（应用心理学专业论文）基于epic体系的一体化摹打模型——设计与仿真.pdf

基于二e p i c 体系的一体化摹打模型设计与仿真 、史摘耍 基于砰i c 体系的一体化摹打模型设计与仿真 摘要 实验心理学研究太偏重分析而轻视综合，有关临摹范文打字的实验研究已经 总结了近3 0 条现象，却缺乏统一解释的理论框架。十几年前，n e w e ll 曾针对 这种状况提出认知一体化理论( u t c ) 的构想。如今虽然u t c 的目标远未实现， 但各种前驱研究正紧锣密鼓地在世界各地展开。在这种研究背景下，本研究以 认知一体化理论为指导，在对现有的各种前u t c 体系进行了比较研究的萋础上， 确定以执行过程交互控制( e p i c ) 体系作为仿真框架，以s a l t h o u s e 的摹打研 究总结为数据支持，利用c o g e n t 认知仿真系统建模工具建立一个仿真摹打的可 计算过程模型。以期最大限度她统一摹打现象的解释。 通过对多种实验任务的仿真模拟，与对应的实验数据相比较。结果表明该 模型能够很好地解释这些摹打实验现象。与以往摹打仿真模型显著不同的是， 本模型不仅有更竟的适用范围，适合于不同熟练程度和不同临摹材料的打字仿 真，而且可以提供多种与实验可观测数据比较的仿真运算输出参数，从而可以 把以往在不同的实验中测定的现象纳入一个框架内进行解释。 本研究不仅深化了对摹打任务的研究，而且对e p i c 体系也是一次很好检 验，在仿真分析中对e p i c 体系的知觉处理器和动作处理器的增强设计也把它向 真正的u t c 推进一步。此外，在这样一个不变结构模型建立之后，本研究不仅 通过模型统一解释了以往的多种实验现象，还可望在任务分析的基础上对尚未 观铡到的效应进行预测。 基于e p i c 体系的体化摹打模型设计与仿真 英文摘要 t h eu n i f i e dm o d e lo ft r a n s c r i p t i o nt y p i n gb a s e do i lt h e e p i ca r c h i t e c t u r e - - d e s i g na n ds i m u l a t i o n a b s t r a c t t h ep r i o rr e s e a r c h e sr e l e v a n tt ot r a n s c r i p t i o nt y p i n g ( t t ) h a v eb e e nf a i l e dt or e a c h at h e o r yf r a m et oe x p l a i ns o m e3 0p h e n o m e n a s ow i t ht h eg o a lo fs e t t i n gu pat h e o r y f r a m ei nm i n da n dd i r e c t e db yt h e “u n i f i e dt h e o r i e so fc o g n i t i o n r u t cw a sp u t f o r w a r db yn e w e l ls e v e r a ly e a r sa g o ) ，w ec h o s et h ee p i c ( e x e c u t i v e - p r o c e s s i n t e r a c t i v ec o n t r 0 1 ) s y s t e ma st h es i m u l a t i o nf r a m ea f t e rc o m p a r i n ge x i s t i n gp r e - u t c s y s t e m s ，m a d eu s eo ft h et te x p e r i m e n td a t ao fs a i t h o u s c ( 1 9 8 6 ) ，a n dw i t ht h eh e l po f t h ec o g e n tc o g n i t i v es i m u l a t i o ns y s t e mm o d e l i n gt o o lt oh a v ee s t a b l i s h e df m a i l va c a l c u l a b l ep r o c e s s i n gm o d e lo ft t ( w en a r di tu m t t , u n i f i e dm o d e io f l r a n s c n p u o nl y p m g ) w es i m u l a t e ds e v e r u lk i n d so fe x p e r i m e n tt a s ka n dc o m p a r i n gt h er e s u l t sw i t ht h e r e a le x p e r i m e n td a 衄i ts h o w e dt h a tu m t tc s g te x p l a i nt h o s et te x p e r i m e n t sf a i r l y w e l l a n dm o r et h a nt h a t , t h e r ea r es o m en o t a b l ed i f f e m n c e sb e t w e e no u rm o d e ia n d t h ep r e v i o u st ts i m u l a t i o nm o d e l s t h ef o a n e rn o to n l yh a sw i d e rs i m u l a t i o nm g c f o rd i f f e l 黜n tp r o f i c i e n c y 出私sa n dt y p i n gm a t e r i a l s ，b u ta l s oc a np r o v i d em a n y k i n d so fo u t p u t , w h i c h 啪b ec o m p a r e dw i t hr e a le x p e r i m e n td a t a s ow ec a nb r i n g t h er e s u l t so f d i f f e r e n te x p e r i m e n t si n t oo n ef l s m ea n de x p l a i ni t o u rs t u d yt e s t e dt h ee p i cs y s t e ma sw e l la sd e e p e n e dt h er e s e a r c ho f t r a n s c r i p t i o n 锣p i n gt a s k s a l s ot h ee n t u m c i n gd e s i g no fp 髓c e p t u a ia n dm o t o rp r o c e s s o r sm 畦e e p i cc o m ec l o s c rt ot h eu l t i m a t eg o a lo fu r c m o r e o v e r , w eh o 口ct 0b ea b l ct o p r e d i c ts o m ee f f e c t su b k n o w nn o w a f t e rh a v i n ge s t a b l i s h e du m t t , as t r u c t u r e - s t a b l e m o d e l x e y w o r d u m t tu t c e p i c t r a n s c r i p t i o nt y p i n g i 【 基丁e p i c 体系的一体化摹打模型设计与仿真 l 引言 1 引言 1 1 摹打研究的回顾 人类高速技能运动一直是认知心理学的重要研究对象，因为在这种任务受 限情形下，可观测行为可以显露出人在信息加工处理过程中各个方面的能力极 限，从而有助于洞察心智的体系结构。在各种高速技能运动中，临摹范文的打 字输入任务( 以下统称为摹打) 用来研究人类信息加工结构比其它活动有更多 的优势：第一，打字员的行业比较大，容易选取各种水平的被试，且实验测定可 以很方便地由计算机完成，研究起来较为方便：第二，尽管打字过程看起来是 连续的，但打字行为本质上可以分为几个阶段，并可很方便地通过击键响应度 量；第三，除了看起来比较简单以外，这一任务实际上牵涉许多复杂的知觉、 认知和动作处理的交互过程，它不仅要把材料进行识别识记，还要合适地裁分、 精确地转换为相应物理上的动作序列，而且动作速度要达到几百键每分钟。对 这个包容大量不同处理、不同认知加工环节之间如此精确和高速协作的任务的 全面了解，必将有助于对更广泛认知领域内高技能操作内在机制的更清楚认识。 对于摹打过程时分特征( t i m i n gf e a t u r e ) 的研究曾经有两个相互对立的 观点：一种是完全周边控制因素决定论的观点。他们认为，之所以在高速作业 中二合字母的平均击键问隔时间双手显著小于同手异指和同指异键( 多种研究 手段的结果可证明这种现象的客观存在， g e n t n e r ，1 9 9 3 ) ，是因为双手交替击 键时所受的生物物理限制比同手异指小，从而在时间上能够有较大的重叠，在 此基础上他们提出进一步的假设；文字录入的节律是由手和手指的解剖结构、 以及键盘的布局等外周因素所控制，不存在中枢时间控制。如r u m e l h a r ta n d n o r m a n ( 1 9 8 2 ) 构造的一个模拟熟练文字录入过程模型，就完全排除了中枢因素。 该模型的模拟结果虽然与人类录入作业某些特点相吻合，但无法解释熟练打字 员在放慢打字速度后击键节律趋向平均的现象：熟练打字员放慢速度后双手单 手同指情形下二合字母的平均击键闻隔时间趋向相同，这个现象说明了打字员 的中枢调节可以影响击键的节律。另一种观点从每种熟练技能运动在长时记忆 中存在一个一般化程序出发( 这一点在以往的研究中也有比较强的实验证据 g r i l l n e r ，1 9 8 5 ；c h a s e 和e r i c s s o d ，1 9 8 2 ，a n d e r s o n 引用，1 9 9 5 ) ，认为熟 练技巧运动的时间节律完全由中枢因素所控制，而与周边因素无关。这与一个 理想化机器人很相似，机器人的操作绩效是控制程序的直接反映，而与机器人 的机械手臂结构无关。比例时延模型( p r o p o r t i o nd u r a t i o n m o d e l ， g e n t n e r ，1 9 8 7 引用) 是这种观点的典型表现。在该模型中，即使某一 基丁e p i c 体系的一体化摹打模型设计与仿真引言 动作序列花费的绝对时问增加了，每一坯节住皑个时上所占的比例仍保持恒 定。g e n t n e r ，d r ( g e n t n e r ，1 9 8 7 ) 对这个模型进行了详尽的测试，最后指 出在大多数情况下实验数据分析不支持这个模型，这个结果说明单纯中央因素 决定论也是不正确的。 随着研究的深入，目前研究者趋向于承认中枢因素和周边因素在文字摹打 过程中都发挥作用。g e n t n e r 、l a r o c h e l l e 和g r u d i n ( 1 9 8 8 ) 在研究中分另i j 对影 响摹打的中枢因素和周边因素进行控制后发现，录入中键盘布局和手的生理解 剖结构等周边因素是决定击键过程的主要因素，由周边因素导致的二台字母频 率效应要大于中枢因素控制的词频及音节边界效应( g e n t n e r ，1 9 8 8 ) 。他们 ( g e n t n e r 、l a r o c h e l l e 和g r u d i n ) 还指出，不同语言因素在录入过程的不同 阶段起作用，词频效应产生于知觉一记忆阶段，而二合字母频率效应发生在运 动执行阶段。i n h o f f 和w a n g ( i n h o f f ，w a n g1 9 9 2 ) 的研究也发现，摹打过程中 跟动( 知觉) 和手动在认知水平上存在着相互协调的时锁关系。以上这些研究 充分表明，录入技能是知觉、认知加工和运动诸过程相互协调、共同作用的结 果。 1 2 认知体化理论( t k t f i 戗lt h 哪o fc o g n i t i o n ) 科学的研究有两种方向一种是自上而下的分析，一种是自下而上的综合， 分别对应哲学认识方法学的还原论和整体论。一般科学的认识发展过程都是先 描述、后抽象、再分析、进而综合、最后进行预测乃至控制。然而，日前实验 心理学存在着偏重分析而轻视综合的问题。 这种局面的弊病n e w e l l 在二十几年前就曾指出：实验心理学太多地专注于 狭窄领域的实验研究而忽视了建构一个大的理论圈景，这种做法已经阻碍了心 智行为的科研进程。正如n e w e l l 所看到的，实验心理学的研究已经积累了大量 的基本事实，但心理学的理论化依然没有形成一个能够在不同应用领域内都有 充分实践效用的通用理论，只发展出一些在限制人工背景下对某- - 4 , 类经验现 象进行解释的、互不相干的微理论、微模型。如何把这些大量的、分散的实验 事实整合井纳入一个统一的理论体系，成为遗留下来的巨大的心理学数据难题 ( n e w e l l ，1 9 9 2 ) 。为了打破这种局面，n e w e l l ( 1 9 9 0 ，1 9 9 2 ) 和他的同事( c a r d ， m o r a n ，n e w e l l ，1 9 8 3 ：l a i r d ，n e w e l l ，r o s e n b l o o m ，1 9 8 7 ) 倡导要发展认 知一体化理论系统，按他们的设想，一个理想u t c 应该是统一的一套机制系统， 这些机制的协调操作可以仿真人类认知领域的全部现象( n e w e ll ，1 9 9 0 ，p 1 ) 。 这种理想的动机不言而喻：认知心理学的任务在于发现认知加工过程信息处理 机制的不变结构，缺乏这样一个可用来规范研究的框架，就无法有目的和针对 基te p i c 体系的一体化摹打模型设计与仿真 1 引言 性地选取研究对象，也无法对现有实验现象的多种解释进行有效的判别( n e w e li 。 1 9 7 3 a ，p p 2 9 3 ，2 9 6 ) 。n e w e l l 认为。u t c 的概念系统应该有由一些互相联结 的处理部件组成的细致的信息处理结构，这些部件负责处理知觉、认知和行动 的一般符号化计算和处理。一个完整的u t c 体系在执行程序时应该能够充分地仿 真全部的心智进程、全部的有关学习、记忆、知觉动作技巧、语言理解、决策、 问题解决和其它复杂功能的行为。在他( n e w e l l1 9 9 0 ，1 9 9 2 ) 看来，现在已经 有足够的实验数据可用来建立一个u t c ，建立一体化理论必须成为当前实验心理 学和认知心理学的首要研究目标。注意与绩效评论集的一些优秀撰稿者也呼吁 响应这种一体化：“目前最迫切的需要是一个关于注意的一体化可计算理论” ( a l l p o r t ，1 9 9 3 ，p p 2 0 5 - - 2 0 6 ) “我们需要一个不同环节相互交互的理论， 由于相互独立的理论在每个领域内都在增多，要找出它们之间的联系变得越来 越困难，只有可计算理论能够解决这个问题”( b r o a d b e n t ，1 9 9 3 ，p 8 7 6 ) 事 实上，u t c 可能会带来很多的研究便利。包括可以用逐步求精法建构理论、综合 不同方面的实验成果、辨别最佳处理过程、解决无原则随意解释的问题、推进 科学进程、促进实践应用等。通过对现存不同来源的理论结构进行综合，并把 它们纳入一个整体框架，u t c 可以解答以前实验心理学家留下的大量现象解释问 题，( 因为u t c 的功能特性必须接受来自大范围数据的全部模式的限制) 。对最佳 处理过程的辨别，既有助于规范技能动作又可以优化技脆动作的学习，还可 以预测最佳行为绩效。 目前实验心理学关于人的绩效已经得出超过3 0 0 0 条的规则，仅仅在摹打领 域就有3 0 条，但这些规则都是彼此闯无法联系的二元假设( 如早期还是晚期注 意选择记忆搜索是串行的还是并行的等等) ，无法判别它们之间是否一致或有 无冲突。笔者认为u t c 可望把实验心理学从这种无休止的假设、实验、拒绝、修 改假设再实验的循环中解脱出来，从而有利于认知科学的发展；而且u t c 还可以 应用手实践中，因为真实任务馕景( 如摹打作业) 都需要多方面认知活动的参 与，丽在这种情景下高效行为必须依赖许多信息处理部件间的交互协作，研究 者必须也把这些部件作为一个整体系统来对待，才可能对这些任务的执行过程 进行仿真模拟和解释。 1 3 本研究目曩的提出 在对摹打研究的回顾中，我们发现摹打任务的绩效不仅受补周因素影响， 也受中枢因素所控制，是一个涉及复杂的知觉、认知、动作的加工处理以及它 们之间交互关系的活动。实验心理学关于摹打的实验数据和研究报告已经非常 详尽( 业已提出的关于摹打的规则就有近3 0 条) 。但在这些规则之间存在着是 基于e p i c 体系的一体化摹打模型设计与仿真1 日l 言 性地选取研究对象，也无法对现有实验现象的多种解释进行有效的判别( n e w e l1 ， 1 9 7 3 a ，p p 2 9 3 ，2 9 5 ) 。n e w e l l 认为，u t c 的概念系统应该有由一些互相联结 的处理部件组成的细致的信恩处理结构，这些部件负责处理知觉、认知和行动 的一般符号化计算和处理。一个完整的u t c 体系在执行程序时应浚能够充分地仿 真全部的心智进程、全部的有关学习、记忆、知觉动作技巧、语言理解、决策、 问题解决和其它复杂功能的行为。在他( n e w e l l1 9 9 0 ，1 9 9 2 ) 看来，现在已经 有足够的实验数据可用来建立一个u t c ，建立一体化理论必须成为当前实验心理 学和认知心理学的首要研究目标。注意与绩效评论集的一些优秀撰稿者也呼吁 响应这种一体化：“目前最迫切的需要是一个关于注意的一体化可计算理论” ( h l l p o r t 。1 9 9 3 p p 2 0 5 - - 2 0 6 ) “我们需要一个不同环节相互交互的理论， 由于相互独立的理论在每个领域内都在增多，要找出它们之间的联系变得越来 越困难，只有可计算理论能够解决这个问题。”( b r o a d b e n t ，1 9 9 3 ，p 8 7 6 ) 事 实上。u t c 可能会带来很多的研究便利。包括可以用逐步求精法建构理论、综合 不同方面的实验成果、辨别最佳处理过程、解决无原则随意解释的问题、推进 科学进程、促进实践应用等。通过对现存不向来源的理论结构进行综合，并把 它们纳入一个整体框架，u t c 可以解答以前实验心理学家留下的大量现象解释问 题，( 因为i i t c 的功能特性必须接受来自大范围数据的全部模式的限制) ，对最佳 处理过程的辨别，既有助于规范技能动作，又可以优化技能动作的学习，还可 咀预测最佳行为绩散。 目前实验心理学关于人的绩效已经得出超过3 0 0 0 条的规则，仅仅在摹打领 域就有3 0 条但这些规则都是彼此间无法联系的二元假设( 如早期还是晚期注 意选择，记忆搜索是串行的还是并行的等等) ，无法判别它们之间是否一致或有 无冲突。笔者认为u t c 可望把实验心理学从这种无休止的假设、实验、拒绝、修 改假设再实验的循环中解脱出来，从而有利于认知科学的发展：而且u t c 还可以 应用于实践中，园为真实任务情景( 如摹打作业) 都需要多方面认知活动的参 与，丽在这种情景下高效行为必须依赖许多信息娃理部件问的交互协作，研究 者必须也把这些部件作为一个整体系统来对待，才可能对这些任务的执行过程 进行仿真模拟和解释。 1 3 本研究商墨的提出 在对摹打研究的回顾中，我们发现摹打任务的绩效不仅受外周因素影响， 也受中枢因素所控制，是一个涉及复杂的知觉、认知、动作的加工处理雌及它 们之间交互关系的活动。实验心理学关于摹打的实验数据和研究报告己经非常 详尽( 业已提出的关于摹打的规则就有近3 0 条) 。但在这些规则之间存在着是 详尽( 业已提出的关于摹打的规则就有近3 0 条) 。但在这些规则之间存在着是 基丁e p i c 体系的一体化摹打模型设计与仿真 l 引言 否有内在联系、有无相互冲突、可否相互解释等问题。对丁这些问题，现有的 关于摹打的模型或理论都没有能够很好地回答。现有的摹打理论或模型通常只 对某方面的效应作定性分析，属于那种“限制人工背景下的只对某一小类经 验现象进行解释的、彼此互不相干的微模型”。因此，、与前面临的问题在于：如 何依据认知一体化理论作指导，把大量实验心理学积累的关于摹打的离散实验 数据和实验效应纳入一个理论框架内解释? 转化为实际的研究问题就是在u t c 的基础上建构一个关于摹打任务的可计算仿真模型，也即所谓的一体化摹打模 型( t h eu n i f i e d 鼍o d e lo ft r a n s c r i p t i o nt y p i n g ) 的设计与仿真研究。正如 n e w e l l 所言，“一体化理论在仿真中的应用和理论的完善之间可以相互促进 个完善的理论可以导致有效的应用，一个好的应用对所应用的理论也是一个 巩固和不断完善的过程。”如果我们能够用某荦中一体化理论体系解释所有摹打相 关的实验效应，就不仅是对綦打研究的一大促进，也是对该理论的进一步验证 和巩固。 4 基fe p i c 体系的一体化摹打模型一设计与仿真 2 仿真体系及确定 2 仿真体系及确定 2 1 心理学的仿真研究 认知心理学主要有三种研究方法：心理学实验法、观察法( 包括自我观察) 和计算机仿真法1 。前两种方法侧重于发现和观测尚未觉察的心理现象，而后一 种方法则侧重于从己发现的各种心理现象中揭示认知过程发生的内部机制。 一般情形下入的行为受个体的气质、情绪、精神状况、行为习惯等影响， 显现出于交万化的形态，但在受任务情形或速度制约的条件下，人的控制行为 有一定的规律，这是实验心理学通过控制实验条件发现这些规律的基础。也是 用仿真方法将人的受限行为模型化的依据。 建模与仿真技术从字面上理解，就是构造研究对象的系统模型，模仿实际 系统运行该模型，对运行结果进行统计分析的研究方法。模型抽象地描述了一 个系统。它确定了模型中的元素及其彼此关系，而忽略了实际系统的许多细节， 但包括了理想的性能指标和明确的输入输出部分，反映了系统各主要因素之间 的逻辑关系和数字关系。一旦模型建立就可在此基础上进行仿真。所谓仿真就 是根据已经定义的系统运行规则和描述、利用计算机来运行仿真模型、模仿运 行状态和变化过程、观察和统计被仿真系统的仿真输出参数和基本特性、以此 来推断系统的真实参数和性能的研究方法。仿真的基本步骤是首先进行任务分 析，确定基本假设和理论框架；第二步是数据采集；第三步是确定仿真模型； 第四步是仿真程序的编锅和验证；第五步是仿真模型的运行；第六步是仿真输 出结果的估计分析。心理学的研究方法犹如黑箱方法，心理学仿真研究与心理 学实验研究是从不同角度来研究这个黑箱：实验心理学是在不打开黑箱的条件 下，控制黑箱的输入变量，观察其相应的辕出变量，从而研究黑箱的输出和输 入之间的关系及其行为方式；而心理学仿真是在对大量心理学实验现象分析的 基础上，根据这个黑箱的各种输入输出关系，推断黑箱的内部机构，通过构建 模型系统来仿真验证，从而对这种推断( 的结构体系) 加以确认或否定。 2 2 仿真的理论体系 自1 9 7 3 年n e w e l l 提出设想以来，u t c 的研究已经取得了长足发展。现 在已经发展出多种可计算的一体化理论体系：如仿真人系统( m h p ，t h em o d e l 王建、汪安墨，认知心理学) ，北京大学出版社1 9 9 2 年4 月第一| 铳，p 6 基于e p i c 体系的一体化基打模型泼计与仿真2 ，仿真体系及确定 u m a np r o c e s s o r c a r de la 1 1 9 8 3 ) ，a c t * 系统( j r a n d e r s o n ，1 9 8 3 ) 及a c t r p m ( b y r n e a n d e r s o n 1 9 9 7 ) ，, s o a r 系统( n e w e l1 ，1 9 9 0 ，1 9 9 2 ， i r de la t 。，1 9 8 7 ) ，n e w e l l s ( 1 9 7 3 a ，t 9 9 0 ，1 9 9 2 ) ，执行过程交互控制 体系( e p l c ，e x e c u t i r ep r o c e s si n t e r a c t i r ec o n t r o l ，d a v i de m e y e r & d a v i d e k i e r a s ，1 9 9 4 ) 等。这些理论体系常常被用来对实验现象( 认知科学) 或人机 工效( 人紊工程学) 进行仿真，故又称为仿真体系。2 各种仿真体系在设计时都有其侧重考虑的应用领域，本研究对目前存在的 各种u t c 体系，从主要功能特点、体系结构、以往实践应用效果等方面结合摹 打的任务特点进行了分析与比较从而为本研究选取个最适合的体系作为仿 真研究的框架。 2 2 1 仿真律系的比较及确定 2 2 1 1 ，仿真人曩麓 m i i p 是一个以c 涮一g o m s 3 为理论指导的、专门针对入机交互( h c l ) 的应用 而创建的可预测工程仿真体系。为了能够对在诸如文本编辑等t t c i 任务中人的 绩效进行精确的预测，c a r d 为m b p 设计了一些用于一般目的的存储器和一些功 能特性类似于人的加工处理单元。存储嚣储存短时工作记忆和长时陈述性记忆， 它们包括假定的信息编码、存储容量以及m t i p 形式表达的、与可用生理测定数 据一致的持续时间。加工单元有一个知觉处理器，一个认知加工处理器和动作 处理器，它们假定的操作时延与以前对刺激编码、响应选择和动作产生( c d s a n d e r s ，1 9 8 0 ：s t e r n b e r g ，1 9 6 9 ) 估计的时延数量上一致通过把这些加工 单元和存储嚣用繁头和方框图联为一个流程图，c a r d 在多种t i c l 任务仿真中获 得了精确度可以接受的工程绩效预测( c a r de ta 1 1 9 8 3 ) ：成功地展现了把来 自不同领域的可信的实验心理学数据整合为o t c 的可行性。然而，m t t p 的应用 范围是非常狭窄的。其处理器的设计过于简化没有能够包容所有视觉、听觉、 触觉、关节、眼动和操作通道的特征：m n p 的认知处理器和工作记忆存储器也 这里只列举所谓的标准信息加工体系而没有涵盖联结主义的建模体系。如j l m c c t e l l a n d 的g r a i n 体系。j a a n d e r s o n 的b r a i n s t a t ei nab o x ( b s b ) 体系等其实我候向于接 受联结主义建摸的思路，但联结主义体系对熟练技能运动的绩教的解释能力还有些欠缺。 ，g o m s ( c a r de ta l ，1 9 8 3 ) 理论的依据是认知心理学中关于人类解决问题的目标手段分析 的思想g 、0 、m 、s 分别指的是用户的目的( g o a l ) 、基本的行为与操作( o p e r a t o r ) 、达 到目的的操作序列：方法( m e t h o d ) 、选择鄢种方法实现目的的规则( s e l e c t j o dr u l e ) c 4 ) m s 根据以上四个方面把任务行为描述为针对目标的一些基本的信息处理操作的程序，从而预 测实际的操作或学习时间。目前g o m s 已经从最开始韵c 州一g o i s 发展为n g o l 6 s ( k i e r a s ，1 9 船) ：把描述语言修订为与普通计算机程序设计语言相近的结构化自然语言格 式，并增添一些诸如一个方法最多能有几步、目标如何设置和中止、哪些信息需要在执行 任务中记住等规则指令；c p m _ g 删s ( j o h n ，1 9 9 0 ) ：并行活动版g o m s 运用关键路径规划翻 表标示认知、知觉和动作从而直观地显示出哪些活动可以并行处理。k i e r a s 的一系列 研究标明g 0 豁对实际情形下一些复杂任务的功效或学习时间有良好的预测性。 6 薹王呈! ! ! 堡圣的一体化摹打模型设计与仿真2 仿鼠体系及确定 没有能够给出在不同任务条件下计算机仿真的输出。此外，任与本研究相同的 领域内， h 1 i z a b e t h ( 1 9 9 3 ) 曾经在m h p 体系的基础上建构过攀打专家模型 ( m e t t ：t h e m o d e lo f e x p e r t t r a n s c r i p t i o n t y p i n g ) 。该模型能在定范围内 定量的分析和预测专家级打字员摹打任务整体绩效，并可以与其它基于m h p 的绩效模型相整合。但却没有能够解释众多精细的摹打经验现象。 2 2 1 2 甜囊赡 a n d e r s o n 的a c t * 系统是人类联想记忆模型h a m ( h u m a nh s o c i a t i v e m e m o r y ，j r a n d e r s o na n db o w e r ，1 9 7 3 ) 和a c t 系统( j r a n d e r s o n ，1 9 7 6 ) 的综合，在体系功能上比删p 更完整和精确。a c t * 明确区分了陈述性知识和程 序性知识，引入一个产生式规贼形式的程序性知识系统，从而可以用该系统为 不同任务情景编挥不同的产生规则程序。a c t * 产生式系统的解释器设计比较完 善。有冲突判决机制，通过比较工作记忆中的当前内容和解释嚣中的规则条件， 决定是否执行规则的动作部分，同时输出比较的结果( 匹配还是不匹配) 。精心 设计的规则解释器、工作记忆和其它辅助性的构件使得a c t * 能够解释理解、推 理任务的反应时和精确度。此外，通过编译算法和程序性知识的转换算法a c t * 还可以解释认知一技术的获得现象。 由于a c t * 主要探讨的是学习、记忆、语言理解和推理等智力活动的中闯 过程，所以没有详细设计关于眼动、操作和关节的控制，在初始应用中也没有 超出思维模拟程序g p s ( g e n e r a lp r o b l e ms o l v e r ，n e w e l l a a n ds i m o n h a ) 的应用范围。近年来有人( b y r n e a n d e r s o n ，1 9 9 7 ) 又提出a c t r p u ( p m ：p e r c e p t i o ne u o t i o n ，旨在为a c t r ( a c t 女系列之一，a n d e r s o n 1 9 9 3 ) 添加视觉管理器和动作管理器来弥补这个不足，但在实验验证和实际应用方面 目前还需要做很多努力。 2 2 1 33 a 鳗曩t 删p 和a c t 之间的沟墼( 前者的设计着重于外周控制因素，后者着重于 中枢控制因素) 导致了s o a r 系统的创立。与a c 聃样，s o a r 也建立在产生式 系统基础上，但s o a r 对知觉动作和注意过程进行了更细致构思：把g p s 扩展 成为一种复杂的僵局驱动问题解决机制，并把其纳入认知处理器，发展出称为 组块( c h u n k i n g ) 的问题空间搜索算法，使系统在新的任务情景下能够自动获 得知觉一动作技能( 从1 f 百使技能动作学习过程的仿真应用成为可能) 。这些发展 使得s o a r 超越了在它之前的各种u c t ，短时间内在全世界范围便有了多个研究 机构和技术公司开展s o a r 的开发和应用研究工作，为s o a r 的完善和应用提供 了强大的发展动力。目前基于t c l 肛k 开发平台的s o a r 系统己经发展到8 2 版 本也间接说明这理论体系的蓬勃生机。 s o a r 仿真体系支持u n i x w i n d o w s 等多种平台，软件系统可在互联网上 墓je p i c 体系的一体化摹打模型设计与仿真 2 仿真体系及确定 但由于s o a r 实现眼动、操作和关节动作的仿真机制仍然过于简单，使得 它不能充分仿真关于知觉一动作的交互控制行为，因此对仿真摹打这一复杂的 知觉一动作行为也无能为力。 另外，s o a r 的并行任务处理的仿真能力也相对薄弱，有许多相关问题没 有解决，如：由什么样的执行过程在两个或更多的并发任务中计划和分配有限 的知觉、认知和动作的资源? 这个执行过程能否符舍任务环境对任务响应优先 级的限制? 执行过程和技能绩效是怎样把陈述性知识转换为程序性知识的? 为 何同一个入在不同类型任务的执行过程和不同程度的任务协调水平之间表现出 系统性的差异等。而摹打虽然不是一个多任务情形，但报告中有些相关现象的 实验设计却牵涉到多任务协调询题。如：专业打字员一边打字边口头回答问 题对绩效的影响，停止广度的测量过程( 打字时对突然事件的响应属于另一个 任务) 等等。 本研究在研究之初，曾经考虑过采取s o a r 来仿真摹打任务中的技能学习 现象，但由于以上提到的这些原因，最终只得放弃了这一初始设想。 2 2 i 执行腿交互拄体系昏1 0 e p i c 体系是m e y e r 和k i e r a s 运用c c t 5 理论，借鉴棚p 思想，同时汲取 了近年来认知心理学在信息加工和入机交互方面取得的最新进展( 理论与实验 两方面) 后，采用仿真技术构建的( 由m e y e r 用人工智能技术和l i s p 语言在u n i x 平台上开发为计算机软件仿真系统) 整合信息处理的体系，包括人体模型、认 知加工的心理模型以及环境模型。目的是为仿真人机交互任务中人的信息加 工过程提供一个“软硬件”平台。e p i c 体系的硬件指的是以产生规则的认知加 工处理器为核心、各种知觉动作处理器为外设的认知信息处理的仿真机( 在计 算机中也是以软件仿真的形式存在，故称仿真机) ，软件平台是前面提到的c c t 中提供的p p s 6 。在e p i c 仿真应用中，研究者首先要分析任务，确立任务环境的 仿真。然后要在软件平台上编制针对特定任务的过程规则程序，来仿真人在真 实任务情形下的执行过程。象删p 一样，e p i c 包括一系列处理器和记忆存储器。 处理器也分为知觉处理器、认知处理器、动作处理器( 又称作运动处理器) 三 种类型，但e p i c 在处理嚣的设计上比删p 更为精细如：知觉处理器又分为视 娅；丛1 2 ：! 曼星：婴i h ：4 m e s ! r ! 篮1 ! q ! z q ! 墼：薹星下载运行需要t e l 系统 支持，t e l 可在兰璺；妞：! 笪i 鲢i ! ：望2 迪堡! 丝坦q 丝! 婴：墨堡下载。 认知复杂性理论c u r ( c o g n i t i v ec o m p l e x i t yt h e o r y ，k i e r a s 和p o i s o n1 9 9 4 ) ，g o m s 的又一种扩展。该理论与以往各种g 0 螨相比主要是引进了精简产生式系统( p p s p a r s i m o n i o u sp r o d u c t i o ns y s t e m ) 用以处理人在交互中的认知获得。另外，c c t 将记忆的提 取、遗忘、确认和l 硼提取等认知操作显示表达出来，由此进行定性的评估( 通过目标结 构的分析，评估设计的自然性、完全性，清晰程度、一致性和效率等) 和定量预测( 如学 习时间、执行时间和认知负荷) 。增加了g o n s 理论的可操作指导性和计算机程序化的可行 性 参见前一脚注 e 基re p i c 体系的一体恍摹打模型政训与仿真2 仿真体系及确定 觉处理器、听觉处理器和触觉处理器等三种类型。e p i c 的知觉处理器从仿真感 官那里获得输入信息，然后输出到认知处理器的工作记忆存储器。e p i c 的认知 处理器里除工作记忆存储器外，还有长时记忆存储器储存陈述性知识、产生式 规则存储器存储程序性知识，以及一个多匹配多触发的产生式规则系统。认知 加工处理器本身没有学习机制，在接受知觉处理器的输入后，针对仿真任务作 一些必需的推理后输出控制命令，送给对应的运动处理器。 运用e p i c 体系建立的仿真模型称之为产生式过程模型，它比c p w g o m s 分析更有簸也更容易应用。仿真首先要运用c c t c b o v a i re ta 1 1 9 9 0 ；k i e r a sa n d p o i s o n1 9 8 5 对任务进行分析，把完成该任务所必须的基本过程表征为一个产 生规则集合的产生式系统。这样，当仿真任务环境输出个与具体任务实例相 关的仿真事件( 相当于任务中的实验刺激) 时，仿真模型便执行相应规则程序 来仿真响应这样便可以仿真人完成这一任务的过程，从而导出预期的行为及 其发生时间。与l o o p 模型的显著差异在于e p i c 模型是一个典型的及时反应模型： 模型中从过程知识导出的仿真反应不仅取决于特殊的任务情形，还取决于仿真 任务环境的实时变化 e p i c 的不足之处在于它是用来仿真人的绩效的体系，虽然比较全面域用 可计算理论袭征了人的知觉和动作过程，但在认知加工方面却很薄弱，程序性 知识依赖于对具体任务的分析，陈述性知识也由研究者事先确定很少考虑到 人的智能和学习能力，在闯题解决、决策、自然语言理解等方面的仿真能力显 得薄弱 经在一些工程可预测模型( 如：基于e p i c 的接线员任务的可预测仿真 模型 k i e r a s ，1 9 9 7 ) 和心理过程仿真( 如各种p r p 过程：t h ep s y c h o l o g i c a l r d r a c m r y - l 斌i o d ) 中的应用检验表明，e p i c 模型能够很好地预测人的工作绩效， 而且在使用上也比较方便。 2 2 2 5 车研究的仿真体系确定 本研究的目的是建构一个摹打模型，以往的研究表明，摹打并不需要太多 智力活动参与，而主要是受外周因素限制，因而今后在仿真时应着重考虑外周 因素对绩效的影响效应。在前面的仿真体系比较中可以发现：e p i c 的知觉动 作通道设计最为精细，尽管其认知处理器的设计不如s o a r 和a c t * 灵活细致， 但后两种体系在视觉通道和操作通道等方面存在的欠缺，使它们不适合于摹打 任务的仿真。基于以上分析，本研究选择了e p i c 作为摹打建模的仿真体系。 2 3 球i c 体系 仿真体系确定后，后续的仿真分析及建模都是在该体系所包含的一系列 认知假设基础上展开的。为了能够更清晰地解释本研究，我们进一步对e p i c 的 9 基于e p i c 体系的一体化摹打模型i 殳计与仿真2 仿真体系及确定 体系结构、主要组成部件、以及内含的认知假设等加队介绍说明。 e p i c 体系结构如图2 1 所示，下面对它的各组成部件加以说明 图2 一le p i c 体系框架圈 认知处理嚣认知处理器是e p i c 体系的核心，它相当于该仿真机的中央 处理器( c p i j ) 和内存，其中内存储存的是针对任务编制的规刘集合。认知处理 器具有周期时钟( 相当于系统的时钟周期，e p i c 假设时钟周期的平均值为5 0 m s e c ， 但可以波动变化，时钟周期的变化会影响和调整体系中所有环节的时间参数) ， 控制存储器的内容在每个周期的开始由各个知觉通道存储器的输入和前个指令 运行的后果( 任务状态信息的改变) 来更薪，在一个周期时延后把符合条件的动 作指令通过最节约产生系统( p p s ) 解释器解释后输出到运动处理器中去，然后 重复下一个周期。 工作记忆存储嚣 e p i c 的工作记忆存储器分为通道存储器和非通道存储 器。通道存储嚣包括各个知觉处理器对应的工作记忆存储嚣和各个动作处理器对 应的工作记忆存储器；前者存放的是对应知觉处理器的当前输入信息，后者储存 的是对应动作处理器的状态和准备的动作特征i 这些状态和动作特征每个执行 周期更新一次。非通道存储器有两个：控制存储器和工作记忆存储器；前者存放 任务的目标、状态、步骤等信息、刺激信息的识别号等，后者简称w m ，存放各类 任务信息，由于州的容量对任务完成的绩效的影响比较小，故e p i c 假设其容量 不限，存储信息不会丢失。 知觉处毽器 在e p i c 体系中是一个简单的通道，一个输入在一定时延后 输出，时延是这种知觉处理器的特征参数。每个感觉通道都有一个独立的知觉处 0 基于e p i c 体系的一体化摹打模型设计与仿真 2 仿真体系及确定 理器，对应各种知觉通道的信息接收的时间特征j i 向具有不同的延时参数，由已 知的认知心理学的实验结果确定。各知觉处理器的操作是并行的，处理过程是对 外界刺激的信息进行提取和识别后传至对应的通道存储器中。 运动处理嚣 用作仿真效应器官的部件，在e p i c 体系中也是一个简单的 通道，一个输入在一定时延后输出，时延是这种运动处理器的不同动作图式的特 征参数。 认知处理器把符合条件的规则( 包括动作类型、名称、参数) 输入运动处理 器后，e p i c 运动处理器负责把命令符号编译为控制物理效应器的动作特征集。根 据a b r a m s 、j o n i d e s 和g o r d e n 等人的