《设计人类-无人机蜂群交互系统》2025最新122页

无人驾驶飞行器群（UAV，或无人机）有望改变从应急响应到执法和军事行动等各个领域。无人机群为动态工作环境提供了可扩展、适应性强且分散的解决方案。然而，如何将这些多智能体系统成功地集成到现实世界的环境中，尤其是人类如何安全有效地与这些系统进行交互和控制方面，提出了巨大的挑战。人机群交互（HSI）旨在通过探索人类操作员如何在高度复杂、不确定的条件下，以协调一致的方式管理多架无人机来应对这些挑战。

本文研究的问题是为人类操作员指挥无人机群设计有效的交互机制和界面，特别是应对管理大量无人机、支持操作员的态势感知以及平衡集中控制和分散控制等挑战。该研究强调了通过引入替代概念模型来重新思考传统方法的必要性，例如 “合唱团 ”隐喻，它将无人机群重新想象为协调的、半集中化的集合体，而不是纯粹新兴的、分散的集体。这一隐喻旨在平衡无人机群通常不可预测的集体行为与作战环境中所需的可预测的定向行动。通过展示如何在人机交互系统架构中实现这一隐喻，本论文为人类与自主系统的交互概念化提供了新的途径。

采用设计研究方法，结合多案例研究和基于场景的设计活动，在与潜在最终用户的对话中设想未来的蜂群应用，开发并评估了体现这些细微差别的人机交互概念的原型。界面原型从即时战略（RTS）游戏中汲取设计灵感。这些元素包括群组命令、高级任务规划和资源池，以创建一种混合交互模型，使操作员既能保持对多架自主协作无人机的大局观，又能对其进行精确控制。领域专家在消防和机场管理等环境中对这些原型进行了评估，验证了这些概念的实用性。

研究结果强调了在设计人机交互系统时采用人类-技术-组织（HTO）视角的价值。这种系统思维方法并不只关注人与技术之间的互动，而是承认无人机群必须融入更大的组织框架，如应急响应指挥结构或机场地面运营团队。它表明，成功的部署需要考虑更广泛的组织背景，包括角色、工作流程和协调需求。这种全面的人机交互系统设计方法可确保无人机群不仅符合可靠性、响应性和可扩展性等技术性能标准，而且符合人类和组织的需求，从而促进无人机群在广泛的现实世界场景中的采用和有效使用。最终，这些贡献旨在缩小无人机群控制理论模型与实际部署之间的差距，推动人机交互技术领域和无人机群技术的广泛应用。

贡献

这篇博士论文采用系统思维方法，将认知科学、CSE、多智能体系统（MAS）理论和交互设计融为一体，解决了与无人机群相关的复杂设计和交互难题，为 HSI 领域做出了重大贡献。这些贡献围绕四个关键领域展开：

1.详细的工作领域描述和需求分析。本论文对消防（论文 I）、搜救（论文 III、IV）和机场管理（论文 VI）等环境进行了全面的工作领域描述，强调了这些实际应用中的关键需求、限制和操作员面临的挑战。通过将分析立足于具体的操作环境，这些描述有助于弥合蜂群系统理论模型与实际应用之间的差距，确保设计要求植根于现实世界的需求。

2.生成式设计隐喻和混合交互模型。这项工作的一个主要贡献是开发了一个新的概念设计隐喻--“合唱团 ”隐喻--重新思考了应该如何将多无人机系统概念化（论文 II）。这一隐喻通过平衡集体行为、单个智能体自主性和操作员控制之间的重点，有助于解决传统蜂群隐喻的局限性。论文提出了一种融合 “整体 ”和 “还原 ”交互设计观点的混合设计方法（论文 IV）。

3.受 RTS 启发的 HSI 界面原型设计与实现。本论文的贡献还包括根据所提出的设计原则和来自即时战略（RTS）游戏的设计模式开发和评估 HSI 界面原型。这些原型说明了混合控制机制和 RTS 游戏界面元素（如群组管理、资源池和面向行动的控制）如何在界面中实现，从而提供对蜂群的宏观控制和对单个无人机的微观控制（论文 VI）。在现实场景（如消防和搜救）中对这些原型的评估证明了它们的实际适用性，验证了理论贡献，并强调了灵活性在人类-蜂群系统中的重要性。论文还提出了一种新方法，从现象学的角度研究人-机群联合控制活动及其对操作员注意力的影响（论文五），为 HSI 评估和设计迭代提供了更多工具。

4.社会技术系统设计的 HTO 视角。与第一个贡献相联系，本论文提倡在设计蜂群系统时应用系统思维方法，特别是人类-技术-组织（HTO）框架（Berglund 等人，2020；Karltun 等人，2017）。通过纳入组织方面的考虑因素，如跨团队协调和与现有工作程序保持一致，本论文超越了传统的 HSI 设计，因为传统的 HSI 设计往往只关注人-技术方面。这一视角确保了无人机蜂群系统不仅在技术上强大，而且与组织需求兼容，从而支持更顺利的实施和更好的操作整合。