基于GOMS模型的机载指控系统人机界面优化研究*

王　颖　牟苏斌

(中国电子科技集团公司第二十八研究所　南京　210007)



基于GOMS模型的机载指控系统人机界面优化研究*

王颖牟苏斌

(中国电子科技集团公司第二十八研究所南京210007)

摘要针对目前机载指控系统软件功能越来越多、使用方式越来越复杂的应用现状，提出其面向任务的可用性问题，并结合实际执行的任务，运用GOMS模型原理，对该类软件频繁操作的任务进行定量分析。最后，根据分析结果指导该任务人界面操作的优化，并为今后界面的设计和优化提供参考依据。

关键词人机交互; GOMS模型; 指控系统; 可用性

Class NumberTN929.53

1引言

机载指控系统作为预警机上用于作战指挥的信息系统，主要任务包括完成情报收集和数据融合，为整个预警机系统提供实时、统一和完整的战场态势；根据指派的作战任务，临机规划智能决策，组织作战行动；指挥地面防空、电子对抗、航空兵等实施空天地网电一体的联合作战，在前出作战、远程作战、防空反导、联合作战及非战争军事行动中达成行动优势。随着作战理论的发展、战术指标的提升和作战战法的充实，该类软件系统的产品功能日益增多，持续朝着大型复杂信息系统的方向转变。

考虑到机载指控系统的工作环境是在飞行过程中的预警机机舱内，具高分贝的噪声和剧烈的颠簸等因素，对机上工作人员进行人机交互操作的过程带来了太多的不利影响：在地面安稳环境下操作的简单动作，在颠簸的机上变得十分困难。因此机载指控系统的界面不仅要系统考虑人的因素，还要强调人在飞行中的生理和心理特点，更需要考虑界面的可用性等问题[1]。在此之前的机载指控系统研发过程中，偏重产品功能的实现，尽量做到覆盖面广、功能齐全、综合性强；另一方面，往往对人机交互设计的重视不够，忽略了软件用户的使用体验，长期存在大部分软件功能很少使用，人机交互操作过于繁琐等一系列问题[2]。不幸的是，该类软件当前的人机交互设计上的主要依据是软件研发人员的经验判断和部队官员对软件开发的指示，缺乏定性定量分析方法对人机界面的优劣进行判断和优化。迫切需要新的理论和方法改变这一现状，从整体上优化工作人员使用软件的操作步骤，提高人机界面的易操作性和高效性。

GOMS模型是关于用户在与系统软件交互时使用的认知过程模型，GOMS模型理论为人们提供了一种对操作界面系统化定性和定量的分析方法。利用GOMS行为模型，我们对指控系统软件的操作按执行的任务进行分析验证，对每个任务的每个操作行为进行定量分析，得到每个任务执行时所需操作的动作和时间；同时，根据任务执行的操作流程，在程序相应的操作代码中增加时间和操作内容的记录，每次任务执行后，将记录的操作动作和时间进行整理，对操作行为量化对比，分析出最耗时的具体任务和其具体的操作步骤，用于界面操作的优化，将复杂的任务流程简单化，使人机界面更加高效和易操作[3～4]。

2GOMS模型理论

Card，Moran和Newall于1983年在《人机交互心理学》书中提出了GOMS模型，这是一种早期人机交互领域应用十分广泛的用户模型[5]。GOMS是一个缩略语，它代表目标(Goals)、操作(Operators)、方法(Methods)和选择规则(Selection rules)。

· 目标：描述操作员希望达到的行动目的。一个行动往往可以被分解成较小的行动。例如，行动目标是对来袭的敌机进行拦截，这个目标可以被分解成：找到需要拦截的敌机；指派我机进行拦截；计算出截击方案线等子任务。

· 操作：完成一个任务时使用产品的每个动作，如移动鼠标、点击鼠标键和键盘输入等。操作是用户为了使用一个交互式系统所必需的感知、认知或神经动作。因此，它们可能影响系统的状态，或者只是影响用户的心理状态。

· 方法：用于描述完成目标的一个过程，由低水平的操作组成，对于相同的目标，可以有不同的方法。因此，一个方法表示用户存储其任务知识的一种方式，方法不是在任务执行阶段建立的规划，而是用户已有的经验性过程。

· 选择规则：用于描述如何按照当前的事态选择适用的方法。在尝试完成一个目标时，对用户而言，通常存在多个可以利用的方法。将选择使用哪个方法，不一定是一个决策过程的延伸，因为有可能任务环境的特征指示仅有一个方法是最合适的[6]。

GOMS模型的研究方法就是首先把操作员使用界面的行为理解为完成任务的过程，大的任务的实现是由很多小的任务所组成的，这些小的任务可以分解为更细小的原子任务。每个原子任务的实现，都依靠不同的操作行为完成，每个操作行为都附有不同的属性。不同属性的操作行为基于界面的限定可以构成不同的方法，用户就可以根据不同的选择规则来完成最终的任务，GOMS模型从四个方面来记录使用者行为目标和操作过程，对人机界面交互系统进行任务分解和逐步精化，在GOMS定义的基本行为中，每个操作行为经过定量的分析以后都能得到一定的时间。因此，利用GOMS模型导入操作员实现终极目标的过程，就可以测试出用户与界面交互所用的时间，统计出每个任务每步操作执行的时间，对比结果，将消耗时间长的步骤再次进行优化，同时进行如下优化：1)将日常使用的功能和任务所需要的控制与数据突出地放在界面上,2)把所有其它不经常使用的功能放到次要界面位置上,让它们远离操作员正常的视野；3)对界面的按钮盒、对话框和菜单的放置和布局的优化可以有准确时间依据，完成对人机界面全面的优化，其在人机界面的应用和优化如图1所示[7]。

图1　GOMS模型对人机界面优化示意图

对GOMS行为与目标的分解说明其不仅可以应用于对交互界面进行定性研究也可以做定量分析。GOMS的构建者通过对用户行为的总结提炼和实验研究，给出了所定义的几项基本操作行为的典型时间(见表1)。用户为完成某目标所用的时间，就是用户与界面进行交互的各个基本操作加起来的总时间。从定量分析的角度来讲，它可以预测用户使用某项功能界面所需的时间，评价界面的绩效性，对现存的界面进行完善和优化。

做GOMS的导入研究时，判断使用者在何时终止动作进行心理运作，也就是在过程中什么时候插入心理准备的时间是比较难确定的。而相对来说，基本的肢体行为击键、指向和归位是比较易于观察和记录的。因此，GOMS模型的提出者，通过大量研究，给出了一组心理准备(M)的插入规则[8]，如表2所示。

表1　GOMS模型基本操作时间

表2　GOMS定位心里活动规则

3GOMS模型在指控人机界面的应用

指控系统人机界面接收外部信息,转换为界面显示信息,以图形、列表等形式展现给指挥员。同时，提供指挥员与指控系统交互操作的界面，将指挥员的意图以干预命令的形式发送给指控软件。在机上指挥员与界面具体的交互方法主要包括:命令交互、菜单选项、对话框操作和快捷键使用等类型，这些交互方法各具优缺点。

命令交互是交互计算机系统最早使用的一种交互界面，至今仍广泛使用，称之为干预命令。干预命令语言与其它计算机语言一样有严格的语法和语义，但比其它计算机语言更简练，便于记忆，贴近作战命令。通过在界面上通过键盘直接输入干预命令，可以快速与战术软件进行交互。

菜单的操作是通过选择菜单，完成与指控软件的直接交互，其执行速度快，但是无法输入交互的参数，通常都是通过菜单选择相应的对话框完成干预操作。

对话框操作是通过菜单弹出对应的对话框，将需要干预的参数进行输入或通过选择框控件进行参数的选择，形成具有参数的干预命令发送到战术软件，其操作时间随着输入参数的多少而定，并将参数直接展现给操作员。

快捷键的操作是将经常使用的命令通过对键盘的一个按键动作而完成的，操作最为方便。

机上的指挥人员经过长时间的操作训练，对界面操作十分熟练，每次飞行过程的目标任务非常清晰，其行为目标由最终目标和一系列子目标组成，指挥员会根据不同目标选择恰当的操作方法。在指控人机界面软件中，增加记录操作员每次操作的内容和消耗时间的程序，在飞行任务执行时，实时记录操作员的每个操作内容和消耗时间，在飞行任务结束后，对操作的任务频率和消耗时间进行统计，对于最经常使用的任务可将其相关按钮和菜单布局到界面直接可操作的位置，对其操作动作按GOMS模型进行分析，从而评估任务在不同操作方案中在实效上的消耗时间，并对操作的动作进行精简，再进行定性定量分析，使界面系统得以改进和完善。

下面例举一个具体的威胁估计任务，通过GOMS模型，对威胁估计任务执行时的每个操作步骤进行分解和用时计算，并实时记录飞机在空中任务的执行过程中威胁估计任务执行的时间，对威胁估计任务的操作进行优化。

3.1威胁估计任务的GOMS分析

威胁估计的任务是根据敌空中目标的类型、数量，以及相对我方重要海面舰船、港口、基地等保卫目标的航向、速度、方位、距离，结合这些保卫目标的防御能力、重要程度等信息估计出敌空中目标对我保卫目标的威胁等级。

威胁估计任务的操作步骤主要是设置评估目标，然后通过威胁估计表将威胁等级表现出来。威胁估计表由上下两张子表组成，上面的子表显示敌空中目标对我保卫目标的威胁信息，下面的子表用于显示敌舰船或敌高炮及导弹阵地对我方空中保卫目标构成的威胁状态，表格中字体颜色表示不同的威胁等级。红色字体表示一等威胁，粉红色字体表示二等威胁，橙色字体表示三等威胁，并在趋势中以上三角和下三角分别表示威胁的趋势。

图2　评估目标对话框

通常情况下通过评估目标对话框，设置需要评估的我方目标批号，其操作步骤如下：输入我方目标批号，设置某批我方空中或水面目标为评估批，对其进行威胁评估计算。在批号列表中显示的是当前评估批的全集，如图2所示。

操作包括：

【批号】编辑框：通过键盘输入综合批号(批号定义为1到6位的数字)。

【批号列表】：用于显示当前评估批的全集。

【设置】按钮：用于设置选定的综合目标为评估批。

【取消】按钮：用于取消选定的综合目标为评估批。

【清除】按钮：用于清除【批号】编辑框的内容。

【关闭】按钮：用于关闭对话框。

设置评估目标的操作具体描述如下：第一步，将鼠标移动到菜单区，点击【情报处理】菜单下的【定评估批】对话框，完成操作“指向P”，两次“击键K”；第二步，将手移到键盘上，完成操作“心里准备M”；第三步，将光标聚焦到批号输入框，完成操作“归位H”；第四步，输入六个字符，完成六个操作“击键K”；第五步，将鼠标移动到【设置】键，完成操作“归位H”；第六步，用鼠标点击【设置】键，完成操作“击键K”；将选定的综合目标设置为评估批，同时该批号进入自动【批号列表】，如图3所示。

这样全部操作过程为：M P K K M H K K K K K K H K；P = 1.1s, H = 0.4s, K = 0.2s,M=1.35s。然后可以按照标准时2M+P+2H+9K = 1.35×2+1.1+0.4×2+9×0.2 = 7.4s,即使用对话框进行威胁估计设置需要时间7.4s。

图3　设置评估批

3.2威胁估计任务的改进操作

对于指挥人员来说，大量的移动鼠标和进行键盘的操作，在机上这个实时颠簸的环境中，不是非常方便的一个操作，本研究增加了键盘命令输入、鼠标操作和快捷键操作，对评估目标操作进行改进。

1) 使用干预命令确定威胁计算目标

在人机界面的干预对话框中直接输入干预命令输入“DPGP批号”。

操作过程描述如下：第一步，用户用手把图形输入器件移动到干预命令对话框中，完成“指向P”；第二步，将手移到键盘上，完成操作“归位H”；第三步，输入“DPGP”5个字符和6个数字批号，完成11个操作“击键K”；第四步，敲击ENTER键，完成操作“击键K”。这样全部操作过程为：M P H K K K K K K K K K K K K ，M+P+H+12K = 1.35+1.1+0.4+12×0.2 = 5.25s,即使用干预命令输入方法完成操作需要时间5.25s。

2) 通过航迹右键菜单直接操作

通过鼠标左键选中需要进行定为威胁目标的航迹，点击右键，弹出右键菜单，点击【定目标】菜单，直接可以将选中的目标定为威胁目标。

操作过程描述如下：第一步，将鼠标移动到指定的航迹，完成操作“指向P”；第二步，查找航迹，点击鼠标左键，完成操作“心里准备M”和操作“击键K”；第三步，点击鼠标右键，完成操作“击键K”；第四步，将鼠标移动到菜单【定目标】，完成操作“指向P”；第四步，点击菜单【定目标】，完成操作“击键K”。这样全部操作过程为：M P M K P K，2M+2P+2K = 2×1.35+2×1.1+2×0.2 = 5.3s,即使用右键菜单完成操作需要时间5.3s。

3) 快捷键的操作

通过鼠标左键选中需要进行定为威胁目标的航迹，点击指定的键盘键，直接可以将选中的目标定为威胁目标。

操作过程描述如下：第一步，将鼠标移动到指定的航迹，完成操作“指向P”；第二步，查找航迹，点击鼠标左键，完成操作“心里准备M”和操作“击键K”；第三步，点击指定的键盘键，完成操作“击键K”。这样全部操作过程为：M P M K K，2M+P+2K = 2×1.35+1×1.1+2×0.2 = 4.2s,即使用快捷键完成操作需要时间4.2s。

根据计算结果可知，威胁估计任务的改进操作最低用时4.2s，平均时间降低近3.2s，可以根据上述操作的消耗时间，为该任务增加干预命令和快捷键操作二种形式的操作，使用户界面的操作效率得到一定程度的提高，并满足不同操作员的操作习惯。

4结语

快捷方便、直观、简洁的操作界面为指挥员的指挥提供了高效的方法，但如何定性、定量地描述哪些操作简单，哪些操作容易，哪些操作困难是进行人机界面优化的关键，GOMS模型提供了一个定量分析界面操作的时间和方法，但是GMOS模型适用范围有限，用这个模型测试得到的结果也是理想状态下的结果，对不可预测的因素就不能使用这个方法[9～10]。本研究利用GOMS模型分别对指控人机界面按任务的执行对对话框界面、图形用户界面和鼠标操作进行了实证研究，用于指导对人机界面进行量化的评估和分析，对比改进前后的操作时间变化，为设计、修改、改善机载指控系统的界面提供了参考依据，对界面的优化具有重要意义。

参 考 文 献

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收稿日期:2016年1月4日,修回日期:2016年2月27日

作者简介:王颖,女,硕士,高级工程师,研究方向：指控系统、人机界面。

中图分类号TN929.53

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.07.041

Human Computer Interface Optimization Based on GOMS Model for Airborne Command and Control System

WANG YingMOU Subin

(The 28th Research Institute of China Electronic Technology Group Corporation, Nanjing210007)

AbstractIn view of the fact that there were more and more software functions and more and more complicated usage manners of the airborne command and control system, the problem of the task oriented usability was suggested. And then, combining with the actually performed tasks, the quantitative analysis was carried out for the frequent operations of the software by using the principle of GOMS model. Finally, the optimization of the human computer interface operation of this task software was guided according to the analysis results, and the reference evidence was provided for the design and optimization of the interface.

Key Wordshuman computer interaction, GOMS model, command and control system, usability