复杂信息任务界面的出错—认知机理研究

发布时间：2017-07-30 23:10

  本文关键词：复杂信息任务界面的出错—认知机理研究

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【摘要】：随着计算机技术与信息化技术的快速发展,航空航天战机、船舶驾驶操控、核电厂控制、战场指挥等复杂信息系统(Complex Information System)的人机交互界面已经从传统的模式控制发展到数字化控制的视觉信息界面。数字化呈现的监控任务由于信息量大,信息关系复杂,使操作者进入复杂性认知,可能会由于操作失误、误读误判、反馈不及时等认知困难导致任务失败,严重时会产生系统故障,甚至重大事故。因此,如何系统地进行复杂系统中人机交互信息界面设计是当前学术界和工程设计界研究的关键问题,亦是设计领域与工程领域交叉研究的空白点。特别是从导致任务失败的源头——出错因子角度,研究“出错与认知”之间的相互作用机理还鲜有人深入,亟待加强。基于该问题的重要性以及相关研究匮乏的考虑,本论文以出错因子(Error factors)为研究对象,提出了由出错-认知(Error-cognition)导入的复杂信息界面设计新思路,重点开展以下研究工作：(1)提出了由出错因子导入界面设计的新方式。界定了复杂信息任务界面的出错因子,从分析复杂监控任务与操作员视觉行为,提取所有可能发生的出错因子；根据Rasmussen、Norman、Reason等的出错类型及HERA和CREAM的失误辨识模型,按照信息搜索、信息认读、信息辨识、信息判断选择以及信息决策过程对出错因子分类与认知表征,获得了复杂信息界面全面的出错-认知模式。为后期的界面设计提供了任务失败的源头。(2)构建了复杂信息任务界面的出错-认知分层模型。按照出错因子分类与认知表征,建立了对应的出错-认知集；结合认知心理学中知觉、注意、记忆、思维等相关的研究方法与实验范式,从每一种出错类型寻找对应的认知加工理论,逐步拓展出错-认知关联的知识脉络。解析出错因子的视觉认知机理,从而建立错误感知(MP)、注意失效(AF)、知觉混淆(PC)、记忆失误(ML)以及疏忽(AI)的认知分层模型。(3)建立了基于视觉行为和生理反应的出错因子实验分析方法。按照视觉认知实验的相关技术与分析方法,根据Wickens视觉搜索模型,展开了反应时和眼动跟踪的嵌套认知实验,从监控任务界面的视觉搜索实验到视觉局限、视觉干扰和注意转移分散的出错因子实验,行为数据和眼动跟踪生理数据结果均表明了出错-认知集合与界面信息的相关性,在视觉搜索过程中产生的出错因子和任务-界面布局、信息间距-位置、信息特征-容量等因素有直接联系。(4)提出了由出错-认知机理到设计信息的映射方法。根据出错-认知与界面信息的反应链,采用矩阵描述的映射方法,分别对出错-认知集合、设计信息集进行关联属性分析；根据出错-认知域与设计信息域存在的映射关系,展开出错-认知与设计信息间的互相关关系分析,得到设计信息间相关性的出错-认知与设计信息间重要度的关系矩阵；并考虑到各种不同的约束条件,通过界面布局的目标约束使其映射关系更具合理性。(5)基于本论文所提出的由出错-认知到信息特征映射的复杂信息界面设计方法,以典型航战显示系统任务界面为例,按照设计优化方法提取遗漏、误读/误判、忽略等出错因子,根据出错因子-信息特征反应链,确定了信息特征方位、可视范围、间距、符号的视觉注意强弱等设计信息特征,并通过出错-认知到信息特征的映射进行求解,按照求解结果提出了监控任务界面的优化设计方案。
【关键词】：复杂信息任务界面 出错因子 出错-认知机理 认知分层模型 生理反应实验
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP391.41
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 绪论11-21
• 1.1 选题的背景11-13
• 1.1.1 导致任务失败的源头——出错因子11-12
• 1.1.2 视觉信息的认知困难问题12
• 1.1.3 由出错因子导入界面设计的新方式12-13
• 1.2 国内外研究现状13-17
• 1.2.1 人因出错分析方法综述13-15
• 1.2.2 复杂人机交互界面分析方法综述15-16
• 1.2.3 视觉认知与生理指标实验方法综述16-17
• 1.3 研究的目的和意义17-18
• 1.3.1 研究的目的17
• 1.3.2 研究的意义17-18
• 1.4 研究的主要内容18-19
• 1.5 论文撰写安排19-21
• 第二章 复杂信息系统监控任务界面基础理论概述21-29
• 2.1 引言21
• 2.2 复杂信息系统概述21-22
• 2.2.1 系统的复杂性21-22
• 2.2.2 复杂信息系统22
• 2.3 复杂信息系统的监控任务界面22-24
• 2.3.1 复杂信息系统的人机交互22-23
• 2.3.2 数字化、智能化的监控任务界面23-24
• 2.4 复杂性分析24-26
• 2.4.1 信息复杂性24-25
• 2.4.2 任务复杂性25-26
• 2.5 令人困惑的复杂26-27
• 2.6 本章小结27-29
• 第三章 复杂信息界面任务分析及出错因子表征29-63
• 3.1 引言29
• 3.2 人因出错的特性分析29-40
• 3.2.1 人因出错概念29-30
• 3.2.2 人因可靠性分析30
• 3.2.3 人因出错的分类方法30-34
• 3.2.4 人因出错的分析模型与技术34-39
• 3.2.5 出错因子的界定39-40
• 3.3 典型复杂监控任务界面分析40-44
• 3.3.1 航战显示系统的监控任务界面40-41
• 3.3.2 监控任务的界面显示信息41-43
• 3.3.3 监控界面的任务分析43-44
• 3.4 监控任务界面的信息处理过程44-49
• 3.4.1 人的信息处理过程44-45
• 3.4.2 信息的定量化45-48
• 3.4.3 中枢处理——信息的认知加工48-49
• 3.5 操作员认知行为分析与CREAM扩展模型49-53
• 3.5.1 操作员的认知行为模型49-51
• 3.5.2 CREAM扩展的操作员认知行为模型51-53
• 3.6 HEPA的认知失误辨识分析53-55
• 3.7 复杂监控任务界面出错因子提取55-60
• 3.7.1 采用模拟实验法提取出错因子55-57
• 3.7.2 监视/发觉出错因子提取57-58
• 3.7.3 状态查询出错因子提取58-59
• 3.7.4 响应计划出错因子提取59-60
• 3.7.5 响应执行出错因子提取60
• 3.8 复杂监控任务界面出错因子的认知表征60-62
• 3.9 本章小结62-63
• 第四章 出错因子的认知分层模型构建63-89
• 4.1 引言63
• 4.2 视觉认知63-68
• 4.2.1 视觉感知63-64
• 4.2.2 选择性注意64-66
• 4.2.3 信息存储与提取——记忆加工66-67
• 4.2.4 信息处理——思维过程67-68
• 4.3 基于认知表征分类的出错-认知集68-75
• 4.3.1 出错因子的认知表征分类68-70
• 4.3.2 出错因子到认知的映射70-71
• 4.3.3 建立出错-认知集71-75
• 4.4 出错-认知分层模型构建75-88
• 4.4.1 出错-认知分层模式75
• 4.4.2 错误感知的认知分层模型75-78
• 4.4.3 注意失效的认知分层模型78-80
• 4.4.4 知觉混淆的认知分层模型80-83
• 4.4.5 记忆失误的认知分层模型83-86
• 4.4.6 疏忽的认知分层模型86-88
• 4.5 本章小结88-89
• 第五章 基于视觉行为和生理反应的出错因子实验分析方法89-137
• 5.1 引言89
• 5.2 视觉反应机理89-93
• 5.2.1 视觉的行为与生理特性89-91
• 5.2.2 凝视与扫视91-93
• 5.3 视觉搜索模型93-95
• 5.4 出错因子的实验分析方法95-98
• 5.4.1 出错因子——实验变量的设定方法95-96
• 5.4.2 视觉认知实验的总体设计96-98
• 5.5 视觉认知实验相关技术与分析方法98-102
• 5.5.1 E-Prime视觉行为实验生成系统98-99
• 5.5.2 眼动跟踪技术99
• 5.5.3 实验相关的眼动参数与设备99-101
• 5.5.4 实验设计的方法101
• 5.5.5 实验的分析方法101-102
• 5.6 实验一：监控任务界面中信息特征的视觉搜索研究102-115
• 5.6.1 研究思路102-103
• 5.6.2 实验材料103-104
• 5.6.3 实验设计与程序104-105
• 5.6.4 实验结果与分析105-111
• 5.6.5 讨论一：认知信息处理与任务的关系111-112
• 5.6.6 讨论二：信息搜索与监控区域的关系112-113
• 5.6.7 讨论三：信息特征的集簇关系113-114
• 5.6.8 结论与下一步研究114-115
• 5.7 实验二：视觉局限引起的信息疏漏、误读/误判研究(一)115-121
• 5.7.1 出错因子提取115
• 5.7.2 选择实验范式115
• 5.7.3 研究思路115-116
• 5.7.4 实验设计与程序116-117
• 5.7.5 实验结果与分析117-120
• 5.7.6 讨论与结论120-121
• 5.8 实验三：视觉局限引起的信息疏漏、误读/误判研究(二)121-126
• 5.8.1 出错因子提取121
• 5.8.2 选择实验范式121
• 5.8.3 研究思路121
• 5.8.4 实验设计与程序121
• 5.8.5 实验结果与分析121-125
• 5.8.6 讨论与结论125-126
• 5.9 实验四：视觉干扰和注意转移分散引起的信息忽略、错过研究126-133
• 5.9.1 出错因子提取126
• 5.9.2 选择实验范式126
• 5.9.3 研究思路126-127
• 5.9.4 实验设计与程序127
• 5.9.5 实验结果与分析127-131
• 5.9.6 讨论与结论131-133
• 5.10 视觉认知实验综合讨论133-135
• 5.11 本章小结135-137
• 第六章 由出错-认知到设计信息的映射关系研究137-157
• 6.1 引言137
• 6.2 监控任务界面的设计信息表征137-149
• 6.2.1 监控任务界面的设计因素——信息特征137-139
• 6.2.2 信息呈现的设计信息表征139-146
• 6.2.3 界面布局的设计信息表征146-149
• 6.3 由出错-认知机理到设计信息的映射关系149-150
• 6.3.1 出错-认知机理与设计的关联性149
• 6.3.2 由出错-认知到设计的映射149-150
• 6.4 出错-认知域与设计信息域的相关性150-155
• 6.4.1 出错-认知的关联属性分析150-152
• 6.4.2 设计信息特征的关联属性分析152-153
• 6.4.3 出错-认知到设计信息的映射153-154
• 6.4.4 界面布局的目标约束154-155
• 6.5 本章小结155-157
• 第七章 基于出错-认知机理的复杂信息任务界面设计方法及应用157-173
• 7.1 引言157
• 7.2 由出错-认知到信息特征映射的设计方法157-159
• 7.3 典型航电显示系统任务界面设计案例159-172
• 7.3.1 典型航电显示界面的出错因子提取159-161
• 7.3.2 典型航电显示界面的出错因子-信息特征链161-162
• 7.3.3 出错-认知到设计信息的映射162-168
• 7.3.4 典型航战显示界面的优化设计过程168-172
• 7.4 本章小结172-173
• 结论与展望173-177
• 致谢177-179
• 攻读博士学位期间完成的科研项目和论文179-181
• 附录181-188
• 附录A 实验一：信息特征的视觉搜索实验任务及眼动数据181-185
• 附录B 实验二：信息疏漏、误读/误判实验行为数据185-186
• 附录C 实验三：信息疏漏、误读/误判实验眼动数据186-187
• 附录D 实验四：信息忽略、错过实验行为数据187-188
• 参考文献188-195

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本文编号：596449