推荐！万字长文《建立未来的作战信息中心》

作战信息中心（CIC）是大多数美国海军舰艇的战术指挥中心。由于CIC密集地整合了水手和复杂的系统，以完成它所支持的多个同时进行的任务，因此坚持人类系统工程和整合原则对其当前和未来的设计都是至关重要的。约翰霍普金斯大学应用物理实验室（APL）正在努力设想通过独立的研究和开发，强调作战人员和APL工程师之间的合作，来实现CIC技术进步的可能性艺术。通过预测未来作战人员的需求、技能和心理模型；预测未来的技术趋势；以及创造灵活、快速的原型设计环境，APL希望将海军CIC带入未来，帮助保持水兵和国家的安全。

1 引言

作为大多数海军舰艇繁忙的战术中心和任务作业的中心，作战信息中心（CIC）是一个包含许多复杂系统和使用这些系统的水兵的空间。一个有效的CIC设计是由高度整合的人的因素所驱动的，需要不懈地坚持人的系统工程（HSE）原则。在这个只有偶尔的蓝光和控制台屏幕发出的光亮的房间里，水手们监视着雷达和传感器数据，保护他们的船免受威胁，并在必要时采取进攻行动。CIC的风险很高，因为具有国家重要性的任务是在这个指挥中心执行的，而这些任务对海军来说意味着生与死的区别。

当今的复杂系统，如CIC，正享受着终端用户、利益相关者、设计者和工程师之间更紧密的结合，因为人们希望这种协调能够减少一直存在的人为错误的风险。许多人不再认为人类系统集成（HSI）是一个具有不确定价值主张的小众领域，而是认为它是系统工程过程中的一个必要部分，并有成熟的记录。然而，尽管认识提高了，许多复杂的系统仍然表现出事故，其根源在于与HSI相关的缺陷。这些事故往往指向重大的设计失误，这些失误可以追溯到负责任的HSI项目中的具体差距，或者更糟糕的是，完全没有。

多年来，许多系统，甚至更多的水手，已经在每个CIC循环，准备保卫他们的船，他们的舰队和他们的国家。随着威胁越来越复杂，越来越难以战胜，随着 "游戏一代 "的水手们坐在控制台后面，有必要考虑的不仅仅是CIC在接下来的建设中会是什么样子，还有未来的CIC应该是什么样子。在研究这个领域的同时，APL人类系统工程师正在努力通过下船来增加舰队的投入。在初步考察中，这些工程师询问了水手们他们对未来的CIC的设想。在回答中，水手们经常提到电影，其中最受欢迎的是《少数派报告》。尽管科幻电影展示了耐人寻味的可能性，但HSI原则继续引导采用更多以用户为中心的设计方法来确定提高人类和系统性能的解决方案。为了实现这一目标，必须解决以下问题： 未来作战人员在CIC中的需求是什么，如何将HSI的基本原理与不可预测的未来技术可能提供的承受力相融合？为了应对这一挑战，必须首先了解这些系统所要适应的基本作战环境。其次，必须考虑这个领域中持续存在的生物、技术和与过程相关的差距，以及可能被未来技术所塑造的人机关系。最后，重要的是不断评估将影响人机关系的技术趋势，重点是建立灵活的快速原型设计环境，以尽早和经常获得用户反馈。

图1. 水手们在诺曼底号（CG 60）的CIC站岗。(美国海军照片)

2 当前的作战信息中心（CIC）运行环境

2.1 作战信息中心（CIC）概述

简单地说，CIC是一个安全的空间，里面有大量的控制台、显示器、电缆和通信设备，以及操作它们的水手，如图1所示。空间是有限的，说话的声音保持在最低限度，房间里用特定的蓝灯照明，以防止水手们失去夜视能力。目前正在使用的最新操作台是通用显示系统（CDS）。它配置了三个水平的、不可移动的触摸屏显示器、一个轨迹球、一个键盘和一把椅子。

图2和图3提供了一个CIC布局的例子；然而，CIC的大小和组织在很大程度上取决于它所处的船舶级别。在不同级别的舰艇上，控制台的集群主要是按战争区域来组织的。例如，支持水面战的水兵在物理距离上很近，参与其他战区（即防空战和电子战）的水兵也是如此。当指挥官，即舰长不在时，战术行动官负责CIC的运作。战术行动官被安排在房间前面和中间的桌子上。无论具体布局如何，目前值班人员必须坐在CIC内的指定位置。由于这些控制台的通用性，CDS最终将允许CIC的水手们登录到CIC内的任何一个控制台，如果其中一个系统出现故障，可以提供冗余，并可以根据每个任务灵活地定制CIC的观察站组织。

图2. CIC布局实例-DDG 51。CWIS，近程武器系统。

图3. 图2中所示的1a和1b站的照片。

2.2 考虑当前CIC内的问题

在调查未来作战人员需求的同时，APL的研究人员正在探索今天的CIC中发现的问题。舰艇访问使人类系统工程师有机会在航行中直接观察和采访水手，这仍然是这项工作的重点。这些调查研究工作有助于缩小系统设计和系统使用之间的差距，所获得的知识是非常宝贵的。在今天的CIC中发现的问题可以分为三个主要类别：技术、工艺和生物（即人）。

从纯粹的技术角度来看，工业的发展速度远远超过了海军CIC的发展。虚拟现实（VR）和替代性计算机输入技术在许多商业产品中变得很普遍。每一代新的水手都习惯于在智能手机和现代游戏系统中发现的最新技术；然而，CIC技术却停留在过去，几十年的时间里经常被替换。那些被替换的系统往往是渐进式的更新，只有极少数的现代人机界面会进入CIC--这与消费行业的模式非常不同。这不仅影响到CIC的能力，也影响到水手的训练。图4说明了消费类技术和当今海军舰艇上的技术之间的差异。

图4. 今天的CIC的技术与目前工业界的技术相比。(上图：美国海军大众传播专家三等兵约书亚-M-托尔伯特/发布的照片）。

尽管CIC系统的设计过程似乎正在向好的方面发展，但变化是逐渐发生的。当需求、功能模型和最终的物理实现被定义和执行时，在设计系统的工程师和将要使用它们的水手之间仍然经常存在着巨大的差距。终端用户的反馈往往在现有的流程中丢失；工程师和水手之间的直接交流不多；而且，从程序上来说，与HSI相关的工作往往被缩小范围或取消，因为人们误认为它们花费的钱比节省的钱多。

最后，CIC最复杂的方面之一是生物方面--人。为了优化CIC的设计，必须了解CIC中水手的优势和局限。尽管在人工智能和机器学习方面取得了进展，但与计算系统相比，人脑仍具有更强的适应性和活力。然而，人脑的信息处理能力及其对反应时间的贡献大多是固定的，而计算系统在这些方面继续呈指数级增长。由于这些限制，人类有时会被从反应环路中移除，以支持计算速度。特别是，这种权衡对于CIC内的舰艇防御决策周期来说变得越来越必要。随着这些任务的自动化，水手们对系统功能和输出的不信任会导致人工变通，增加而不是减少他们的工作量。

虽然只列举了几个例子，但需要注意的是，还有很多问题存在。从对无障碍杯架的渴望到对更高效和有效的沟通和培训技术的需求，都应该在未来的CIC中解决。解决这些问题中的任何一个都不足以产生一个优化的系统；必须考虑所有的方面，并不断改善这个空间的技术、流程和人的综合因素，以真正满足未来水手的需求。接下来的章节将讨论一些认为对实现这些改进至关重要的领域。

3 当前人机模式中的差距

3.1 处理人的因素和不对称的人机关系

目前的人机关系通常可以被描述为静态和不对称的。例如，用户倾向于扮演一个主动的角色，而机器则被动地执行用户要求的功能。这样一来，大多数当代的人机交互（HCI）是由僵硬的轮流结构或序列化的动作和反应的交互来定义的。因此，人类和计算机之间缺乏连续的对话，而这种对话应该更接近于智能自适应系统之间的互动。人类和计算机之间的信息流也是不对称的。例如，用户可以自由地查询系统的运行状态（如内存、退化和计算处理的使用情况），但计算机对人类的内部状态和资源能力仍然视而不见。因此，尽管创建的许多系统有大量的子系统监控功能，但它们缺乏检查整个系统中最容易出错的部分--人的能力。这些系统无法确定人的心理状态和认知资源，而这两者一旦退化就会导致人的错误。当HSI从业人员为未来先进的、智能的和适应性强的系统的发展做出贡献时，他们必须寻找机会来收集和整合有关人类的信息，作为整个系统的一个关键组成部分。

未来的人机交互可以用一个闭环的动态系统来表示，在这个系统中，人和计算机之间存在着持续的平行互动。一个闭环系统是一个组件为了实现一个共同的目标而不断对话和调节彼此的状态。例如，一个房间的温度是由实际温度测量和期望温度之间的差异来调节的。这个差异，通常被称为误差，被反馈到系统中，以控制调解温度的调节。因此，输入到输出路径和误差反馈路径形成了一个闭环系统。在一个开环系统中，输入是完全独立于输出系统的。例如，一个加热元件，只要电源接通就会产生热量，而不考虑所需的温度，这就是一个开环系统。这种开环控制系统更具有当前人机关系的特点。为了实现人与计算机之间的闭环系统，该系统必须包括能够分辨人的心理状态的传感器和将这些数据与任务信息相融合的算法，以应用动态缓解措施（系统调节），提高人与计算机之间实现其目标的能力。收集心理生理学数据的方法包括脑电图帽、心电图传感器和用眼球追踪器捕获的眼部活动措施，仅举几例。随着可穿戴式传感器继续渗透到日常生活中，认知状态检测算法也将作为闭环控制系统的潜在组成部分，可能被应用于未来的CIC。未来的闭环系统的效用将取决于所使用的缓解策略的有效性和实现这些策略的心理生理学传感器的可靠性。

Fuchs等人开发了一个闭环系统的发展框架，可以在未来CIC系统的设计中加以利用。这种方法包括确定影响系统性能的心理结构的关键事件，如认知负荷、态势感知、警惕性和疲劳。关键事件可以通过利用全面的任务分析来定义。例如，在一个受保护的区域内出现一个敌对的空中轨道将被视为一个关键事件，在此期间，计算系统将调查人类的心理状态，以确保它在可管理的认知工作量约束下被关注。一旦定义了关键事件，该系统将识别与积极的或预期的人类反应和消极的或不利的人类反应有关的生物标志物特征。例如，可用的认知资源或 "可管理的工作负荷"将被视为有利的人类反应，而有限的认知备用能力将被视为不利的反应，需要缓解。一旦确定了关键事件和相关的生物标志物，就可以制定一个缓解管理框架，其中概述了应该缓解什么，什么时候应该应用缓解，以及应该如何执行缓解。例如，如果系统确定人类看错了地方，没有注意到新的敌对轨道，那么系统就可以提供警报，适当地引导人类的注意力。关于缓解措施发展框架的更详细的讨论，见参考文献（Enhancing situation awareness with an augmented cognition system）。

4 实现对称人机关系的技术和工艺

除了预测（和创造）未来的计算环境之外，人类系统工程师还必须根据其对减少人类错误、改善决策、提高情景意识、认知状态管理（参与、疲劳、无聊、警觉等）以及优化认知工作量的影响来考虑未来的技术。一项新技术对人的因素的贡献并不总是立竿见影的，但应以科学理论和认知心理学及神经科学的确证研究为动力。这些考虑将确保采用的新型人机交互技术以最有用的方式实施。

VR/增强现实（AR）技术就是这样一个可能普及的未来计算平台的例子。就像许多革命性的平台一样，这项技术是由不同技术的进化改进而来，这些技术在准备整合成一种新能力方面达到了一个临界点。在VR/AR的案例中，之前既定移动行业的改进影响了显示质量和成本，而现代图形处理单元的计算能力使头戴式显示器能够缓解与不良显示延迟有关的恶心感。因此，VR/AR技术在实现大幅降低单位成本的同时，也获得了显著的质量改进。

尽管VR/AR技术目前面向游戏和娱乐行业，但它有许多潜在的军事应用。例如，操作人员和维护人员的培训可以利用沉浸式虚拟环境进行熟悉训练，为在昂贵的实战或模拟资产上进行资格认证做准备。VR/AR还提供了一个环境，在这个环境中，物理分布的船员可以聚集在一起，在低成本的环境中执行船员协调任务。目前，APL正在创建一个三维环境（多用户虚拟环境），以促进各种操作中心（如救灾中心）的分散参与者之间的协作互动。这些多用户虚拟指挥中心可以与VR或AR头盔整合，以进一步加强分布式团队的协调和合作。然而，VR/AR技术剩下的一个关键挑战是使用适当的输入技术，以促进自然的互动，与VR头盔可以提供给用户的存在感相匹配。

随着新型计算平台的出现，它们几乎总是伴随着围绕新平台的限制条件而设计的用户输入技术。例如，触摸界面直到底层操作系统围绕着这种输入的限制而设计，才被广泛接受。随着设计师和工程师继续开发新的计算环境，包括VR/AR头盔，输入技术中固有的约束必须与这些环境相匹配。这个挑战的一个直接相关的例子是，美国海军花了一大笔钱用CDS取代基于AN/UYQ-70的CIC控制台。不幸的是，底层的图形用户界面环境并没有更新，没有针对触摸输入进行优化。图标的大小以及图标之间的距离是为轨迹球控制的光标而设计的，试图执行最低限度的迁移到CDS触摸输入的尝试导致了不可靠和容易出错的用户体验。因此，一些程序选择关闭一些屏幕的触摸技术，恢复到以前使用的轨迹球输入设备，图形用户界面就是为这种设备设计的。

VR/AR的输入技术的设计和开发尤其具有挑战性。事实上，目前的人机交互范式，作为一个整体，缺乏自然用户界面（NUI）技术，使人类能够像与现实世界一样与虚拟表现进行互动。例如，计算机鼠标被用作指向和行动的代用品，使能够与二维计算机屏幕互动。更加自然的互动包括使用基于手势的输入形式，直接伸出手去抓取感兴趣的物体。VR/AR计算环境产生的体验意味着对这种类型的互动的需要。此外，自然语言处理提供了直接与计算系统对话的能力，作为一种模仿人与人交流的输入形式。这些界面在主要的平台上已经变得很普遍（尽管很有限），包括诸如Google Now、苹果的Siri和微软的Cortana等技术。眼球追踪技术也可以通过提供关于用户如何分配其视觉注意力的信息来促进NUI。尽管制作自然的 "眼动 "应用程序所需的设计语言仍在开发中，但低成本的追踪器最近已被更多的开发受众所接受，这可能会导致VR/AR环境中这种输入技术的通用工具和实践。其他NUI组件，如先进的触觉反馈和脑-计算机接口，已经得到了极大的关注，但要实现脑-计算机接口的操作，仍然需要技术上的突破。

鉴于促成VR/AR和NUI技术的基本发展，有机会既利用技术趋势，又以满足作战人员需求的方式增强新能力。例如，由于许多可能推动新型人机交互的生理传感器需要与用户接触，因此有机会将这些传感器透明地整合到其他必须佩戴的技术中，如VR/AR头盔。这为解决更广泛的不对称的人机关系差距提供了一个明确的机会，即通过整合最初为一个看似不同的目的而开发的技术--即VR头盔所提供的存在感。如前所述，这类系统的成功将取决于通过使用心理生理学传感器数据和数据对整个系统性能的影响而采用的缓解策略。为了正确设计这些由新技术提供的缓解策略，应继续利用既定的HSE基本原理。具体来说，HSE从业人员应该到船上去，直接与作战人员接触，寻找机会收集和整合有关人类的信息，作为整个系统的一个关键组成部分。

目前，VR/AR头盔没有既定的输入标准，但极有可能从前面提到的NUI技术中借鉴解决方案。随着VR/AR技术的不断成熟和普及，新的交互模式和关于如何在这些环境中进行交互的相关心理模型也将不断出现。有远见的复杂系统设计者在考虑未来的用户如何在他们的日常生活中与计算机进行交互时，应该预见到这些心理模式。如果不考虑这些因素，培训就会被那些要求用户学习 "昨天的心理模型 "以熟练操作的系统所阻碍。一个组织得无懈可击的HSI项目可以遵循很长的发展周期，但仍然无法成功实现其目标，因为无法预见的技术变化以及这些变化对目标用户群产生的更广泛影响。鉴于技术改进的速度很快，预测这些变数是一个重大的挑战。为了缓解这个问题，重要的是在系统开发周期内整合一个灵活的快速原型环境，以评估可以提高未来作战人员效率的新型计算环境。

5 结论

随着新型人机交互环境的出现和相关输入技术的发展，有机会以未来CIC中的作战人员所熟悉和熟悉的方式来预测和应用技术。为了实现这种应用，必须考虑以下几个方面：

• 预测未来的计算环境--在整个预计的系统部署周期中，常用的用户界面将是什么？

• 预测未来的心智模式--人工智能协作将如何塑造水手与日益自主的系统进行互动和获取信息的方式？

• 预测未来的技能组合--不断发展的信息检索和数据分析工具将如何塑造未来水手的问题解决方式？

由于必须解决的问题的范围，在CIC内创建一个新的复杂能力必须被认为是一个预见性和创造性的过程。当然，不可能完美地预测未来广泛使用的技术的微不足道的细节及其所有的影响。然而，鼓励复杂系统的设计者和开发者监测那些有可能对普通人和特定作战人员需求产生广泛影响的技术趋势。

最后，在前进的过程中，必须保持对CIC中的生物、技术和流程的整体看法，以真正优化其性能。尽管想象一个类似于好莱坞科幻电影中的未来主义描写的CIC设计可能是令人兴奋的，但不能忽视所有设计决策背后的真正驱动力--未来水兵的需求。通过弥合工程师和作战人员之间的差距，APL正在努力帮助美国海军开发一个CIC，将海军推向未来，并帮助水兵和国家保持安全。