复杂信息系统人机交互数字界面设计技术研究东南大学.docx
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复杂信息系统人机交互数字界面设计技术研究东南大学
一、项目名称：
复杂信息系统人机交互数字界面设计技术研究
二、推荐奖种：
科学技术进步奖
三、推荐单位：
东南大学
四、项目简介：
（1）项目立项背景
随着科技发展和信息化程度的不断推进，复杂信息系统数字界面已成为信息化武器装备中重要的组成部分，是军事操作者信息获取、推理、判断和决策的重要操作平台，其设计的好坏直接影响到装备系统作战性能的发挥。
伴随着复杂信息系统人机界面信息容量的激增，界面信息呈现和人类认知能力间不均衡的问题日益凸显，严重影响军事人员的操作绩效,制约信息化武器装备性能的精准实施和高效发挥。
因此，从人类本源的视觉认知机理出发，基于人类认知特性，对复杂信息系统人机界面、人机交互进行科学的分析、设计和评估，是确保装备系统性能的最大化发挥，保障我军在现代信息化战争中的战略制胜和领先地位的关键技术。
西方发达国家在相关研究领域开展了大量研究工作，而国内缺乏该领域系统性的研究，东南大学就该技术难题，在国家自然科学基金、航空基金等项目的支持下，经过七年多的技术攻关，取得了一批技术成果和显著的研究进展，同时将研究成果应用到信息化装备系统的设计中，提升了我军信息化装备的性能水平。
本项目将视觉感知、生态融合、注意捕获、信息流、以及认知摩擦等重要科学理论交叉融合，创建了复杂信息系统人机交互界面系统化的设计技术方法和准则。
（2）项目主要创新点
1、融合生态界面理论的复杂信息系统信息流结构模型建立
创新性地将生态界面设计的关键理论和技术用于复杂信息系统数字界面人机交互设计研究中,融合信息编码、认知摩擦、认知负荷和态势感知等技术，构建了复杂信息系统信息层次结构和复杂特征分析流程模型、信息流的功能结构模型等。
2、复杂信息系统界面信息认知和行为映射模型创建
首次从具象可视化和抽象表征出发，系统性提出了复杂信息系统数字界面中从视觉信息认知到行为决策之间的映射关系，建立复杂信息系统“界面信息－视觉认知”映射模型。
3、复杂信息系统人机界面认知特性的生理学溯源
首次融合高时空分辨率的脑成像技术（ERP和fMRI）和眼球追踪技术，共同探索人类在复杂信息系统数字界面认知过程各阶段中的认知特性，揭示了在人机交互过程中出现认知失误、认知困难等问题的生理学根源。
4、基于多维度生理测评技术的复杂信息系统可用性量化评估体系构建
首次提出复杂信息系统数字界面人机交互设计基于脑成像和眼动追踪等生理测评技术的量化评估体系，完成了复杂信息系统人机界面信息编码、界面布局和空间优化分配等设计要素的可用性评估。
为信息化装备系统人机界面设计提供了科学评价方法和设计依据。
上述成果已发表论文32篇，其中SCI/EI收录21篇，国际会议论文12篇；培养博士生7名，硕士19名；受邀在国内外学术会议作特邀大会报告10次。
研究成果已成功运用于载人航天工程、新一代战机、大型舰艇、地面通讯等国家高科技和重大国防工程项目中，全面提升了我国海陆空多军种信息化装备的综合性能，保障我国在高科技领域和国防建设工程中具有国际竞争力发挥了重要的作用。
自上述技术成果成功实施以来，创造的直接经济效益高达18亿元。
五、主要完成单位及创新推广贡献：
单位名称：
东南大学
创新推广贡献：
东南大学作为项目主持单位，主持完成了整个项目。
主要研究了复杂信息系统人机交互界面的信息组织、最佳视觉显控界面形态和布局、视觉信息传达元素和显示方式以及眼动脑电生理测评技术等内容，为复杂信息系统人机交互数字界面提供系统性的设计方法和评价准则，以及人机交互界面可用性量化评估的指标体系和方法体系。
东南大学为本项目研究提供了有力的科研环境，并在人员、资金等各方面给予了全力支持：
2009年度成功申报了航空科学基金《面向信息化作战环境的战斗机航电系统人机交互界面设计研究》（项目号：
2008556901）；2010年度成功申报了国家自然科学基金《基于CL和SA均衡的人机交互数字界面设计研究》（项目号：
）；2012年成功申报了国家自然科学基金《数字界面视觉信息认知的脑机制研究》（项目号：
）。
近五年来，东南大学在该技术领域发表国内外期刊和重要国际会议论文32篇，其中SCI/EI收录21篇，国际会议论文11篇。
培养博士生7名，硕士19名；受邀做大会报告10次；和国外知名学术机构联合培养博士生8人次。
在项目实施过程中，东南大学和合作伙伴共同推广了研究项目成果，并在中国船舶重工集团公司第709研究所、中国电子科技集团54研究所、中国电子科技集团28研究所和中国航天员科研训练中心等企业得以成功应用，取得了巨大的经济效益和社会效益。
单位名称：
中国船舶重工集团公司第七〇九研究所
创新推广贡献：
中国船舶重工集团公司第709研究所（以下简称709所）是我国最早融合计算技术、信息技术、自动控制、数学理论研究为一体的国家重点工程研究所，以国防高新技术研究为中心，以雄厚的技术实力为依托，主要从事信息指挥系统、计算机加固技术、容错技术、并行处理技术、图像处理技术的研究和开发工作，为国防现代化和信息化做出重要贡献。
在本项目开展和推广运用过程中，709所主要完成对复杂信息系统数字界面展开信息编码和人机交互技术展开研究，深入探讨了数字界面信息编码分析和呈现形式，研究和比较了多样化编码维度的优劣，对复杂系统人机界面信息元素间的层次关系展开了深入研究和具体设计，并重点完成了对界面布局设计的优化，以及对以军事操作者为中心的界面信息组织模型的构建。
除此之外，709所对于本技术成果的推广运用做出了重要贡献。
单位名称：
中国电子科技集团公司第五十四研究所
创新推广贡献：
中国电子科技集团公司第五十四研究所作为我国电子信息领域专业覆盖面最宽、综合性最强的骨干研究所，具有武器装备科研生产及质量体系方面的重要资质，是国家授权的电子工程专业承包壹级资质单位，电子工程甲级设计单位。
本单位主要从事军事通信、卫星导航定位、航天航空测控、航天电子信息系统和综合应用等前沿领域的技术研发、生产制造和系统集成。
在本项目开展和推广运用过程中，完成了对多个复杂软件系统的任务特性和操作流程进行分析和合理规划；针对各类视觉数字界面元素编码格式，实现了不同软件编码机制，从而达到快速显示界面图形元素效果；对不同界面刷新显示技术进行实验，并选取了最优界面刷新技术；最终参和了复杂信息系统数字界面的设计规范修订。
大力推进该项技术成果的应用，对本项技术成果的推广做出重大贡献。
六、推广应用情况：
该项技术成果已成功运用于载人航天工程、新一代战机、大型舰艇等国家高科技和重大国防工程项目中，军事人员的信息提取速率和操控速率提高近25%，认知失误率降低近35%，显著提升了军队整体战斗力，保持了战斗优势，为推动我国信息化装备自主和可持续发展奠定了重要基础。
应用单位名称
应用技术
应用的起止时间
应用单位联系人/电话
经济效益（万）
中国船舶重工集团公司第709研究所
生态界面、态势感知、信息编码、眼动追踪、脑电测评
2011.12-2016.1
鲁爱国/
项目研究成果实施以来，近三年为本单位共产生直接经济效益159784万元。
中国电子科技集团公司第54研究所
信息编码、复杂信息界面信息流构建、认知摩擦
、生态界面、眼动追踪
2009.9-至今
刘英/
项目研究成果实施以来，近三年为本单位共产生直接经济效益15467万元。
中国航空无线电电子研究所615所
生态界面、态势感知、界面信息规划
2009.1-至今
司玉栋/
项目研究成果在国防建设项目中得到广泛应用，具有显著社会效益、军事效益。
南京熊猫汉达科技有限公司
生态界面、认知负荷、界面信息规划
2012．5-至今
金林/
项目研究成果实施以来，近三年为本单位共产生直接经济效益3000万元。
中国电子科技集团公司第二十八研究所
生态界面、均衡认知负荷、信息编码、眼动追踪、脑电测评
2014.1-至今
谢宙宇/
项目研究成果实施以来，近三年为本单位共产生直接经济效益900万元。
江苏金智教育信息股份有限公司
信息编码、均衡认知负荷、信息区块
2014.12-至今
李孝展/
项目研究成果实施以来，近三年为本单位共产生直接经济效益2000万元。
航天员科研训练中心
信息编码、信息区块、感知分层、眼动追踪
2015.4-至今
蒋婷/
项目研究成果运用于载人航空工程二期项目中，推动了我国载人航天事业发展。
七、曾获科技奖励情况：
无
八、主要完成人情况：
完成人1：
姓名：
薛澄岐
职称：
教授，单位：
东南大学
排名：
1
曾获国家科技奖励情况：
无
对本项目技术创造性贡献：
项目总负责人，主持完成了整个项目，是整个项目研究框架和技术实施的制定者，对4个创新点均做出了突出贡献。
项目完成人带领整个研究团队，基于生态界面理论，构建了复杂信息系统信息流结构模型；探究了界面信息和视觉认知间的映射关系；提出了将高时空分辨率的脑成像技术和眼球追踪技术相结合，并对复杂信息系统人机交互进行可用性评估的理念，并提出了系统性的人机界面可用性量化评估方法和指标体系。
完成人在该项技术研发和应用推广工作中，投入的工作量占本人工作总量的70%。
完成人2：
姓名：
鲁爱国
职称：
高级工程师，单位：
中国船舶重工集团公司第七〇九研究所
排名：
2
曾获国家科技奖励情况：
无
对本项目技术创造性贡献：
项目完成人对创新点1和2作出了贡献。
完成人对数字界面信息进行层次关系分析，并依据分析结果对复杂信息系统数字界面进行设计；完成了对复杂信息系统人机界面界面布局的优化设计，建立了以操作者为中心的数字界面信息组织模型；对整个软件的人机交互和操作行为模式作了深入分析和研究，提出了提升装备系统性能的高效交互模式和实现技术。
完成人在该项技术研发和应用推广工作中，投入的工作量占本人工作总量的50%。
完成人3：
姓名：
王海燕
职称：
副教授，单位：
东南大学
排名：
3
曾获国家科技奖励情况：
无
对本项目技术创造性贡献：
项目完成人参和整个项目工作，对创新点1-4做出了贡献。
项目完成人提出了信息区块可视化方法，并通过确定信息功能区块的属性维度和性状特征，实现了对复杂信息系统人机界面功能区块的具象可视化；基于脑电ERP和眼球追踪技术对界面布局方法展开实验，并揭示了个认知阶段的脑机制特征，对于揭示认知生理根源特性做出了重要贡献。
完成人在该项技术研发和应用推广工作中，投入的工作量占本人工作总量的60%。
完成人4：
姓名：
刘英
职称：
高级工程师，单位：
中国电子科技集团公司第五十四研究所
排名：
4
曾获国家科技奖励情况：
无
对本项目技术创造性贡献：
项目完成人对创新点1和2作出了贡献。
完成人负责对复杂软件系统操作进行分析，设计软件操作流程，提出软件界面设计方案；针对不同数字界面元素编码格式，采用最优界面刷新技术，对不同界面刷新显示技术进行实验；对软件界面视觉信息层次架构、人机交互方式、信息元素编码、空间布局等影响操作人员行为和认知的关键要素进行分析和设计。
完成人在该项技术研发和应用推广工作中，投入的工作量占本人工作总量的50%。
完成人5：
姓名：
牛亚峰
职称：
讲师，单位：
东南大学
排名：
5
曾获国家科技奖励情况：
无
对本项目技术创造性贡献：
项目完成人，对创新点3和4作出了贡献。
完成人基于脑电ERP技术，构建了“行为—生理反应—信息认知时空特征属性”映射模型；通过“设计-认知”要素之间平衡机制构建，提升了复杂信息系统人机界面交互性能，提高了操作绩效；提出了信息区块布局方案的生成计算及选优计算方法；运用灰色关联分析研究生成方案的优势次序，进行方案优劣选择。
完成人在该项技术研发和应用推广工作中，投入的工作量占本人工作总量的50%。
完成人6：
姓名：
周蕾
职称：
讲师，单位：
东南大学
排名：
6
曾获国家科技奖励情况：
无
对本项目技术创造性贡献：
项目完成人对创新点2和4作出了贡献。
完成人构建了界面设计布局规划的4大形式法则和12项计算指标，并以此为基础对局部信息布局规划进行实证检验，提出了界面布局规划的定量分类评估方法；建立了界面信息规划计算原型系统，实现了对设计的分析和优化；解决了界面规划关键性指标提取的问题，并构建了面向复杂信息系统人机交互界面的美度计算体系。
完成人在该项技术研发和应用推广工作中，投入的工作量占本人工作总量的50%。
完成人7：
姓名：
汪海波
职称：
副教授，学校：
东南大学
排名：
7
曾获国家科技奖励情况：
无
对本项目技术创造性贡献：
项目完成人，对创新点1和4作出了贡献。
完成人以信息加工理论为基础，从注意认知资源和工作记忆认知容量有限性的角度构建认知负荷模型，推演出认知负荷的生成机制和有效控制策略；在分析态势感知信息加工模型、动态决策模型和信息处理链模型的基础上，总结数字界面信息设计和态势感知关联的人因因素；探究了数字界面信息实体属性符号化编码、信息关联属性结构化编码和信息整体知识化编码方法，提出了数字界面信息设计评价模型。
完成人在该项技术研发和应用推广工作中，投入的工作量占本人工作总量的50%。
完成人8：
姓名：
李晶
职称：
讲师，学校：
东南大学
排名：
8
曾获国家科技奖励情况：
无
对本项目技术创造性贡献：
项目完成人对创新点2和4作出了贡献。
完成人综合系统设计、以活动为中心的设计、感知分层以及感知次序编码理论方法，构建了人机界面的信息编码层次结构，提出了均衡认知负荷的编码原则和方法。
完成人为复杂信息系统人机交互领域解决认知负荷问题提供了信息编码方法和实验方法，为认知负荷失衡的人机界面问题提供了有效的研究思路和方向。
完成人在该项技术研发和应用推广工作中，投入的工作量占本人工作总量的50%。
九、主要知识产权证明目录：
知识产权类别
知识产权具体名称
国家（地区）
授权或申请号
授权日期
证书编号
权利人
发明人
发明专利
一种基于图标脑电控制的数字界面交互方法
中国
CN2.3
东南大学
薛澄岐;牛亚峰;王海燕;李晶;陈默
发明专利
一种复杂系统人机界面可用性的检测方法
中国
CN2.2
东南大学
薛澄岐;李晶;王海燕;牛亚峰;邵将
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