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爱游戏app客户端:情境认知系统_the_意识_of
发表日期:2022-05-05 07:42:02 | 来源:ayx爱游戏体育官网 作者:爱游戏电竞在线>  

  前雷鸟飞行队的领队和美国空军参谋长(1990年-1994年任期)Merrill McPeak认为区别一个好的战斗机飞行员与一个伟大的战斗机飞行员的一个标准就是是否具有情境意识(Situational Awareness, 简称SA)。Merrill McPeak认为如果一个飞行员能够对近期刚刚过去的情景和当前的情景在头脑中建立和保持准确清晰的画面,那么他就能创造出辉煌的战绩。既然情境意识那么重要,那它究竟是什么呢?

  在第一次世界大战期间,Oswald Boelke提出了这样的观点“在敌人意识到我们之前获得对敌人意图的意识是非常重要得,因此我们迫切地需要找到实现这个目的的方法”,这就是情境意识概念的雏形定义。在二十世纪八十年代之前,这个思想并没有获得太多的重视,但是,自从20世纪80年代后期以来,这个思想已成了最受人-机-环境系统工程学中人机交互研究领域关注的问题之一。确切地说,对这个问题的原始动力源自于航空工业的要求:随着航空设备自动化/智能化水平的不断提高,飞行员及空中交通管制人员的任务、时间压力很大(即人的体力负荷下降、心理负荷增加的现象变得更加突出),这就要求他们应具有更好的情境意识以应对日益复杂的监视/控制操作。因此,对情境意识的研究在航空人机交互领域已成了一个极有发展前景的研究方向。

  结合上面提到的三个情境意识定义,我们可以看出,Endsley1988年的定义主要强调当前情境的感知、理解及未来发展预测;相比之下,Smith与Hancock1995年的定义则侧重于人与情境之间的交互,主要集中于两者之间有机协调作用的方法;而Bedney和Meister 1999年提出的定义则主要着重于情境意识产生反射的方面,尤其是涉及到了对当前系统理解的心理关系模型。这些定义之间的主要区别是:它们对决定情境意识的交互特性侧重的程度不同,这种区别也可以根据是侧重情境意识的过程还是情境意识的结果来衡量,而这两者很可能对正确地理解情境意识都起着重要作用。

  尽管情境意识作为人机交互领域中非常常见的概念,但是它仍然缺乏统一的严格定义,几乎每个学者或对此都可能有不同的定义。然而,作为把人、机和环境之间的交互作为一个整体来进行分析的集成概念,它仍具有基本的可描述性:一般而言,通过情境意识这个概念可以把人的能力、经验、目标驱动行为、信息环境、资源约束及其它们之间的相互关系有机联系成为一体。但情境意识本质上不是决策或执行行为,例如,人可以存在这样的情形:有较高的情境意识,但执行行为的绩效却较差(较差的反应);有较低的情境意识,但执行行为的绩效却较好(较好的反应)。这是由于有许多其他的因素(如决策产生偏差,执行反应失误等)会影响情境意识的处理过程。

  我们研究的情境认知(situation(al) cognitive,SC)与情境意识(SA)不完全相同,它不但包括情境意识,而且还包括决策、执行行为等因素。它们之间的关系详见图1所示:

  从上图可以看出:在信息处理过程中,情境意识(SA)只属于中间处理阶段,而情境认知(SC)则贯穿了整个信息处理过程,即包括了信息的输入、中间处理和信息的输出三个阶段,因而可以宏观地说,对情境认知(SC)的研究就是对以“人”为核心的人、机、环境三者之间关系及其最佳匹配研究,同时也是人机交互界面(如汽车、飞机等驾驶室显示/控制面板)优化设计的基础和根据,是保障人员安全和提高训练效率的重要手段,是涉及到研究新一代高性能军用、民用飞机亟待解决的重大安全技术问题。对交通运输、智能家居、机器人的智能化/情感化、工业设计/控制、空中交通管制员/飞行员的科目训练等相关的研究领域都有着现实意义,尤其是对当前高新技术中的人机系统功能优化设计与配置方面有着重要的现实指导意义。

  图3说明了OLIPSA模型的功能方块图,具有四个阶段处理器结构:(1)一个事件检测器;(2)一个当前情境评估器;(3)一个未来情境预测器;(4)一个发生事件环境处理器。

  下面将结合我们的研究进行以下几个问题的探讨:情境认知究竟是什么;有关情境认知的影响因素;有关情境认知的定性模型分析。

  当前,情境觉知是一个在人机交互工效领域文献中非常常见的概念,但缺乏统一的严格定义,几乎每个学者对此都可能有不同的定义。但是,作为把人、环境情形和系统状态之间的交互作为一个整体来进行分析的集成概念,它具有基本的可描述性。当前的最基础的研究工作就是通过对情境认知影响因素的系统分析实现概念定义,以便于对其进行定性分析、定量评价。

  从航空领域来看,通过情境觉知这个概念可以把飞行员的能力、经验、目标驱动行为、信息环境、资源约束及其它们之间的相互关系有机联系成为一体。但情境觉知不是决策、工作负荷或行动执行。例如,可以存在这样的情形:有较高的情境觉知,但行动执行却较差(较差的反应执行);有较低的情境觉知,但行动执行却较好(如自动驾驶飞行)。这样当一个驾驶员的情境觉知驱动实现执行的决策和反应时,有许多其他的因素(如决策产生偏差,执行反应失误等)会影响这些处理过程。

  我们研究的情境认知(situation(al) cognitive,SC)与情境觉知不完全相同,它不但包括情境觉知,而且还包括决策、工作负荷或行动执行等因素。情境认知被认为是操作者与有关的系统及环境之间交互所产生的一种综合作用。获得并保持情境认知的影响因素有很多,既包括内在的(人的认知活动)也包括外在的(环境及系统),也有直接或间接之分,详见以下各表:

  高层加工:其主要活动包括保持情境认知,即保持决策和动作的优先次序、子任务的有机整合以及监视任务变化的预示。

  中层加工(信息处理):通知观测者,环境中的成分是什么、在哪里、什么时间出现。

  Finnie和Taylor(1998)根据Power的感知控制理论提出了一个情境认知模型。感知控制整合模型的主要思想在于情境认知是由行为控制的。与感知控制理论类似,情境认知的获取与保持是从减小实际与期望的误差行为中得来的。

  Endsley于2000年明确地提出人对环境中有关成分的感知是形成情境觉知的基础,决策、动作执行被看成是与情境觉知不同的阶段。人们情境觉知的活动不是一成不变的,这可能与内在能力、经验和练习程度有关;另外,人们的某种目的与计划也可能使对环境的感知和分析受到影响;任务系统与环境中的其它因素(如工作负荷、压力、系统复杂性等)对情境觉知也产生重要的影响。

  通过实验和现场调查分析,我们认为高级飞行员存在着情境觉知“跳蛙”现象,即从感知刺激阶段直接进入预测规划阶段(跳过了综合理解阶段),这主要是由于注意和环境任务的驱动引起的,他们进行的是信息的关键特征搜索,而不是整个客体的搜索。与一般飞行员的情境觉知相比,他们SA的采样更离散一些,尤其是在感知刺激后的信息过滤中,表现了较强的“去伪存真、去粗取精”的能力。对于每个刺激客体而言,既包括有用的信息特征,又包括冗余的其它特征,而高级飞行员具备了准确把握刺激客体的关键信息特征的能力(可以理解为“由小见大”的能力),所以能够形成跳跃式扫视、立即规划预测的情境觉知能力。对于一般飞行员来说,由于没有形成高级飞行员所具备的情境觉知能力,所以觉察到的刺激客体中不但包括有用的信息特征,又包括冗余的其它特征,所以扫视范围较大,并需要综合理解那些被感知的信息,然后才能预测规划。与高级飞行员相比,信息采样量大,情境觉知比较连续渐进(速度较慢),具体如图7所示:

  在有时间、任务压力的情境下,经验丰富的高级飞行员常常使用基于认知(而不是基于评估)的决策策略。事实上,他们是基于以前的经验进行反应和行动,而不是通过常规统计的方法进行决策选择。基本认知决策中的情境评估是基于图式和脚本的。图式是一类概念或事件的描述,是形成长期记忆组织的基础。在“Top-Down”处理过程中,被感知事件的信息可按照最匹配的存在思维图式进行映射,而在“Bottom-Up”处理过程中,根据被感知事件激起的思维图式调整不一致的匹配,或通过积极的搜索匹配最新变化的思维图式结构。

  我们建立的SC多级触发模型与Endsley模型不同之处在于:SC的三个阶段之间的关系是递进触发式的,即只有当环境信息达到一定的数量/质量要求时,感知阶段才可能起作用并把信息传输到一个信息“过滤器”(过滤器的基本功能是让指定的信号能比较顺利地通过,而对其他的信号起衰减作用,利用它可以突出有用的信号,抑制/衰减干扰、噪声信号,达到提高信噪比或选择的目的)中;只有经过过滤后的有效信息达到一定的阈值时,才能实现有效信息的综合理解阶段;然后,通过与长时记忆中存储的经验图式匹配产生“Top-Down”处理过程(基于联想、程序)或面对当前情境刺激(包括短时记忆中的存储信息)直接进行“Bottom-Up”处理过程(基于分析),信息经过这样两个过程或(它们的)复合处理并达到一定的临界值后,规划预测阶段才能够正常进行;最后,对情境规划预测的指令分成两路,其中一路形成反馈,对感知、综合理解、预测规划等阶段进行修正,另一路形成决策输出并实现行为控制。

  面对同样的情境信息成分,高级飞行员与一般飞行员表现出的觉知过程(如信息的接受、处理、加工)是不同的,这种现象不妨称为“信息不对称”现象。这主要是由于许多高级飞行员使用的是基于经验性思维图式/脚本的认知活动,这些图式/脚本认知活动是形成自动性模式(即不需要每一步都进行分析)的基础。另一方面,高级飞行员有时也要被迫对特定的情境做有意识的分析(自动性模式已不能保证准确操作的要求)。高级飞行员很少把注意转移到诸如驾驶的基本技巧或显示/控制位置等因素上,这将会减小他的分心。

  这种现象也许与训练规则有关,因为在规则中一般飞行员被要求依程序执行,而规则程序设定了触发其情境认知的阈值(即遇到规定的信息被激或);而熟练驾驶员通过大量的实践和训练经验,形成了一种内隐的触发情境认知阈值(即遇到对自己有用的关键信息特征就被激活,而不是规定的)。

  利用“Top-Down”处理过程,飞行员的注意和规划可以在SC第一阶段发生时就朝向环境的有关方面,然后,根据目标综合理解信息形成SC第二阶段。与这些“Top-Down”过程并行,“Bottom-Up”处理过程也产生了。例如,环境中变化的趋势及模式意味着新的规划必须适应新的注意需要,这就需要飞行员当前的注意和规划要随着环境的变化而变化。而且,飞行员的注意(即从众多竞争目标中挑选出的最重要的目标)将指引向最适合的思维模型或图式的选择,进而使两者相匹配以实施规划预测(SC第三阶段)。

  在大多数正常情境下,飞行员按“Top-Down”处理过程达到目标;而在不正常或紧急情境下,飞行员可能会按“Bottom-Up”处理过程达到新的目标。无论如何,飞行员应在情境中保持主动性的(前摄的)(如使用前馈控制策略保持在情境变化的前面)而不是反应性的(如使用反馈控制策略跟上情境的变化),这一点是很重要的。这种主动性的(前摄的)策略可以通过对不正常或紧急情境下的反应训练获得。

  情境认知理论与情境认知定义的概念、方法有着密切地联系。三个主要的理论方法是:信息处理方法、行为方法、生态关系(人与环境之间的关系)方法。信息处理方法已由Endsley(1995)用三级情境觉知模型较好地得到描述,这种方法把一个发展的情境认知看作高层的认知处理行为。而行为理论方法仅把情境认知看作有意识的朝向动态反应行为(如Bedny和Meister所描述的那样, 1999)。感知循环模型把情境认知看作是人与所处环境间的一个动态交互作用,这种方法的支持者建议把情境认知定义为这种交互作用的前后关系(Smith和Hancock, 1995;Adams等,1995)。下面将针对这三种观点依次进行说明。

  Endsley的三级情境觉知模型最初就是应用在理解航空任务方面(如飞机驾驶和空中交通控制这些要求操作者根据不断变化的环境进行觉知的动态刷新领域)。该模型被分成三级,每一阶段都是先于下一阶段(必要但不充分),该模型沿着一个信息处理链,从感知通过解释到预测规划,从低级到高级,具体如下:

  这是情境觉知最低的一级,收集的都是最原始的信息数据。为实现情境觉知,首先应对环境中各相关成分的状况、属性及动态特性进行感知。对于驾驶员而言,需要精确地觉察飞机控制的有关信息(如空速、位置、高度、航线、航向等)、地形、气候变化、空中交通控制许可、紧急通告及其它的有关信息。

  情境的综合理解是基于对第一阶段中各杂乱无章成分的综合(尽管不必要)。情境觉知第二阶段不仅是简单地意识到这些成分,而是根据相关的任务,驾驶员充分理解了这些成分所具有的意义,并迅速将其综合形成一幅清晰而又完整的情境图式(如在燃料允许的情况下的时间、距离,受到威胁的战术情形,任务状况等)。按照这种方式,飞行员可以判断其采取的措施是否能够起到应有的效果。Endsley认为这种能力的大小程度是衡量一个飞行员是否熟练的一个标志。尽管学员可能与有经验飞行员在第一阶段能力差不多,但在第二阶段能力却要低于经验飞行员。

  这是情境觉知最高的一级,基于情境认知第二阶段形成的情境状况图,对环境中各成分将来的(至少是短期的)变化状况预测并以此规划出相应的对策过程(如预测飞机相撞的可能性),以便及时处理,就构成了情境认知第三阶段(也是最高的阶段),其精确度依赖于第一、二阶段的精确度。

  对该模型的说明可以参照图9。如图9所示,情境认知内嵌于动态系统中一个人的认知行为模型中。Endsley已经简要地说明了情境觉知是怎样受任务因素和个体因素影响的。这说明了为什么两个人面对相同的任务可能得出不同的结论,这可能与人的不同能力、经验、训练有关。

  该模型表明随着信息在较高级处理,觉知程度越来越高。她指出综合理解需要用知识和目的来整合外部的数据,依次通知被预测的情形。这个模型基于普通的认知过程,适用于多个应用领域。在动态系统中,Endsley建议应根据系统的具体子类(如模式觉知、空间觉知、时间觉知)进行有区别地处理。

  第二种方法基于行为理论(如Bedny和Meister所描述的那样)。该理论提出了由八个主功能块组成的朝向行为函数模型。这是一种交互式、认知、子(次)系统方法。作为一个信息处理方法,它与传统的认知心理方法不同,不是对感知、记忆、思维和行为执行的具体处理,而是依赖于任务的性质和个体的目的进行的处理。这种观点看上去与认知心理学的矩阵方法类似,由过程的两个主要维度和功能构成。在情境评估方面,Bedny和Meister主张功能块必须朝向该情境的含义理解任务。他们的模型的八个功能模块通过前馈和反馈循环进行连接,如图10所示:

  如图10所示,在情境认知和行为建构发展中,每个功能模块都有一个具体的任务,其内容依赖于动态情境的特性。其作用如表6所示:

  由Bedny和Meister提出的活动理论是指,通过传感器-感知系统获得新信息传到功能模块1,再由个体的环境概念模型(功能块8)、它们的任务目标计划‘图式’(功能块2)和它们要求活动类型的朝向(功能块5)进行解释。然后,这个解释通知人的任务目标完整的‘图式’(功能块2)。依据指向任务目标(功能块4)的重要性和动机及其与环境的结合(功能块5),由个人决定在功能块3内有关的环境特征是什么。它们结合任务目标的程度在功能块2内被决定,并依次受评估制定标准(功能块6)和环境当前状态(功能块3)的影响。这种评估的结果控制操作行为和人与任务的结合(功能块5),从中可以产生进一步的标准(功能块6)。与环境的交互作用被当作经验(功能块7)储存并通知个体储存环境的表征(功能块8)。如交互式模型所示,从人的行为和概念模型(分别为功能块5和8)得来的信息前馈到来自环境信息的新解释(功能块1)。

  作为一个活动的系统理论,该模型看上去并不完善,主要有两个重要的问题:一是缺乏来自功能块2的前馈(如一条连接功能块4的直线没有到环境的连接直线。尽管这样,交互式子系统对人的认知进行了较有力的说明。Bedny和Meister认为产生情境认知的关键过程是概念模型(功能块8)、图式-目标(功能块2)和主观相关任务条件(功能块3)。他们建议前两个功能块应是相对稳定的(即功能块2和8),而后者更易于控制(功能块3)。如果操作者误导了主观相关事物,那么将导致情境认知的错误发展。这可能被认为是丧失了部分的情境认知。这样以来,将会涉及情境认知整体的进行,进而使操作者重新客观地评估事物的重要性,并创建一个更接近现实的情境反应将会变得更难。

  对情境认知的另外一个观点:是它既不是环境中固有的事物,也不是人的固有的特点,只是通过人与环境交互作用而存在(Smithan Hancock)。这种看法是Neisser的感知循环模型的一个发展(Adams 等)。Adams 等人主张情境认知的过程-结果二分法应根据人的信息处理理论所使用的范围而定。过程涉及情境认知状态修正的感知和认知活动,而结果要考虑情境认知状态中可用的信息和知识。在Neisser的开创性工作“认知与现实”中,他提出这样的观点:人的思维方式与其交互的环境紧密相关。他证实:在特定情境中,已有知识将直接导致对某种类型信息的期望(如心理模型),这种知识依次引导行为挑选某种信息并提供解释信息的准备方式。在事件发展过程中,随着环境不断地变化,适应于环境刷新后的内在认知图信息,将依次引导操作者进一步的搜索,感知循环的一个方框图说明详见图211。

  感知循环可以被用于解释在飞机座舱内飞行员的信息处理。例如(假定飞行员对他们控制的系统有正确的知识),他们形成的心理模型将能够使自己预料事件(如飞行中需要的状态),搜索确定的证据(考虑预测),控制行为过程(不断调节操纵杆或油门杆)并连续检查输出量是否象希望的那样(仪表显示是否符合预期的要求)。如果他们发现有些数据与预期的不一致(如仪表读数或高或低于预期的要求)时,他们就会调动更多有关飞机/环境的知识,以找到充分地解释支持随后的监视/控制活动。该模型的完成就是对过程(飞机/环境信号采样的循环)和结果(在任何一点飞机/环境模型的及时刷新)的描述。

  在这些理论中间都有合理的成分。内嵌(embedded)交互式模型(Smith和Hancock;Adams等)在解释情境认知的动态方面有长处,如瞬间的知识是怎样被刷新的和环境中的信息是怎样被检索到的。这表现了人与环境交互的高层认识,基于系统的方法在这方面似乎特别有用。认知子系统方法(Bedny和Meister)对考虑基本功能及它们可能是怎样进行交互的方面非常理想。这种方法主要使用于对个体大脑信息处理活动方面。三级情境觉知模型(Endsley)用一种注重实效的方式为评估洞察力(领悟抓住事物内在的或隐藏的性质或靠直觉感受的行为能力)的不同程度提供了一个功能模型。尽管内嵌交互式模型认为数据是基于整个环境的状况获得的(同时,认知子系统方法认为有关个体的数据也是重要的),三级情境觉知模型为“当进行情境知觉分析时,在个体中哪种数据类型可能被查找到”提供了一个指导。通过更综合的人的认知功能模型所有这三种观点都得到巩固。基于对人生理的生物模型研究,Pedersen认为知觉系统具有几个信息处理级别。第一级要求人们从充满噪声的环境中检测信号和目标,筛出非目标信息;第二级要求人们必须将这些检测到的信号组织成有意图的信息模式。最后,即第三级,通过把这些模式归类整理及合并到已存在的信任和知识网络,人们必须理解它们。再回到结果-过程二分法,交互式子系统模型和感知循环主要集中于过程,而三级情境觉知模型主要集中于结果。在情境认知测量中,这两者都不能被忽略,因为后者很可能由前者所决定。

  目前工效界对情境认知究竟是一个过程还是结果一直存在着争论。三层模型和交互式子系统强调是结果(也就是操作者大脑中的情境认知的合成状态),而感知循环则强调是过程(也就是操作者获取情境认知的行动)。这个争论很可能要延续一段时间。

  提高情境认知的目的主要有两种,即改善人机系统界面的设计和提高操作者情境认知的训练效果以减少其认知负荷。

  正如以上所述,情境认知的降低与较差的系统操作特性有关。Endsley及其合作者对情境认知降低的牵连状态进行了专门的研究。他们认为情境认知降低的人对正被控制的系统问题检测反应较慢,而且当检测到问题并采取相应的诊断和补救处理活动时需要另外的时间(Endsley和Kiris)。Jones与Endsley分析了143起航空突发事件及相应的飞行员和机组人员错误级别,如表7所示。这两组在SA第一级中犯的错误占很大的比例,而空中控制人员在SA第三级中的错误比飞行机组人员要高。这大概有两个主要因素:首先,他们大部分工作是预测/规划未来的状况;其次,他们在难以处理的动态空间内被要求跟踪许多对象。

  表7 143起突发事件中飞行员和空中控制人员SA每一级别上的错误比例(262个错误)

  Jones与Endsley基于三层模型也进行了人的错误分类,详见表8。分析表明了空中控制人员与飞行机组人员整个的错误情况。

  Jones与Endsley得出结论:到目前为止,错误的最大比例是由空中控制人员或飞行机组人员对数据观察或监视的疏忽造成的。减少这些错误首先应使用更好的数据显示方式和提高情境判断策略的训练。在另一项涉及情境认知的操作错误研究中,Dorso等人(1998)对有情境认知的空中控制人员与无情境觉知的空中控制人员之间的错误进行了比较研究。他们研究了1993年的388份操作报告档案。从这些报告中,专家认为有62%的空中控制人员没有“觉知”操作事故的发生,38%的空中控制人员虽然“觉知”到这种情境但不能及时地教正。该技术因素的分析见表9。

  从表9中的分析可以看出,到的控制者更可能不适当的使用显示数据,而没“觉知”到的控制者更可能在数据输入、通讯和复述中出现错误。Dorso等人继续根据感知、注意、记忆和决策的基本心理机理对每一种错误进行了分类。如果是由于控制者看错或听错信息,那么这种错误就归为‘感知’类;如果是由于控制者分心或不注意引起的错误,就归为‘注意’类;如果是由于控制者忘记或混淆信息,那么就归为‘记忆’类;最后,如果是由于控制者较差的判读、较差的理解、较差的判断力、较差的推理或较差的规划造成的错误,那么就归为‘决策’类。具体对“觉知”与没“觉知”到的控制者心理因素的分析见表10。

  如表10所示,觉知到的控制者所犯的错误更可能与决策有关,而没觉知到的控制者所犯的错误在四个机制中比较平均。乍一看,就会有这样一种担心:好象“觉知”到的控制者的决策错误更多。然而,这些数字只是作为整个错误数量的一个比例表示,有理由认为随着情境觉知的提高,除了错误类型上有一个比例的变化外,错误的绝对数量将会减少。在人的技能获得效果方面也有类似的看法(Reason,1990)。

  Endsley(2000)认为系统的设计应当尽量地支持并增强情境觉知。为此,她对增强情境认知提出了一套界面设计标准:

  (2)使用SA第二级(综合理解)和第三级(预测规划)的方式表现数据更好一些;

  (5)在危急(临界)事件发生期间应提供危急(临界)提示信号以引起高度的注意;

  (8)系统设计应该是多模型并能综合显示来自不同源的信息,而不是顺序地显示以支持信

  同时,这些规则的大部分的应用将预示着一个好的设计,通过它们可以为提高情境认知提供一个设计参照系。如果不考虑情境觉知这些标准也可以提供显而易见的参考。

  在一个情境认知概念和方法广泛应用论证实例中,Gaba与Howard(1995)对麻醉学者进行了研究。他们认为情境认知是一个基本的认知技能(在动态、复杂、不确定环境下要求专门操作的所有情境整体)。作为一种技能,Gaba与Howard(1995)认为情境认知的许多方面可以被训练和教授,如:

  有时,从表面上看,这些建议似乎显而易见并只是重复早就有的这方面的想法,情境认知只是通过一个简单统一的概念把这些想法综合起来。有些学者已经把情境认知训练具体容入到了机组资源管理(Salas等,1999)程序。这些程序对提高紧急情况下的适当的显示、动态工作负荷的分配、通讯、反馈和策略等方面的及时采样很有帮助。返回搜狐,查看更多