基于用户认知的态势可视化设计研究

田 胜， 李 维， 董沁宇

(中国电子科技集团公司第十四研究所，江苏 南京 210039)

0 引 言

态势，指事物发展的当前状态及变化趋势，按照领域可分为预警态势、作战态势、安全态势、网络态势等。态势感知是一种基于环境的、动态、整体地洞悉态势信息的能力，其基本要求是发现即报、发生即报、即获即报[1]。通过态势可视化能够增强态势感知，提供易于用户理解的图形化表达，促进态势信息的发现识别、理解分析和响应处置。但在态势可视化设计过程中，由于缺乏对用户认知的研究和应用，会导致态势信息层级混乱、显示不清晰直观、不符合用户认知规律和习惯等。因此，本文基于用户认知开展态势可视化设计研究，以此提升态势显示的直观性与易用性。

1 用户认知特性

用户认知属于认知心理学范畴，是人脑对信息输入、转换、存储、提取的过程。用户认知特性由感知、注意、记忆、思维等心理因素构成[2]。用户接收态势信息刺激后，在感知系统、认知系统和反应系统的共同作用下，经过大脑信息加工处理后发出行动信号，如图1。

图1 用户认知过程

在感知系统中，用户通过视觉、听觉、触觉等感觉器官接收信息，体现了信息在人脑中的直接反映。因此，要求接收的信息简洁、清晰、直观，易于用户辨识和理解，可通过辨识度较高的图形、色彩强调重要信息，靠用户感知而非长时记忆，实现一眼即懂。

在认知系统中，通过用户的知觉、记忆、思维完成信息编码、存储、提取、决策等信息加工过程。其中，认知负荷是完成特定信息加工所需的认知资源总量[3]。用户的认知资源是有限的，若任务消耗资源总量超过个体拥有的总量，认知负荷就会增加，影响态势感知和决策效率。因此需要简化态势信息层级，提供关联提示，辅助用户决策；同时遵循用户已经建立的认知习惯，采用熟悉、易学的态势表达方式，降低注意和记忆负荷。

在反应系统中，针对认知系统输出的思维决策，开展行动实施。通过控制信息的可视化表达及用户对信息的深度加工过程，提升反应效率。同时对行动实施提供及时的信息反馈，形成高效完备的“认知-行动-反馈”人机交互闭环链路。

2 态势可视化设计流程

态势可视化是将态势要素转化成易于用户理解的形式呈现出来，将抽象或者不可预见的数据、过程以及结果转化为可见的符号或图形[4]，设计流程如图2。在态势信息层的基础上，通过设计层的信息编码对态势要素进行图形化设计，然后输出到展现层，构建易于用户理解的“设计-认知”映射关系。其中设计层的信息编码是全流程中最核心部分，信息编码是将信息与某种载体以特定方式结合在一起，使之变成用于识别的“信号”，以此展现信息的类别属性、数值程度和关联变化，常用的有色彩编码、图形编码、布局编码等。

图2 态势可视化设计流程

1)色彩编码：色彩是用户视觉中最易感知的要素，对视觉引导作用最大。色彩编码应当符合标准规范和用户习惯，通过色彩突显重点态势目标、弱化信息干扰，达到有效引导用户视觉注意的目的。同时运用色彩加强视觉显示分割，提供视觉认知线索[5]。并可利用色彩的色相、明度、饱和度在“前景-背景”上的合理搭配提升认知绩效[6]。

2)图形编码：图形特征的知觉因素包括视觉复杂性、熟悉性、语义距离、具体性和明确性等[7]。图形分为图表和图标等类型，图表一般采用饼状图、柱状图、折线图、散点图、雷达图、甘特图等可视化方式；图标是最常见的图形表达，要求语义明确、简洁美观、符合用户认知习惯。

3)布局编码：布局编码通过对位置、方位等信息的规则化，将所隐含的信息节点显性化[8]。有效的位置方位布局能够弱化干扰信息的注意捕获程度，通过拓扑、几何、空间关系等属性表征信息的因果、层次和关联逻辑。通常将首要关联信息放置于用户搜索的有利位置，以此缩减信息获取的时间，提升认知效率。

3 基于用户认知的态势可视化设计策略

依据用户认知特性和态势可视化设计流程，从信息的数量、关系、维度、主次等多层面，构建基于用户认知的态势可视化设计策略，包括分层分级、关联聚合、时空多维、焦点推送等，如图3所示。

图3 态势可视化设计策略

3.1 分层分级

态势场景，特别是复杂态势系统的场景，其目标数量、信息种类都较多，如果海量信息同时显示，会导致态势显示复杂、主次关系不清晰、用户认知负荷增加。因此，需要按照信息类型、重要程度、时间距离等规则分层分级，通过图层过滤、粒度筛选、多细节层级等可视化方式呈现，便于用户快速清晰的搜寻、识别和理解。

态势图层按照用途可分为基础地图层、环境感知层、目标态势层等，为保证核心显示要素不被遮挡，依据绘制顺序由底向上进行排序。基础地图层位于最下方，包含地图数据、经纬线、比例尺等；环境感知层在中间，包含地理地标、区域范围、电磁气象等；目标态势层在顶部，包含目标航迹、特征信息、决策信息等。分层分级要求不同层级的态势显示重点有所区别，同时提供更加详细的态势要素和数据[9]，各层之间相互依托、信息交互。

3.2 关联聚合

态势信息并非孤立存在，信息之间存在一些关联关系，如并列、从属、递进、时序、因果等。为避免态势信息结构混乱、信息分散，可将态势目标的多重特征、关系、指令等信息关联聚合显控，有效解决一个中心、多个关联点问题。

关联聚合可视化采用扁平化信息架构和显示模式，减少内容层级和展现步骤，力求到达信息的最短距离，实现快捷操作。通过选用关联图标和共性色彩，将态势各级关联信息聚合显示，构建统一的关联特征点和认知映射模型，便于用户对态势信息更快更好的认知和操作。同时，由于态势地图缩放等级的变化会带动目标显示密度变化，可将目标按需映射为地图上的点或图标要素，并对其基于地理距离动态关联聚合或解聚[10]，以此满足用户视觉认知舒适区。

3.3 时空多维

复杂态势场景空间关系复杂，时序状态较多，若无法清晰地展现信息时空关系，会增大用户理解和记忆难度。通过时空多维可视化设计，能够帮助用户快速理解复杂态势信息的时序逻辑和空间关系。一方面将过去、现在、未来的时间综合展现，全方位表现信息状态和趋势，实现有态有势；另一方面将二、三维空间同步显示或按需切换，解决时空一致性问题。

时空多维可视化从时间和空间角度增强用户态势感知。针对多平台协同，所有平台上的态势可视化需保持时间上的同步，通过不同颜色和线条区分历史航迹、实时航迹、预测航迹，直观展现不同时间阶段的目标状态和行动意图。同时发挥二、三维各自优势，二维有助于快速分辨大量态势信息分布情况，三维能够突出空间拓扑关系和仿真沉浸感，重要目标和装备等可通过三维模型和动画特效增强显示效果[11]。

3.4 焦点推送

态势感知对时间压力要求较高，态势信息有主次之分，在大量的信息中搜寻效率较低，杂乱无章的信息会给用户带来搜索时间长、延迟决策、无法专注于主要任务等问题[12]。在态势可视化设计中需对信息进行合理组织与呈现，通过智能化焦点推送，把用户从繁重的感知、注意、记忆等负担中解脱出来，使其只需专注于任务本身，缩短认知时间，提高交互效率。

态势焦点推送包括关注目标、告警信息、预测信息、决策提示等要素，通常以地图信息为交互载体，基于数据的获取、挖掘、处理等，通过图形、图片、色彩等可视化符号元素，将所需信息实时、动态、快速的推送给用户。并支持用户自定义推送，基于用户目标与习惯定制推送规则，实现用户焦点的按需推送。例如通过动态闪烁、波形辐射等方式将态势告警推送给用户，起到高度警示作用。同时将高威胁度目标以卡牌模式自动推送给用户，突出态势重点，便于用户快速定位、选择与操作。

4 设计应用

4.1 场景一：密集多目标态势

在错综复杂的态势环境中，往往伴随着多类型、多数量的态势目标。态势目标在地图的某些区域呈现高密度分布特征，导致有限的可视区域中目标过多或层叠覆盖，影响用户对目标的视觉辨识、搜寻和选择。可通过分层分级、粒度筛选、关联聚合、标牌避让、图形统计等可视化设计方法，实现密集多目标的主次分明、清晰直观展现，如图4所示。

图4 密集多目标态势可视化

采用图层标签方式将密集态势信息分层分级，如类型、领域、等级、边界等，支持用户自定义图层筛选，按需在态势图加载，快速分离所选图层。也可运用多细节层级对密集目标进行粒度筛选，显示细节随地图比例缩放而聚合和解聚。比例缩小到一定程度时，多目标显示距离过近而自动变为一个聚合目标，红色气泡显示目标数量，鼠标划过显示多目标批号。随着比例放大，聚合气泡同步消失。

在地图比例固定的情况下，为了不影响整体态势显示，可对局部密集目标开窗放大显示，展示更多细节组成。同时为了避免目标显示距离过近造成的标牌层叠遮挡，通过标牌自动避让，实现多目标标牌按序无遮挡排布，易于用户观察辨识。此外还提供态势统计、热区分布等综合可视化窗口，便于用户整体直观的获悉态势概况，一目了然。

4.2 场景二：重点关注目标态势

态势目标的重要等级不尽相同，用户期望能够快速搜索、跟踪到重点关注目标，实时监视重点目标的特征属性、状态变化、行动意图、异常事件等。可通过关联聚合、时空多维联动、焦点推送等可视化方式，实现对重点关注目标快速聚焦、精确筛选，促进用户高效监视和决策，如图5所示。

图5 重点关注目标态势可视化

采用图符集群对重点目标的多状态聚合显示，对应图标分别表示目标属性、等级、意图等，颜色和条纹数量区分等级状态，黄框表示选中状态，虚线连接表示群组关系。同时对目标操作进行关联聚合，将常用功能图标集成于环形菜单，如信息查看、目标跟飞、设为重点等，以目标为中心就近显示与操作，所见即所得。通过状态、操作关联聚合，增强用户对目标多属性的高效识别与交互。

对于复杂场景的关注目标运用时空多维联动设计，实现时间与空间信息的多维可视化。时间上，态势图实线显示历史航迹、虚线表示预测航迹、卡牌展现实时航迹信息；时序甘特图展现对目标节点与状态的全程监视；空间上，通过点、线、面二维图形与三维空间体信息结合，在二维态势中将重点关注目标三维开窗显示，形成二三维一体化的全局态势。

此外，为减少用户搜索负荷，采用目标卡牌、多模态告警、决策提示等对关注目标进行焦点推送。目标卡牌按照目标威胁度等级由高到低分为红、橙、黄三色，依次推送于态势底部，点选卡牌自动定位到态势对应目标，便于快速选择和操作；多模态告警通过声音、颜色、闪烁等多通道方式对异常事件发起告警，快速吸引用户注意；决策提示依据后台态势分析结果，在不同阶段自动为用户推送决策建议，以图文形式在态势左上角直观呈现，促进用户决策效率提升。

5 结 语

清晰直观的态势显示影响着任务效能和用户体验，而态势可视化设计在其中发挥着至关重要作用，通过直观的图形化表达，将态势信息由隐形到显性、变抽象为形象，更易于用户理解和决策。态势信息系统为用户提供了信息监视、预警、决策等平台，在态势可视化设计过程中应当充分遵循用户认知特性和习惯，从信息数量、关系、维度、主次等多层面出发，综合运用分层分级、关联聚合、时空多维、焦点推送等设计策略，有效解决态势显示问题，降低用户认知负荷，不断提升态势显示友好性与人机工效。