基于Fitts定律的指揮信息系統人機交互優化設計

摘要：為優化指揮信息系統在交互操作上的流暢性，降低操作時間成本，提升信息化武器的作戰效能，文章選取指揮系統中典型場景為研究對象，基于相關領域性特有的強交互性、時效性、嚴謹性等特征，并結合Fitts定律完成設計策略制定，解決原有指揮系統界面設計中人機交互問題。文章通過分析與實踐發現Fitts定理能夠在指揮信息系統設計過程中為設計師提供較強的指導性作用，為相關領域設計提供方法論層面指引與參考。

關鍵詞：Fitts定律；指揮信息系統；人機交互；時間成本

中圖分類號：TB472" 文獻標志碼：A

作者簡介：褚瑞峰（1987— ），男，工程師，碩士；研究方向：交互設計。

0" 引言

在當前戰爭中，高效率是戰場各方追求的目標，高效的情報、高效的決策、高效的行動在戰場上起到決定性作用，指揮信息系統作為軍事類專業軟件，是現代戰爭中新形態的作戰武器，提升指揮信息系統的用戶體驗就等于提升現代武器戰斗力。Fitts定律作為當前交互設計中重要的理論支撐，可以有效地控制操作者的操作軟件的時間成本，一直應用在商用軟件中，提升商用軟件的效能。文章通過將Fitts定律與指揮信息系統的典型場景相結合，探索Fitts定律在優化指揮信息系統界面交互設計中的方式，有效提升指揮信息系統戰斗效能的價值和作用。

1" 指揮信息系統軟件交互設計現狀分析

從20世紀50年代開始，美國指揮信息系統經歷了從C2到C3I的變遷，并逐步成立指揮自動化C4ISR系統，具體含義為從指揮、控制、通信、情報、監視與偵察6方面將各個作戰單元、戰場及其子系統緊密連為一體的指揮自動化系統［1］。由于特殊的使用場景和目標用戶，指揮信息系統與商用2B、2C系統在界面設計中有很多不同之處，具體體現為強操作時效性、強協同合作性以及強作業嚴謹性等。

1.1" 強操作時效性

從當前俄烏戰爭、巴以沖突的戰場局勢，可以看出當今戰場作戰武器與二戰時期的機械兵器不同，當前戰場人員需要通過軍事軟件進行作業，須要高效快速地實時監控戰場的信息，進行形勢判斷和決策指揮，完成打擊等，從而建立戰場有利局面。指揮信息系統作為現代戰場的核心工具，在網絡穩定運行的前提下，若提升指揮信息系統交互操作的高效性，可有效縮短操作者的操作時間，快速形成戰斗力，建立戰場優勢。

1.2" 強協同合作性

海灣戰爭后，美國先后提出聯合作戰、全維作戰、近岸作戰、空天一體作戰等創新理論，從不同的角度和方位對信息化戰爭進行了探索，賽博空間、電磁空間、網絡空間成了戰場的新領域，當前戰爭朝向多領域、多維度、多模態、多軍兵種協同作戰的模式發展［1］。指揮信息系統軟件將各軍兵種、各職能要素進行席位編組，同時由上級統一調控配置。各席位職責不同，對應信息處理和操作軟件界面不同，因此，不同席位的操作人員面向不同的操作交互界面。這些交互界面在操作方式、復雜程度、數據可視化等方面存在較大差異，同時又須要各角色進行信息交互，因此，指揮信息系統具有較強的交互性。

1.3" 強作業嚴謹性

進入信息化時代，戰爭形態特征從二戰時期的大機械、小信息時代變成了以信息化為主導的大機械、大信息的作戰形態。指揮信息系統作為戰場謀劃的大腦，其每一步操作都會影響戰場局勢發展，因此軟件設計師在進行指揮信息系統界面設計時，須注重操作模式的邏輯高效合理性，滿足操作者在有限時間內完成關鍵信息查閱、任務調度、信息可視化呈現和關鍵指令交互等多樣性需求，盡量讓系統操作者的每一步操作避免錯誤，提升系統的整體邏輯性和嚴謹性。

2 "Fitts定律在軟件人機交互的指導作用

1954年，Paul M. Fitts博士在對人類操作過程中的運動特征、運動時間、運動范圍和運動準確性進行研究后提出了Fitts定律假設，該假設能夠定量計算移動到目標選擇任務的操作難度［2］。1992年，約克大學教授Scott MacKenzie提出了Fitts公式的變體，更簡單地闡述了時間T和目標距離D以及目標大小W之間的函數關系［3］，如公式（1）所示：

T=a+blog2DW+1（1）

定律的基本內容為：從起始位置移動到目標位置所需要的時間T由到目標的距離（D）和目標大?。╓）決定的。目標越大且距離越近，到達時間越短，且移動過程中出錯概率更低。

Fitts定律作為人體運動模型在人機工程學中有很強的指導意義，現如今廣泛適用于各類軟件界面的交互設計中，提升軟件的操作效率和作業水平［4］。Fitts定律在頁面設計中的應用逐漸被設計師所重視，根據Fitts定律對元素的面積、密度、位置以及流程進行合理設置，進而可以改善頁面的操作體驗，提高執行效率［5］。比如Fitts定律在遠程教育系統中的應用，有效地提升了教學過程中的人機交互的用戶體驗［6］。

3" Fitts定律在指揮控制系統中的設計思考

文章通過將Fitts定律應用到指揮信息系統軟件界面交互設計中，優化界面交互的基本布局和交互流程，提升軟件操作者在進行系統操作時的交互體驗，減少操作過程中系統認知誤差和錯誤率，最終提升指揮信息系統的快穩準作戰能力效能。

指揮信息系統通常包括態勢監控和業務處置2種業務形態。文章將Fitts定律分別應用于2種業務形態的界面布局和系統交互方式，提升交互體驗。

3.1" 放大引導性操作控件，提升交互快穩準

軟件操作者在作戰情況下使用指揮信息系統過程中需要快穩準的操作體驗，才能保障該方戰場優勢。為了保障戰場的優勢，系統操作者須要在系統操作過程中節約鼠標移動時間損耗，降低尋找功能區域的時間，減少操作失誤。根據Fitts定律的基本原理：鼠標從初始點到點擊區域所用時間與操作區域的大小成反比，操作區域越大，鼠標移動所消耗的時間越短，出錯率越低。如圖1所示，W1面積大于W2面積，所需要的時間T2小于T1。因此，界面設計師在進行軟件界面設計時，對于引導性的操作鏈接或按鈕等元素區域，可以適當放大點擊面積，比如在布局高度有限的情況下，進行區域寬度的增加，提升鼠標移動過程中的點擊準確率。

典型場景1：以民航系統態勢界面為例，態勢圖上會一直出現大量的實時目標，當界面上出現告警目標（見圖2），操作者會點擊關注的目標進行響應的操作，通常態勢圖會出現目標數量過多導致目標圖標疊加呈現，影響操作者快速定位選中（見圖2左圖）。此時設計師可以根據Fitts定律，將告警目標的尺寸放大正常尺寸的2～3倍（見圖2右圖），降低操作者選中目標的難度，縮短瞄準時間，提升交互效率。

典型場景2：以數據采集業務處置系統為例，操作者進行一系列數據基本的增刪改等處置操作后，結果可以進行保存、提交等多個選項的操作。但在通常情況下，操作者以某一個操作為主要操作，設計師可以根據Fitts定律縮短用戶鼠標移動時間，加快信息流速度，比如操作者主要將數據用于保存處理，為了提升保存操作的時效，如圖3所示，可以將保存這類引導性的操作按鈕放大，增加操作者點擊區域，提升效率，提升作戰指揮效果。

3.2" 縮小操作區和按鈕區距離，降低認知難度

多個席位協同操作是指揮信息系統的顯著特點之一，每個席位有個性化的業務，因此，不同席位的指揮信息系統界面有不同的交互操作方式。軟件設計師會根據信息架構進行按鈕分類，降低認知負荷和操作觸發難度。根據Fitts定理的基本原理可以引申出當鼠標從初始點到點擊區域所用的時間與操作區域的距離成正比，操作區域距離越大，鼠標移動所

消耗的時間越長，出錯率越高。如圖4所示，距離D1小于距離D2，所以需要的時間T1小于T2。界面設計師在進行軟件界面設計時，對連續性的操作可通過縮短鼠標移動的距離，減少鼠標移動定位的時間損耗，從而提升用戶在軟件操作中的認知感和連貫性，減少用戶認知尋找時間和鼠標移動時間帶來的損耗。

典型場景1：以民航系統態勢界面為例，當用戶對某個目標比較關注時，會在態勢上點選目標進行右鍵操作，界面出現該目標相關的操作列表菜單。根據Fitts定律的縮小與目標區域距離的理論，當右擊目標生成操作列表菜單的二級操作時，此時具體操作頁面應與菜單盡量臨近，最佳距離為10像素左右，不宜距離過長，如圖5所示。這樣可以減少鼠標移動時間，定位到需要點擊的菜單。

典型場景2：以數據采集業務處置系統為例，抽屜控件作為信息整編的前端常用操作控件，整編信息正常情況下自上而下進行操作，在信息整編結束后，信息提交數據庫前，會進行提交操作。操作者在進行數據填報過程通常是按自上而下的順序整編完成，設計師根據Fitts定律操作與距離有關的原則，因此，當操作按鈕布局在底部時，鼠標距離提交按鈕的距離在底部比在頂部更近，如圖6所示，更節約操作者操作時間，提升操作體驗。

3.3" 充分利用屏幕邊框，提高定位效率

在指揮信息系統中，操作員一般采用雙屏作業模式，一個顯示器屏幕用來展示當前戰場的態勢，實時監控戰場情況，另一個顯示器屏幕用來處理信息，進行任務調度。不同的功能定位導致指揮信息系統在左右屏幕呈現的數據不同。無論如何進行數據呈現，數據都不會超出屏幕以外。鼠標作為目光的指引工具同樣也是不能脫離屏幕之外，基于此原理，軟件設計師結合Fitts定律的基本原則可以得出：當鼠標移動到屏幕邊緣時，屏幕會自動阻斷鼠標光標移動并定位到邊緣區域。在軟件界面設計時，設計師利用此理論，會將重要的操作區域比如工具欄等布局在屏幕上下左右四周，便于操作人員在進行鼠標移動時，實現定位的快速性和準確性。

典型場景1：在態勢軟件界面中，工具欄為最常用的控件之一，通常情況，工具欄都會放置在態勢屏幕下方。如圖7所示，當軟件采用B/S部署方式，瀏覽器承載的軟件界面不能撐滿整個顯示器，底部會預留計算機系統自帶的菜單欄，當鼠標移動到最底部

時，鼠標會定位到系統菜單欄，這樣會提升軟件工具欄定位難度。如果將工具欄置于軟件左側或者右側，這樣定位就會更方便快捷。當軟件采用C/S部署方式，工具條布局在底部則不受系統菜單欄的影響。

典型場景2：在業務處置軟件界面中，表格是數據采集和展示的常用形式，表格控件會伴隨新增、批量刪除、導入、導出等全局性操作，這些全局操作的布局位置通常位于表格的左上角或者右上角，根據充分利用屏幕的原則，可以根據表格在顯示器的位置進行適當調整，根據fitts定律，當表格在界面中位置靠近右側屏幕時，可將全局操作區域放置于右上方，這樣更容易進行定位。同時，利用Fitts定律，全局操作按鈕根據重要性從右往左排列，靠近右側邊框的最重要按鈕更容易被定義和觸發。

3.4" 提升交互難度控制風險，逆向設計

指揮信息系統作為專業業務處理軟件，必備系統退出、數據刪除等基礎功能，這些操作一般具有低頻、不可逆、必備等特點，所以在界面交互設計中，設計師應該充分考慮如何避免這些低頻誤操作，引發時間成本的嚴重浪費，造成戰場情況處置滯后等后果。設計師可以根據Fitts定律的逆向思維可增加這些誤操作的交互操作成本，比如通過縮小相關區域面積或加大距離增加觸發難度。縮小觸發區域面積或通過抽屜樣式，將操作進行隱藏，增加操作人員的觸發難度，提高無操作率成本，提升操作效率。

典型場景1：在態勢界面中，退出操作從信息架構來講與搜索、設置、提醒等功能同為系統全局性功能，應當放置在同一個操作區。但是從交互操作來講，搜索、設置此類常用功能是鼠標經常點擊觸發的區域，如果將退出按鈕與其他操作按鈕并列布局很容易引起誤點，導致系統意外退出。通過Fitts定律逆向思維可以將退出按鈕與其他全局操作分開布局，比如通過點擊頭像觸發二級菜單，再通過二次確認，增加按鈕觸發難度，進而有效地避免誤操作。

典型場景2：在業務處置軟件界面中，通常有很多輔助工具進行業務分析，在每個輔助分析過程中都需要多個變量數據輸入，通過具體分析操作，生成分析結果，在此過程中，操作者需要多次進行變量修改形成不同方案。重置和提交作為互補的操作，通常會放置在一起布局，但是操作者鼠標移動過程中會誤觸發【重置】按鈕，導致前面的變量輸入數據完全丟失。根據Fitts定理的逆向思維，軟件設計師會將2個操作按鈕分開布局，比如增加兩者之間的距離，調整兩者之間的布局位置，這樣會增加操作者的誤操作成本，達到提升交互體驗的目的。

4" 結語

指揮信息系統作為現代信息化武器，在戰場上起到大腦的作用，合理的界面交互界面可以減少用戶操作的失誤率，縮短用戶操作時間，降低短信息流通的時間成本，能夠在一定程度上提升作戰能力。Fitts定理作為人體運動模型理論，設計師通過將該理論應用在界面設計中，可以縮短鼠標移動和選擇目標所需的時間，避免誤操作帶來的時間損失。在指揮信息系統中，設計師結合Fitts定律中鼠標移動到觸發區域的尺寸和距離帶來的交互上的時間成本和試錯成本，在不同的使用場景中進行正向思維和逆向思維的運用，產生相應交互效果，正向思維縮短用戶在操作系統時的時間成本，逆向思維降低用戶在操作軟件時的錯誤率。進而提升用戶的操作效率和降低用戶的認知負荷成本，提升指揮信息系統作戰效能。

Fitts定律是人機交互設計研究的重要理論支撐之一，合理化地與其他設計理論相互支撐應用，才能在界面設計中起到事半功倍的作用。

參考文獻

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（編輯" 王永超）

Optimal design of human-computer interaction of command and control system based on Fitts Law

CHU" Ruifeng， ZHANG" Hua， SUN" Xing， WANG" Bin， LIU" Huajing

（The 28th Institute of China Electronics Technology Group Corporation， Nanjing 210000， China）

Abstract： In order to optimize the smoothness of interactive operations in the command information system， reduce operating time costs， and improve the combat effectiveness of information weapons， this article selects typical scenarios in the command information system as the research object. Based on the unique characteristics of strong interactivity， timeliness， and rigor in relevant fields， and combined with Fitts Law， the design strategy is formulated to solve the human-machine interaction problem in the original command system interface design. Through analysis and practice， it has been found that Fitts Law can provide strong guidance for designers in the design process of command information systems， and provide methodological guidance and reference for design in related fields

Key words： Fitts Law; command information system; human-machine interaction; time cost