基于協同設計理念的軍事信息系統設計研究

楊建明，李澤航，李冠斌，孫博文

【院士專欄：國防裝備設計與制造】

基于協同設計理念的軍事信息系統設計研究

楊建明，李澤航，李冠斌，孫博文

（北京理工大學，北京 100081）

探索協同設計理論在軍事信息系統設計中的應用研究。對軍事信息系統設計中各流程參與者及其需求進行梳理和分析，構建軍事信息系統協同設計流程，邀請被試人員進行實驗和問卷，通過眼動實驗數據分析信息，根據問卷數據驗證數據準確性，結合兩種方式評估基于協同參與的軍事信息系統設計的可行性。實驗證明協同設計可通過提高設計流程中參與者的參與度來獲取更完整的設計需求，提高軍事信息系統的決策效率，優化操作體驗。

軍事信息系統；協同設計；設計流程

伴隨著信息技術的發展，我國軍事信息系統信息化進程不斷推進。21世紀初以來，我國軍隊信息化建設以體系構建和技術結合為主，軍事信息系統經歷了從無到有，在新發展階段，仍面臨諸多問題和挑戰，如軍事信息系統設計缺乏流程的合理統籌，參與者需求缺乏準確性，存在效率欠佳、可持續性不足、溝通性不足等問題。融入協同設計理念可有效優化軍事信息系統設計流程，完善體系構建，提高可持續性[1]。

1 研究現狀

協同設計源于計算機支持的協同工作（Computer Supported Cooperation Work，CSCW）。CSCW是指在計算機技術支持環境下，一個群體協同完成一項共同任務[2]。軍事信息系統，也稱為綜合電子信息系統、C4ISR（Command，Control，Communication，Computer，Surveillance，Reconnaissance，C4ISR）系統，是綜合指揮系統、控制系統、通信系統、計算機系統、偵察系統、監視系統及情報系統等大型復雜人機系統[3]。信息系統中的協同設計研究始于20世紀90年代，斯坦福大學設計研究中心的Cutkosky學者對網絡通信、分布式計算、計算機支持的協同工作等問題進行了研究[4]。

在國外，Manizni[5]提出協同設計更像是一場在很多個人和集體之間展開的對話，不同參與者在其所在的節點發起設計行動，以不同的方式進行互動。Pelle Ehn等人[6]在關于協同設計的研究中總結協同設計的過程具有高度動態過程、主動創造性活動、借助設計工具等特點，設計師的角色是不同利益方的協調人和其他參與者想法的推進者。

在國內，時迪[7]在協同設計的實際情況研究中發現，參與者之間的關系包括設計師與非設計師之間的溝通、非設計師與非設計師之間的溝通，后者是目前缺失的部分。協同設計參與者的溝通缺失見圖1。

劉俊先等人[8]在軍事指揮信息系統的需求研究中發現該類系統主要需求分為使命需求、作戰需求、系統需求、綜合保障需求4個部分，指揮信息系統體系需求框架見圖2。

沈艷麗等人[9]在研究中提出軍事信息系統協同設計流程主要由需求、體系結構、仿真、評估4大部分組成，各部分有其單獨的運作和流程，軍事信息系統的協同設計流程見圖3。王書敏等人[10-11]在分析軍事作戰需求論證系統特征的基礎上，提出明確需求的重要性。劉崗等人[12]在研究中提出界面設計的質量與其流程密切相關，優質的設計流程可以得到更好的系統界面，提高使用效率。總之，目前軍事信息系統設計流程偏于傳統，協同設計視角下的軍事信息系統設計將以提高數據處理能效和優化操作體驗為目標，將協同理念應用到當前軍事信息系統設計場景中。

圖1 協同設計參與者的溝通缺失

圖3 軍事信息系統的協同設計流程

表1 軍事信息系統設計要素分析

表2 軍事信息系統設計的參與者信息

2 要素分析

數據的海量化和多元化使軍事信息系統的發展要求更加復雜，以往的設計流程暴露了效率低、需求片面、參與度低等問題。在協同視角下的軍事信息系統設計研究中，針對新的開發環境和要求綜合考量參與者、需求和設計流程，軍事信息系統設計要素分析見表1。

首先，在參與者方面，將軍事信息系統研發流程的參與者按照職能分成3個主要方面，分別是軍隊方面、設計方面、工程方面。其次，在獲取需求方面，調動3個方面的參與者進行共同聯系和討論，以獲取完善的信息和需求。第三，在設計流程方面，對每個環節及其相關信息逐一分析，發現流程中存在的問題，通過融入協同設計的理念來調動各參與者共同溝通和解決。

3 軍事信息系統協同設計研究

3.1 從參與者出發

在軍事信息系統設計過程中，每一位參與者都十分重要，參與者之間的聯系方式是溝通。Manzini和Sanders等人[13]曾指出，在未來，協同設計提倡各環節的參與者共同參與。根據不同職能參與者，可將流程中的參與者信息進行梳理，軍事信息系統設計的參與者信息見表2。

軍事信息系統設計流程中通常遇到溝通性低的問題，不僅存在非設計師與非設計師之間的溝通缺乏，更多是設計師與非設計師之間、多方共同的溝通缺乏。結合時迪研究和表2的梳理，可以得到參與者之間的溝通關系，軍事信息系統協同設計溝通研究中缺失的部分見圖4。在梳理參與者關系后，發現參與者的任務即設計需求需進一步研究。

圖4 軍事信息系統協同設計溝通研究中缺失的部分

3.2 從需求上入手

設計的需求主要服務于用戶，軍事信息系統設計的用戶為軍方，所以該類設計的需求主要為幫助軍事人員更好地完成指揮和作戰目標。張瑞杰等人[14-16]提出設計師在信息系統設計的需求中的主要任務是交互與界面設計，在具有大量數據的頁面中使操作人員在更短時間內獲取有效信息，要求設計師增加圖形信息的辨識度，注重用戶在界面上的視覺停留時間和響應時間。

根據劉俊先對指揮信息系統需求描述的理論研究框架，結合設計在軍事信息系統研發中發揮的作用，可將需求類型在設計方面進行梳理得到框架圖，軍事信息系統中的設計需求見圖5。高斌等人[17]在關于軍事信息系統開發流程的研究中提到，設計方面的需求獲取方法眾多，用戶訪談法可以更快速、直觀地獲取信息，驗證獲取的需求通常采用需求評審法。至此發現，需求復雜且難以快速完整獲取，涉及流程的優化問題。

圖5 軍事信息系統中的設計需求

3.3 從流程上發現

從參與者及其任務的角度出發，參照軍事信息系統的協同設計流程圖對每個環節逐一分析，發現以下問題：（1）需求溝通缺失問題。需求部分參與者多為軍隊方面和其他兩者的一方單獨溝通。主要由項目整體統籌問題導致，各部門單位的工作性質、模式和時間的不同對協同參與產生了影響。（2）設計方案溝通問題。體系結構部分參與者主要是軍隊方面和設計方面。主要由該環節任務內容導致，易出現設計方案難

以實現的問題。（3）系統搭建落實問題。仿真部分參與者多為工程方面和其他兩者的一方單獨溝通。主要由項目的工作安排問題導致，易對需求把握出現偏差，對系統的交互和美觀落實不到位。（4）項目整體效率問題。評估部分參與者多為軍隊、設計和工程方面三者共同溝通。作為總結環節，易發現流程中的遺漏所導致的問題，重新調整使項目的整體效率降低。

3.4 優化軍事信息系統設計思路

根據前文的研究，分析了軍事信息系統設計流程上的參與者、設計需求和設計流程，發現在整個項目當中的主要問題可以描述為：參與者的聯系性較低、設計需求較復雜、設計的流程存在不足。改進方向是，通過提高參與者的參與度來獲取更完整的設計需求，通過強化參與者之間的聯系來提高整體效率。根據以上研究，繪制新的思路，軍事信息系統的協同設計改進思路見表3，將各環節的參與者、參與方式、環節任務、原有問題、調整方向進行歸納，并在軍事信息系統設計項目中進行實踐和測試。

表3 軍事信息系統的協同設計改進思路

4 實驗設計

4.1 實驗目的

通過眼動實驗測試協同設計對軍事信息系統設計是否具有優化作用。實驗平臺為北京理工大學工信部重點實驗室眼動測試環境，實驗素材為軍事信息系統設計的界面方案。通過被試人員眼球的監測數據來評價獲取數據的效率，結合問卷驗證被試人員所獲數據的準確性，兩種方式共同論證基于協同設計界面的被測人員可更快鎖定有效區域、準確選取信息、及時做出決策。

4.2 實驗對象

基于課題針對不同參與者，實驗對象共15人，其中軍事人員3人、設計師6人、工程師6人。受測者均無色盲和色弱，視力或矯正視力均在1.0以上。

4.3 實驗過程

本次實驗使用瑞典Tobii公司Tobii Glasses 2眼鏡式眼動儀作為實驗測試儀器，使用Tobii Pro Lab進行實驗數據采集與分析，在眼動實驗結束后，立即對被試人員在實驗過程中所查找的數據結果進行問卷調查。

實驗一：大型三屏系統界面實驗。在大型三屏系統中選取其中一個頁面的設計作為樣本，實驗一的樣本見圖6，將基于協同設計的該界面與其初期版本界面進行對比實驗。

被試人員在同一界面的兩個版本中尋找相同的數據量，將界面樣本按同一角度、同一比例展示在相同的屏幕上，形成9個眼動測試AOI區域。將選定的最低完好率的旅和領導C的在崗情況兩個數據量繪制于詞匯圖上，編號為W1、W2；將9個界面區域，分別編號為P1—P9，實驗一的區域劃分見圖7。將其排列在一張界面圖上，共計2張。將每個詞匯圖和一張界面圖稱為一組，每組先顯示15 s詞匯圖，再顯示20 s整合圖，任務時間上限為20 s。被試人員在實驗中連續尋找最低完好率的旅和領導C的在崗情況兩個指標，根據被試人員在實驗過程中眼動路徑形成的軌跡圖和熱點圖，以及被試人員的平均任務時間、平均凝視時間、平均散點數及問卷正確率來綜合分析實驗的結果。被試人員根據數據量提示詞尋找界面圖中第一個數據量，找到后注視該樣本3 s再尋找第二個數據量，以便于后期統計數據。

實驗二：電腦雙屏系統界面實驗。在電腦雙屏系統中選取其中一個頁面的設計作為樣本，實驗二的樣本見圖8，將基于協同設計的該界面與其初期版本界面進行對比實驗。

被試人員在同一界面的兩個版本中尋找相同的數據量，將界面樣本按同一角度、同一比例展示在相同的屏幕上，形成7個眼動測試AOI區域。將選定的設備不完好數量和概算比高的項目兩個數據量繪制于詞匯圖上，編號為W1，W2；將7個界面區域，分別編號為P1—P7，實驗二中的雙屏界面劃分區域見圖9。將其排列在一張整合圖上，共計2張。將每個詞匯圖和一張界面圖稱為一組，每組先顯示15s意象詞匯圖，再顯示20 s界面圖，任務時間上限為20 s。被試人員在實驗中連續尋找設備不完好數量和概算比高的項目兩個指標，根據被試人員在實驗過程中的眼動路徑形成的軌跡圖和熱點圖，以及被試人員的平均任務時間、平均凝視時間、平均散點數及問卷正確率來綜合分析實驗的結果。被試人員根據數據量提示詞尋找界面圖中第一個數據量，找到后注視該樣本3 s再尋找第二個數據量，以便于后期統計數據。

圖6 實驗一的樣本

圖7 實驗一的區域劃分

圖8 實驗二的樣本

圖9 實驗二中的雙屏界面劃分區域

圖10 實驗一的界面數據

圖11 實驗二的界面數據

實驗一結束后，將全部數據進行處理，實驗一眼動數據見表4，實驗一的界面數據見圖10。根據測試

數據可得，被試人員的平均完成任務時間從19.55 s到11.54 s有明顯縮短；在任務過程中對有效數據所屬區域平均凝視時間更加集中；對無效數據所屬區域凝視時間的注視點數目顯著減少且眼動路徑無往復掃視。綜上，根據平均完成任務時間及每個AOI的平均凝視時間、平均散點數綜合分析，被試人員在基于協同設計的界面中找到數據的速度更快，完成任務效率更高。

實驗二與實驗一的數據處理方法相同，將全部數據進行處理，實驗二眼動數據見表5，實驗二的界面數據見圖11。根據測試數據可得，被試人員的平均完成任務時間從19.38 s到9.50 s有明顯縮短；在任

務過程中對有效數據所屬區域平均凝視時間更加集中；對無效數據所屬區域凝視時間的注視點數目顯著減少且眼動路徑無往復掃視。綜上，根據平均完成任務時間及每個AOI的平均凝視時間、平均散點數綜合分析，被試人員在基于協同設計的界面中找到數據的速度更快，完成任務效率更高。

從問卷結果統計來看，被試人員在兩個實驗中的原界面中找到的數據量均存在錯誤，在基于協同設計的界面中找到的數據量僅有一個未達100%正確率，兩個實驗的問卷數據見圖12。根據實驗和問卷所得數據發現，原本單項溝通的設計流程改為協同方式后，重新設計的界面在使用體驗和工作效率上有著明顯提高。基于協同設計的界面在流程上3個不同階段的優勢：（1）在前期階段，設計需求及其實現方式更加明確，降低流程時間成本；（2）在設計階段，可有效結合設計和技術的優勢將需求更好地轉化；（3）在使用階段，操作者可更快捷直觀地找到所需數據或信息，及時分析戰況做出決策。

表4 實驗一眼動數據

圖12 兩個實驗的問卷數據

表5 實驗二眼動數據

5 結語

在我國軍事信息化進程中，信息系統設計越發重要，優化系統設計是提高信息化進程質量的有效手段。本文從參與者出發，從需求上入手，從流程上發現以往軍事信息系統設計流程中所存在的問題，對協同設計理念的融入和應用進行研究。通過實驗和問卷評估驗證協同設計理念在軍事信息系統設計中的應用效果。在理論層面，通過梳理軍事信息系統設計中的參與者、設計需求及設計流程，明確了軍事信息系統設計中協同參與的重要作用和意義。在實踐層面，通過協同設計的手段獲取多角度需求并更好地實現，有效提高了系統決策效率和操作體驗。該研究為后續相關領域設計提供了較好的案例說明。

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Military Information System Design Based on Collaborative Design Theory

YANG Jian-ming, LI Ze-hang, LI Guan-bin, SUN Bo-wen

(Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

This paper aims to explore the application research of collaborative design theory in the design of military information systems. The participants involved in the design of military information systems and their needs are combed and analyzed; the collaborative design process of military information systems is constructed; the subjects are invited to participated in experiments and questionnaires. It adopts two approaches, including the data analysis information done by means of eye-moving experiments and the data accuracy verification according to the questionnaire data, to evaluate the feasibility of military information system design based on collaborative participation. Experiments show that collaborative design can obtain more complete design requirements by increasing the participants’ involvement in the design process, improve the decision-making efficiency of military information system, and optimize the operating experience.

military information system; co-design; design process

TB472

A

1001-3563(2022)02-0001-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.02.001

2021-08-09

北京理工大學青年教師學術啟動計劃（XSQD-202118001）

楊建明（1964—），男，河北人，博士，北京理工大學教授、博士生導師，主要研究方向為工業設計。

孫博文（1982—），男，山東人，博士，北京理工大學助理教授，主要從事工業設計、交互設計和社會創新設計方面的研究。