基于協(xié)同設計理念的軍事信息系統(tǒng)設計研究

楊建明，李澤航，李冠斌，孫博文

【院士專欄：國防裝備設計與制造】

基于協(xié)同設計理念的軍事信息系統(tǒng)設計研究

楊建明，李澤航，李冠斌，孫博文

（北京理工大學，北京 100081）

探索協(xié)同設計理論在軍事信息系統(tǒng)設計中的應用研究。對軍事信息系統(tǒng)設計中各流程參與者及其需求進行梳理和分析，構建軍事信息系統(tǒng)協(xié)同設計流程，邀請被試人員進行實驗和問卷，通過眼動實驗數(shù)據(jù)分析信息，根據(jù)問卷數(shù)據(jù)驗證數(shù)據(jù)準確性，結合兩種方式評估基于協(xié)同參與的軍事信息系統(tǒng)設計的可行性。實驗證明協(xié)同設計可通過提高設計流程中參與者的參與度來獲取更完整的設計需求，提高軍事信息系統(tǒng)的決策效率，優(yōu)化操作體驗。

軍事信息系統(tǒng)；協(xié)同設計；設計流程

伴隨著信息技術的發(fā)展，我國軍事信息系統(tǒng)信息化進程不斷推進。21世紀初以來，我國軍隊信息化建設以體系構建和技術結合為主，軍事信息系統(tǒng)經(jīng)歷了從無到有，在新發(fā)展階段，仍面臨諸多問題和挑戰(zhàn)，如軍事信息系統(tǒng)設計缺乏流程的合理統(tǒng)籌，參與者需求缺乏準確性，存在效率欠佳、可持續(xù)性不足、溝通性不足等問題。融入?yún)f(xié)同設計理念可有效優(yōu)化軍事信息系統(tǒng)設計流程，完善體系構建，提高可持續(xù)性[1]。

1 研究現(xiàn)狀

協(xié)同設計源于計算機支持的協(xié)同工作（Computer Supported Cooperation Work，CSCW）。CSCW是指在計算機技術支持環(huán)境下，一個群體協(xié)同完成一項共同任務[2]。軍事信息系統(tǒng)，也稱為綜合電子信息系統(tǒng)、C4ISR（Command，Control，Communication，Computer，Surveillance，Reconnaissance，C4ISR）系統(tǒng)，是綜合指揮系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)、偵察系統(tǒng)、監(jiān)視系統(tǒng)及情報系統(tǒng)等大型復雜人機系統(tǒng)[3]。信息系統(tǒng)中的協(xié)同設計研究始于20世紀90年代，斯坦福大學設計研究中心的Cutkosky學者對網(wǎng)絡通信、分布式計算、計算機支持的協(xié)同工作等問題進行了研究[4]。

在國外，Manizni[5]提出協(xié)同設計更像是一場在很多個人和集體之間展開的對話，不同參與者在其所在的節(jié)點發(fā)起設計行動，以不同的方式進行互動。Pelle Ehn等人[6]在關于協(xié)同設計的研究中總結協(xié)同設計的過程具有高度動態(tài)過程、主動創(chuàng)造性活動、借助設計工具等特點，設計師的角色是不同利益方的協(xié)調(diào)人和其他參與者想法的推進者。

在國內(nèi)，時迪[7]在協(xié)同設計的實際情況研究中發(fā)現(xiàn)，參與者之間的關系包括設計師與非設計師之間的溝通、非設計師與非設計師之間的溝通，后者是目前缺失的部分。協(xié)同設計參與者的溝通缺失見圖1。

劉俊先等人[8]在軍事指揮信息系統(tǒng)的需求研究中發(fā)現(xiàn)該類系統(tǒng)主要需求分為使命需求、作戰(zhàn)需求、系統(tǒng)需求、綜合保障需求4個部分，指揮信息系統(tǒng)體系需求框架見圖2。

沈艷麗等人[9]在研究中提出軍事信息系統(tǒng)協(xié)同設計流程主要由需求、體系結構、仿真、評估4大部分組成，各部分有其單獨的運作和流程，軍事信息系統(tǒng)的協(xié)同設計流程見圖3。王書敏等人[10-11]在分析軍事作戰(zhàn)需求論證系統(tǒng)特征的基礎上，提出明確需求的重要性。劉崗等人[12]在研究中提出界面設計的質(zhì)量與其流程密切相關，優(yōu)質(zhì)的設計流程可以得到更好的系統(tǒng)界面，提高使用效率。總之，目前軍事信息系統(tǒng)設計流程偏于傳統(tǒng)，協(xié)同設計視角下的軍事信息系統(tǒng)設計將以提高數(shù)據(jù)處理能效和優(yōu)化操作體驗為目標，將協(xié)同理念應用到當前軍事信息系統(tǒng)設計場景中。

圖1 協(xié)同設計參與者的溝通缺失

圖3 軍事信息系統(tǒng)的協(xié)同設計流程

表1 軍事信息系統(tǒng)設計要素分析

表2 軍事信息系統(tǒng)設計的參與者信息

2 要素分析

數(shù)據(jù)的海量化和多元化使軍事信息系統(tǒng)的發(fā)展要求更加復雜，以往的設計流程暴露了效率低、需求片面、參與度低等問題。在協(xié)同視角下的軍事信息系統(tǒng)設計研究中，針對新的開發(fā)環(huán)境和要求綜合考量參與者、需求和設計流程，軍事信息系統(tǒng)設計要素分析見表1。

首先，在參與者方面，將軍事信息系統(tǒng)研發(fā)流程的參與者按照職能分成3個主要方面，分別是軍隊方面、設計方面、工程方面。其次，在獲取需求方面，調(diào)動3個方面的參與者進行共同聯(lián)系和討論，以獲取完善的信息和需求。第三，在設計流程方面，對每個環(huán)節(jié)及其相關信息逐一分析，發(fā)現(xiàn)流程中存在的問題，通過融入?yún)f(xié)同設計的理念來調(diào)動各參與者共同溝通和解決。

3 軍事信息系統(tǒng)協(xié)同設計研究

3.1 從參與者出發(fā)

在軍事信息系統(tǒng)設計過程中，每一位參與者都十分重要，參與者之間的聯(lián)系方式是溝通。Manzini和Sanders等人[13]曾指出，在未來，協(xié)同設計提倡各環(huán)節(jié)的參與者共同參與。根據(jù)不同職能參與者，可將流程中的參與者信息進行梳理，軍事信息系統(tǒng)設計的參與者信息見表2。

軍事信息系統(tǒng)設計流程中通常遇到溝通性低的問題，不僅存在非設計師與非設計師之間的溝通缺乏，更多是設計師與非設計師之間、多方共同的溝通缺乏。結合時迪研究和表2的梳理，可以得到參與者之間的溝通關系，軍事信息系統(tǒng)協(xié)同設計溝通研究中缺失的部分見圖4。在梳理參與者關系后，發(fā)現(xiàn)參與者的任務即設計需求需進一步研究。

圖4 軍事信息系統(tǒng)協(xié)同設計溝通研究中缺失的部分

3.2 從需求上入手

設計的需求主要服務于用戶，軍事信息系統(tǒng)設計的用戶為軍方，所以該類設計的需求主要為幫助軍事人員更好地完成指揮和作戰(zhàn)目標。張瑞杰等人[14-16]提出設計師在信息系統(tǒng)設計的需求中的主要任務是交互與界面設計，在具有大量數(shù)據(jù)的頁面中使操作人員在更短時間內(nèi)獲取有效信息，要求設計師增加圖形信息的辨識度，注重用戶在界面上的視覺停留時間和響應時間。

根據(jù)劉俊先對指揮信息系統(tǒng)需求描述的理論研究框架，結合設計在軍事信息系統(tǒng)研發(fā)中發(fā)揮的作用，可將需求類型在設計方面進行梳理得到框架圖，軍事信息系統(tǒng)中的設計需求見圖5。高斌等人[17]在關于軍事信息系統(tǒng)開發(fā)流程的研究中提到，設計方面的需求獲取方法眾多，用戶訪談法可以更快速、直觀地獲取信息，驗證獲取的需求通常采用需求評審法。至此發(fā)現(xiàn)，需求復雜且難以快速完整獲取，涉及流程的優(yōu)化問題。

圖5 軍事信息系統(tǒng)中的設計需求

3.3 從流程上發(fā)現(xiàn)

從參與者及其任務的角度出發(fā)，參照軍事信息系統(tǒng)的協(xié)同設計流程圖對每個環(huán)節(jié)逐一分析，發(fā)現(xiàn)以下問題：（1）需求溝通缺失問題。需求部分參與者多為軍隊方面和其他兩者的一方單獨溝通。主要由項目整體統(tǒng)籌問題導致，各部門單位的工作性質(zhì)、模式和時間的不同對協(xié)同參與產(chǎn)生了影響。（2）設計方案溝通問題。體系結構部分參與者主要是軍隊方面和設計方面。主要由該環(huán)節(jié)任務內(nèi)容導致，易出現(xiàn)設計方案難

以實現(xiàn)的問題。（3）系統(tǒng)搭建落實問題。仿真部分參與者多為工程方面和其他兩者的一方單獨溝通。主要由項目的工作安排問題導致，易對需求把握出現(xiàn)偏差，對系統(tǒng)的交互和美觀落實不到位。（4）項目整體效率問題。評估部分參與者多為軍隊、設計和工程方面三者共同溝通。作為總結環(huán)節(jié)，易發(fā)現(xiàn)流程中的遺漏所導致的問題，重新調(diào)整使項目的整體效率降低。

3.4 優(yōu)化軍事信息系統(tǒng)設計思路

根據(jù)前文的研究，分析了軍事信息系統(tǒng)設計流程上的參與者、設計需求和設計流程，發(fā)現(xiàn)在整個項目當中的主要問題可以描述為：參與者的聯(lián)系性較低、設計需求較復雜、設計的流程存在不足。改進方向是，通過提高參與者的參與度來獲取更完整的設計需求，通過強化參與者之間的聯(lián)系來提高整體效率。根據(jù)以上研究，繪制新的思路，軍事信息系統(tǒng)的協(xié)同設計改進思路見表3，將各環(huán)節(jié)的參與者、參與方式、環(huán)節(jié)任務、原有問題、調(diào)整方向進行歸納，并在軍事信息系統(tǒng)設計項目中進行實踐和測試。

表3 軍事信息系統(tǒng)的協(xié)同設計改進思路

4 實驗設計

4.1 實驗目的

通過眼動實驗測試協(xié)同設計對軍事信息系統(tǒng)設計是否具有優(yōu)化作用。實驗平臺為北京理工大學工信部重點實驗室眼動測試環(huán)境，實驗素材為軍事信息系統(tǒng)設計的界面方案。通過被試人員眼球的監(jiān)測數(shù)據(jù)來評價獲取數(shù)據(jù)的效率，結合問卷驗證被試人員所獲數(shù)據(jù)的準確性，兩種方式共同論證基于協(xié)同設計界面的被測人員可更快鎖定有效區(qū)域、準確選取信息、及時做出決策。

4.2 實驗對象

基于課題針對不同參與者，實驗對象共15人，其中軍事人員3人、設計師6人、工程師6人。受測者均無色盲和色弱，視力或矯正視力均在1.0以上。

4.3 實驗過程

本次實驗使用瑞典Tobii公司Tobii Glasses 2眼鏡式眼動儀作為實驗測試儀器，使用Tobii Pro Lab進行實驗數(shù)據(jù)采集與分析，在眼動實驗結束后，立即對被試人員在實驗過程中所查找的數(shù)據(jù)結果進行問卷調(diào)查。

實驗一：大型三屏系統(tǒng)界面實驗。在大型三屏系統(tǒng)中選取其中一個頁面的設計作為樣本，實驗一的樣本見圖6，將基于協(xié)同設計的該界面與其初期版本界面進行對比實驗。

被試人員在同一界面的兩個版本中尋找相同的數(shù)據(jù)量，將界面樣本按同一角度、同一比例展示在相同的屏幕上，形成9個眼動測試AOI區(qū)域。將選定的最低完好率的旅和領導C的在崗情況兩個數(shù)據(jù)量繪制于詞匯圖上，編號為W1、W2；將9個界面區(qū)域，分別編號為P1—P9，實驗一的區(qū)域劃分見圖7。將其排列在一張界面圖上，共計2張。將每個詞匯圖和一張界面圖稱為一組，每組先顯示15 s詞匯圖，再顯示20 s整合圖，任務時間上限為20 s。被試人員在實驗中連續(xù)尋找最低完好率的旅和領導C的在崗情況兩個指標，根據(jù)被試人員在實驗過程中眼動路徑形成的軌跡圖和熱點圖，以及被試人員的平均任務時間、平均凝視時間、平均散點數(shù)及問卷正確率來綜合分析實驗的結果。被試人員根據(jù)數(shù)據(jù)量提示詞尋找界面圖中第一個數(shù)據(jù)量，找到后注視該樣本3 s再尋找第二個數(shù)據(jù)量，以便于后期統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

實驗二：電腦雙屏系統(tǒng)界面實驗。在電腦雙屏系統(tǒng)中選取其中一個頁面的設計作為樣本，實驗二的樣本見圖8，將基于協(xié)同設計的該界面與其初期版本界面進行對比實驗。

被試人員在同一界面的兩個版本中尋找相同的數(shù)據(jù)量，將界面樣本按同一角度、同一比例展示在相同的屏幕上，形成7個眼動測試AOI區(qū)域。將選定的設備不完好數(shù)量和概算比高的項目兩個數(shù)據(jù)量繪制于詞匯圖上，編號為W1，W2；將7個界面區(qū)域，分別編號為P1—P7，實驗二中的雙屏界面劃分區(qū)域見圖9。將其排列在一張整合圖上，共計2張。將每個詞匯圖和一張界面圖稱為一組，每組先顯示15s意象詞匯圖，再顯示20 s界面圖，任務時間上限為20 s。被試人員在實驗中連續(xù)尋找設備不完好數(shù)量和概算比高的項目兩個指標，根據(jù)被試人員在實驗過程中的眼動路徑形成的軌跡圖和熱點圖，以及被試人員的平均任務時間、平均凝視時間、平均散點數(shù)及問卷正確率來綜合分析實驗的結果。被試人員根據(jù)數(shù)據(jù)量提示詞尋找界面圖中第一個數(shù)據(jù)量，找到后注視該樣本3 s再尋找第二個數(shù)據(jù)量，以便于后期統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

圖6 實驗一的樣本

圖7 實驗一的區(qū)域劃分

圖8 實驗二的樣本

圖9 實驗二中的雙屏界面劃分區(qū)域

圖10 實驗一的界面數(shù)據(jù)

圖11 實驗二的界面數(shù)據(jù)

實驗一結束后，將全部數(shù)據(jù)進行處理，實驗一眼動數(shù)據(jù)見表4，實驗一的界面數(shù)據(jù)見圖10。根據(jù)測試

數(shù)據(jù)可得，被試人員的平均完成任務時間從19.55 s到11.54 s有明顯縮短；在任務過程中對有效數(shù)據(jù)所屬區(qū)域平均凝視時間更加集中；對無效數(shù)據(jù)所屬區(qū)域凝視時間的注視點數(shù)目顯著減少且眼動路徑無往復掃視。綜上，根據(jù)平均完成任務時間及每個AOI的平均凝視時間、平均散點數(shù)綜合分析，被試人員在基于協(xié)同設計的界面中找到數(shù)據(jù)的速度更快，完成任務效率更高。

實驗二與實驗一的數(shù)據(jù)處理方法相同，將全部數(shù)據(jù)進行處理，實驗二眼動數(shù)據(jù)見表5，實驗二的界面數(shù)據(jù)見圖11。根據(jù)測試數(shù)據(jù)可得，被試人員的平均完成任務時間從19.38 s到9.50 s有明顯縮短；在任

務過程中對有效數(shù)據(jù)所屬區(qū)域平均凝視時間更加集中；對無效數(shù)據(jù)所屬區(qū)域凝視時間的注視點數(shù)目顯著減少且眼動路徑無往復掃視。綜上，根據(jù)平均完成任務時間及每個AOI的平均凝視時間、平均散點數(shù)綜合分析，被試人員在基于協(xié)同設計的界面中找到數(shù)據(jù)的速度更快，完成任務效率更高。

從問卷結果統(tǒng)計來看，被試人員在兩個實驗中的原界面中找到的數(shù)據(jù)量均存在錯誤，在基于協(xié)同設計的界面中找到的數(shù)據(jù)量僅有一個未達100%正確率，兩個實驗的問卷數(shù)據(jù)見圖12。根據(jù)實驗和問卷所得數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，原本單項溝通的設計流程改為協(xié)同方式后，重新設計的界面在使用體驗和工作效率上有著明顯提高。基于協(xié)同設計的界面在流程上3個不同階段的優(yōu)勢：（1）在前期階段，設計需求及其實現(xiàn)方式更加明確，降低流程時間成本；（2）在設計階段，可有效結合設計和技術的優(yōu)勢將需求更好地轉化；（3）在使用階段，操作者可更快捷直觀地找到所需數(shù)據(jù)或信息，及時分析戰(zhàn)況做出決策。

表4 實驗一眼動數(shù)據(jù)

圖12 兩個實驗的問卷數(shù)據(jù)

表5 實驗二眼動數(shù)據(jù)

5 結語

在我國軍事信息化進程中，信息系統(tǒng)設計越發(fā)重要，優(yōu)化系統(tǒng)設計是提高信息化進程質(zhì)量的有效手段。本文從參與者出發(fā)，從需求上入手，從流程上發(fā)現(xiàn)以往軍事信息系統(tǒng)設計流程中所存在的問題，對協(xié)同設計理念的融入和應用進行研究。通過實驗和問卷評估驗證協(xié)同設計理念在軍事信息系統(tǒng)設計中的應用效果。在理論層面，通過梳理軍事信息系統(tǒng)設計中的參與者、設計需求及設計流程，明確了軍事信息系統(tǒng)設計中協(xié)同參與的重要作用和意義。在實踐層面，通過協(xié)同設計的手段獲取多角度需求并更好地實現(xiàn)，有效提高了系統(tǒng)決策效率和操作體驗。該研究為后續(xù)相關領域設計提供了較好的案例說明。

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Military Information System Design Based on Collaborative Design Theory

YANG Jian-ming, LI Ze-hang, LI Guan-bin, SUN Bo-wen

(Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

This paper aims to explore the application research of collaborative design theory in the design of military information systems. The participants involved in the design of military information systems and their needs are combed and analyzed; the collaborative design process of military information systems is constructed; the subjects are invited to participated in experiments and questionnaires. It adopts two approaches, including the data analysis information done by means of eye-moving experiments and the data accuracy verification according to the questionnaire data, to evaluate the feasibility of military information system design based on collaborative participation. Experiments show that collaborative design can obtain more complete design requirements by increasing the participants’ involvement in the design process, improve the decision-making efficiency of military information system, and optimize the operating experience.

military information system; co-design; design process

TB472

A

1001-3563(2022)02-0001-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.02.001

2021-08-09

北京理工大學青年教師學術啟動計劃（XSQD-202118001）

楊建明（1964—），男，河北人，博士，北京理工大學教授、博士生導師，主要研究方向為工業(yè)設計。

孫博文（1982—），男，山東人，博士，北京理工大學助理教授，主要從事工業(yè)設計、交互設計和社會創(chuàng)新設計方面的研究。