摘要隨著現代技術裝置自動化/智慧化水平的不斷提高，顯示/控制裝置中動態資訊越來越多，而人的主要作用已由操作控制向監視轉移，即人的體力負荷下降、心理負荷增加的現象變得更加突出。鑑於此，有關人的情境認知研究已成了目前人機互動研究領域中比較活躍的一個方向，本文通過對情境覺知的發展歷史、概念定義、影響因素、定性模型分析，並結合前人的研究成果建立了一個新的情境覺知定義和相應的情境覺知多級觸發定性分析模型，初步揭示了情境認知差異形成的機制，併為進一步建立定量的情境認知分析模型（包括不同情境下人的感覺、理解、預測等階段的臨界值）打下了基礎。

關鍵詞：人機互動  工效 情境認知

簡介

在第一次世界大戰期間，Oswald Boelke

目前，如何提高空戰中飛行員的情境覺知已成了美國空軍發展計劃署（USAF Development PlanningDirectorate）對人機系統技術投資的一個重點目標，並正在進行實時情境覺知評估智慧處理器專案（OLIPSA  ON-LINE INTELLIGENT PROCESSOR FOR SITUATIONASSESSMENT）的研究；同時歐洲共同體也正在實施“通過情境覺知整合提高訓練的安全性”(ESSAI  Enhanced Safety through Situation AwarenessIntegration in training)的專案研究計劃。

下面將結合我們的研究進行以下幾個問題的探討：

一、情境覺知的定義

當前，情境覺知是一個在航空工效領域文獻中非常常見的概念，但缺乏統一的嚴格定義，幾乎每個學者或飛行員對此都可能有不同的定義。但是，作為把人、環境情形和系統狀態之間的互動作為一個整體來進行分析的整合概念，它具有基本的可描述性。當前的最基礎的研究工作就是通過對情境覺知影響因素的系統分析實現概念定義，以便於對其進行定性、定量建模。

1、Endsley的定義

與其他涉及到人主觀活動的的概念（如注意、工作負荷、緊張、冒險）相似，情境覺知（SA）的定義並不是絕對唯一的，而是被用來描述那些不能被直接測量、評價概念，這也是造成此概念難以準確定義的一個重要原因。目前，對情境覺知的定義公認比較好的是

Endsley於1988年人素學協會年會上發表的“Design and evaluation for SituationAwareness enhancement”（ Proceedings of the HumanFactors Society 32 nd Annual Meeting (Volume 1, pp. 97 -101).  Santa Monica, CA）一文中提出的情境覺知（SA）的定義：

“…the perception of theelements in the environment within a volume of time and space, the

comprehension of theirmeaning, and the projection of their status in the near future.”（情境覺知就是在一定的時間和空間內對環境中的各組成成分的感知、理解，進而預知這些成分的隨後變化狀況）

2、我們建立的定義

情境覺知就是在特定的任務情境下，操作者基於對當前裝置和環境的動態變化感知、綜合，運用基於分析（短時/工作記憶）、聯想（長時記憶）、規則（長時記憶）的預測方式，實現任務連續情境的模式識別與匹配並採取相應的對策，進而達到圓滿完成任務的目的。

為更加詳細地解釋該定義，可進一步地情境覺知分為三個重要階段：

1、情境覺知第一階段：對環境中各成分的感知

為實現情境覺知，首先應對環境中各相關成分的狀況、屬性及動態特性進行感知。對於飛行員而言，需要精確地覺察飛機本身的資訊（如空速、位置、高度、航線、航向等）、氣候變化、空中交通控制通訊、緊急通告及其它的有關資訊。

2、情境覺知第二階段：對目前的情境的綜合理解

情境的綜合理解是基於對第一階段中各雜亂無章成分的綜合。情境覺知第二階段不僅是簡單地意識到這些成分，而是依據不同的目的，飛行員充分理解了這些成分所具有的意義，並迅速將其綜合形成一幅清晰而又完整的情境狀況思維影象。

3、情境覺知第三階段：對隨後情境的預測和規劃

基於情境覺知第二階段形成的情境狀況思維影象，對環境中各成分將來的（至少是短期的）變化狀況預測並以此規劃出相應的對策過程，就構成了情境覺知第三階段（也是最高的階段）。

二、有關情境覺知的影響因素

情境覺知被認為是操作者與有關的系統及環境之間互動所產生的一種綜合作用。獲得並保持情境覺知的影響因素有很多，既包括內在的（飛行員認知活動）也包括外在的（環境及系統），也有直接或間接之分，詳見以下各表：

表1影響情景覺知因素的結構分類表

下面將對錶1中的影響因素分類進行具體的說明：

表2 影響情境覺知的直接內部因素表

表3 影響情境覺知的間接內部因素表

表4 影響情境覺知的直接外部因素表

表5 影響情境覺知的間接外部因素表

總之，通過對上述因素的分析，可以得出，不同個體情境覺知的差別主要在於：感知能力（包括感知速度、編碼速度、警覺性及模式匹配能力）、注意分配、記憶（包括工作記憶和長期記憶）能力、高階認知能力（分析、綜合理解、預測）、決策及操作能力等方面。我們可以因此制定出提高情境覺知技能的相應訓練措施。例如，可以要求操作者識別特定區域內的重要特徵（如情境中的成分、這些成分的運動特性及其隨後的變化情況）。另外，對情境覺知的獲取與保持也可以訓練。例如，使用有效的掃描、注意方式、從客體有限特徵資料中提取最大資訊量等。此外，通過訓練建立的有效反饋機能還可以增強操作者情境覺知的精確性和完整性，使操作者充分了解自己對情境中的評估和覺知錯誤，以便更好地進行修正。

三、有關情境覺知的定性模型

情境覺知可被看成是飛行員與系統、環境諸多成分相互作用的合成產物。但從更廣意義上講，情境覺知是飛行員為完成任務在特定環境下充分運用各種認知活動（如目的、感覺、注意、動因、預測、自動性、運動技能、計劃、模式識別、練習、動機、經驗、編［譯］碼技能及認識的提取、儲存、執行等）的綜合體現。

1、Beringer和Hancock的模型

Beringer和 Hancock在1989年提出的情境覺知成分加工的三層模型（詳見下圖）：

（1）高層加工：其主要活動包括保持情境覺知，即保持決策和動作的優先次序、子任務的有機整合以及監視任務變化的預示。

（2）中層加工（資訊處理）：通知觀測者，環境中的成分是什麼、在哪裡、什麼時間出現。

（3）低層加工：從內部或外部的環境中感知刺激（資訊）。

2、Finnie和Taylor的模型

Finnie和Taylor（1998）根據Power的感知控制理論提出了一個情境覺知模型。感知控制整合模型的主要思想在於情境覺知是由行為控制的。與感知控制理論類似，情境覺知的獲取與保持是從減小實際與期望的誤差行為中得來的。

3、Endsley的模型

Endsley於2000年明確地提出人對環境中有關成分的感知是形成情境覺知的基礎，決策、動作執行被看成是與情境覺知不同的階段。人們情境覺知的活動不是一成不變的，這可能與內在能力、經驗和練習程度有關；另外，人們的某種目的與計劃也可能使對環境的感知和分析受到影響；任務系統與環境中的其它因素（如工作負荷、壓力、系統複雜性等）對情境覺知也產生重要的影響。

4、我們建立的模型

高階飛行員存在著情境覺知“跳蛙”現象，即從感知刺激階段直接進入預測規劃階段（跳過了綜合理解階段），這主要是由於注意和環境任務的驅動引起的，他們進行的是資訊的關鍵特徵搜尋，而不是整個客體的搜尋。與一般飛行員的情境覺知相比，他們SA的取樣更離散一些，尤其是在感知刺激後的資訊過濾中，表現了較強的“去偽存真、去粗取精”的能力。對於每個刺激客體而言，既包括有用的資訊特徵，又包括冗餘的其它特徵，而高階飛行員具備了準確把握刺激客體的關鍵資訊特徵的能力（可以理解為“由小見大”的能力），所以能夠形成跳躍式掃視、立即規劃預測的情境覺知能力。對於一般飛行員來說，由於沒有形成高階飛行員所具備的情境覺知能力，所以覺察到的刺激客體中不但包括有用的資訊特徵，又包括冗餘的其它特徵，所以掃視範圍較大，並需要綜合理解那些被感知的資訊，然後才能預測規劃。與高階飛行員相比，資訊取樣量大，情境覺知比較連續漸進（速度較慢），具體如下圖所示：

在有時間、任務壓力的情境下，經驗豐富的高階飛行員常常使用基於認知（而不是基於評估）的決策策略。事實上，他們是基於以前的經驗進行反應和行動，而不是通過常規統計的方法進行決策選擇。基本認知決策中的情境評估是基於圖式和指令碼的。圖式是一類概念或事件的描述，是形成長期記憶組織的基礎。在“Top-Down”處理過程中，被感知事件的資訊可按照最匹配的存在思維圖式進行對映，而在“Bottom-Up”處理過程中，根據被感知事件激起的思維圖式調整不一致的匹配，或通過積極的搜尋匹配最新變化的思維圖式結構。

我們建立的SA多級觸發模型與Endsley模型不同之處在於：SA的三個階段之間的關係是遞進觸發式的，即只有當環境資訊達到一定的數量/質量要求時，感知階段才可能起作用並把資訊傳輸到一個資訊“過濾器”（過濾器的基本功能是讓指定的訊號能比較順利地通過，而對其他的訊號起衰減作用，利用它可以突出有用的訊號，抑制/衰減干擾、噪聲訊號，達到提高信噪比或選擇的目的）中；只有經過過濾後的有效資訊達到一定的閾值時，才能實現有效資訊的綜合理解階段；然後，通過與長時記憶中儲存的經驗圖式匹配產生“Top-Down”處理過程（基於聯想、程式）或面對當前情境刺激直接進行“Bottom-Up”處理過程（基於分析），資訊經過這樣兩個過程或（它們的）複合處理並達到一定的臨界值後，規劃預測階段才能夠正常進行；最後，對情境規劃預測的指令分成兩路，其中一路形成反饋，對感知、綜合理解、預測規劃等階段進行修正，另一路形成決策輸出並實現行為控制。

         面對同樣的情境成分，高階飛行員與一般飛行員表現出的覺知過程（如資訊的接受、處理、加工）是不同的，這種現象不妨稱為“資訊不對稱”現象。這主要是由於許多高階飛行員使用的是基於經驗性思維圖式/指令碼的認知活動，這些圖式/指令碼認知活動是形成自動性模式（即不需要每一步都進行分析）的基礎。另一方面，高階飛行員有時也要被迫對特定的情境做有意識的分析（自動性模式已不能保證準確操作的要求）。高階飛行員很少把注意轉移到諸如駕駛的基本技巧或顯示/控制位置等因素上，這將會減小他的分心。

這種現象也許與訓練規則有關，因為在規則中一般飛行員被要求依程式執行，而規則程式設定了觸發其情境覺知的閾值（即遇到規定的資訊被激或）；而熟練駕駛員通過大量的實踐和訓練經驗，形成了一種內隱的觸發情境覺知閾值（即遇到對自己有用的關鍵資訊特徵就被啟用，而不是規定的）。

一個“Top-Down”處理過程提取資訊依賴於（至少受其影響）對事物特性的以前認識；一個“Bottom-Up”處理過程提取資訊只與當前的刺激有關。所以，任何涉及對一個事物識別的過程都是“Top-Down”處理過程，即對於該事物已知資訊的組織過程。“Top-Down”處理過程已被證實對深度知覺及視錯覺有影響。“Top-Down”與“Bottom-Up”過程是可以並行處理的。

利用“Top-Down”處理過程，飛行員的注意和規劃可以在SA第一階段發生時就朝向環境的有關方面，然後，根據目標綜合理解資訊形成SA第二階段。與這些“Top-Down”過程並行，“Bottom-Up”處理過程也產生了。例如，環境中變化的趨勢及模式意味著新的規劃必須適應新的注意需要，這就需要飛行員當前的注意和規劃要隨著環境的變化而變化。而且，飛行員的注意（即從眾多競爭目標中挑選出的最重要的目標）將指引向最適合的思維模型或圖式的選擇，進而使兩者相匹配以實施規劃預測（SA第三階段）。

在大多數正常情境下，飛行員按“Top-Down”處理過程達到目標；而在不正常或緊急情境下，飛行員可能會按“Bottom-Up”處理過程達到新的目標。無論如何，飛行員應在情境中保持主動性的（前攝的）（如使用前饋控制策略保持在情境變化的前面）而不是反應性的（如使用反饋控制策略跟上情境的變化），這一點是很重要的。這種主動性的（前攝的）策略可以通過對不正常或緊急情境下的反應訓練獲得。

五、結論

本文通過對情境覺知的發展歷史、概念定義、影響因素、定性模型分析，並結合前人的研究成果建立了一個新的情境覺知定義和相應的情境覺知多級觸發定性分析模型，為進一步的模擬實驗設計及定量模型的建立打下了一個基礎。應用情境覺知的途徑似乎主要有兩種，即改善系統介面的設計和飛行員、空中交通管制人員的訓練。但是作為一個較前沿的研究課題，情境覺知正引起廣大工程師及科學工作者們對於其潛在的應用方面的興趣。除了在航空方面外，醫學、地面運輸交通、能源生產及過程控制領域都正在嘗試這方面的研究和應用。

參考文獻

[1]陳信、袁修幹，人-機-環境系統工程計算機模擬（飛行器人-機-環境系統工程系列專著）.北京航空航天大學出版社，2001.12

[2]Endsley, Design and evaluation forSituation Awareness enhancement, Proceedings of the Human Factors Society 32 nd Annual Meeting.1988, Vol1, 97 -101

[3]Endsley,M. R. (2000). Flight crews and modern aircraft: In search of SA. Paperpresented to the Royal Aeronautical Society. 2000,12

[4]Beringer,D. B., and Hancock, P. A. Exploring situational awareness: A review and theeffects of stress on rectilinear normalisation. In Proceedings of the FifthInternational Symposium on Aviation Psychology. Columbus: Ohio StateUniversity.1989, Volume 2,646-651

[5]Finnie,S. and Taylor, R.M. The Cognitive Cockpit. Flight Deck International. UK:International Press. 1998

[6]Hartman, B., &Secrist, G. Situation Awareness is More than Exceptional Vision. Aviation, Space andEnvironmental Medicine,1991, 62, 1084-1091.

[7]Harwood, K., Barnett,B., & Wickens, C. D. “Situational Awareness: A Conceptual and MethodologicalFramework”. Proc.of the 11th Symposium of Psychology in the Department of Defense. 1988

[8]Zacharias, G. L. Situation Awareness Metric for Cockpit ConfigurationEvaluation (TechnicalReport R8910): Charles River Analytics Inc. 1989c, 12