美海军部依靠目前海军的方式，如简报、聊天和语音报告来提供舰队的整体作战评估。这包括网络领域，或战斗空间，描绘了舰船的网络设备和服务状态的单一快照。然而，这些信息可能是过时的和不准确的，在决策者了解网络领域的设备服务和可用性方面造成了混乱。我们研究了持久性增强环境（PAE）和三维可视化的能力，以支持通信和网络操作、报告和资源管理决策。我们设计和开发了一个PAE原型，并测试了其界面的可用性。我们的研究考察了用户对多艘舰艇上的海军网络战斗空间的三维可视化理解，并评估了PAE在战术层面上协助有效任务规划的能力。结果是非常令人鼓舞的：参与者能够成功地完成他们的任务。他们发现界面很容易理解和操作，原型被认为是他们目前做法的一个有价值的选择。我们的研究提供了对新型数据表示形式的可行性和有效性的密切洞察，以及它在不同社区之间复杂的操作技术（OT）环境中支持更快和更好的态势感知和决策能力。

引言

A.研究领域

持久性增强环境（PAE）是一个系统，它使用共享（多用户）环境、增强现实（AR）技术和一系列传感器的概念来创建过程和数据集的可视化表示，这些数据集被持久地（在很长一段时间内）添加、操作、可视化和分析，以支持人类操作员所做的一系列任务[1]。PAE被认为有可能给许多领域和人类任务带来好处，包括网络系统的可视化、网络态势感知和决策工作领域。

PAE的重要概念包括将实时信息传递给人类操作者，并以一种比传统的信息记录和传递形式更容易理解的格式。后者提高了解决整个海军领域不同社区的许多用户的需求的潜力，减少了错误的数量，并将大部分时间用于决策过程。

由于用户数量众多，社区各异，必须准确及时地解决收集、处理和操作大量数据的需求。此外，网络领域的复杂性促使人们需要简化、准确和及时的信息。与AR系统非常相似，PAE允许用户在现实世界中处理和操纵虚拟物体，并同时看到众多用户之间的系统实时自动同步变化。这种虚拟和现实信息的实时无缝整合解决了网络领域的复杂性，最终在大量用户和不同社区之间提供了行动的准确性和及时性。

我们设计和开发了一个PAE系统原型，并分析了它如何支持海军领域的网络系统可视化和任务规划操作。我们努力的主要目标是提高单用户对水面资产上复杂网络的理解和态势感知，以及对设备当前网络状态的实时表示，从而使海军部（DON）的任务规划更加有效。在战术层面上，这项研究将使我们进一步了解为支持有效的任务规划而需要建立的技术基础设施和流程。该系统有可能为美国防部所有部门带来明显的好处。

B.研究问题和动机

在美国海军中，为了完成不同的任务，多个作战群体依靠网络群体来显示网络和通信状态，以维持作战画面并提供通信。美国水面舰艇上的网络和作战系统的整合，在将信息和网络状态显示为二维（2D）物体时，会在作战人员中造成混乱。特别是当网络设备发生意外变化时（即失去电力、拒绝服务、失去卫星覆盖等），情况更是如此。设备的变化不仅影响到船上的通信，而且还影响到领导人的整体态势感知。利用PAE系统整合三维（3D）数据和立体显示，有可能通过实时自动显示系统变化，大大帮助决策者了解复杂的网络。

1. 网络对通信至关重要（我们为什么关心）

网络对于海军资产之间在作战层面的通信是至关重要的。如果没有网络设备，一艘水面舰艇就失去了与指挥系统（CoC）进行快速和准确沟通的能力。同样，CoC也不能有效地将他们的信息传达给各个水面舰艇。现在，我们可以把单舰没有能力接收任务或发送状态更新的想法，然后把可用的水面资产数量增加到一个多资产的航母打击群（CSG）。这导致整个CSG中的五到六艘舰艇没有能力与CSG指挥官就当前的任务甚至是日常行动进行沟通。即使海军可以使用传统的通信方式，如摩尔斯电码和旗语信号来传递简单的信息，但更复杂的信息必须以容易消化的格式来表示，以便决策者能够了解当前的行动并迅速作出最佳决策。

通过在地面资产之间利用PAE系统，PAE系统有可能改善对复杂信息的理解，它将从纸质手册或电子图书馆中获取的二维信息转化为三维可视化系统，并不断更新三维可视化，以反映用户的互动和该系统接收和生成的数据集的不断更新。PAE系统也有可能访问历史数据，这在分析历史趋势或行动后报告（AAR）中可能是至关重要的。归根结底，网络领域值得采用新技术并寻找更好的解决方案。

2. 网络设备状态

为了了解单位层面的网络设备状态，战略层面的决策者依赖于目前海军传统上使用简报、聊天和语音报告的做法。然而，这些信息可能是过时的和不准确的，最终在需要了解网络领域的服务和设备可用性的决策者中造成了混乱。网络领域是一个复杂的领域，需要有效的管理和理解网络操作，包括海军舰队之间的共享态势感知（SA）。网络设备在不断变化，这取决于设备的状态和水面舰艇的地理位置，这些都会影响连接性。

海军操作员和领导传统上使用各种格式的二维网络拓扑图和微软文件来描述网络系统的运行状态并维护资源管理。这些二维模型最初是为了协助领导和操作员对网络进行清晰的可视化；然而，随着时间的推移，网络资产的增加，从而增加了二维模型的复杂性，使得理解这些综合系统变得更加困难。正因为如此，二维网络图和拓扑结构的显示更成为理解新系统集成或系统变化的障碍。理解传统的、印刷的二维信息（图1）所花费的时间已经不能满足操作人员和作战人员的需要，也不能及时为决策者提供简明清晰的信息。

3. 从PowerPoint幻灯片（2D信息）到增强现实（3D信息）

当代支持人类操作和决策的技术已经从过去适度的形式上有了飞速的发展。数据的表现形式现在可以采取三维信息的形式，不再是静态的，而是动态变化的，支持用户与相同数据集的实时互动。然而，今天大多数水面资产的重要通信包括不同级别的互联网连接，便于分享PowerPoint简报和接收在二维空间表示的语音或书面报告。这些传统的通信途径是舰艇当前作战状态的快照或对即将到来的任务的一系列预期；它们推动了美国海军 "维持、训练和装备能够赢得战争、阻止侵略和维护海洋自由的战斗准备的海军部队 "的能力[3]。正如Timmerman的论文研究[4]中所认识到的，目前的二维可视化将复杂的操作技术（OT）系统显示为网络社区所习惯的平面信息技术（IT）图，从而过度简化了这些系统。另一种更优越的表示方法是在三维空间中显示逻辑网络元素，反映这些网络的物理和逻辑的复杂性。通过研究数据的三维表示法，海军可以加快关键的时间敏感数据的流动，这些数据原本是在二维空间，变成更容易理解的三维信息。

研究的总体目标是对PAE系统原型进行定量评估，通过可用性研究分析其如何支持海军领域的网络系统可视化和任务规划操作。对复杂网络及其相应拓扑结构的传统理解是基于技术手册中的蓝图的二维图纸。这种信息的翻译再由非主题专家（SME）通过PPT简报（或口头简报）进一步稀释，以告知高层决策者的指挥系统当前在水面资产上的通信状态。最终，在二维信息、口头或PowerPoint简报和向高层决策者提供综合信息之间会有时间损失。向决策者展示复杂系统的解决方案是通过PAE将二维信息表现为三维信息。

C. 研究问题 

本论文探讨了以下问题。

什么是有可能为任务规划提供更有效支持的技术框架？
网络通信能力的三维可视化和PAE系统能否为网络领域特定的任务规划要素提供有效支持？
PAE系统能否有效地协助战术层面的任务规划任务，具体到网络通信的管理？

D. 范围 

本论文将限于开发一个PAE系统原型，以帮助可视化用户研究所需的网络基础设施。可用性研究有两个不同的目的：检查用户对海军网络战斗空间的三维可视化的理解，跨越多个舰艇的通信和网络基础设施，并评估PAE在战术层面上有效协助任务规划的能力。虽然海军领域的PAE的大概念被设想为支持许多作战任务和训练情况[1]，并包括与作战系统的互连性，但为本论文开发的原型系统将有足够的功能来支持用户研究。

E. 研究方法

本研究的研究方法包括以下步骤:

1. 进行文献回顾。在AR、虚拟现实（VR）、SA、潜在多用户环境、网络可视化实践以及应用于AR的持久性系统等领域进行文献回顾。

2. 执行任务分析。进行任务分析，分析当前网络操作、决策以及整个舰队的设备和服务可用性的资源管理的做法。这包括但不限于详细分析航母上的战斗值班长（BWC）与巡洋舰或驱逐舰上的作战指挥官（CRUDES）之间的报告和互动，当前的网络可视化做法，以及PAE的有效性。我们还将对目前的报告标准和现有的SA任务和实践进行详细的任务分析。

3. 确定三维模型。确定一套支持虚拟环境和可用性研究所需的用户任务的三维模型。

4. 设计和开发一个PAE原型。设计和开发一个支持可用性研究的PAE系统原型。

5. 设计和执行可用性研究。设计一个可用性研究，制定机构审查委员会（IRB）文件，对人类参与者进行研究，并检查用户执行所需任务的经验。可用性研究的设计将针对网络领域的可视化，侧重于用户更好地理解网络设备如何与其他系统相互连接的能力，并实时描述网络战斗空间。此外，该设计将被定制为展示多舰情况下的决策，并衡量界面在支持任务规划和资源管理方面的有效性。

6. 分析数据。分析研究中收集的人类性能数据，并检查PAE原型系统的技术性能。

7. 确定建议和未来工作。收集并确定对未来可能的工作的建议。