分布式决策中的可视化协调支持研究

### 分布式决策中的可视化协调支持研究 #### 1. 引言 在分布式决策中，意图的沟通至关重要，它对个体的局部协调起着关键作用。为了实现意图的可视化沟通，研究人员尝试在动态黑板上展示参与者的行为，让所有参与者都能看到。这一实验的灵感来源于社会感知的研究结果，即人们可以直接从身体动作中感知他人的意图。 该实验在 D3FIRE 中进行，这是一个用于研究分布式决策的通用范式。实验中，四个参与者组成一组，负责扑灭模拟森林火灾，并将使用动态黑板的小组与仅通过电子文字信息交流的小组进行对比。然而，结果出乎意料，使用黑板的小组表现反而下降。不过，由于黑板上已有相关信息，意图沟通的频率显著降低。 #### 2. 背景 在许多现代任务中，如流程工业、军事系统和空中交通管制，如何在复杂动态系统中实现个体间的有效协调是一个紧迫的问题。这些任务的情况不断变化，无法对所有可能出现的情况进行全面预测，因此整体行动计划只能在一般层面上有效，存在至少两种不同形式的不确定性。 ##### 2.1 协调的挑战与需求 - 个体需要评估所面临的情况类型，但过程演变可能并不完全清楚。 - 为应对情况的复杂性，个体必须合作，基于个体和部分任务模型进行协调和适应。 - 模型可以专注于任务的特定方面或更一般但不太详细的因素，但由于复杂性和不可预测性，无法制定涵盖所有方面的单一模型。 ##### 2.2 传统协调方式 - 分层组织 以森林火灾扑救任务为例，由于消防单位移动存在时间延迟，需要考虑火灾的快速局部发展和大面积整体发展。该任务至少有两个时间尺度： - 慢速整体时间尺度：决定在大范围内的灭火决策。 - 快速局部时间尺度：决定具体攻击区域的决策。 不同时间尺度之间存在层次关系，慢速时间尺度的决策优先于快速时间尺度的决策。同时，获取这些时间尺度决策所需的信息也很重要。局部灭火信息通常可直接获取，但在合适位置灭火需要对火灾发展进行整体评估，分层组织通过集中通信增加了至少一名决策者获得该评估的可能性。 ##### 2.3 基于意图的协调 研究发现，仅进行局部协调的小组也能达到合理的绩效水平，它们采用了基于意图的协调方式。因为行为协调需要时间，所以需要根据意图信息预测其他决策者的行为，而不仅仅依赖当前活动。例如，在森林灭火中，基于当前攻击区域的协调可能无效，而了解其他消防队长的意图则更有利于成功协调。 ##### 2.4 非言语沟通的可能性 传统的电子信息言语沟通方式受时间压力和心理负荷影响，因此需要考虑其他非言语沟通方式。相关研究表明，少量关于人体运动的信息就足以直接感知其意图。例如，在一个实验中，通过观察演员抬箱子前的预备动作，受试者能准确估计箱子的实际重量。这可以用运动学规范动力学（KSD）原理来解释，即当个体参与复杂活动时，其动态属性和特征会在运动模式中产生可感知的不变量。 此外，动画电影技术的研究也显示了运动在社会感知中的重要性。例如，在一个实验中，受试者观看由三角形和圆形组成的动画短片时，大多会用拟人化的方式描述，即使画面结构被破坏，只要运动存在，仍有很多人会这样描述。 #### 3. 实验目的 本实验试图通过在动态黑板上可视化非线性系统中的运动信息，实现分布式决策中意图的沟通。如果运动足够强烈，能使受试者的高阶属性产生明显行为，根据 KSD 原理，这些高阶属性（如意图）可以直接被感知，而无需言语表达。实验的目的是验证受试者的意图可以直接从运动中感知，且这种非言语沟通方式优于言语沟通方式。由于意图对仅进行局部协调的小组很重要，因此预计使用运动可视化的小组绩效会高于未使用的小组。 #### 4. 实验方法 ##### 4.1 受试者 32 名本科生参与了实验，他们接受了一般指导和练习机会。受试者被随机分配到小组中，每组 4 人，分为两个实验条件，共 8 个小组，每个条件 4 个小组。他们分两次参加实验，每次工作 2 小时，每人获得约 50 美元的报酬。 ##### 4.2 实验任务 受试者的任务是在 D3FIRE 中扑灭模拟森林火灾。D3FIRE 是一个研究动态系统中分布式决策的通用实验范式，分布式决策定义为决策者为实现共同目标而合作，但每个决策者对整体任务的了解有限。 实验任务受分布式决策定义的影响： - 每个受试者仅控制一个单位，而非像个体决策范式中控制所有单位。 - 受试者只能通过终端上的有限窗口获取火灾位置信息。 具体任务设置如下： - 区域地图显示在 20×20 单元格的网格上，受试者只能看到 3×3 单元格的窗口，这是由于消防侦察设备的传输范围限制。 - 受试者唯一能下达的命令是指定单位的移动目的地，通过点击屏幕上的目的地实现。单位会自动选择最短路线，侦察员也会自动跟随。到达目的地后，单位会自动开始灭火。 - 单位的移动速度为每 30 秒移动一个单元格。 为了合作和协调，受试者通过电子邮件进行沟通。有两个实验条件： - 动态黑板条件：所有受试者可以看到森林中消防单位运动的可视化信息，通过小箭头以 1 cm/s 的速度、15 Hz 的刷新率沿着 B - 样条路径移动来展示。 - 无特殊支持条件：受试者没有这种用于协调的特殊支持。 实验的目标是使火灾造成的单元格损失最小。实验试验在火灾扑灭或达到 50 分钟的最长时间时结束。火灾场景设计得足够困难，需要所有单位进行协调。 ##### 4.3 实验设计 实验采用 2（黑板 vs 无黑板）×3（试验次数）的设计，对试验次数进行重复测量，旨在比较使用决策支持进行局部协调的小组和未使