SA的恶魔:态势感知的敌人

2018-01-24 · 作者:人机与认知实验室

[导读]良好的态势感知是如此具有挑战性的原因可以归结在在人类信息处理系统的特征和复杂领域的特征两个方面,其互相作用形成了“态势感知恶魔”。

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构建和维护态势感知对于许多不同工作和环境中的人来说可能是一个困难的过程。飞行员们报告说,他们的大部分时间一般都花在努力确保他们对发生的事情的心理描述是实时、准确的。对于许多其他领域:那些系统复杂且必须处理大量实时信息,信息快速变化以及难以获得的领域,可以说同样如此。

良好的态势感知是如此具有挑战性的原因可以归结在在人类信息处理系统的特征和复杂领域的特征两个方面,其互相作用形成了“态势感知恶魔”。 “态势感知恶魔”是在许多系统和环境中破坏静态感知的因素。弄明白这些恶魔,我们将迈出第一步,为面向态势感知的设计奠定基础。我们将讨论八个主要的“恶魔”:

●注意的隧道效应

●必需内存陷阱

●工作负荷,焦虑,疲劳和其他压力(WAFOS)

●数据超载

●错位

●复杂性蠕变

●错误的心理模型

●人不在环综合症

3.1注意的隧道效应

复杂领域中的态势感知包含了对环境中多方面情境的感知。飞行员必须时刻把握他们在空间中的位置,飞行器系统的状态,湍急的气流对乘客舒适性和安全性的影响,围绕它们的其他交通以及空中交通管制指示和许可等等。空中交通管制员必须同时监控许多不同的飞机之间的间隔(在任何一个时刻有多达30或40架飞机在他们的控制下)管制员还需要处理管理飞机流和飞行员请求的必要信息,并跟进管理寻求进入或离开他们的空域的飞机。一个库存车司机必须监视发动机的状态,燃料状态,轨道上的其他车,以及维修人员的信号。

成功的态势感知高度依赖于对环境不同侧面的持续处理。有时,为了执行一个或多个任务需要同时处理多个信息片,例如,在驾驶的同时监控路况和为了了解交通状况监控电台信息。这就是所谓的注意分享。人们在注意分享方面面临着诸多的瓶颈,特别是在单一形式下,如视觉或声音,因此它只能发生在有限的范围内(威肯斯,1992)。

由于他们不能同时访问所有所需的信息,人们还建立了系统的扫描或信息采样策略,以确保他们一直掌握着事件的最新信息。一次对所需信息的扫描可能发生在数秒或几分钟内,如飞行员和空中交通管制员的例子。也可能发生在几个小时内,如发电厂电力管制员在一天内需要记录数百个不同的系统的状态。

在所有这些情况下,和系统任何级别的复杂性下,良好的态势感知高度依赖于不同的信息源之间的注意切换。不幸的是,人们往往会陷入一种被称为注意力变窄或隧道效应的现象(巴德利,1972;巴特莱特,1943;布罗得本特,1954)。当他们屈服注意的隧道效应,他们的注意被锁定在他们所试图处理的环境的某种特定的方面或特征之中,将有意或无意放弃他们的扫描行为(图3.1)。在这种情况下,在他们集中注意力的环境部分他们的态势感知可能非常好,但是在他们放弃注意的部分将将很快变得过时。

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在许多情况下,人们会相信,这有限的集中是好的,因为在他们的意识中他们所关注的侧面是最重要的。在其他情况下,他们只专注于某些信息而忘记恢复其信息扫描的行为。这两种情况都可能导致态势感知的严重缺失。事实是,至少对广泛现状的高层次理解,是能够知道某些因素确实比其他人更重要的一个先决条件。否则,在态势感知方面关键的因素往往是被忽视的。

注意的隧道效应最著名的例子,东方航空公司的飞机坠毁在佛罗里达大沼泽地,机上人员全部遇难。所有三名船员专注于指示灯的问题,忽视了监控飞机的飞行路径,其结果是,没有正确设置自动驾驶(美国国家运输安全委员会,1973)。

虽然后果并不总是那么严重,这个问题实际上是相当普遍的。最常见的类型的态势感知故障是:所有所需的信息都得到了展现,然而却没有受到监控态势的人的重视。在研究飞机和空中交通管制事故的过程中,琼斯和恩兹利(1996)发现所有态势感知误差35%属于这个范畴。虽然各种因素会导致这个问题,但最经常发生的情况是,人们只是简单地专注其他任务相关的信息,失去了对情境的重要方面的态势感知。

注意的隧道效应不只是航空领域的问题。在许多其他的领域都必须提防它。随着我们看到更多的技术使用在汽车上(从手机到电脑导航系统的使用),一个重要的问题,注意隧道正在培育其丑陋的开端。根据一项研究表明开车使用手机的风险是不用手机的四倍,它的出现和手机是否是手持没有关系(Redclmcicr & Tibshirani,1997)。问题不在于物理干扰的作用,而在于注意力分散。频繁地在这些设备和驾驶任务之间进行注意切换,是一个挑战。同样,更多的技术使用,如头盔式显示器,可能会导致士兵注意力变窄的问题,专注于显示器上,而忽视了他们周围的是什么。未来的设计的努力,不管是在这种领域还是其他领域,需要明确地考虑这种注意的隧道效应的影响,并采取措施,以抵消它。

3.2  无法避免的记忆瓶颈

人类记忆仍然是态势感知的中心部分。在这里,我们不是指长期记忆(从遥远的过去的记忆的信息或事件的能力),而是短期或工作记忆。这可以被认为是一个中央存储库,具有把当前情况汇集到一起和把所发生的事情加工成一副有意义的图片的功能(由长期记忆中形成的知识和当前的信息输入共同构成)。这记忆存储本质上是有限的。Miller(1956)正式探讨了这个问题的,人们的工作记忆空间可以容纳大约七块加上或减去两块(相关报道)信息。这对态势感知有很重要的含义。虽然我们可以提升对应的能力来在记忆中存储相当多的态势信息,通过使用一种叫做“信息块化”的处理过程,本质上工作记忆是一个存储信息的一个有限的缓存。态势感知失败可能会导致在该缓冲区空间不足,随着时间的推移,缓冲区的信息自然的衰减。有了经验,人们就学会了凝聚或组合多个信息成更紧凑和易于记住的块。所以,例如,空中交管制员不需要跟踪30个不同的飞机,但也许是五或六个不同的组的相关的飞机,这样认知更易于管理。随着时间的推移,丰富的环境心理模型的建立有助于提高人们形成有意义的信息块的能力,为了更高效的存储。

即使如此,信息也不会无限期地停留在这个内存中。除非人们积极工作,以保持其存在(例如,重复或重复看见的信息),它会迅速从记忆中消失(巴德利,1986)。抽象信息发生这种损失可能会很快,差不多20到30秒(例如,电话号码或航空器呼号),如果连接到其他信息或精神长期记忆模型,信息可能仍然可以保留一段时间(恩兹利,1990)。

对于态势感知,记忆起着至关重要的作用(图3.2)。情境的许多特征可能需要驻留在内存中。当人在环境中扫描不同的信息,以前访问的信息必须记住,来与新的信息相结合。听觉信息也必须记住,因为它通常不能像视觉显示那样可以重新访问。在许多系统中,鉴于态势感知要求的信息的复杂性和容量,内存限制会造成一个显著的态势感知“瓶颈”这件事并不奇怪。

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在许多情况下,严重依赖于一个人的记忆表现的系统可能会发生严重的错误。一个重大的飞机事故发生在洛杉矶国际机场,一个工作负担很重的空中交通管制员忘记了将一架飞机被移动到一个跑道,并指定另一架飞机降落在同一跑道上。她看不到跑道,不得不依靠记忆来描述发生在那里的事情(国家交通安全委员会,1991)。

在这样的情况下一个人很容易会发生失误。一个更合理的处理方法是归咎于系统的设计,需要过分依赖于一个人的记忆。令人惊讶的是,许多系统都是这样做的。飞行员必须经常记住复杂的空中交通控制指令,司机试图记住口头指示,机器将记住的容忍限度和在系统发生的其他行为,和军事指挥官必须吸收和记住不同的士兵在战场上的哪个位置,他们基于源源不断的无线电信息。在这些情况下,态势感知是非常痛苦的,难怪记忆失误必然发生的。

3.3工作负荷,焦虑,疲劳,和其他压力(WAFOS)

在许多环境中,态势感知收到情境的考验,在这些人们必须经营的条件征税。这些压力可以采取几种形式。在许多情况下,人们可能受到相当大的压力或焦虑。这可以发生在战场上或办公室。可以理解的是,当自己的幸福受到威胁时,压力或焦虑可能是一个问题,但也包括自尊,职业发展或高度后果事件(例如,生命受到威胁)等因素。其他重要的心理压力因素包括时间压力,精神工作量和不确定性。

压力源也可以是物理性质的。许多环境具有高水平的噪声或振动,过热或过冷或者光线不足。身体疲劳和对抗一个人的昼夜节律也可能是许多人的主要问题。例如,长途飞机的飞行员通常在长时间和夜间飞行。士兵常规地被要求在少量睡眠和大量体力劳动后发挥作用。

这些压力源中的每一个可以显著消耗态势感知(图3.3)。首先,它们可以通过占用它的一部分来减少已经受限的工作记忆。更少的认知资源可以用来处理和保持记忆中的信息,这些信息是形成态势感知的要素。由于依赖工作记忆可能是一个问题,所以诸如这些的压力因素只会加剧问题。第二,人们在压力下有效地收集信息的能力较差。他们可能较少关注外围信息,在扫描信息时变得更加混乱,并且更可能屈服于注意的隧道效应。人们更有可能在不考虑所有可用信息(称为过早关闭)的情况下做出决定。压力源会使接收信息的整个过程不太系统化并且更容易出错,进而破坏态势感知。

显然,这些类型的压力源可以以许多方式破坏态势感知,并且应该在可行的情况下避免或设计出操作情况。 不幸的是,这并不总是可能的。 例如,一定程度的个人风险将永远发生。 在这些情况下,设计系统以支持高效地获取所需信息以维持高水平态势感知更为重要。

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3.4 数据过载

数据过载是许多领域中的一个重要问题。在这些情况下,数据变化的快速速率产生了对信息摄取的需要,其迅速超过人的感觉和认知系统提供需求的能力。由于人们每次只能接收和处理有限数量的信息,所以可能发生态势感知的显著缺失。人类的大脑成为瓶颈。

这个恶魔,很容易理解,对态势感知产生了重大挑战。如果存在比可处理的更多的听觉或视觉消息,那么个人的态势感知将快速过时或包含空白,这些空白可能是形成所发生的精神图像的重要障碍。

虽然很容易将这个问题看作人们不适合处理的自然事件,但实际上它通常是在许多系统中处理,存储和呈现数据的模式。在工程术语中,问题不是体量,而是带宽 - 由人的感觉和信息处理机制提供的带宽。虽然我们不能做大量的改变通道的大小,我们可以显着影响数据可以流过通道的速率(图3.4)。

混乱和混乱的数据流经管道的速度非常缓慢。以某些形式(例如,文本流)呈现的数据也通过管线移动得比图形化呈现的慢得多。通过设计以增强态势感知,可以消除或至少减少数据过载的显著问题。

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3.5失衡

真实世界中许多信息片段会在人的注意上产生竞争。对于司机,这可能包括广告牌,其他司机,道路标志,行人,拨号盘和仪表,收音机,乘客,手机对话和其他车载技术。在许多复杂的系统中,类似地会出现许多系统显示,警报,以及争取注意的无线电或电话呼叫的情况。

人们通常会试图寻找与他们的目标相关的信息。例如,汽车驾驶员可以在竞争的标志和物体中搜索特定的路牌。然而,同时,驾驶员的注意力将被高度突出的信息所捕获。显著性,某些形式的信息的完整性性,在很大程度上取决于其物理特性。感知系统对某些信号特性比其他信号特性更敏感。因此,例如,颜色红色,移动的物体,闪烁的灯比其他特征更容易捕获人的注意。类似地,较大的噪声,较大的形状和物理上较近的物体具有捕捉人的注意力的优点。这些通常是可以被认为对进化生存有着重要作用,并且感知系统很好地适应的特征。有趣的是,一些信息内容,例如听证人的姓名或词“火”也可以具有相似的突出特征。

这些天然突出特性可用于促进态势感知或阻碍它。当仔细使用时,诸如运动或颜色的属性可以用于引起对关键和非常重要的信息的注意,并且因此是用于设计以增强态势感知的重要工具。不幸的是,这些工具经常被过度使用或不适当地使用。例如,如果不太重要的信息在显示器上闪烁,则其将使人注意力分散,干扰对更重要的信息关注。一些空中交通管制显示器就是这样,闪烁系统认为发生冲突的飞机信号,吸引管制员的注意力。如果飞机真的在冲突,这将是一件好事。但是,错误的警报是常见的:当控制器已经采取行动来分离飞机或飞机已经计划在某一点转弯或爬升使他们脱离冲突时的情况。在这种情况下,使用高度突出的提示(闪光灯)会产生不必要的干扰,这可能导致操控员尝试处理的其他信息的态势感知能力下降。

在许多系统中,闪烁的灯光,移动的图标和明亮的颜色被过度使用。这产生了拉斯维加斯大道现象(图3.5)。有这么多的信息提请注意,很难将其中任何一个处理好。大脑试图阻止所有竞争信号,以便在该过程中使用显着的认知资源来处理期望的信息。

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虽然自然世界中物体的显著性难以控制,但在大多数工程系统中,它完全可以由设计者掌控。 不幸的是,在许多系统中,灯光,蜂鸣器,警报和其他信号,经常主动地引起人们的注意,或是误导或是把他们淹没在信号中。 不太重要的信息可以不经意中看起来更重要。 例如,在一个飞行器显示器中围绕飞行器符号的位置绘制大的不确定性环,其位置是从低可靠性传感器数据确定的。 这导致了将飞行员的注意力引向这种较不确定的信息并且使得它看起来比基于更确定的信息显示的其他飞行器更重要,并且因此当他们实际上需要相反效果时具有更小的圆圈的非预期结果。 错位的突出是系统设计中需要避免的重要态势感知恶魔。

3.6 复杂性

与数据超载的恶魔相关的是复杂蠕变的恶魔。复杂性在新系统开发中泛滥。许多系统设计者通过特性升级的实践不知不觉地释放复杂性。电视,录像机甚至电话具有这么多特征,人们很难形成并保持系统如何工作的清晰的心理模型。研究表明,只有20%的人能正确操作他们的录像机(Hoffberg,1991; Verity,1991)。在消费产品使用中,这可能导致消费者的烦恼和沮丧。在关键系统中,它可能导致悲剧的发生。例如,飞行员报告称:在理解飞机上的自动飞行管理系统正在做什么以及下一步将做什么方面,存在着重大问题(Wiener,1989; Wiener&Curry,1980)。这个问题持续存在,甚至对于使用这些系统已有多年的飞行员(McClumpha和James,1994)。

这个问题的根源是,复杂性使人们很难形成这些系统如何工作的足够的内部表示。更多的特征,管理系统的规则和分支越复杂,系统复杂度就越高(图3.6)。

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复杂性是一个微妙的态势感知恶魔。虽然它可以减慢人们获取信息的能力,但它主要是破坏他们正确解释所提供信息并预测可能发生的事情的能力(第2级和第3级态势感知)。他们不会理解情境的所有特征,将决定一些新的和意想不到的行为,或系统程序中的微妙,将导致它以不同的方式工作。应该指出系统发生的事情的提示将被完全误解,因为包括系统全部特征的内部心理模型将不充分地建立。

虽然训练通常被规定为这个问题的解决方案,但现实是随着复杂性的增加,人们在不经常发生的情况下对系统行为的经验不足的机会更大,但是需要更多的训练来学习系统 ,并且将更容易忘记系统的细微差别。我们将致力于在第8章解决在设计态势感知时克服复杂性的问题。

3.7错误的心理模型

心理模型是在大多数系统中建立和维护态势感知的重要机制。它们形成了一个关键的解释机制,用于获取信息。他们告诉一个人如何组合不同的信息,如何解释信息的重要性,以及如何对未来发生的事情做出合理的预测。然而,如果使用不完全的心理模型,则可能导致糟糕的理解和预测(水平2和3 态势感知)(图3.7)。甚至更隐蔽地,有时错误的心理模型可能用于解释信息。例如,习惯于驾驶种飞行器的飞行员,由于使用对于先前飞行器正确的心理模型,可能会错误地解释新飞行器的信息显示。当重要线索被误解就会发生事故。同样,当患者被误诊时,医生可能会误解患者的重要症状。新症状将被误解以适应早期诊断,显着延迟正确的诊断和治疗。模式错误是一个特殊的例子,就是人们认为系统是在一个模式下,其实它运行在另一个模式下,从而导致他们误解信息。

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模式错误是存在多种模式的许多自动化系统中的重要关注点。例如,已知导航员误解显示的下降率信息,因为他们认为他们处于一种下降速率为英尺/分钟模式,而实际上它们处于另一种模式,其中以度为单位显示。

错误的心理模式恶魔可以是非常阴险。 也称为表示错误,人们很难意识到他们是在一个错误的心理模型的基础上工作,并突破它。对于空中交通管制员的一项研究发现,即使已经有非常明显的线索,已经激活的错误心理模型在66%的时间内也不会被检测和解释(Jones&Endsley,2000b)。人们倾向于避开那些冲突的线索去解释,以适应他们选择的心理模式,即使这种解释是牵强的,因此很难发现这些错误,如果有的话。这不仅导致糟糕的态势感知,还导致人们在基于冲突的信息的基础上难以检测和校正他们自己的态势感知错误。

因此,避免导致人们使用错误的心理模型的设计是非常重要的。 自动化模式的标准化和有限使用是可以帮助最小化这种错误的发生的关键原则的示例。

3.8人不在环环路异常

自动化引发了最终的态势感知恶魔。 虽然在某些情况下,自动化可以通过消除过多的工作负载来帮助态势感知,但是在某些情况下它也会降低态势感知。 许多自动化系统带来的复杂性以及模式错误,即当人们错误地认为系统处于一种模式时而实则不然,都是与自动化相关的态势感知恶魔。此外,自动化可以通过使人离开环路来破坏态势感知。 在这种状态下,它们对自动化如何执行以及自动化应该控制的元件的状态(图3.8)产生糟糕的态势感知。

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1987年,一架飞机在底特律机场起飞时坠毁,导致除一人外所有乘客死亡。 对事故的调查表明,自动起飞配置和警告系统已经失败(国家运输安全委员会,1988)。 飞行员没有意识到他们在起飞阶段错误配置襟翼和缝翼,并不知道自动化系统没有像预期一样支持它们。虽然任何事故的原因是复杂的,这是由于自动化方法让人离开控制系统功能的循环,导致一个态势感知错误的例子。

当自动化良好运行时,处于环路之外可能不是问题,但是当自动化失败或更频繁地处于设备没有设计处理方案不能处理的情况时,不在环中的该人往往是不能检测到问题,正确解释所提供的信息,并及时干预。 这一问题的根本原因和解决方案将在第10章中进一步阐述。随着从厨房设备到发电厂的各种自动化辅助工具的增加,适当的自动化设计,以避免人不在环综合征是关键的。

3.9结论

来自人类信息处理的固有限制和许多人为系统的特征的许多陷阱可能破坏态势感知。 设计支持态势感知需要考虑这些态势感知问题,尽可能避免它们。 良好的设计解决方案为人类的限制提供支持,避免已知的人类处理信息的问题。

在下一章中,我们将讨论系统设计的总体方法和方式。 在本书的其余部分,我们将建立开发系统的设计原则,以增强态势感知并最小化他们的操作者将成为这些态势感知问题的牺牲品的可能性。

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