《Proceedings of the Human Factors and Ergonomics Society Annual Meeting》：Stop Allocating, Start Coordinating: Graph-Based Functional Modeling of Human-Machine Architectures
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为实现优雅的可扩展性，系统架构必须支持人机协调。本文将一种以协调优先的设计方法操作化，通过联合策略分析工具包（Joint Strategies Analysis Toolkit, JSAT）——一个基于图的功能建模框架——加以实现。为克服设计新型机器能力时“构
为实现优雅的可扩展性，系统架构必须支持人机协调。本文将一种以协调优先的设计方法操作化，通过联合策略分析工具包（Joint Strategies Analysis Toolkit, JSAT）——一个基于图的功能建模框架——加以实现。为克服设计新型机器能力时“构想阶段”所面临的挑战，JSAT采用递归引导式方法论，利用功能模型形成关于人与机器如何协调的假设。通过一个灾难响应场景，研究人员展示了JSAT如何在映射核心操作功能的同时，识别支撑系统可扩展性所需的协调关系。通过分析所得的有向图，并应用反馈循环和共享权限等结构指标，JSAT使设计者能够生成关于潜在协调瓶颈的假设、预判权限与责任的不匹配、探索设计权衡，并最终开发出集成良好的人机系统。
一、研究背景与问题
在复杂操作环境中开发新型自主能力的工程师们往往低估了与人类进行协调的必要性。当自动化系统未能达到其目标自主水平时，与人类的协调便成为维持和扩展性能的关键。因此，构建支持协调与适应的人机系统架构是一项关键的设计目标。然而，传统的人机系统设计策略（如自动化层级）被批评为过度聚焦于“谁做什么”的设计问题，而非关注如何让人与机器实现协调。为应对这一挑战，本文提出了一种“以协调为先”（coordination-first）的设计方法，并通过联合策略分析工具包（Joint Strategies Analysis Toolkit, JSAT）加以操作化。JSAT是一个交互式的基于图的功能建模框架，旨在帮助自主系统的开发者早期识别和追踪功能间的相互依赖关系以及管理这些依赖所需的协调活动。尽管该框架的理论基础已在先前研究中建立，本文重点展示其如何实现协调优先设计的目标，为设计者提供功能表征，支持其对替代性人机系统架构进行设想、揭示设计权衡，并为未来的设计与评估工作提供依据。
二、研究方法
本研究采用了一种递归引导式（recursive bootstrapping）的方法论，该方法论贯穿整个设计过程，将功能模型视为一种人造物，通过在迭代开发和精炼过程中支持对认知工作和设想的操作的探索与发现。具体而言，该过程分为三个阶段：第一阶段，基于文献资料进行初始模型构建，研究人员综合已有领域文献（如Murphy在2014年对灾难机器人的综述）并分析类似操作案例，提取支持操作目标的核心功能。第二阶段，通过场景驱动的启发与设想，利用初始功能模型引导并与领域专家和最终用户进行讨论。第三阶段，进行迭代精炼，随着领域专家在场景演练中发现缺失功能或意外协调挑战，持续修订和完善功能模型。此外，研究者运用图论指标对有向图进行结构化分析，包括追踪人机角色之间的循环依赖关系和表征角色流动性。
三、研究结果
建模活动1：发现功能依赖关系（图的节点与边） 设计过程始于识别高层级系统目标（如“地形导航”和“定位受害者”）。研究人员将这些目标的实现过程抽象为一组通用的、不特定于任何智能体（agent）的功能函数。例如，“受害者分类”需要一个“视频流”资源作为输入，并产生一个“受害者分类”资源作为输出。这种函数-资源关系的映射构成了有向图的基础。该图并非严格的过程流程图，而是一张概念性的功能关系与依赖地图，反映了真实世界中由环境需求驱动的循环反馈模式。
建模活动2：探索人机架构与协调需求 本活动探索将功能分配给人类或机器角色的不同方式，并识别由此产生的智能体间相互依赖关系。例如，当将“受害者分类”功能分配给自动化智能体时，设计者可能意识到算法在意外情况下的性能部分依赖于人类提供上下文信息，从而触发对协调功能的补充。JSAT将协调需求表示为管理智能体间相互依赖所需的协调功能（coordination functions）。研究者对比了两种架构：架构1中自主智能体执行“受害者分类”和“机器人路径规划”，人类执行“危险映射”；架构2中角色互换，自主智能体只执行“危险映射”。通过显式添加协调功能（如“评估分类”、“重新分类”），JSAT揭示了真正的工作需求，并直接影响后续硬件与软件设计决策。
建模活动3：刻画联合活动空间 图表示法支持通过图论指标对“工作结构”进行定量分析。研究发现，函数与资源之间的循环（cycles）指示了紧密耦合的活动绑定，参与其中的智能体活动高度关联，可能引入恶性循环的风险。通过识别和追踪这些循环，设计者可预先确定监督与协调机制。另一个分析指标是角色灵活性比率，即由多个智能体共同执行的函数数量与单一智能体执行的函数数量之比。研究表明，拥有更多角色流动性的架构能为系统提供更大的现场重构能力，以适应变化的需求，但同时也会产生新的协调需求。
建模活动4：推演技术约束与协调需求 当功能模型充分填充了任务相关需求和协调需求后，设计者可从两个视角推导所需的协调能力。视角一：对自动化智能体的协调，要求智能体支持其他方（如人类）的协调功能。例如，若人类需要对无人机的“受害者分类”功能进行“监控”和“评估”，则算法必须具备足够的可观测性（observability），界面需提供置信度分数、边界框或备选假设等信息。这可能导致设计者选择基线精度较低但可观测性更高的算法。视角二：来自自动化智能体的协调，要求智能体执行自身的协调功能，如“意图共享”或“委派”，以保持人类知情并采取适当行动。
四、结论与展望
随着安全关键领域越来越多地拥抱自主与人工智能能力，传统的“全盘自动化”设计策略限制了人机系统适应意外事件的能力。本文演示了JSAT如何通过将协调优先的设计理念操作化，积极促进系统在更大操作系统中的可扩展行为。通过将功能建模与有向图形式相结合，JSAT在设计早期显式映射协调需求，并更详细地假设需要何种机器能力来支持协调与适应。最终，JSAT旨在为设计者提供工具，用于识别和考虑系统架构中有利于实现优雅可扩展性的可设计因素。
未来研究仍需进一步成熟该框架与方法：首先，需要通过人在回路仿真和计算仿真验证从模型分析中获得的洞察；其次，当前的图结构抽象了高节奏环境的时间动态性，未来迭代将整合动态仿真以分析功能过程和信息的流动与交互；最后，需要进一步研究评估该方法在不同领域和人机设计问题上的泛化能力，将其应用于医疗、航空和太空操作等领域，并识别JSAT建模与设计的通用模式。
