《復雜信息任務界面的出錯-認知機理》從導致任務失敗的源頭——對操作員產生的認知困難入手，展開令人困惑的復雜造成任務失敗的根原因分析，解析出錯-認知機理，提出一種由出錯-認知到信息特征映射的設計優化方法。為人機交互研究學者、界面設計人員及廣大讀者提供一種由出錯因子導入復雜信息任務界面設計的新方法。
從事信息系統開發、人機交互信息設計、人機交互設計等相關領域的研究者和設計者，信息科學、工業設計、交互設計等相關專業的本科生和研究生
目錄
序
前言
第1章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.1.1 導致任務失敗的源頭——出錯因子 1
1.1.2 視覺信息的認知困難問題 2
1.1.3 由出錯因子導入界面設計的新方式 2
1.2 國內外研究現狀 3
1.2.1 人因出錯分析方法綜述 3
1.2.2 復雜人機交互界面分析方法綜述 6
1.2.3 視覺認知與生理指標實驗方法綜述 7
1.3 研究的目的和意義 9
1.3.1 本書的研究目的 9
1.3.2 本書的研究意義 9
1.4 研究的主要內容 10
1.5 本章小結 11
第2章 復雜信息系統監控任務界面基礎理論概述 12
2.1 復雜信息系統概述 12
2.1.1 系統的復雜性 12
2.1.2 復雜信息系統 13
2.2 復雜信息系統的監控任務界面 14
2.2.1 復雜信息系統的人機交互 14
2.2.2 數字化、智能化的監控任務界面 15
2.3 復雜性分析 16
2.3.1 信息復雜性 16
2.3.2 任務復雜性 17
2.4 令人困惑的復雜 18
2.5 本章小結 19
第3章 復雜信息界面任務分析及出錯因子表征 20
3.1 人因出錯的特性分析 20
3.1.1 人因出錯概念 20
3.1.2 人因性分析 21
3.1.3 人因出錯的分類方法 22
3.1.4 人因出錯的分析模型與技術 26
3.1.5 出錯因子的界定 32
3.2 典型復雜監控任務界面分析 33
3.2.1 航戰顯示系統的監控任務界面 33
3.2.2 監控任務的界面顯示信息 36
3.2.3 監控界面的任務分析 37
3.3 監控任務界面的信息處理過程 39
3.3.1 人的信息處理過程 39
3.3.2 信息的定量化 41
3.3.3 中樞處理——信息的認知加工 43
3.4 操作員認知行為分析與CREAM擴展模型 45
3.4.1 操作員的認知行為模型 45
3.4.2 CREAM擴展的操作員認知行為模型 46
3.5 HERA的認知失誤辨識分析 48
3.6 復雜監控任務界面出錯因子提取 51
3.6.1 采用模擬實驗法提取出錯因子 51
3.6.2 監視/發覺出錯因子提取 53
3.6.3 狀態查詢出錯因子提取 55
3.6.4 響應計劃出錯因子提取 56
3.6.5 響應執行出錯因子提取 57
3.7 復雜監控任務界面出錯因子的認知表征 57
3.8 本章小結 58
第4章 出錯因子的認知分層模型構建 61
4.1 視覺認知 61
4.1.1 視覺感知 61
4.1.2 選擇性注意 63
4.1.3 信息存儲與提取——記憶加工 65
4.1.4 信息處理——思維過程 66
4.2 基于認知表征分類的出錯-認知集 68
4.2.1 出錯因子的認知表征分類 68
4.2.2 出錯因子到認知的映射 70
4.2.3 建立出錯-認知集 71
4.3 出錯-認知分層模型構建 75
4.3.1 不同出錯類型的認知分層 75
4.3.2 錯誤感知的認知分層模型 75
4.3.3 注意失效的認知分層模型 79
4.3.4 知覺混淆的認知分層模型 81
4.3.5 記憶失誤的認知分層模型 84
4.3.6 疏忽的認知分層模型 87
4.4 本章小結 90
第5章 基于視覺行為和生理反應的出錯因子實驗分析方法 91
5.1 視覺反應機理 91
5.1.1 視覺的行為與生理特性 91
5.1.2 凝視與掃視 94
5.2 視覺搜索模型 97
5.3 出錯因子的實驗分析方法 99
5.3.1 出錯因子——實驗變量的設定方法 99
5.3.2 視覺認知實驗的總體設計 100
5.4 視覺認知實驗相關技術與分析方法 102
5.4.1 E-Prime視覺行為實驗生成系統 102
5.4.2 眼動跟蹤技術 103
5.4.3 實驗相關的眼動參數與設備 103
5.4.4 實驗設計的方法 105
5.4.5 實驗的分析方法 106
5.5 監控任務界面中信息特征的視覺搜索研究 107
5.5.1 研究思路 107
5.5.2 實驗材料 108
5.5.3 實驗設計與程序 109
5.5.4 實驗結果與分析 111
5.5.5 討論一：認知信息處理與任務的關系 118
5.5.6 討論二：信息搜索與監控區域的關系 119
5.5.7 討論三：信息特征的集簇關系 120
5.5.8 結論與下一步研究 121
5.6 視覺局限引起的信息疏漏、誤讀/誤判研究(Ⅰ) 122
5.6.1 出錯因子提取 122
5.6.2 選擇實驗范式 122
5.6.3 研究思路 123
5.6.4 實驗設計與程序 124
5.6.5 實驗結果與分析 126
5.6.6 討論與結論 129
5.7 視覺局限引起的信息疏漏、誤讀/誤判研究(Ⅱ) 130
5.7.1 出錯因子提取 130
5.7.2 選擇實驗范式 130
5.7.3 研究思路 131
5.7.4 實驗設計與程序 131
5.7.5 實驗結果與分析 132
5.7.6 討論與結論 136
5.8 視覺干擾和注意轉移分散引起的信息忽略、錯過研究 137
5.8.1 出錯因子提取 137
5.8.2 選擇實驗范式 137
5.8.3 研究思路 137
5.8.4 實驗設計與程序 138
5.8.5 實驗結果與分析 139
5.8.6 討論與結論 144
5.9 視覺認知實驗綜合討論 146
5.10 本章小結 147
第6章 由出錯-認知到設計信息的映射關系研究 149
6.1 監控任務界面的設計信息表征 149
6.1.1 監控任務界面的設計因素——信息特征 149
6.1.2 信息呈現的設計信息表征 152
6.1.3 界面布局的設計信息表征 158
6.2 由出錯-認知機理到設計信息的映射關系 162
6.2.1 出錯-認知機理與設計的關聯性 162
6.2.2 由出錯-認知到設計的映射 162
6.3 出錯-認知域與設計信息域的相關性 164
6.3.1 出錯-認知的關聯屬性分析 164
6.3.2 設計信息特征的關聯屬性分析 166
6.3.3 出錯-認知到設計信息的映射 167
6.3.4 界面布局的目標約束 168
6.4 本章小結 170
第7章 基于出錯-認知機理的復雜信息任務界面設計方法及應用 171
7.1 由出錯-認知到信息特征映射的設計方法 171
7.2 典型航戰顯示系統任務界面設計案例 172
7.2.1 典型航戰顯示系統界面的出錯因子提取 172
7.2.2 典型航戰顯示系統界面的出錯因子-信息特征鏈 175
7.2.3 出錯-認知到設計信息的映射 177
7.2.4 典型航戰顯示系統界面的優化設計過程 184
7.3 本章小結 189
參考文獻 190
索引 199
第1章 緒論
1.1 研究背景
隨著計算機技術與信息化技術的快速發展，航空航天戰機、船舶駕駛操控、核電廠控制、戰場指揮等復雜信息系統的人機交互界面已經從傳統的模擬控制發展到數字化控制的視覺信息界面(visual information interface)。傳統的模擬控制一般是監視和操作系統，而在數字化控制過程中，操作人員的角色從手動控制者轉變成監控者和決策者，增加了操作者的視覺認知過程，這需要通過一系列認知行為來執行任務。而由于復雜系統視覺信息界面呈現出信息量大、信息關系復雜等特性，操作者進入復雜性認知，可能會由于操作失誤、誤讀/誤判、反饋不及時等認知困難導致任務失敗，嚴重時會產生系統故障，甚至重大事故。因此，如何系統地進行復雜系統中人機交互信息界面設計是當前學術界和工程設計界研究的關鍵問題，亦是設計領域與工程領域交叉研究的空白點。特別是從任務失敗的內在機理角度研究復雜信息界面的設計方法，還鮮有人深入，亟待加強。基于該問題的重要性以及相關研究匱乏的考慮，本書將從導致任務失敗的源頭——出錯因子(error factor)角度，研究出錯與認知之間的相互作用機理，建立一種由出錯-認知機理到信息特征映射的復雜信息界面設計方法。
《適應性思維》一書中，歌德?吉戈倫爾(2002)這樣闡述："只有人類頭腦出現錯誤時，心理學家才會被叫來解釋被錯誤纏繞的人類頭腦是如何偏離邏輯和概率規則的。切爾諾貝利核電站爆炸、美國糟糕的外交政策以及多種多樣的人類災難均被與邏輯思維上的失誤聯系在一起。"那么，對復雜信息系統而言，只有從邏輯思維(界面信息的視覺認知)分析出錯的內在機理(解釋被錯誤纏繞的操作行為)，才能將復雜錯綜的大量信息精準無誤地呈現在視覺信息界面中。
1.1.1 導致任務失敗的源頭——出錯因子
復雜信息系統的運行需要先進的硬件技術與科學的系統程序。據分析，系統的正常運行99%在于設備的技術性，那么1%就在于系統界面的設計(信息呈現)性。然而，操作員的任務決策依靠監控任務界面的信息呈現性，可見，系統界面的人機交互設計尤為重要。"安全來自長期警惕，事故源于瞬間麻痹！"這是我國核電站、交通、煤礦等復雜系統的安全標語，目的在于關愛生命，預防事故。若從認知科學角度分析，人的意識做不到長期警惕，認知過程中很容易造成瞬間麻痹。若是事故都歸于操作員、管理員的瞬間麻痹，忽略事故的源頭——監控任務界面，災難性事故只會頻繁發生。例如，2010年伊春8?24特大飛行事故，2011年7?23動車追尾事故，2013年韓亞航空爆炸，2013年八寶煤礦五次爆炸和中國糧倉起火重大事故的分析報告均提及事故原因與信息監控系統的人為操作和判斷失誤有關。據統計，在1988～1997年全球發生的民用飛機解體事故中，因飛行員在駕駛過程中誤讀信息所造成的事故率為70%。在我國，僅2008年全國共發生的357321起道路交通事故中，由駕駛過程中操作不當所導致的事故率為27.6%。因此，研究復雜系統的視覺信息界面，需要追溯到界面任務失敗的源頭——出錯因子，才能解決復雜信息呈現認知困難的根本問題。
1.1.2 視覺信息的認知困難問題
數字化、智能化的監控任務界面需要將系統抽象信息轉化為操作者易識別、易理解的信息界面元素。當呈現信息復雜時，需要合理的導航設計以及信息層次的結構設計，才能實現信息交互的合理性。對于信息交互過程，相當于輸入、變換、簡化、加工、存儲、恢復和使用信息的全過程，這正是認知加工過程。復雜監控任務界面中信息和任務的復雜性，有可能直接導致認知加工過程出現中斷，甚至錯誤加工，從而產生信息的搜索、認讀、辨識、判斷選擇等過程的失誤，終導致操作困難、系統故障、任務失敗。而令操作困惑的根本原因是視覺信息呈現給操作者帶來了認知困難。
因此，欲解決操作過程中的人因失誤，需要從視覺信息的認知困難問題入手。導致任務失敗的根本原因需要由認知加工過程的知覺、注意、記憶、思維等解釋，研究出錯與認知的關聯性成為了本書研究的關鍵。本書將從任務復雜性和信息復雜性對操作員產生的認知困難(復雜性困惑)角度，展開監控任務界面造成任務失敗的根原因分析，研究復雜信息系統監控任務界面出錯因子的認知機理。
1.1.3 由出錯因子導入界面設計的新方式
在工程技術領域，國內學者以"人因失誤""人為差錯"等表述國際通用詞匯human error，該表述包含人、組織行為、管理等多方面系統中的失誤類別，本書更傾向于操作者視覺認知過程產生的失誤，將研究對象界定為出錯因子。目前，在視覺信息界面領域還鮮有從出錯因子角度展開的研究。特別是應用于復雜的航空、軍事等多層級子系統復合顯示的復雜系統，其出錯因子多集中在執行監控、搜索等任務的視覺信息呈現中，研究其出錯的內在機理是改善復雜系統視覺信息界面設計的重要切入點和降低認知困難的關鍵之匙。因此，信息界面中出錯因子的認知機理已成為迫切需要解決的問題，也成為了本書的重要研究內容。由此產生了以下由出錯因子導入的界面設計新方式。
(1)由于復雜系統所呈現的視覺信息界面不同于傳統的模擬系統，以往成熟的人因失誤模型已經不能適用于多層級復合顯示的視覺信息界面出錯因子分析，需要基于復雜系統所執行的監控任務提取出錯因子，在前人提出的模型的基礎上建立新的出錯-認知模型。
(2)信息呈現的復雜性給操作員執行任務帶來了新的困擾。這種困惑的復雜所產生的出錯因子，需要從視覺認知角度分析視覺行為和生理反應機理，視覺搜索實驗方法與眼動跟蹤技術能夠解析認知失誤的行為和生理反應機理。
(3)出錯-認知機理并不能直接應用于復雜信息界面的設計，需要將任務失敗的源頭(出錯因子)與設計信息建立聯系。解決這個問題需要尋找一種可以將出錯-認知機理映射到信息界面設計因素上的方法，從而能夠對復雜信息界面進行優化設計。這將建立一套由出錯-認知到信息特征映射的復雜信息界面設計方法，為信息量大、信息結構關系錯綜復雜的任務界面進行信息呈現和界面布局優化，以達到系統性能的發揮和精準實施。
1.2 國內外研究現狀
1.2.1 人因出錯分析方法綜述
在人因性研究領域，工程科學中對人因出錯的研究起源于第二次世界大戰期間的武器系統領域。由于人的出錯(human error)造成的重大事故相繼發生，例如，1979年美國發生的三哩島事故，1986年發生的"挑戰者號"航天飛機爆炸事故以及蘇聯的切爾諾貝利事故，1988年英國發生的派珀?阿爾法事故等。特別是三哩島事故后，把災難性事故的發生歸因于人的出錯，開始對出錯展開廣泛研究，發展了各種人因失誤模型。Embrey、Swain、Kirwan、Hollnagel等以傳統人因觀點為基礎，試圖用操作員基本行為成分來描述具有"失誤"事件特征的操作員行為，PHEA、THERP、HRMS、HERA、CREAM、HEP等成為典型的人因失誤分析方法和模型。Embrey(1986)提出了預測性人誤分析技術(PHEA)，從計劃失誤、操作失誤、檢查失誤、修補失誤、交流失誤、選擇失誤六個角度分析失誤形成的過程，成為處理事故后操作員的人因性的診斷模型。Swain和Guttmann(1983)提出了人因出錯率預測技術(technique of human error rate prediction，THERP)，應用于事故下的規則性失誤分析，建造HRC事件樹，進行定量評價，該方法廣泛用于核電站、石化工業、大型武器系統等領域的風險評價之中。Kirwan(1997)在認知失誤分析方法的技術上，著重關注人因失誤發生的概率以及對系統或環境帶來的嚴重后果，提出了新的認知行為模型。Hollnagel(1996，1998)從認知心理學角度提出了人因性與失誤分析方法(cognitive reliability and error analysis method，CREAM)，該方法是第二代人因性方法的典型代表。該方法采用分類方案，對人因事件的前因和后果之間的關系進行了系統化的歸類，定義了后果和可能前因之間的聯系，具有追溯和預測的雙向分析功能，既可以對人因失誤事件的根原因進行追溯，也可以對人因失誤概率進行預測分析，是一種十分有效的人因出錯分析方法。Hidekazu和Wei(1999)研究人為差錯概率(HEP)，建立了用戶評估模型。
同時，在認知科學與工程應用研究領域，也不斷涌現出了人因出錯的分類方法。Norman(1981)從認知心理學角度早提出了出錯的類別，包括疏忽和錯誤兩種出錯類型。Rasmussen(1986)以優化系統設計為目的，提出了三種認知控制層次，分別為技能層、規則層和知識層，按照這三個層次對出錯進行系統分類。Reason(1987)認為Norman提出的兩種出錯類型是不的，他把出錯分為三種類型：錯誤(mistake)、失手(slip)和失誤(lapse)。Reason(1990)在這三種類型的基礎上，進一步完善了出錯分類，提出了錯誤感知、注意失效、記憶失誤等八種基本出錯類型。Swain等在THERP技術里把出錯分為了疏漏失誤(error of omission)、執行失誤(error of commision)和無關失誤(extraneous error)三種模式。以上學者研究的幾種分類方法成為了人因出錯研究領域的主要出錯類型，并結合人因性方法應用于工程領域。
進入20世紀，在航空航天、核電等重大工程領域，人因出錯的研究逐漸升溫。Shappell等(2001，2007)提出了人因分析與分類系統(the human factors analysis and classification system，HFACS)，并應用該系統對13年的飛機事故數據進行分析，發現error action是事故的主要分析對象。在國內，孫志強等(2008)提出了一種新的人為差錯成因分析框架。在該框架中，將差錯成因分為操作者、系統、任務、環境、組織因素五個方面進行分析，并提出了從大類到小類的層次化分析原則，以此作為人為差錯原則，結合認知模型，分析了不同認知階段可能出現的人為差錯模式。蔣英杰和孫志強(2011)介紹了人為差錯概率的量化方法，并將人為差錯分為時間決定論、任務決定論和場景決定論三種類型。孫瑞山和趙青(2012)研究了航空人為差錯事故/事件的影響因素，借鑒歐盟聯合航空事故和事故征集報告系統ECCAIRS分析框架，構建航空人為差錯事故/事件分析(ECAR)模型，并從事件層、描述層、原因層和組織因素與改進建議層，分析航空事故和不安全事件的人為差錯。沈祖培等(2009)建立了人的失誤認知模型的理論和方法；周勇和張力(2011)研究了核電廠人因失誤的認知控制過程，提出了應激影響模型和情景控制模型；吳曉莉(2015)對視覺信息界面進行用戶出錯分類，得到了出錯層到認知層的映射模型，提出了出錯因子導入界面設計的新方式。
隨著計算機圖形和用戶界面的快速發展，人因出錯的分類研究也應用到了界面的可用性改善研究。Nielsen等(1994)、Shryane等(1998)等提出減少出錯率的方法，改善可用性界面。李樂山(2004)在Norman、Reason對出錯分類的基礎上，提出了人機界面中的出錯分類。他認為疏忽(inattention)和過分注意(overattention)應作為人因出錯的主要研究內容。Hassnert和Allwood(2002)認為不可能有統一標準的出錯分類，應該采用實驗方法獲得相應的人因出錯類型，他們通過軟件的用戶界面測試，對用戶出錯進行歸納分類。Krokos和Baker(2007)提出了界面認知的出錯分類方法。Maxion和Reeder(2005)研究了通過減少出錯來提高用戶界面性的方法(external subgoal support)。
在Web of Science數據庫中對近13年的文獻進行檢
