰單元位置、地形特征和天氣情況等要素，通過這一層級戰術指揮人員幾乎無法形成對作戰任務的直觀印象，因此，具有最低認知辨識程度。各層級之間通過手段-目的方式進行連接，上一層級是下一層級中活動的依據，下一層級為上一層級活動提供約束。例如，戰術指揮人員在生成策略（表1 中第二層級）時，必須將作戰目標和任務約束（表1 中第一層級）作為策略的總出發點，而將戰術分隊能力（表1 中第三層級）作為生成策略的限制條件。通過建立抽象層級結構，RAPTOR 系統界面為戰術指揮人員提供了處理未知事件的信息基礎，并為處理作戰中各類事件提供了引導幫助。

表1 戰術行動期間軍事指揮和控制的工作域抽象層級結構

2.1.2 技能、規則和知識（SRK）框架

技能、規則和知識（SRK）框架［10］是系統可靠性和認知工程領域中一個被廣泛接受的用于描述人們信息處理機制的框架。其基本內容是：信息可以用3 種不同的方式解釋，即信號、記號或符號；工作中信息的表達方式決定了3 種認知控制模式中哪一種被激活，這3 種認知控制模式分別為基于技能的行為（Skill-based behavior，SBB）、基于規則的行為（Rule-based behavior，RBB） 和 基 于 知 識 的 行 為（Knowledge-based behavior，KBB）。其中，KBB 關注基于符號表示的分析問題解決，而RBB 和SBB 則關注對現象的感知和行動。三者的區別和關系如表2 所示。

表2 SBB、RBB、KBB 的比較

多數研究表明，操作人員傾向于應用較低水平的感知處理模式（即RBB 和SBB）。界面設計中充分利用這一傾向，會帶來巨大效益，反之，將會在系統運行中產生嚴重錯誤。但即使信息形式可直接感知，復雜任務也會引起操作人員激活高層次的認知控制模式。因此，界面設計應充分考慮前述傾向，同時為高水平認知控制（KBB）提供支持［7］。

RAPTOR 系統界面設計中，工程人員引入SRK框架，將戰術指揮人員面臨的任務，按照激活認知控制模式水平的不同進行分類，并將最大程度地激活戰術指揮人員感知處理模式作為目標。設計還充分考慮未知事件因素，在界面中提供了抽象層級結構中所有級別的關鍵信息。

2.2 核心設計原則和方法

EID 理論中，設計人員應將工作域完整地映射到界面上，以便被操作人員感知，而不需要再次處理。這就是EID 理論的核心設計原則——直接感知，該原則將界面設計的最終目標定義為把認知任務轉變為感知任務。根據這一原則，在界面設計中涉及3 種映射：內容映射、形式映射和語義映射［9］。其中，內容映射反映有效控制系統所需信息在界面中的涵蓋程度，可以通過抽象層級結構來提高映射的質量；形式映射反映操作人員準確獲取界面信息的難易程度，也可解釋為界面信息能夠被直接感知的效率；語義映射則將內容映射和形式映射進行融合，直接改善操作人員實踐表現。

RAPTOR 系統界面各組件中均體現著直接感知的核心原則，以敵我力量對比界面組件為例［10］。圖5A-D 依次為一個作戰過程中隨時間變化的敵我力量對比情況，組件右側表示當前敵我力量對比情況，左側部分記錄力量對比變化趨勢，其中，左下方代表敵軍力量優于我軍，左上方代表敵軍力量不如我軍。這種界面表達能夠使戰術指揮人員直接獲取敵我力量對比情況和趨勢，無需通過二次認知即可決定作戰策略延續或變更，使用傳統界面則需要占用更多時間和認知資源才能達到同樣目的。

圖5 敵我力量對比和敵我力量對比趨勢

3 啟示及展望

雖然EID 理論在美軍各類T-C4ISR 系統中并未全面推廣，但美軍卻非常重視相關研究。Bennett更將RAPTOR 系統界面稱贊為當前“軍事指揮控制界面的最高水平”。目前，下一代美軍T-C4ISR系統界面已應用EID 理論成果開展設計，相關理論對我軍T-C4ISR 系統建設具有較好的借鑒意義，具體如下：

3.1 EID 理論對我軍T-C4ISR 系統界面設計的啟示

RAPTOR 系統界面的成功源于美軍對界面作用的深刻認識：界面作為人機交互的媒介，直接影響系統功能發揮。我軍缺乏對T-C4ISR 系統界面設計問題的關注，只是單純將傳統界面設計方法應用于T-C4ISR 系統界面設計，將指揮流程作為系統界面設計的主要依據，忽視戰術指揮人員認知能力的局限，無法滿足T-C4ISR 系統高效簡潔、輔助決策的需求。

我軍應重視T-C4ISR 系統界面設計，區分戰術級與其他層次C4ISR 系統界面設計的不同需求。設計中貫徹服務作戰、提升指揮決策水平的總目標，突破任務鏈條的傳統設計思維，重組界面結構，依托抽象層次結構為戰術指揮人員處理事件進行引導幫助；同時充分考慮人的因素，利用直接感知原則，減輕戰術指揮人員認知負擔，降低界面內容復雜性，增強界面信息融合能力，提高人機耦合程度，設計出高態勢呈現、高決策支持的系統界面。

3.2 下一步可以開展的主要工作

EID 理論內容豐富，在T-C4ISR 系統中應用前景廣闊，可以開展研究的內容主要集中在以下幾個方向：

1）針對典型戰術任務特點，梳理任務中具有不同認知辨識度的影響因素，構建戰術任務抽象層級結構，展現戰術任務約束和層級間手段-目的聯系，為戰術指揮人員指揮決策提供引導幫助，為T-C4ISR 系統界面設計提供依據。

2）結合典型任務中戰術指揮人員需求，盡量將與該任務高關聯信息整合到同一界面中，對界面功能進行優化重組，保證界面直觀高效，符合戰術指揮人員認知特點，支持高效態勢感知和快速指揮決策。

3）受戰術指揮人員認知能力及指揮終端展現模式的約束，開展戰場態勢表達方法研究，基于EID理論直接感知原則對界面模塊進行再設計，通過數據可視化、多通道融合感知等技術，直觀呈現與指揮決策緊密關聯的戰場態勢，減輕戰術指揮人員認知負擔。

4）在傳統人機界面評價方法基礎上，加入有效感知和支持決策等評價指標，開展基于EID 理論的T-C4ISR 系統界面試驗方法研究，設計相關試驗方法和指標體系，完成對T-C4ISR 系統界面應用效果評價。

4 結論

EID 理論作為一種針對復雜人機系統的界面設計理論，具備高效利用感知能力、緊密貼合用戶認知、全面支持用戶決策等特點，能夠設計出全面覆蓋任務約束、符合操作人員認知特征的人機界面，在T-C4ISR 系統界面設計中具有很高的應用價值和廣闊前景，對于我軍目前采用的傳統GUI 理論界面具有重要借鑒意義。我軍應重視EID 理論的研究應用，緊前開展相關研究工作，推進我軍T-C4ISR系統建設發展。