1、SOFTWARE软 件2022第 43 卷 第 12 期2022 年Vol.43,No.12作者简介：兰欣宇（1994）,男,河北张家口人,硕士研究生,研究方向：复杂信息系统交互设计。通讯作者：宫晓东（1969）,女,山东莱阳人,博士研究生,教授、博士生导师,研究方向：复杂信息系统交互设计。基于认知负荷的雷达任务编排系统交互设计研究兰欣宇1,2 龚迁1,2 解惠然1,2 宫晓东1,2（1.北京理工大学，北京 100081；2.雷达人机工程联合创新实验室，北京 100081）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。
2、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；雷达界面中图分类号：TN958.92文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2022.12.030本文著录格式：兰欣宇,龚迁,解惠然,等.基于认知负荷的雷达任务编排系统交互设计研究J.软件,2022,43(12):118-122Research on Interacti
3、on Design of Observation Arrangement System Based on Cognitive LoadLAN 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】：Inordertoreducethecognitiveloadlevelofusersandimprovet
4、heperformanceofman-machinesystem,thispaperstudiestheinterfacedesignofobservationarrangementsystemfromtheinteractiondesignelements.Takinganobservationarrangementsystemastheresearchcarrier,thestrategyandmethodofinteractiondesignareputforwardandtheinteractiondesignpracticeiscarriedout.Finally,NASA-TLXs
5、caleandtaskperformancemethodwereusedtocompareandtestthesystembeforeandafterdesign.Theexperimentalresultsshowedthatthecognitiveloadofthesubjectsintheredesignedobservationarrangementsystemwassignificantlylowerthanthatintheoriginalsystem.Itprovestheeffectivenessofinformationarchitecturedesignstrategy.【
6、Key words】：observationarrangementsystem;cognitiveload;human-computerinteraction;radarinterface设计研究与应用0 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
7、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
8、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119兰欣宇龚迁解惠然等：基于认知负荷的雷达任务编排系统交互设计研究复杂度高、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
9、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
10、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
11、。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。图 2 原任务编排系统界面Fi
12、g.2 Original task arrangement system interface3.3 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
13、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。重图 1 Atkinson 和 Shiffrin 的记忆模型Fig.1 Atkinson and Shiffrin memory model感觉输入感觉记忆短时记忆长时记忆容量有限容量有限容量有限注意提取复述贮存120软 件第 43 卷 第 12 期SOFTWARE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
14、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。表 1 基于操作流程的信息组织方案Tab.1 Information organization scheme based on operation process操作阶段信息分类选择任务计划新建任务计划,继续未完成的计划,修改待执行的计划筛选并计算冲突筛选条件,筛选和计算
15、冲突,结果反馈任务编排冲突组概况,冲突组列表,冲突组详情,编排方案发布更新数据库,发布反馈执行数据统计,执行信息,任务列表,实时数据,录取信息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
16、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,一是体现信图 4 任务编排系统层级架构框架Fig.4 Task scheduling system hierarchy framework图 3 任务编排系统的操作流程Fig.3 Operation process of task arrangement system新建任务计划确认日期并沿用参数修改参数选择参数新建参数新建参数进入任务编排场景一场景二场景三继续未完成的任务计划选择冲突组选择方案冲突组全部解决结束修改已发布的任务计划撤回筛选任务并计算冲突任务编排系统任务编排执行任务计划信息筛选信息冲突组信息计划状态时间信息进度信息数据统计编辑功能筛选条件筛选进度冲
