人类行为建模与情境控制

# 人类行为建模与情境控制 ## 1. 人类行为模型的需求 在科技日益复杂的今天，人类操作员的重要性并未降低。人与机器的共生关系常使操作员的表现成为抵御不良后果的关键防线。众多重要技术系统依赖人机交互实现目标，因此，人机交互的合理规范成为人机系统设计的核心问题，这也催生了对相关概念和模型进行改进的需求。 传统认知研究聚焦于个体认知，但如今人们逐渐认识到，应在认知发生的情境中进行研究。这个情境不仅包括技术环境，还包括组织和其中的人员。研究重点应从“思维机制”或认知功能本身，转向个人或群体如何维持对情境的控制，进而有效掌控工作中的流程或系统。而这种控制依赖于对情境的了解，且这种了解在很大程度上通过沟通来实现。 ### 1.1 维持控制 沟通在维持情境控制中的重要性可通过情境理解的一般范式来说明。基于Neisser的感知循环概念，当前理解指导或控制观察与行动，这些产生的结果作为反馈信息，会强化或改变当前理解，从而形成闭环。 当多人合作时，每个人都可通过此范式维持对情境的控制。“个体世界”通过共同环境和人际沟通相连，沟通能独立或补充观察与行动，有效改变当前理解。 这种控制与表现的关联有助于解答人类表现建模的两个重要问题：模型的用途和建模内容。模型应能更好地预测可能的发展，助力设计具体解决方案和评估风险；建模内容应侧重于描述整体表现特征，而非具体认知功能和机制的详细建模。 ### 1.2 建模要求 个人对情境的控制与正确预测情境发展的能力密不可分。在熟悉情境中，预测和控制相对容易，可通过培训和经验提高预测效果，部分功能还可自动化。但在陌生情境尤其是紧急情况下，预测困难，系统自动功能可能失效，操作员的正确行动至关重要，不当行动可能危及系统安全。 操作员在紧急情况下无法维持控制的原因包括： - 过程处于未知但明显异常或危险的状态，操作员因缺乏信息或信息过多而不知如何行动。 - 操作员识别状态并确立目标，但不知如何实现，现有支持和程序可能不足。 - 操作员知道行动和方法，但资源（特别是时间）不足，导致工作量增加和错误。 认知模型应能解释控制的维持、丧失和恢复。一般来说，现有情境的影响应大于特定认知过程，模型应符合实证证据，且认识到控制基于情境理解，通过沟通建立和共享。 ### 1.3 流程图模型 认知工作研究的基本假设是人类行为有序，可由目标、计划等引导。经典信息处理方法常采用流程图描述认知功能，但这种方法存在问题。信息处理模型假设认知是发生在人脑中的假设过程，其秩序性源于结构，不一定与实际观察到的秩序相符。人类行为具有主动性和反应性，且不会孤立发生。实际工作中，人们倾向于结合或切换策略，而非遵循单一策略，信息处理方法难以解释这种切换。 因此，应认识到人类表现的秩序性在于高效实现目标和存在常见模式，建模应描述这种秩序性，而不过多假设思维机制。 ### 1.4 秩序性与控制 人类有控制情境以实现目标的本能。有序行为的前提是了解目标和评估进度。有序表现依赖于行动结果的反馈，信息处理方法强调反馈控制，但人类表现还受前馈（预期或预测）控制。前馈可使操作员高效行动，在对环境有完美理解时，表现可完全由前馈驱动。但预期错误会导致意外事件，增加操作员负担。 例如，日常通勤开车和在陌生城市开车的区别在于环境可预测性，前者可提前规划，后者需不断寻找地标。工作中也有类似情况，表现的有序性和可控性取决于对系统或环境发展的预测能力。因此，认知模型应包含情境理解、规划和前馈等概念。 早期认知系统工程将认知系统定义为目标导向、基于符号操作、自适应且能利用知识规划和修改行动的系统。如今，更好的定义是认知系统能利用自身和情境信息控制行为，控制程度取决于意外信息与预期信息的比例。 ## 2. 控制与认知 有效控制的核心是正确预测能力，即对情境有正确的理解或模型。关于人类工作的模型需考虑认知特征，关于人机交互系统的模型需关注联合系统的显著特征，以实现设计目标。建模应聚焦于人类和系统整体如何维持或重新建立控制。 能够预测行动后果需要一套构建物，即对世界的认知表达，用于选择合适的行动。系统能做到这一点则处于控制中，反之则失去控制。“构建物”是维持控制所需的临时信息，在不同情境中也被称为知识或心理模型，但“构建物”一词负担较小。信息具有临时性，可能随学习或情境变化而改变。认知建模无需假设信息永久，只需考虑其在特定情境中的稳定性。此外，团队成员间需共享许多构建物，通过沟通建立共享信息。 ### 2.1 内在世界与外在世界 传统人类表现描述和分析方法严格区分“内在世界”（认知机制）和“外在世界”（环境或情境），二者通过输入输出交换相连，如一般自动机的描述。但这种信息处理模型存在问题，难以解释绩效塑造因素的影响、策略选择和切换、决策制定以及绩效水平变化等问题。 认知系统工程原则认为，认知总是嵌入在情境中，即“野外认知”。模型应考虑认知如何广泛依赖情境，而非狭义的输入。我们的感知取决于预期，而预期由情境决定，因此建模应摒弃独立于情境的输入信息概念。 ### 2.2 认知的顺序性 人类表现的描述必然涉及已发生的事情，呈现出的顺序性是时间特性的产物，并非真正的有序。例如，从未来可能的认知功能序列和过去已发生的序列对比可知，实际表现是人与情境条件耦合的结果。 因此，认知模型无需包含特定的典型序列，应能解释一般的人类行动，而不论行动结果如何。 ## 3. 建模方法 信息处理方法以人类信息处理系统的元素或结构为模型和理论的基本构建块，如短期记忆、长期记忆等。这种结构方法虽提供了客观参考框架，但将认知视为发生在人脑中的高级信息处理，忽略了情境因素，难以解决一些实际问题。 20世纪80年代后期，人们开始认识到认知发生在情境中，但“情境认知”观点仍将认知与情境区分开来。从认知系统工程角度看，无情境则无认知，纯认知或脱离情境的认知是错误概念。 替代结构方法的是功能方法，它描述表现的规律性，而非人类信息处理的细节。这种方法由人类表现的必要多样性驱动，避免了纯心理过程的问题，无需单独考虑情境与思维过程的关系。 ### 3.1 程序原型 在认知模型中，结构和功能方法对应程序原型模型和情境控制模型的区别。程序原型模型强调认知的顺序性，是对任务执行的规范描述；情境控制模型则认为认知由情境决定，关注控制和下一步行动的选择。 例如，常见的程序原型模型包含基本功能的重复执行，但与实际情况不符，需要添加许多修饰来解释替代路径和捷径。这种建模在概念上有吸引力，但实际应用存在问题，难以匹配人类行动的多样性。 ## 4. 能力、控制与构建物 人类表现很大程度上由情境决定，人们可通过多种方式实现目标，行动选择取决于当前需求和约束。认知系统工程的挑战是合理解释这种规律性，而不过多假设人类认知或内部信息处理系统的能力。情境控制模型基于能力、控制和构建物三个主要概念。 ### 4.1 能力 能力代表个人在特定情境下的行动能力集合，包括从基本行动到决策、解决问题等复合行为。能力不应按基本行动描述，而应考虑个人实际能做的事情。可能的行动集合取决于分析的详细程度和个人背景经验，个人只能从可用行动中选择。 能力还包括行动间的重复模式或特定关系，即模板集。模板集对高效行动至关重要，如计划、程序等。模板集和活动集的区分有助于解释多种现象，如多线行动、新目标建立、刻板表现、错误发生、随机表现和主导现象等。 ### 4.2 控制 控制描述行动的选择和执行方式，建模需考虑表现的多样性。控制的关键是短期规划，受情境、行动依赖知识和情境发展预期的影响。行动序列是构建而非预设的，频繁的行动模式反映了环境的相对稳定性和人类认知特征。 控制可分为以下四种模式： |控制模式|特点| | ---- | ---- | |混乱控制模式|选择下一个行动看似非理性或随机，如人们在恐慌时的盲目试错表现，包含零控制的极端情况。从个人角度难以预测，但从观察者角度因可变性有限可能较易预测。| |机会主义控制模式|下一个行动由情境的显著特征决定，规划或预期有限，可能因对情境理解不足或情境混乱。行动选择可能低效，产生许多无用尝试。| |战术控制模式|表现大致遵循已知程序或规则，时间视野超出当前主导需求，但规划范围有限，有时考虑的需求是临时的。频繁使用计划时，表现可能类似程序原型，但本质不同。| |战略控制模式|使用更广泛的时间视野，关注更高层次的目标，行动选择受情境或界面主导特征的影响较小，提供更高效和稳健的表现。| 在实际中，人们通常处于机会主义或战术控制模式。战略控制模式虽最优但较少实现，提前准备可避免陷入机会主义模式。 ### 4.3 控制模式与注意力 控制模式与注意力水平密切相关。战略控制需要注意力，机会主义控制中人们关注行动结果，混乱控制中注意力高度集中于单一目标。 战术控制模式可分为有注意和无注意两种形式。有注意形式是仔细执行程序和计划，适用于不太熟悉的情况或需要更谨慎的条件；无注意形式是人们熟悉情况但可能不严格遵循，此时易出现绩效失败，如日常家务中的失误。 注意力水平和控制模式是假设的中间变量，为更直观说明控制模式，可参考情境熟悉度和主观可用时间这两个与可观察绩效特征相关的维度。它们与控制模式的关系如下： ```mermaid graph LR classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px A(非常不熟悉且时间非常有限):::startend --> B(混乱控制模式):::process B --> C(熟悉度或时间增加):::process C --> D(机会主义控制模式):::process D --> E(熟悉度和/或时间继续改善):::process E --> F(战术控制模式):::process E --> G(战略控制模式):::process ``` ### 4.4 构建物 构建物指个人对行动情境的认知或假设，等同于个人知识。缺乏构建物时，行动只能基于猜测，对应混乱或机会主义控制模式。构建物具有临时性和人为性，类似于Neisser的图式，用于选择行动和解释信息。 构建物可分为短期和长期，如停车位置和机器操作说明。它们可随学习改变，与能力密切相关，能力包含做事的能力，而构建物是相关知识。 ### 4.5 能力、控制与构建物的交互 人类表现建模应明确区分控制和能力，描述控制的实现方式。模型应能描述行动序列的规划和具体行动的选择，而不是规定行动顺序。 控制模式、能力水平和构建物的性质与内容紧密相关。信息处理模型通常关注反馈驱动行为，但人类行为也包括开环行为，需要构建物来预测环境变化。控制水平取决于实际发生的事情，而这又取决于个人预期，预期主要由构建物和能力决定。 在功能建模方法中，四种控制模式不是绝对类别，而是控制空间中的区域，可使认知模型复制行动的动态选择和各种模式，以及内外信息的影响。 ## 5. 情境控制模型的问题 为使功能方法具有实际应用价值，需将其表达为实用模型，如用于模拟和分析。关键是描述控制如何依赖情境，以及表现如何受事件影响。具体需考虑两个方面：控制模式的转变方式和特定控制模式下的表现特征。 ### 5.1 COCOM参数 提出的情境控制模型（COCOM）基于功能方法，使用基本模型参数和特征。与传统结构模型依赖信息处理元素参数不同，COCOM仅需两个参数（目标数量和主观可用时间）和两个“函数”（选择下一个行动和评估结果）来解释行动选择和执行，即控制。 - **目标数量**：可通过认知任务分析客观评估，符合功能方法中表现由目标或意图驱动的观点，可视为特殊类型的构建物，且是简单参数。 - **主观可用时间**：与工作量相关，与客观可用时间有强相关性，有大量研究表明其对表现的影响。 选择下一个行动和评估结果遵循单一原则，但结果因控制模式而异。选择下一个行动需筛选与目标相符的行动特征，检查行动效果、前提条件、资源和副作用；评估结果需检查是否成功，区分预期反馈和新事件，考虑即时和长期效果。 ### 5.2 功能关系在COCOM中 COCOM的整体配置如图所示： ```mermaid graph LR classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px A(目标数量):::startend --> B(选择下一个行动):::process C(主观可用时间):::startend --> B B --> D(下一个行动):::process D --> E(评估结果):::process B -.-> E(潜在影响):::process F(控制模式):::startend --> B F --> E F --> A(间接影响):::process F --> C(间接影响):::process ``` 图中灰色箭头表示直接影响，黑色箭头表示间接或潜在影响。控制模式是假设的模型参数，用于确定可同时考虑的目标数量、主观可用时间、行动选择范围和结果确定程度。不同控制模式下，COCOM的参数和函数特征如下表所示： |控制模式|目标考虑数量|主观可用时间|行动选择|结果评估| | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | |混乱控制模式|极少|极少|随机或非理性|简单，仅关注直接结果| |机会主义控制模式|有限|有限|由显著特征决定，浅搜索|关注即时结果，较少考虑长期影响| |战术控制模式（有注意）|适中|适中|遵循程序或计划，仔细选择|全面，考虑即时和长期效果| |战术控制模式（无注意）|适中|充足|可能不严格遵循程序，选择较随意|可能忽略部分效果| |战略控制模式|较多|充足|基于长期规划，深入选择|全面且深入，考虑各种影响| ### 5.3 情境如何影响控制 情境影响控制，但不能简单描述，因为没有单一的“情境”输入和“控制”函数。情境由情境理解（构建物）和工作系统的发展组成。 情境理解决定目标选择和行动评估标准，预期事件集是情境理解的重要指标。实际与预期发展和事件的匹配程度决定控制水平，关键参数是时间。对于每个物理过程或控制任务，都有思考时间限制。 如果情境理解良好，评估过程发展所需时间少，可维持控制并进行其他规划；反之，理解不足会导致预测不准确，控制可能恶化。当评估时间超过允许时间，控制可能失控。 不同控制模式与可用时间的关系如下： |控制模式|可用时间情况| | ---- | ---- | |混乱控制模式|时间严重不足，落后于事件发展| |机会主义控制模式|刚好足够或略不足，行动规划不深入| |战术和战略控制模式|时间充足，可分析情境、规划和思考未来| ## 6. 结论 人们在工作中与技术和机器紧密结合，需要对人类行动的秩序性进行建模。认知系统工程旨在解释人类如何解释系统状态和决定行动，控制系统必须能够预测目标系统的未来状态，否则无法做出正确选择。 传统信息处理模型存在局限性，它们状态单一，功能执行与状态无关。而COCOM引入状态相关函数，使模型更灵活，可根据不同情境使用相同能力，表现差异源于能力使用程度不同。 控制模式具有规范性，混乱和机会主义控制模式通常不如战术和战略控制模式理想，战术有注意模式可能在性能准确性和可靠性方面更优。这些假设可通过实证测试验证，需要确定控制模式的方法和衡量性能质量的指标。 在联合认知系统设计中，应根据性能条件维持适当的控制水平。正常情况下，目标是实现战术有注意和战略控制模式的混合；意外情况时，应转向战略控制模式，减少时间压力。设计应防止操作员陷入战术无注意区域，提供明确目标和支持设施，以增强情境控制。