基于态势感知理论的可视化感知模型

基于态势感知理论的可视化感知模型

吴佳鑫王健海

（武汉大学信息管理学院，武汉，430072）

[摘要]态势感知是在一定的时空范围内，获取和理解环境中的各种要素的信息并对环境的未来状态进行预测的过程。可视化技术的应用可以增强态势感知，本文从态势感知理论出发，分析了可视化与态势感知之间的关系，构建了可视化感知模型，该模型包括态势感知需求分析、数据与知识提取、态势可视化与视图交互、态势感知、决策制定与执行五个阶段，最后探讨了可视化感知模型中的关键问题。

[关键词]信息可视化态势感知可视化感知可视化模型

[分类号] G350 TP391

A Visualization Awareness Model based on Situation Awareness Theory

Wu jiaxin, Wang jianhai

(School of Information Management, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

[Abstract] Situation awareness is the perception of the elements in the environment within a volume of time and space, the comprehension of their meaning and the projection of their status in the near future. Visualization could enhance situation awareness greately. Based on situation awareness theory, this paper analysies the relationships between situation awareness and visualization, then a visualization awareness model is constructed. The model consists of 5 stages as situation awareness requirements analysis, extraction of data and knowledge, situation visualization & interaction, situation awareness and decision making & enforcement. At last the key problems of visualization awareness are presented. [Keywords] Information Visualization, Situation Awareness, Visual Awareness, Visualization Model

信息可视化是运用计算机图形或图像处理技术，将信息转换为图形或图像在计算机屏幕上显示出来，并进行交互的理论、方法和技术[1]。在决策的过程中，人对环境中信息的感知、理解和预测的过程被称作态势感知（Situation Awareness）。态势感知过程中人通过听觉、视觉、触觉感知信息。信息可视化是重要的视觉感知手段，能充分调动决策者的认知能力，强化对信息的感知和理解，被广泛应用于态势感知系统中。本文从态势感知理论出发，探讨可视化与态势感知的关系，构建可视化感知模型并分析可视化感知过程中的关键问题。

1 态势感知概述

态势感知这一概念源于航天飞行领域的人因（Human Factors）研究，此后在军事战场、人员培训、错误分析、复杂系统设计、群组工作等领域得到广泛应用[2]。态势感知是从时间和空间的角度，获取环境中的各种要素，理解这些要素并对其未来的状态进行预测的过程[3]。该定义由Endsley在1988年提出，随后在1995年Endsley对态势感知理论及态势感知的评价方法进行了系统的研究，构建了态势感知理论基础，态势感知理论模型[4]如图1所示：

态势感知包括三个层次：感知层（Perception）、理解层（Comprehension）、预测层（Projection）。

（1）感知层：负责对环境中的各种要素进行感知，包括环境的状态、属性以及环境的动态变化等。这个层次的活动由人的视觉、听觉、触觉等感知器官完成。

（2）理解层：建立在感知层之上，衡量环境要素对于达成目标的重要程度，并将各种要素综合起来加以理解。

（3）预测层：态势感知的最高层次，是在感知层和理解层的基础上，预测环境中各要素下一步的状态和行为。

图1. Endsley的态势感知理论模型[4]

态势感知的过程充分利用了人的感觉记忆（Sensory Memory）、短时记忆（Short Term Memory）和长时记忆（Long Term Memory）能力。感觉记忆负责采集环境中的要素，得到原始的感觉信号；短时记忆对这些信号进行存储和理解，识别其含义和重要性；在进行综合理解和预测时，需要从长时记忆区提取相应的图式（Schema），这些图式是对环境综合理解和预测时决策者所需的各类知识；态势感知的最终目的是支持决策的制定和任务的执行。随着环境复杂度和动态性的提高，决策者需要借助态势感知系统理解和预测当前环境，进而做出准确的决策。

2 可视化与态势感知的关系

许多态势感知应用系统，如航空控制、军事训练、安全态势感知、网络态势感知等，都广泛地使用了可视化技术[5][6][7][8]。可视化模块已成为各类态势感知系统的关键模块，因此可视化与态势感知具有很强的关联性，这主要体现的在：

（1）可视化是决策者态势感知的方式

决策者在获取环境信息时，通过视觉获取信息是重要的方式，与听觉、触觉和嗅觉相比，视觉处理的信息量最大，可视化为决策者态势感知过程提供视觉感知手段。

（2）可视化增强决策者的态势感知

决策者采用可视化视图进行态势感知，易于识别和理解环境中的要素、要素之间的关联、要素的发展趋势，使态势感知能力得到增强。

（3）可视化支持态势感知的各个层次

通过对环境信息的隐喻和映射，可视化可以支持感知层；通过对环境要素的统计、关联、趋势等信息的可视化，可以支持态势感知的理解层；对预测所需的方法、概念、步骤等知识进行可视化，可以支持预测层。

3可视化感知模型

态势感知理论的产生背景是航空飞行和军事领域，用于支持飞行员和指挥官的快速决策。这些领域内的决策任务往往具有很强的时限性和空间特征，需要在短时间内观察环境的各要素及其变化，理解这些要素并预测态势的下一步状态，以进行决策的制定和执行。在这些场景下，态势感知的优劣程度，决定了决策的准确性。尽管这些领域与通用的信息领域有一定的不同，但在信息的感知、理解和预测上，具有很强的共性。态势感知理论为可视化技术的应用提供了理论框架，下面将从经典的信息可视化模型出发，分析态势感知框架下可视化流程的特点，并构建可视化感知模型。

Card提出的信息可视化模型[9]在信息可视化领域得到广泛认同（如图2所示）。在该模型中，原始数据（Raw Data）、数据表（Data Tables）、可视化结构（Visual Structures）、视图（Views）构成了可视化流程中的四个阶段，通过三类变换：数据变换（Data Transformation）、可视化映射（Visual