数字化控制室团队协调：影响机理与交互设计

王敦星

(1.福建省港口集团有限责任公司，福州 350014；2.清华大学 工业工程系，北京 100084)

1 引言

大规模复杂系统(如核电控制系统和港口操作系统)通常具有高度的动态性、复杂性和不确定性。近年来，大规模复杂系统中的数字化和信息化深刻影响了控制团队的协调活动以及团队成员与系统的交互方式。一方面，传统的模拟仪表和操纵盘被数字化的显示界面和控制系统所代替[1-3]，为控制团队的任务操作和协调活动提供了准确信息；另一方面，数字化的控制系统需要团队成员时刻保持对异常信息的关注，增加了控制团队的信息处理压力，可能会减少了团队成员口头交流的频率[4-5]。信息技术的引入，对于大规模复杂系统中控制团队的协调活动带来哪些影响，控制团队应该如何适应新技术带来的变化，目前仍然缺乏相关研究。

在数字化控制室中，操纵员不仅需要监视自动化设备上的大量参数变化，执行复杂的规程操作任务，还需要处理团队成员随时发出的协调需求。恰当的人机交互设计有助于改善团队的协调状况[6-7]，不合理的人机交互设计与协调沟通的不充分以及人因事故具有强相关关系[8]。目前，对于支持团队协调界面设计的探索大都集中在知识学习和协同决策等相关领域，如临时专家团队的协作决策[9]、计算机支持的协作学习[10]和在线社区中的协作研究[11]。然而，在大规模复杂系统中，仍然缺乏支持数字化控制室团队协调的交互设计相关研究。由于团队协调与工作情境、任务性质等因素具有高度的相关性，知识学习和协同决策等领域的交互设计方法难以直接应用到数字化控制室中。在设计支持团队协调的交互界面时，设计者不仅需要考虑控制室中程序化的工作流程[12-13]，还需要充分考虑紧急情形下操纵员过高的工作负荷、时间压力和心理压力以及各操纵员的工作职责、操作活动和操作时间等因素。

因此，有必要研究大规模复杂系统中数字化控制室团队协调的影响因素，并探索支持团队协调的交互设计方法。研究结果将促进研究者对控制团队协调机制以及协调活动与团队绩效关系的理解，并且为数字化控制室的系统和流程设计、人机交互界面设计、团队培训和管理等提供指导性意见。

2 团队协调的影响机理

现有研究中缺乏对团队协调影响机理的深入分析，尚未有研究系统地比较和整合文献中的研究成果。根据McGrath[14]和Hackman[15]等提出的IPO(输入-过程-输出)模型，团队特征(team characteristics)是团队合作的输入变量，团队协调、团队情境意识和主观工作负荷等是团队合作的中间过程，而团队操作绩效和主观满意度等则是团队输出结果。结合团队合作的IPO模型以及对现有文献的归纳整理，本文提出团队协调与团队合作的关系模型，如图1所示。具体而言，团队协调影响因素作为团队合作过程的输入变量，首先影响团队协调活动，一方面，团队协调通过与团队情境意识、主观工作负荷的双向交互，反映到对团队输出结果(操作绩效和主观满意度等)的影响上；另一方面，团队协调活动也可以直接影响团队输出结果。

图1 团队协调与团队合作的关系模型

需要指出的是，在大规模复杂系统中，由于缺乏团队协调行为分类系统和相关实证研究，图1所示的模型主要通过理论逻辑推演或质性资料分析提出。模型中所表示的团队协调运作机制和相互作用关系是否成立，需要进一步实证检验。

2.1 数字化设计

传统的大规模复杂系统控制室通常通过模拟信号显示系统信息，而数字化控制室的信息表达方式则更为复杂、多样。例如，在核电领域，通过构型和整合显示(Configural and Integral Display)[16]，可以将紧急特征相关的数据通过一种不需要深入思考的、有意义的形式表示出来；通过生态界面设计(Ecological Interface Design)[17]，可以促进操纵员基于知识和规则的行为，使操纵员快速有效地处理任务需要；通过富集信息设计(Information-rich Display)[18]，可以将信息进行浓缩，在数字化页面上显示更多信息。

信息呈现方式和界面复杂度是影响数字化控制室中团队协调的重要因素。例如，相比于文本呈现，图形呈现方式可以比较直观地显示当前数值以及偏离正常值的多少等[19-20]，可能有利于控制团队的协调活动以及更加快速、有效地处理当前任务。此外，构型和整合显示、生态界面设计和富集信息设计等信息呈现方式，一方面，通过高亮显示、弹出窗口和分层叠加等方式帮助操纵员筛选和甄别关键的参数信息，可以有效降低操纵员的工作负荷，可能有利于改善控制团队的协调活动；另一方面，这些数字化设计需要控制团队成员频繁地进行界面切换和配置，可能会超出控制团队的信息处理能力，导致信息超载(Information Overload)、任务中断(Task Interruption)、主操作任务绩效降低和团队协调失效等一系列问题[21]。此外，有研究指出[22]，虽然数字化系统在速度、准确性和多任务处理等技能规则型任务处理上优于人类，而在估测推理和故障诊断等基于知识经验的任务处理上则不如人类，因此需要充分考虑数字化系统和控制团队的优劣势，解决分配工作的平衡问题。信息超载和工作内容的平衡问题都将深刻影响传统的团队协调策略。

数字化设计的引入，令控制团队成员将有限的注意力资源集中到整合画面上，但也增加了人机系统的界面复杂度，无形中增加了控制团队信息处理的任务量和认知工作负荷，可能造成控制团队的传统经验与系统运行策略之间的冲突[23-24]。Li等人[25]的研究表明，过高或过低的界面复杂度均会带来较低的感知有效性(Perceived Effectiveness)和满意度。因此，数字化界面的复杂度也是影响团队协调和团队绩效的重要因素之一。

2.2 任务因素

影响团队协调的任务因素包括任务复杂度和任务类型等。任务复杂度是指任务操作步骤的多少、需成员配合次数的多少，以及任务完成时间的长短[26-27]。一般情况下，团队执行任务的复杂度越高，完成任务所需的时间越长，团队成员之间需要的协调活动就会越多。此外，任务复杂度还可以和其他因素(如团队成员多样性)通过交互作用影响团队绩效。例如，Higgs等人[28]的研究表明，在完成复杂度高的任务时，团队成员的多样性(Diversity)越高，团队绩效会越好。而在执行低复杂度的任务时，该结论刚好相反，即团队多样性越高，团队绩效越低。

任务类型对团队协调的影响主要体现在团队成员的时间压力和工作负荷上。例如，在核电运行领域，当处理一般任务时，控制团队通常有充足的时间进行团队协调，并且在执行关键操作时可以互相检查和提醒；而在处理应急任务时，团队面临的时间压力、心理压力和任务难度均会明显增加，使得班组成员之间的协调活动变得比较困难[29-30]。在医疗领域，Schmutz等人[31]的研究表明：在算法导向(Algorithm-driven)的任务中，团队成员倾向于求助他人以获取更多的资源，从而管理和完成手头上的任务，从而团队成员的求助行为次数更多；而在知识导向(Knowledge-driven)的任务中，班组成员则倾向于独立完成任务，求助他人的行为次数则较少。

2.3 团队特征

影响团队协调的团队特征(Characteristics)包括团队凝聚力(Team Cohesion)、团队多样性(Diversity)和团队大小(Size)等。团队凝聚力是指团队成员对团队任务和其他成员的承诺(Commitment)[32]。一般来说，团队凝聚力对团队协调和团队绩效具有正面影响[33]。Beal等人[34]的研究表明，团队的凝聚力越强，团队工作流程中的行为模式越集中(Intensive)，该团队的整体绩效越好。相比之下，团队多样性对团队协调的影响则具有双面性。Kilduff等人[35]指出，团队在任期(Tenure)和年龄上的多样性有利于促进团队合作与协调。然而，Jackson等人[36]通过对365名销售团队业绩的分析得出，过多的团队多样性(例如，在种族(Ethnicity)、性别、任期、年龄和教育等方面)反而不利于团队实现销售目标。此外，团队大小也是影响团队协调和团队绩效的重要因素之一。Huang等人[37]通过分析核电站控制团队的模拟事故处理过程得出：2人团队和3人团队在任务的完成时间上比1人团队用时更短，并且对自己操作技能的主观评价更高，而2人团队和3人团队在操作准确度、操作时间和主观评价三个方面没有显著差异。

2.4 组织环境

影响团队协调的组织环境因素包括团队领导力、训练、监管(Supervision)和安全文化等。Druskat等人[38]指出，团队领导力对团队合作过程的影响视具体情形而定：符合情形需要的团队领导力可以促进团队合作、提高团队绩效，而不符合情形需要的团队领导力可能对团队合作有负面影响。Connor等人[39]通过分析航空、医疗和核电等领域在1980年-2006年间有关班组资源管理(Crew Resource Management)训练的74篇文献发现，接受过团队训练的团队在态度、知识和行为方面的表现更好。此外，Cannon-Bowers等人[40]认为，通过适当的团队训练不仅有助于提高班组成员的操作技能，也有助于团队成员在处理应急情况时进行更好的协调配合。与团队领导力对团队协调的影响类似，监管的影响同样需要视具体的情形而定：对于需要严格遵循安全规则的任务(如铁路维修)，适当的监管有助于提醒团队成员对异常情形的注意，有利于提高团队成员的安全意识，促进团队协调和团队绩效[41]；而对于自我导向(Self-directed)和自我管理(Self-managed)的任务(如加工制造车间)[42-43]，过多的监管反而会干扰团队成员的协调过程，对团队绩效产生不利的影响。安全文化是个由安全态度、安全行为和安全规则等多个维度构成的综合概念[44]。在分析安全文化对团队协调的影响时，研究者通常从安全文化的子维度入手。例如，Katz-Navon等人[45]通过分析46所医院的安全文化与治疗失误之间的关系发现，工作人员对安全规程的细节感知(Perceived Detailing)和治疗失误的关系是曲线型(Curvilinear)的。这意味着，只有当安全文化在合适的范围内，才能有效地促进团队协调。

2.5 个体因素

影响团队协调的个体因素包括团队成员的个性特征和知识经验等。Halfhill等人[46]通过综述团队有效性的相关文献指出，在人格的“大五”(Big Five)维度中，团队成员的责任心(Conscientiousness)和开放性(Openness)是团队有效性的良好预测指标；在“大五”维度以外，团队成员的信任、成就动机(Achievement Motivation)、任务取向(Task Orientation)和权术主义(Machiavellianism)也可以预测团队有效性。与之类似，Bell等[47]通过对团队构成(Team Composition)相关文献的元分析(Meta-analysis)得出：团队成员的平均责任心(Conscientiousness)、经验的开放性(Openness to Experience)、最小一致性(Minimum Agreeableness)、集体主义(Collectivism)和团队合作偏好(Preference for Teamwork)与团队绩效有正相关关系。此外，团队成员的知识经验对团队协调和团队绩效同样有着正向影响。Taylor等人[48]通过分析漫画书产业(Comic Book Industry)团队创新成果得出，具有各领域的知识经验的多元团队更容易整合知识经验的多样性，团队协调过程更加顺畅有效，更容易取得较高的团队创新绩效。

2.6 环境因素

影响团队协调的环境因素主要包括室内照明和色温等。环境因素对团队协调的影响一般会通过其他介质，例如团队成员的视觉舒适度(Visual Comfort)和生物钟(Biological Clock)等，来影响团队成员的人际关系(Interpersonal Relationship)、解决问题的绩效和工作满意度[49]。Juslén等[49]认为，适当的照明(Lightning)会促进团队成员形成积极乐观的情绪，使他们更愿意和其他团队成员交流，形成更好的人际关系，获得更佳的团队操作绩效。然而，由于团队成员在适应环境方面存在个体差异(如性别差异等)，室内照明和色温等环境因素对团队合作的影响可能具有不稳定性[50-51]。

3 支持团队协调的人机交互设计

近年来，研究者对支持团队协调的人机交互设计进行了大量的探索，包括对应急管理中团队活动意识(Group Activity Awareness)的支持工具[9]、对线上环境中团队知识意识(Knowledge Awareness)的支持工具[52]和远程协作团队(Remote Collaborative Teams)分析任务的支持工具[53]等。为了尽可能多地满足团队协调在多种情形下的具体需求，研究者一般会综合使用多种交互技术来设计支持工具。例如，为了支持应急任务管理中的团队计划和决策活动，Wu等人[9]采用了标注(Annotation)、素描(Sketching)、指针(Telepointer)、多地图视角(Multiple Map Views)和颜色编码(Color-coding)等技术。下面，本研究从支持团队协调的基本交互工具或技术(如标注)入手，对现有文献进行介绍。

3.1 标注

团队成员的标注行为又被称为“协同标注”(Collaborative Annotation)或“社会化标注”(Social Tagging)[54]，它是基于Web 2.0的许多服务的特征之一。Wu等人[9]认为，通过使用标注工具，团队成员可以表达和记录个人的观点、分析讨论过程中他人观点的优劣势、对特定目标进行评价，甚至可以展示目标之间可能的关系。在现有研究中[55-56]，标注工具被广泛地用来分析复杂的外部信息和支持团队的协调过程。

在Wu等人[9]所开发的支持团队活动意识的网络系统原型中，Wu等提供了3种标注工具：标注筛选表(Annotation Sorting Table)、标注整合图(Annotation Aggregation Chart)和标注时间表(Annotation Timelines Chart)。其中，标注筛选表可以按照内容(Content)、标签(Tag)、用户和时间对团队成员的标注内容进行筛选，标注整合图则分角色记录了各团队成员的标注内容，标注时间表则按时间顺序记录了所有成员的标注活动。为了支持软件开发团队的概念设计，Germani等人[57]采用了标注工具来辅助设计团队评估个人工作、决策未来的工作方向和工作内容。标注工具的使用使得团队协调过程是主动的(Active)和双向的(Bidirectional)，并且有利于设计团队完成既定的任务。

3.2 概念图

概念图(Concept Map)是将知识结构进行图形化的主要方式。它是通过节点表示重要的知识或信息，通过节点之间的连线表示知识或信息之间的关系。在绘制概念图的过程中，团队成员可以有效地将各自的想法以及想法之间的联系表达出来。因此，绘制概念图的做法被广泛地使用于教学、学习和知识表征(Knowledge Representation)等领域。

为了支持团队协作分析(Collaborative Analysis)，Chung等人提供了一种基于网络的分析系统VizCept。该系统提供了丰富的工具来帮助团队成员绘制分析任务的概念图。通过绘制概念图的方式，团队成员可以跟踪其他成员的分析状态和关键信息，从而更容易产生新的想法和假设。Engelmann等人[52]使用Cmap工具将概念知识(Conceptual Knowledge)表述成概念图形式，并且在每位成员的个人视图上提供了共享工作窗口、自己工作窗口和他人工作窗口。团队成员通过概念图可以方便地比较自己与他人在知识结构上的差异，从而增强团队成员之间的知识意识。为了支持基于计算机的协作论证(Collaborative Argumentation)，Loll等人以团队成员的论证概念作为节点，以各概念节点之间的论证关系作为连线，建立了一个团队论证模型。该论证模型有利于促进论证过程中的各研究结论之间的比较和团队成员之间的协调配合。为了研究支持远程协作分析(Remote Collaborative Analysis)的方法，Balakrishnan等人[53]测试了一款知识图绘制软件NetDraw对协作分析绩效的影响。在NetDraw软件中，节点之间的粗连线表示人物之间的强联系(如夫妻关系)，而细连线则表示在同一时间同一地点出现的两人。该研究结果表明，使用NetDraw进行协作分析的团队绩效更好。

3.3 活动时间表

活动时间表(Timeline)是一款记录团队活动的图示化的工具。通过活动时间表上显示的信息，团队成员可以清晰地了解其他队员做了哪些工作，这些工作是何时完成的，各团队成员的贡献比例如何[9]。在记录团队成员的历史活动上，活动时间表与历史工作流(History Flow)有相似之处。目前，活动时间表工具被广泛地使用在支持团队决策、分析和讨论等活动的研究中。

为了记录团队成员在分析任务中的时间信息，Chung等人使用了SIMILE时间表插件(Timeline Widget)。该插件将团队成员提出的概念视为事件(Event)，并且依据概念之间的联系排列事件点的位置。该插件还可以用颜色标注提出概念的团队成员，并且提供辅助团队成员筛选概念和事件的功能。为了支持团队成员的决策过程，Wu等人[9]设计了一款活动时间表工具来记录团队的活动过程。Wu等人[9]认为，通过整合活动时间表上提供的活动信息(如活动时间和活动类型)，团队成员可以在决策过程获得必要的支持。为了支持来自不同地点的科学家的团队讨论和协调，Maceachren等人设计了一个记录各科学家活动的时间表显示工具。该工具用不同的颜色标注各科学家，用活动轨迹的长度表示科学家参与讨论的时间长短。为了帮助团队成员分析案例之间的联系(Iinter-case Linkages)，Balakrishnan等人[53]采用活动时间表工具(Timeline Worksheet)来记录犯罪情形何时何地发生。采用活动时间表设计的研究还包括等。

3.4 讨论板

讨论板(Discussion Board)是用来显示团队成员在讨论过程中的参与程度的图形化工具。其作用主要是平衡讨论者的参与程度，避免出现过度参与讨论和不参与讨论(Over and Under Participation)的情形。这种实时显示团队成员的讨论过程，而不提供诊断建议(如告诉参与者正确和错误的做法)的工具又被称为共享镜面显示(Shared Mirroring Display)[54]。目前，讨论板被广泛地使用在计算机支持的协作学习(Collaborative Learning)、协作研究(Collaborative Research)[11]和协作解决问题(Collaborative Problem Solving)等领域。

Bachour等[10]为了解决面对面讨论过程中参与度不平衡的问题，基于讨论板原型而设计了一款交互式桌面Reflect。该桌面用若干种不同颜色的LED灯来表示参与讨论过程的参与者，而LED灯点亮的数量则表示讨论者的参与水平。Reflect桌面包括领土显示(Territorial Display)和专栏显示(Column Visualization)两种方式。专栏显示方式将每位成员参与讨论的水平显示为若干列LED灯，每列表示1名团队成员。团队成员参与讨论的次数越多，代表该成员的LED灯被点亮的个数就会越多，该列就会越长。与Bachour等人[10]的方案不同，Bergstrom等人提出了一种可以显示团队成员轮流讨论(Turn-taking)行为的讨论板Conversation Clock。该工具将团队成员参与讨论的过程记录为环绕桌面中心的一系列矩形。矩形的颜色表示各团队成员，矩形的长度表示团队成员的声量。矩形以环绕桌面中心的方式进行排布，每一环表示每一分钟内团队成员的讨论活动轨迹。不同颜色矩形之间的重叠表示讨论过程中出现的重叠讲话情形(Overlapping Speech)。采用活动讨论板设计的研究还包括等。

3.5 其他交互设计

除了以上常用的交互设计之外，多指针技术(Telepointer)、多视图技术(Multiple Views)和轻量文字(Lightweight Text)技术等也被一些研究者采用。

多指针技术是指通过显示团队成员的指针位置，将团队成员关注的位置和正在执行的操作进行可视化。Greenberg等人提出了7种多指针技术的应用方法。例如，当其中一位团队成员点击某按钮时，在其他成员的视图上该指针将会变大，同时显示出点击按钮者的名字。May开发了一套支持多人交互的桌面HI-SPACE，该桌面允许多人同时使用触摸的方式控制指针，从而可以进行合并桌面上物体的操作。

多视图技术是指基于团队成员的具体角色，通过提供个人和整体等多种视图来辅助信息分享和信息整合。Wu等人[9]为团队成员提供了特定角色的(Role-specific)个人视图和共享的(Shared)团队视图。其中，个人视图能使团队成员独立地分析自己角色的数据，并且在与其他队员分享信息之前探索更多的可能性；团队视图则提供共享信息和需要团队讨论的话题。为了便于团队成员在移动过程中进行操作，McGrath等将个人视图设计在手持平板(Handheld Tablet)上，将团队视图设计在台式显示器(Tabletop Display)上。

轻量文字技术是指通过基本文字(如text文本)为团队成员提供重要信息、支持团队协调的技术。为了促进地震工程(Earthquake Engineering)的团队研究，Birnholtz等人设计了NEESgrid系统。该系统在左下角提供了一个可供团队成员传递文字信息(如系统和界面相关的问题)的窗口。该研究表明，即使是通过文字窗口进行信息交流，团队成员之间也可以在如何解决问题上较快地达成共识。

4 总结与展望

4.1 研究总结

从现有的研究成果来看，数字化控制室团队协调的相关研究仍然停留在起步阶段，主要局限如下：

(1)现有研究很少关注影响团队协调的因素。虽然现有研究对输入变量(如界面和系统设计等)如何影响个体绩效(如操作绩效、操作时间和失误率等)和团队结果(如团队透明度等)做了充分探讨，但很少关注团队协调层面。根据图1的关系模型，输入变量是通过影响团队协调过程来最终影响团队绩效的。然而，这些输入变量是如何影响团队协调，尚未有研究进行探讨。

(2)缺乏探讨数字化设计对控制团队的协调过程影响的实证研究。数字化设计的引入，改变了传统控制室中团队协调和团队合作的方式。然而，如何充分发挥数字化系统的优势，实现数字化系统与控制团队的工作平衡，仍然有待进一步回答。此外，数字化设计是否与其他因素通过交互作用影响团队协调和团队合作，都需要从实证角度进一步探讨和研究。

(3)缺乏针对数字化控制室特征而设计团队协调支持工具的相关研究。研究数字化控制室团队协调的最终目标是提出改善团队协调的具体方案，并通过技术和管理双重手段进行验证。因此，从人机交互设计的角度出发，需要设计支持团队协调的交互工具，并进行实验验证。目前尚未有相关研究开展。

4.2 未来展望

(1)开展数字化控制室团队协调的影响机理研究。团队协调与团队合作的关系模型(图1)主要基于对现有研究的归纳、整理和逻辑推演，缺乏实证研究结果的支持，相关运作机制和相互作用关系是否成立，需要进一步实证检验。未来研究可以通过交互设计的实验方法验证团队协调与团队合作的关系模型是否成立。例如，选取数字化设计和任务因素两个影响因素设计交互实验，检验它们是否通过交互作用影响团队协调(如行为发生次数和协调行为模式等)、团队合作中间变量(如团队情境意识和主观工作负荷等)和团队合作结果(如团队绩效和主观满意度等)，并且通过统计分析方法检验团队协调、团队合作中间变量和团队合作结果三者之间的关系是否成立。

(2)开展数字化控制室团队协调的影响因素研究。通过文献研究、调查问卷和实地访谈等方式，更为全面地识别数字化控制室团队协调的影响因素，并通过实验方法验证其影响机理。相关研究将不仅有助于完善团队协调的相关理论，而且将为数字化控制室中的任务设计、操作流程设计以及控制团队的考核与培训提供有价值的参考依据。

(3)开展支持数字化控制室团队协调的人机交互设计方法研究。数字化控制系统的人机界面集成了需要团队成员关注的重要参数以及需要操作的重要按钮。可以从界面参数的布局位置、显示方式和信息量等入手，结合对数字化控制室的实地调研，设计支持团队协调的人机界面工具，并通过实验方法验证工具的有效性和可用性。相关研究将为未来数字化控制室人机界面的设计与改善提供重要的参考线索。