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1、心理科学进展 2004，12（6）：842850 Advances in Psychological Science 情境意识的理论模型、测量及其应用杨家忠1，2 张 侃2 （1中国民航飞行学院航空心理学教研室，广汉 618307） （2中国科学院心理研究所，北京 100101） 摘 要 情境意识（situation awareness简称SA）是个体对不断变化的外部环境的内部表征。在复杂、动态变化的信息环境中，它是影响操作者决策和绩效的关键因素。文章着重回顾并分析了情境意识的四种研究取向，主要的测量技术，及其在系统设计和评价、人员选拔和训练方面的应用，最后提出了未来需要深入研究的几个问题。
2、关键词 情境意识，心理负荷，界面设计。 分类号 B842 情境意识（situation awareness，简称SA）概念最早出现在航空心理学中，描述飞行员对作战飞行操纵的理解1。随着科技的进步，近20多年来复杂技术系统的应用越来越广泛，操作人员的工作由过去以“操作”为主变为监视决策控制，操作任务的认知特性不断增加。SA的研究对象逐渐扩展到民航飞行员2、空中交通管制员3、核电厂的操作员4、麻醉师5、军事指挥员6等。SA的研究在近年来已成为工程心理学研究的前沿领域之一。目前，研究SA的领域有几个共同的特点：环境动态变化且信息丰富；需要保持或达到特定的状态或目标；操作者有时可能会体验到很高的心理负
3、荷；通常需要大量的训练。在这些领域，操作者的SA是影响决策质量和作业绩效的关键因素，失去SA而不能完成复杂的认知任务会导致灾难性的后果1。研究表明7，在航空事故中，51.6%的重大事故和35.1%的非重大事故可归因于决策失败，之所以决策失败，很大一部分原因在于SA错误，而不是决策错误。 当前，引用最广泛的定义是Endsley8提出的，她认为SA是在特定的时间和空间内对环境中各种要素的知觉，对其意义的理解，及预测它们随后的状态。尽管该定义被频繁引用，由于所持研究取向和研究领域的不同，仍有许多研究者不同意这种定义，仅SA特辑（Human Factors, Volume 37, No. 1）中的九篇
4、文章就有九种不同的定义。不同的研究取向会导致SA定义和解释的不同，也会带来测量方法的差异。 1 情境意识的研究取向 1.1 信息加工模型 Endsley8采用信息加工模型来描述和解释SA（见图1）。SA涉及的信息加工机制包含短时感觉贮存、图式和注意等概念。模型中注意与工作记忆是制约操作者获取、解释环境信收稿日期：2004-03-26 通讯作者：张侃，E-mail: ; 电话：01064837096 842 第12卷第6期 情境意识的理论模型、测量及其应用 -843- 息以形成情境意识的关键因素，操作者的心理模型和目标指向行为是克服这两个限制的重要机制。在获取情境意识的过程中，自上而下的加工同自
5、下而上的加工不断地协力作用。信息加工模型将得到注意、工作记忆和长时记忆支持的情境意识保持过程与情境意识本身进行了区分9，Endsley认为SA的操作性定义不应包含任何涉及获得SA的过程，应该测量的只是这些过程的结果（如操作者是否理解了事件），如飞行员意识到危险地形的方式并不重要，SA的测量应仅仅评估飞行员是否意识到该地形。 Endsley认为SA包括三个分等级的状态：水平1（即知觉环境中的元素），水平2（即理解当前的情境），及水平3（即预测未来的状态），高水平SA的获得有赖于低水平SA的达成。与此相对应，不能正确地知觉情境；不能正确地理解情境；不能正确地预测情境变化。研究发现：71%的飞行事故
6、涉及人为差错，情境（72%图1 情境意识的信息加工机制 （引自Endsley,1995） 信息加工模型表明，时记忆中的静态知识，强调环境中动态变化的元素。运用信息念，如注意和图式等，采用的实的信息的加情境意识对操作者却至关重要。1.2 知觉行动环知觉行动最早是由式（即通者在环境中的搜寻行为）没有指定过模型进行了于工作记情境意识错误也有三类：Endsley7将这种分类用于研究飞行事故，这其中81%的事故涉及情境意识错误，其中第一位错误是不能正确地知觉）。 情境意识与动态、不断演变的情境有关，情境意识的内容不同于长如系统如何工作的知识和心理模型等9。因此，真正的SA测量应该仅加工模型解释SA存在两
7、个潜在的问题：(1)信息加工模型包含的许多心理学概本身没有得到很好地理解，其中的一些概念还存在很多争论，研究时验范式也各不相同；（2）信息加工模型强调SA的内容，并不真正关心对动态变化工过程，不利于SA获取和保持过程的内在机制研究，而怎样才能保持高水平的环取向最大的特点是强调情境意识获取与保持的动态性10。知觉行动环Neisser提出的，包括三个成分：（1）对象（即外部环境中可利用的信息）；（2）图过训练经验累积起来的、存储于长时记忆的有组织的知识）；（3）探索（即观察。从知觉行动环这个命名来看，它认为搜集信息的过程是循环的，程的起点和终点。为适用于高心理需求情境（如紧急情况），Sanford
8、与Garrod扩展10，将图式分解为两部分：外显焦点和内隐焦点，外显焦点在本质上等同忆；内隐焦点与激活的整个图式是相同的（有一些图式也在外显焦点中表征），相-844- 心理科学进展 2004年 应地，长时情景记忆和长时语义记忆也被置于模型中。 Adams等10根据知觉行动环解释SA，与Endsley的信息加工模型不同的是，他们认为概念化SA应同时包括结果和过程两方面，作为结果，SA可理解为当前所激活的图式的状态；作为过程，SA可理解为整个知觉环的当前状态。 这种研究取向也存在两方面的问题：第一，在很大程度上同信息加工取向一样，模型中包含许多尚没有得到很好理解的概念，如语义记忆和图式等；第二，在
9、其取向中没有说明SA作为结果（即激活的图式的状态）和过程（即知觉环的状态）如何测量。 图2 知觉环的观点 Smith与Hancock11也用知觉行动环来定义SA，将SA定义为“适应性的、对外界环境的觉知”。他们在Neisser的知觉环模型中增加了一个新的成分：常量（invariant），“常量”处于模型的中心，将对象、图式和探索行为联结起来，而产生胜任行为，SA最终由此常量来定义，暗示了测量SA应采取的方式。 尽管Smith和Hancock提出了胜任行为的思想，但是其模型也有一些问题。情境意识虽然支持有效的反应，但其本身并不能整合反应选择和执行。因此，能否通过胜任行为准确地测量SA值得怀疑，胜
10、任行为可能只是SA的必要条件而非充分条件。 1.3 决策模型 有些研究者将SA与决策研究中的一些概念相联系，传统上，这些概念已经得到较为广泛和深入的研究。Crane12认为SA不是一个单一的心理学概念，他将SA等同于专长，即SA可由专家级别的绩效来描述SA，有点类似于Smith和Handcok所提出的胜任概念。例如，Crane指出具以通过机动飞行，毫不费力的、迅速的、无任何差错的避开危险地形。同操作者管确定表现是不是迅速且无差错，难。如果根据努力程度来测量另外一研究者则将情境意识等同于情境评估，或者以情境评估来取代、解释情境意识。例如，Federico情境评估的讨论所使用的概念缺乏良好的定义。
11、加工的结果能很好地理解图式，因此，用情境评估来替代与解释1.4 现象学描述Flach来解释行为是现象命名的，有SA的飞行员可Smith和Handcock的胜任概念一样，对Crane研究取向的批评是，展现专家级别行为的并不一定具有高水平的SA。另外，也很难为专家级别的作业表现下操作性定义。尽相对比较容易，但是客观地评估是不是毫不费力则比较困SA，那么与心理负荷测量相关联的一些问题又会浮出水面。 Wickens，Gordon和Liu13交替使用SA和情境评估（situation assessment）这两个词，14和Fracker15则用情境评估来解释SA。但是，同信息加工模型和知觉行动环一样，例
12、如，理论上经常认为情境评估是图式驱动14，也就是说，研究者认为情境评估是基于图式进行操作的。目前，由于还不SA还存在问题。 16基于Underwood对心理学概念的分类，对情境意识进行了分析，认为不能用SA，它只能作为描述性的标签。Underwood将心理学概念分为五档，水平2的概念水平3的概念属于因果命名。Flach特别分析了作为现象学描述的SA和作为因第12卷第6期 情境意识的理论模型、测量及其应用 -845- 果解释的SA之间的区别，认为如果将SA视作水平3的概念会导致两个问题。首先，实验检验就不可能了，因为此时的SA概念作为假设的过程、状态或能力，是无法观察的。其次，会不可避免导致循环
13、推理。目前许多关于SA的研究文献存在这种循环推理的现象。例如，一些研究者指出操作者反应不当导致丧失SA，同时，也有一些研究者提出操作者之所以反应不当是因为SA丧失。 Flach提出作为水平2的概念，有助于对事件的归类，而更好地分析人机系统的设计和操作绩效之间的关系。如他反对将飞行员错误归因于SA丧失，但可以将飞行员的错误行为归类于SA丧失，这样可以让研究者识别这些事件的共同特征。例如，研究者可能识别出飞行员的错误行为都涉及多模式的显示器（如飞行管理系统）。在这种情况下，研究者就可以确定与错误行为有关的、可检验的假设，进而验证分析以改进该显示器的设计。 如果将SA视作为对行为的现象学描述，是否需
14、要SA这个概念？显而易见，即使不使用SA这个概念，上述飞行员的错误同样可以进行归类。 2 情境意识的测量技术 情境意识研究取向和研究领域的差异导致测量方法也有很大的不同，多个研究者都提出不同的分类1。但从总体上看，SA的测量可以分为四类：（1）生理测量；（2）记忆探查测量；（3）作业绩效测量；（4）主观测量。 2.1 生理测量 运用生理测量进行心理负荷的研究已有很长历史，但在情境意识的研究中则很少见17。从目前的研究来看，最关键的问题是尚不清楚生理测量能否直接触及包含情境意识的高水平的认知过程。比如，P300和其他脑电测量技术可以说明信息是否已认知登记，但是只能说明环境中的某些元素是否被知觉和
15、加工，至于这些信息是否已经正确登记，或当事人在多大程度上理解了这些信息则无从通过生理测量反映出来。同样，眼动测量也无法说明处于边缘视觉的哪些元素已被观测到，或当事者是否已经加工了他所看到的对象。 尽管不能直接触及，Wilson17认为还是可以借助脑电图（EEG）、眨眼和心脏活动、事件相关电位（ERP）、瞬时心率、或皮电活动（EDA）等生理指标，对操作者的情境意识水平进行适当的推断。Vidulich等18则进行了探索性的研究。在其实验中，12名被试参加模拟的空对地战斗飞行任务，任务过程中记录脑电活动与眨眼情况。实验提供两种类型的显示，一种显示有助于被试获得保持良好的情境意识，而另一种则不利于情境意识的保持。结果显示，在低水平的情境意识下，被试波的活动水平较高，波的活动水平较低。在低水平的情境意识下，眨眼时程最短，而眨眼的频率最高。在困难条件下，被试需要综合不同来源的信息，而在另一种条件下，信息比较容易知觉到。但是不清楚这些心理生理测量测量的是情境意识还是工作负荷，或说明的是这者之间的交互。 2.2 记忆探查测量 记忆探查测量最为符合Endsley关于情境意识
